潍坊地区大规模风电场接入电网项目建设研究

在新能源中，风能是一种节能、廉价型的天然优质能源，蕴藏含量大大超过水能。但风能在开发利用时表现出一定的缺点，风电场接入改变了传统配电网功率单向流动的状况，引起了诸如电压调整、继电保护等问题，为电网规划、运行管理等带来巨大挑战。本文将针对风电场对于潍坊电网的影响进行相应的研究，并提出相应的解决方案，以保证潍坊电网能够正常稳定运行。

1、风电发展概况

1.1 国外风电发展概况

目前，美国风电约占其国内电力消耗10%，近10年来美国政府在大型风轮机研制开发方面的投资额年均增长22%。最近，美国又转向研究其海上风能资源。欧盟一直不遗余力地支持风力发电事业发展，目前欧洲风能占总电能需求的8%，风力发电能力达40000 MW，已成为主要能源之一。在亚洲，利用风能资源最好的国家是印度，据预测印度经济增长需要新增电力24000MW，其中5%将来自于风力发电。在南美和中美洲，巴西具有巨大的风能资源，预计风力发电装机能力达l350MW，阿根廷和墨西哥的部分地区也适合风力发电。

1.2 我国风力发电情况

我国风能资源开发利用较早，但规模化风力发电场建设始于20世纪90年代。到2006年底，全国风电装机容量已达到260×104kW，比2005年增长105%，列世界第六位，全国3311台风电设备分布在16个省的91个风电场。在国家科技攻关项目、863计划等项目的支持下，截至2010年我国已经具备多种规格的风力发电机组批量生产能力，目前大规模风电场中安装最多的机型是1.5MW风力发电机组。

1.3 潍坊风力发电情况

潍坊地区北临渤海湾，南方为山地丘陵。在北部地区风力资源较为丰富，适合发展临海风电；而南部地区由于受到山地风力影响，也适合兴建风电场。潍坊区域共有16个区域适合兴建风电场，预计陆上潜在风场面积达1009km2，总装机容量约为175万kW。预计将在潍坊地区建立海上风电场6座，风场总面积为381km2，总规划容量为115万kW。

2、风机建模

以常用的异步感应风机为例，该风机的发电机直接与电网相连，在风速变化时，采用定桨距控制或者失速控制维持发电机转速恒定。异步感应风力发电机并网控制系统主要由桨距控制模块、空气动力系统模块和轴系模块构成。其各模块数学模型将在下面进行分析介绍。

2.1 空气动力系统模型

该模型用于描述将风能转化为风机功率输出的过程，其能量转换公式为：

（2-1）

式中 为空气密度（kg/m3），R为风机叶片的半径（m），v为叶尖来风速度（m/s），CP为风能转换效率，是叶尖速比与叶片桨距角的函数，表达式为：

（2-2）

叶尖速比定义为：

（2-3）

式中ωw为风机机械角速度（rad/s）。

2.2 桨距控制模型

PI调节器的下限值refmin一般设为零，这样当发电机转速ωg低于额定转速ωref时，PI调节器的输出ref为零，桨距角相应地被控制在0°，伺服控制系统不动作。当发电机转速ωg高于额定转速ωref时，PI调节器的输出ref大于零，伺服控制系统动作，实现桨距角的调节。伺服系统中相关的限幅环节动作特性如下：

式中T为伺服控制系统的比例控制常数，Tmax和Tmin为伺服控制系统比例控制输出的上限和下限幅值；max和min为桨距角上限和下限幅值。

3、风电场接入方案

3.1 风电场接入原则

（1）经济性原则

在制定风电场接入方案时，应首先考虑风电场接入220kV变电站的线路长度最短。按照该原则进行风电场接入可以减少输电线路长度，节约风电场接入投资。当最近变电站的出线间隔不满足要求或其他原因可能不能接入时，考虑接入次近变电站。

（2）风场容量与接入电压等级

在风电场进行并网接入时，通常采用线路为LGJ-300线路。对于该型号线路，该导线额定电流为710A，最大负荷为131MVA。因此，当风电场总装机容量在13万kW及以下时宜采用110kV接入；当容量略大时，可选用LGJ-400线路采用110kV接入。该导线额定电流为825A，最大负荷为160MVA。亦可考虑采用220kV接入。当风电场容量继续增大，则必须考虑采用220kV接入。

（3）风电场位置与接入电压等级

根据电网技术导则110kV的最大传输距离为60km。当风电场距离最近变电站最大长度不超过60km时，可采用110kV接入。否则宜采用220kV接入。

（4）边界风电场

对于位于潍坊南部的部分风电场，虽然按照上述条件，可以接入潍坊电网。但根据实际情况，也可考虑接入潍坊区域外电网。

（5）风电场的接入不影响到电网的正常运行。

3.2 风电场接入方案

按照上述风电场接入原则，对各个风电场进行接入方案研究，最终制定了两种接入方案。

4、方案经济性分析

针对当前的设备造价进行调查，110kV的LGJ-300线路造价为100万元/km，220kV的LGJ-300线路造价为170万元/km，风场出口出的SVC的造价约为10万元/MVar。对方案一和方案二进行分析，由于无功补偿的造价已经确定，所以风电场并网造价将由风电场线路决定。从中可以看出，风电场采用方案一和方案二其建设差价平均在200万元至300万元之间。由于无法了解潍坊的实际地形，仅考虑风场并网线路为直线传输，因此可能存在一定的偏差。在风电场实际建设中，还需根据风场的实际接入方案进行分析。综上所述，在实际风场建设中，方案一和方案二在技术上均为可行性方案，而方案一较方案二投资较少，在实际中为优选方案。