风电与燃气轮机互补发电容量配比的仿真研究.pdf

风电与燃气轮机互补发电容量配比的仿真研究
包能胜1,2,刘军峰 1,倪维斗 2
(1 汕头大学能源科学研究所,汕头 515063
2 清华大学热能工程系,北京 100084)

摘要:本文对在我国新疆地区采用风力发电与燃气轮机发电组成的互补发电系统的结构和在一定风能资源
条件下两种发电系统的容量配比进行了研究。论文首先针对实测的新疆达坂城风电场的风速数据,采用整
体风电场功率输出模型,得到了风电场的输出与分布。根据实际的风电场输出负荷,设计了互补中燃气轮
机的几种方案。针对燃气轮机的部分负荷运行特点,设计了不同方案的互补运行规则。最后根据不同运行
规则,计算了互补系统的整体特性,得到了在一定条件下风电与燃气轮机发电最佳的容量配比。
关键词:风力发电机,燃气轮机,互补发电系统,容量比
0 前言
新疆有丰富的风能资源,目前新疆风电装机总容量占全国的 20%。如果今后按照达到
全国风电总装机容量的 10%以上考虑,新疆“十一五”末风电装机至少应为 50 万千瓦,2020
年至少应达到 200 万千瓦。如果按照达到全国风电总装机容量的 20%以上考虑,新疆“十一
五”末风电装机至少应为 100 万千瓦,2020 年至少应达到 400 万千瓦。根据<<新疆维吾尔
自治区电力工业“十一五”规划及 2020 年远景规划>>,将力争在 2005 年实现新疆电网与西
北电网的 330kV 联网,届时新疆就可以按照<<可再生能源法-可再生能源配额制度>>完成绿
色电力的外省输送销售,新疆风电必将有更大规模的发展。
为了能够降低风力发电的发电成本,现在大多采用总容量为几十万千瓦级的风电场。
由于风所自然具有的随机性、波动性以及不可控性,使得风电场的出力波动极大,当风电的
容量占到电网总容量一定比例时,这种波动对电网的频率与电压稳定性会造成不良的影响
[1,2,3]。为了能够消除由于大规模开发发电所带来的对电网稳定性不良的影响,国内外提出了
多种能源互补系统,如风电-水电互补系统[4,5,6],风电-太阳能发电互补系统[7],压缩空气储
能[8],风电-柴油机发电互补系统[9],风电-氢能储能系统[10],风电-高温燃料电池发电互补
系统[11]等等。为了能够大规模开发新疆的风能资源,同时考虑消除风电场输出随机性对电网
的不良影响,针对新疆的实际特点,本文提出来一种新的基于风力发电和燃气轮机发电的互
补发电系统(风然互补系统)。
风燃互补系统包括一个装有几十台风力机的风电场和几台燃气轮机组成的燃气轮机
电站,如图 1 所示。配置燃气轮机的目的是通过燃气轮机的快速启停和出力调节来补偿由于
来流风速的波动而引起的风电场出力的波动,使得整个发电系统能够输出平稳的出力,消除
由于大规模开发风能对电网的不良影响。为了能够保证互补系统有较高的经济性,根据当前
风电场普遍的总装机容量,互补系统一般采用小型燃气轮机(10MW~40MW)。
针对新疆当地实际的风能资源状况,本文将研究以下的问题:
(1). 互补系统的总容量
(2). 风电场与燃气轮机容量的配比
(3). 风力机的台数与机组型号
(4). 燃气轮机的台数与机组容量

基金项目:广东省自然科学基金项目(NO:0410980)
图1 新型的风电-燃气轮机互补风电系统的示意图
1 风电与燃气轮机系统
风电场系统
为了计算整个风电场的出力,
首先必须计算单机的出力。根据图 2
给出的 Gamesa G80-2MW 机组来流风
速和对应输出的功率,对于任一台机
组,它的出力可表示为,
 0 V < Vin

Pw,k (V ) = Pw,k (V ) Vin ≤ V < Vout

 0 V ≥ Vout

其中, Vin 为机组的切入风速,
V 为切出风速, P (V ) 为机组的
图 2 风电场中单机和多机风速功率曲线 out w,k
出力。对于 Gamesa G80-2MW 机组,
Vin = 4m / s ,Vout = 25m / s 。
为了计算整个风电场的输出功率,我们先做一些合理的假设。
(1) 本次的 1993 年的风速数据能够作为有效的数据用于风燃互补能源系统的分析。
(2) 在本次研究中,我们暂时不考虑风电设备因维修、各种故障引起的机组解列等机
组不正常运行,假设风电场所有设备的利用率都为 100%。
(3) 我们暂时不讨论机组不同位置、地貌以及相互尾流对机组出力的详细影响,把这
些影响统一用一个权函数来考虑,在以后的系统经济性分析中再通过风电场来
流的风速模型详细讨