風(fēng)電并網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)運(yùn)行目 錄第1章 緒論 11.1概論 12世界能源狀況和氣候變化 1

2.1引言 172基本原理 172.2.1電磁學(xué) 172.1可再生能源 2

2.2.2磁路 193風(fēng)力發(fā)電 4

2.2.3電磁感應(yīng) 191.3.1背景 4

2.2.4供電 2032風(fēng)電機(jī)組容量和出力的

2.2.5變壓器 21變化 5

3交流供電 231.3.3發(fā)電量…………6 2.3.1穩(wěn)態(tài)交流系統(tǒng)功率 231.4設(shè)計(jì)選項(xiàng)……………7 2.3.2相量 241.4.1葉片……………7 2.3.3交流系統(tǒng)的功率 261.4.2控制和傳動(dòng)系統(tǒng)………………7 2.4電力系統(tǒng)簡(jiǎn)介 271.4.3主要設(shè)計(jì)選項(xiàng)小結(jié)……………8 2.4.1三相系統(tǒng) 271.5風(fēng)電場(chǎng)………………8 2.4.2單相系統(tǒng)與三相系統(tǒng)的1.5.1海上風(fēng)電場(chǎng) 9

2.4.

比較 281.6經(jīng)濟(jì)性 101.6.1風(fēng)電機(jī)組價(jià)格 101.6.2發(fā)電成本 101.6.3二氧化碳減排 127并網(wǎng)和變化性—關(guān)鍵問(wèn)題 27.1風(fēng)電的波動(dòng)性 131.7.2容量可信度 14

...2.5

三相供電 29平衡星形聯(lián)結(jié)負(fù)荷 30平衡三角形聯(lián)結(jié)負(fù)荷 30一些有用的慣例 31復(fù)功率 31等效單相法 32標(biāo)幺值系統(tǒng) 331.7.3嵌入式發(fā)電的效益和18 儲(chǔ)能……………151.7.418 儲(chǔ)能……………15將來(lái)的發(fā)展 151.8.1技術(shù)方面 15

輸電 352.5.1線路參數(shù) 352.5.2線路模型 372.5.3輸電 382.5.4電壓調(diào)節(jié) 391.8.2未來(lái)價(jià)格趨勢(shì) 16

第3章 風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 411.8.3市場(chǎng)發(fā)展 161.8.4并網(wǎng)問(wèn)題 16

3.1引言 413.2風(fēng)電技術(shù)的歷史回顧 41第2章 電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí) 17

3大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇………423.4獲取能量和功率控制 43

目 錄 Ⅸ第5章 電力系統(tǒng)運(yùn)行 1073.4.1風(fēng)輪掃掠面積上獲取的

5.1引言 1073.4.

能量 43

5.2負(fù)荷-頻率控制 1073.5

功率控制 47

5.2.1發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷-頻率控制……定速風(fēng)電機(jī)組 49

…………111351感應(yīng)（異步）發(fā)電機(jī)概述352基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)

…50

522頻率緊急控制53含風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行

………………113………………1173.6

電機(jī)組 55

5.3.1風(fēng)電的系統(tǒng)運(yùn)行挑戰(zhàn)概述…117變速風(fēng)電機(jī)組 57

5.3.2愛(ài)爾蘭的風(fēng)力發(fā)電 1193.6.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）

5.3.3系統(tǒng)運(yùn)行和風(fēng)的變化性……1323.6.

風(fēng)電機(jī)組 57

5.3.4系統(tǒng)運(yùn)行模式 140大范圍變速同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組

5.3.5容量可信度 1455.3.6提供輔助服務(wù) 148說(shuō)明：貝茨極限（BetzLimit） 67

5.3.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)慣性響應(yīng)………154第4章 風(fēng)電并網(wǎng) 703.8分布式發(fā)電的保護(hù) 1574.1引言 70

5.4電量平衡 1592風(fēng)電場(chǎng)起動(dòng) 70

5儲(chǔ)能與負(fù)荷側(cè)參與 1614.3電網(wǎng)電壓管理 71

5.5.1常規(guī)儲(chǔ)能 1634.3.1電壓等級(jí)問(wèn)題 72

5.5.2需求側(cè)參與 1654.4熱效應(yīng)/有功功率控制 84

5.5.3氫氣儲(chǔ)能 1674.4.1規(guī)劃方法/標(biāo)準(zhǔn) 84

第6章 風(fēng)電功率預(yù)測(cè) 1694.4.2風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題 84

6.1引言 1694.4.3主干系統(tǒng)問(wèn)題 86

6.2氣象背景 1694.4.4設(shè)備問(wèn)題 88

6.2.1氣象、天氣與氣候 1694.5電網(wǎng)電能質(zhì)量管理 91

6.2.2大氣結(jié)構(gòu)與尺度 1704.5.1電壓降落 91

6.3數(shù)值天氣預(yù)報(bào) 1714.5.2諧波 91

6.4持續(xù)預(yù)測(cè) 1734.5.3閃變 924.6系統(tǒng)暫態(tài)性能 92

641642

……173……1764.6.1頻率性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng) 92

6.5高級(jí)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)

…………1794.6.2暫態(tài)響應(yīng) 964.7故障水平問(wèn)題 99

6.5.1Prediktor52

……182……1864.7.1設(shè)備通流能力 100

6.5.3集合預(yù)報(bào) 1904.8信息 101

6.6結(jié)論 1914.9保護(hù) 101

第7章 風(fēng)電和電力市場(chǎng) 1924.9.1系統(tǒng)保護(hù) 101

7.1引言 1924.9.2與輸電系統(tǒng)相連的風(fēng)電場(chǎng)…102

7.2電力市場(chǎng) 1934.9.3與配電系統(tǒng)相連的風(fēng)電場(chǎng)…104

7.3平衡、容量及輔助服務(wù) 1954.9.4風(fēng)電場(chǎng)保護(hù) 105

7.4支持機(jī)制 196Ⅹ 風(fēng)電并網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)運(yùn)行 （原書(shū)第2版）5

………………197

3與其他低碳發(fā)電形式共存………2047.6效益 199

8.4需求側(cè)參與 2057投資和風(fēng)險(xiǎn) 200

5電源多樣化 2067.8市場(chǎng)發(fā)展 201

附錄A FACTS技術(shù) 207第8章 未來(lái)展望 2038.1引言 203

附錄B 連接到輸電系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2128.2并網(wǎng)法規(guī)及其他問(wèn)題 204

參考文獻(xiàn) 222第1章 緒 論11 概論可再生能源發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)自人們對(duì)全球變暖、化石燃料的價(jià)格及安全的日益增長(zhǎng)的關(guān)注人們采用了很多政策工具來(lái)鼓勵(lì)發(fā)展低碳技術(shù)。毫不奇怪，早期（1980年以后）發(fā)展最迅速的地方就是補(bǔ)貼最慷慨的地方，如（美國(guó)）加利福尼亞、丹麥、德國(guó)和西班牙近期以來(lái)風(fēng)力發(fā)電在美國(guó)全境中國(guó)印度葡萄牙和愛(ài)爾蘭都得到迅猛發(fā)展。2012年，丹麥消費(fèi)電力的28是風(fēng)力發(fā)電，在愛(ài)爾蘭、西班牙和葡萄牙，這個(gè)數(shù)字是16%～18，德國(guó)超過(guò)10，英國(guó)、羅馬尼亞和希臘超過(guò)6%（WiserandBol-inger，2013）。風(fēng)力發(fā)電在過(guò)去10多年里保持了25的復(fù)合增長(zhǎng)率，2013年中，它的總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到280GW（Milborrow，2013）。這一數(shù)量的風(fēng)能的年發(fā)電能力約為540TWh—略低于法國(guó)的年消費(fèi)電量。隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的可靠性提高了，發(fā)電成本降低了，從而取得了與其他熱力能源和可再生能源并列的地位。“如果不刮風(fēng)會(huì)怎么樣？”這樣的問(wèn)題是對(duì)風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)直覺(jué)反應(yīng)，但這個(gè)問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單化。對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)而言，運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的問(wèn)題是風(fēng)電增加的不確定性。一些研究現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)間歇性的成本做了定量，這一成本是適度的，而且這些研究也明確表明，風(fēng)電可以替代常規(guī)的火電容量。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，風(fēng)力是變化的，而非間歇的，而火電廠因?yàn)榭赡芎痛_實(shí)會(huì)瞬時(shí)“跳閘”離線，所以它才是間歇的。集中式發(fā)電的大型風(fēng)電機(jī)組的直徑已經(jīng)超過(guò)100m，單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到6MW，而且更大的風(fēng)電機(jī)組還在開(kāi)發(fā)之中。但離網(wǎng)應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組卻小得多，而且它們成功的商業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)也不相同，因?yàn)橛捎谒鼈冇袝r(shí)需要使用輸入燃料，所以發(fā)電成本經(jīng)常很高。在2013年中期，海上風(fēng)電已經(jīng)有將近5000MW容量在運(yùn)行，而且預(yù)計(jì)還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，原因之一是它可以降低環(huán)境影響。在丹麥、德國(guó)及英國(guó)等國(guó)，人們一直積極開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電，而且很可能對(duì)一直強(qiáng)勁增長(zhǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量做出重要貢獻(xiàn)。到2013年底，海上風(fēng)電裝機(jī)很可能超過(guò)300GW。12 世界能源狀況和氣候變化全世界的一次能源需求從1971年到2010年翻了一番多，而且預(yù)期到2020年還要再增長(zhǎng)40%。過(guò)去30年里，能源明顯從石油向天然氣轉(zhuǎn)移。在2010年，全世界范圍內(nèi)，天然氣已經(jīng)占一次能源消費(fèi)的21%，占發(fā)電用一次能源的22%（國(guó)際能源署，In-PAGEPAGE2 風(fēng)電并網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)運(yùn)行 （原書(shū)第2版）第第1章 緒 論P(yáng)AGE11ternationalEnergyAgency，IEA，2013）。用于取暖和發(fā)電時(shí)，天然氣產(chǎn)生的二氧化碳排放少于煤炭和石油，因此過(guò)去40年里，二氧化碳排放的增加與能源需求的增長(zhǎng)之間并不相當(dāng)，并沒(méi)有翻番。然而，由于對(duì)全球變暖問(wèn)題日益增長(zhǎng)的關(guān)注，世界各國(guó)政府開(kāi)始討論降低二氧化碳排放增長(zhǎng)的方法。在聯(lián)合國(guó)的支持下，國(guó)際氣候變化談判一直在進(jìn)行，而且1997年12月在京都的一次關(guān)鍵會(huì)議上，各方達(dá)成了從1990年到2008～2012年的目標(biāo)日期窗口全球溫室氣體排放降低5的總體目標(biāo)，并設(shè)定了各自的國(guó)家的目標(biāo)。2004年2月16日，京都議定書(shū)最終成為有法律約束力的文件201212月該議定書(shū)又進(jìn)一步延伸2020年這一期間的排放目標(biāo)，但美國(guó)和中國(guó)沒(méi)有包括在內(nèi)，僅包括了世界碳排放的15。2.1 可再生能源2010年，可再生能源在全世界的一次能源中占的比重為2%（水電2.3，可燃可再生能源及廢棄物占10地?zé)崽?yáng)能和風(fēng)能占09）因?yàn)橛邢喈?dāng)多的可燃可再生能源用于供熱，所以它們?cè)诎l(fā)電方面的貢獻(xiàn)與以上數(shù)字有一定差別：水電貢獻(xiàn)為16%，地?zé)帷⑻?yáng)能、風(fēng)能和可燃可再生能源的貢獻(xiàn)為3.7%。盡管水電裝機(jī)有相當(dāng)數(shù)量處于發(fā)展中國(guó)家，但發(fā)達(dá)國(guó)家的多數(shù)可再生能源工作集中于風(fēng)電、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能技術(shù)。2010年，全世界的水力發(fā)電量為3428TWh，而其他全部可再生能源的發(fā)電量為792TWh（國(guó)際能源署，2012）。并不存在限制繼續(xù)開(kāi)發(fā)水力發(fā)電的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，但大規(guī)模開(kāi)發(fā)水電需要大量土地來(lái)建設(shè)水庫(kù)，而這種地點(diǎn)經(jīng)常很難找到。因此，大規(guī)模開(kāi)發(fā)水電通常不能進(jìn)入大部分可再生能源支持機(jī)制的保護(hù)傘之下。而小規(guī)模開(kāi)發(fā)，包括徑流式方案通常會(huì)得到支持，但這樣的發(fā)電成本通常較高。攔潮閘技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)也可能因同樣的理由受到限制，盡管這一技術(shù)已為人們充分了解并得到證實(shí)。另一方面，潮汐流技術(shù)還是一項(xiàng)較新的技術(shù)，它要使用水下渦輪機(jī)，利用潮汐流能量，在概念上與風(fēng)力渦輪相似。它是歐盟進(jìn)行的研究活動(dòng)的重點(diǎn)，它的原型機(jī)目前正在試驗(yàn)。波浪能也處于類(lèi)似的開(kāi)發(fā)階段，它的研究工作正在經(jīng)濟(jì)合作及發(fā)展組織（OrganisationforEconomicCo-operationandDevelop-ment，OECD）內(nèi)進(jìn)行，很多原型裝置目前都在試驗(yàn)中。1.2.1.1支持機(jī)制盡管某些可再生能源能夠或已經(jīng)可以與化石能源進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，但它們的新興狀態(tài)通常都要通過(guò)各種支持才能得到普遍承認(rèn)。在過(guò)去10年左右，出現(xiàn)了各種支持體系：資本金補(bǔ)貼：這類(lèi)機(jī)制至少部分支持了20世紀(jì)80年代早期加利福尼亞風(fēng)電的飛速發(fā)展。（慷慨的發(fā)電量補(bǔ)貼也是一項(xiàng)助長(zhǎng)因素。）資本金補(bǔ)貼在歐洲也出現(xiàn)過(guò)，但現(xiàn)在已經(jīng)很少見(jiàn)。某些歐洲國(guó)家通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電電價(jià)支付體系支持可再生能源，通常是消費(fèi)電價(jià)的某個(gè)百分?jǐn)?shù)。在這些機(jī)制中，德國(guó)和丹麥的機(jī)制對(duì)市場(chǎng)的刺激非常有效。德國(guó)的風(fēng)電一。。如果后面3，.%。支持機(jī)制現(xiàn)在已經(jīng)非常復(fù)雜，甚至細(xì)致到具體場(chǎng)址的風(fēng)速。競(jìng)爭(zhēng)性投標(biāo)可以以英國(guó)的非化石燃料義務(wù)法（Non-fossilFuelObligation，NFFO）為例。開(kāi)發(fā)商以他們可以承受的電價(jià)競(jìng)標(biāo)。投標(biāo)電價(jià)需要低于政府設(shè)定的對(duì)于相應(yīng)裝機(jī)容量的限值，中標(biāo)者這時(shí)可以獲得長(zhǎng)期合同。這種機(jī)制在英國(guó)經(jīng)歷了很多變化并為法國(guó)和愛(ài)爾蘭所仿效，但近期可能會(huì)被新機(jī)制取代。電價(jià)部分補(bǔ)貼：美國(guó)的發(fā)電稅收抵免是這種方法的一個(gè)范例；成功的可再生能源項(xiàng)目可以享受每單位發(fā)電量0021美元的補(bǔ)貼。義務(wù)美國(guó)的可再生能源配額制（RenewablesPortfolioStandard）和英國(guó)的可再生能源義務(wù)法（RenewablesObligationRO）是這種方法的典型它實(shí)質(zhì)上是要求到規(guī)定日期，電力供應(yīng)商使用可再生能源發(fā)出的電量必須達(dá)到規(guī)定的百分?jǐn)?shù)。不能滿足這一要求的供應(yīng)商受到的懲罰是所謂收購(gòu)支付（buy-outpayment）。標(biāo)準(zhǔn)支付通常在鼓勵(lì)發(fā)展方面比較成功，盡管它對(duì)降低電價(jià)的激勵(lì)不夠有力（目前德國(guó)的激勵(lì)體系試圖用逐年減少支付的方法克服這一缺點(diǎn)）。競(jìng)爭(zhēng)性方案，如NFFO，在鼓勵(lì)發(fā)展方面有時(shí)不夠成功，但英國(guó)的NFFO在降低電價(jià)上卻非常成功。2.1.2 歐盟和英國(guó)的可再生能源：裝機(jī)容量和目標(biāo)2010年實(shí)施的歐盟關(guān)于可再生能源的2009/28/EC指令設(shè)置了所有成員國(guó)的雄心勃勃的目標(biāo)：在2020年，歐盟的可再生能源發(fā)電份額將達(dá)到20%；在運(yùn)輸部門(mén)，可再生能源的份額將達(dá)到10%。英國(guó)的目標(biāo)是到2020可再生能源發(fā)電量達(dá)到15%，可再生能源國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃（更新的英國(guó)政府網(wǎng)站）給出了使英國(guó)達(dá)到2020年目標(biāo)的各種措施的細(xì)節(jié)。英國(guó)政府認(rèn)為，通過(guò)國(guó)內(nèi)行動(dòng)，目標(biāo)是可行的；每個(gè)部門(mén)的能源消費(fèi)中，可再生能源達(dá)到如下比例就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：電力需求的30，2來(lái)自小規(guī)模能源；供熱需求的12運(yùn)輸需求的10。1.2.1.3政策手段從2002年起，英國(guó)用力激勵(lì)可再生能源發(fā)電發(fā)展的主要手段是RO。近期，它還通過(guò)上網(wǎng)電價(jià)（Feed-InTariff，F(xiàn)IT）體制支持小規(guī)模發(fā)電。RO于2002年在英格蘭、威爾士和蘇格蘭生效，于2005年在北愛(ài)爾蘭生效。它給英國(guó)電力供應(yīng)商提出的義務(wù)是，他們需要不斷提高向用戶提供的可再生能源發(fā)電份額。可再生能源義務(wù)證書(shū)（RenewableObligationCertificates，ROC）是當(dāng)局向得到認(rèn)可的可再生能源發(fā)電站運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)的，證明他們發(fā)出的電力符合可再生能源標(biāo)準(zhǔn)的綠色證書(shū)。然后，運(yùn)營(yíng)商可以與其他當(dāng)事方進(jìn)行交易，使ROC最終為電力供應(yīng)商使用，證明他們履行了應(yīng)承擔(dān)的義務(wù)。如果電力供應(yīng)商沒(méi)有足夠數(shù)量的履行義務(wù)的ROC，則他們必須支付等量的收購(gòu)基金（‘buy-out’fund）。該體制的管理成本由該基金支付，基金的剩余部分再按電力供應(yīng)商相對(duì)于他們各自的義務(wù)生產(chǎn)的ROC數(shù)量比例重新分配給他們。2011～2012年度3480ROC得到認(rèn)可的可再生能源發(fā)電站發(fā)出310TWh，2010～2011年度相比，34。2011～2012年度英國(guó)總的供電量為308TWh，總的額外支出為145億英鎊（OFGEM，2013）。RO將會(huì)被差價(jià)合同（ContractsforDifferences，CfD）取代。后者的手段是提供可預(yù)測(cè)收益流，目的是激勵(lì)低碳技術(shù)[包括可再生能源、核電、碳捕獲及封存（CarbonCaptureandStorage，CCS）]的投資。通過(guò)降低投資者的風(fēng)險(xiǎn)且確保融資更加便捷、成本更低，CfD可以鼓勵(lì)投資。CfD是長(zhǎng)期合同。它向發(fā)電商支付電力市場(chǎng)價(jià)的估計(jì)數(shù)（參考價(jià)格）與帶動(dòng)向給定技術(shù)投資所需的長(zhǎng)期價(jià)格估計(jì)數(shù)（‘strikeprice’，履約價(jià)格）之間的差價(jià)。這可以降低發(fā)電商面臨的長(zhǎng)期電價(jià)易變性，以消費(fèi)者的最低代價(jià)，從根本上降低商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，鼓勵(lì)低碳發(fā)電的投資。履約價(jià)格草案中，陸上風(fēng)電為100英鎊/MWh，海上風(fēng)電為155英鎊/MWh。這些價(jià)格將在2014/2015年度（此時(shí)第一批合同將落實(shí)）到2018/2019年度實(shí)施[能源及氣候變化部（DepartmentofEnergyandClimateChange），2013]。13 風(fēng)力發(fā)電1.3.1背景從1990年到2005年，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量每三年翻一番。人們懷疑其他能源技術(shù)現(xiàn)在和過(guò)去是否能以這種可觀的速度發(fā)展。從世紀(jì)之交以來(lái)，它的發(fā)展步伐略有下降，但2000年到2012年之間，裝機(jī)容量仍然每3.5年翻一番；這一時(shí)期的年復(fù)合增長(zhǎng)率為25%。裝機(jī)容量在這一時(shí)期的增長(zhǎng)歷程如圖1-1所示。圖1-1世界風(fēng)電裝機(jī)容量的發(fā)展（2000～2012年）到2012年底，美國(guó)處于世界風(fēng)電裝機(jī)的領(lǐng)先地位，為62.2GW；其次為中國(guó)，裝機(jī)容量60.8GW；德國(guó)31.3GW；西班牙22.8GW。2012年底，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量為270GW2012年丹麥西部的風(fēng)電發(fā)電量占消費(fèi)電量的25有時(shí)，它的風(fēng)電發(fā)電量相當(dāng)于日德蘭一（Jutland）的總消費(fèi)電量。到2012年底，海上風(fēng)電的總裝機(jī)容量為4969MW，其中英國(guó)的裝機(jī)容量最大，為2679MW。其次是丹麥，裝機(jī)容量為922MW；比利時(shí)為380MW；荷蘭為247MW。更多海上風(fēng)電場(chǎng)正在規(guī)劃中。如果作為歐盟成員的國(guó)家可再生能源規(guī)劃一部分的2020年裝機(jī)容量目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)的話，屆時(shí)歐盟的海上風(fēng)電裝機(jī)容量將超過(guò)41GW。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電要昂貴得多，但它可以部分被較高風(fēng)速帶來(lái)的較高電力生產(chǎn)率所補(bǔ)償。此外，這種資源極其豐富且環(huán)境影響較小。很多海上風(fēng)電場(chǎng)建在靠近海岸的淺水區(qū)。它的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多種多樣，但‘單柱’結(jié)構(gòu)可能是最常見(jiàn)的。然而，水深一旦超過(guò)約30m，則浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)的前景變得越來(lái)越有吸引力。人們已經(jīng)建成了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)性裝置，對(duì)幾種可能設(shè)計(jì)的可行性及成本的大量研究也正在進(jìn)行。推動(dòng)這種快速發(fā)展的不僅有各種財(cái)政支持機(jī)制，還因?yàn)轱L(fēng)電技術(shù)極其快速地成熟。發(fā)電量的提高一方面是由于可靠性得到了改善，另一方面也得益于大型風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)。規(guī)模化發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性對(duì)效率的提高只能起適度的作用，而風(fēng)電機(jī)組加大意味著塔架更高，風(fēng)輪能捕捉到更高風(fēng)速。技術(shù)發(fā)展也伴隨著成本降低，而成本降低部分是由于規(guī)模化的經(jīng)濟(jì)性，部分是由于生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)。最后，風(fēng)電的成功也因?yàn)槿藗冊(cè)絹?lái)越意識(shí)到風(fēng)力資源，尤其是海上風(fēng)力資源的重大價(jià)值，而且它的能源成本正在接近使用常規(guī)燃料發(fā)電成本。在某些地點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電的成本甚至低于常規(guī)燃料發(fā)電成本。1.3.2 風(fēng)電機(jī)組容量和出力的變化20世紀(jì)80年代左右的早期風(fēng)電機(jī)組還相當(dāng)小（50～100kW，直徑15～20m），但商用風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量一直在穩(wěn)定增長(zhǎng)。圖1-2跟蹤了德國(guó)從2000年到2012年安裝的風(fēng)電機(jī)組的平均容量。在此期間，單機(jī)平均額定出力翻了一番，從1114kW增大到2419kW。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增長(zhǎng)，輪轂高度也在增加。按照經(jīng)驗(yàn)方法，輪轂高度通常與風(fēng)輪直徑相似，但很多制造商提供高塔架選項(xiàng)，以達(dá)到更高出力。有些風(fēng)電機(jī)組的直徑約70m，但輪轂高度卻達(dá)到100m。增加發(fā)電量的另一個(gè)方法是加大發(fā)電機(jī)額定功率。然而，額定功率越大，達(dá)到最大出力的時(shí)間越少。因此安裝額定功率很大的發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)上并不合理，因?yàn)檫_(dá)到最大出力的高風(fēng)速每年只能遇到幾個(gè)小時(shí)。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組制造商也要受到類(lèi)似的經(jīng)濟(jì)壓力，因此大部分制造商把額定出力定為與400W/m2風(fēng)輪掃掠面積相對(duì)應(yīng)。因此20世紀(jì)90年代早期上市的40m直徑風(fēng)機(jī)的出力約為500kW。比如平均風(fēng)速7.5m/s，且具有典型風(fēng)速分布模式，則意味著達(dá)到最大出力的時(shí)間約為全年的一日德蘭半島是歐洲北部的半島，位于北海和波羅的海之間，構(gòu)成丹麥國(guó)土的大部分，西和北分別為北海和斯卡格拉克海峽，東為卡特加特海峽和小貝爾特海峽。235萬(wàn)。廣義上說(shuō)，它還包括德國(guó)石勒蘇益格-荷爾斯泰因州。譯者注圖1-2德國(guó)風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量8%。然而隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，額定容量一直在增大，現(xiàn)在大型風(fēng)電機(jī)組的定值已經(jīng)達(dá)到600W/m2。然而，額定出力很大的風(fēng)電機(jī)組不太適用于低風(fēng)速場(chǎng)址。現(xiàn)在，很多制造商為這類(lèi)場(chǎng)址提供大直徑風(fēng)輪但額定功率適度的機(jī)組。例如，風(fēng)機(jī)制造商Vestas為低風(fēng)速場(chǎng)址提供110m直徑的2MW機(jī)組；而對(duì)于高風(fēng)速場(chǎng)址，同樣額定功率的機(jī)組的風(fēng)輪直徑僅為80m，還有其他各種選項(xiàng)。1.3.3 發(fā)電量風(fēng)電機(jī)組容量和風(fēng)輪比出力的加大，以及空氣動(dòng)力學(xué)尺度效應(yīng)和設(shè)計(jì)改進(jìn)在一定程度上的貢獻(xiàn)都導(dǎo)致發(fā)電量的顯著增長(zhǎng)。圖1-3直觀顯示了這種情況。它表明，風(fēng)電機(jī)組直徑從20m增加到80m時(shí)風(fēng)輪掃掠的單位面積年發(fā)電量增加了約50%。該圖使用了制造商規(guī)范書(shū)中給出的實(shí)際性能數(shù)據(jù)，采用的30m高度參考風(fēng)速為7m/s。它假定風(fēng)速隨高度加大遵循1/7次方定律。圖1-3風(fēng)輪直徑與年發(fā)電量的關(guān)系14 設(shè)計(jì)選項(xiàng)發(fā)電量固然重要，但價(jià)格也很重要，制造商使用各種方法來(lái)尋求高發(fā)電量和低價(jià)格之間的平衡。這個(gè)頻譜的一端是簡(jiǎn)單耐用的定速運(yùn)行、使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)的失速調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組。然而，從21世紀(jì)開(kāi)始以來(lái)，這類(lèi)機(jī)組的數(shù)量一直在減少。而設(shè)計(jì)頻譜的另一端是變速、直驅(qū)、帶功率調(diào)節(jié)裝置的風(fēng)電機(jī)組，它的功率因數(shù)既可以滯后，也可以超前。設(shè)計(jì)選項(xiàng)有大量排列組合的可能性。在市場(chǎng)上，風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型有些減少，但實(shí)際上它們并非趨于一致。現(xiàn)在，世界上大部分風(fēng)電機(jī)組都是三葉片，大部分機(jī)械裝置都安裝在機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙在發(fā)電的同時(shí)通過(guò)偏航對(duì)風(fēng)，并安裝在鋼制塔架上。1.4.1葉片制造葉片使用的材料范圍很廣，有鋁、鋼（制造桁架，減少風(fēng)的阻力）、木材環(huán)氧鋼化玻璃塑料及碳纖維強(qiáng)化塑料（CarbonFibre-ReinforcedPlasticCFRP）等后兩種材料現(xiàn)在最常用，因?yàn)樗鼈兗骖櫫藦?qiáng)度、重量和成本幾方面的要求。必須盡可能降低重量，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組重量對(duì)它的總體造價(jià)影響巨大。風(fēng)電機(jī)組成本通常占風(fēng)電場(chǎng)總成本65%～75，它的資金償還約占發(fā)電成本的75。人們樂(lè)于使用三葉片的原因在于它有某些顯著優(yōu)點(diǎn)。由風(fēng)向確定的圍繞偏航軸慣性矩不會(huì)產(chǎn)生大的變化，無(wú)論葉片配置如何；這可以降低在使用兩葉片風(fēng)機(jī)偏航時(shí)會(huì)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)循環(huán)力。其次，三葉片風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)速度較慢，這對(duì)于降低噪聲非常重要。最后，三葉片風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)看起來(lái)比較舒服，這對(duì)規(guī)劃人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要考慮。可能與直覺(jué)相反，三葉片風(fēng)輪只比兩葉片風(fēng)輪稍重（約重15%）。有人認(rèn)為，正在興起的海上風(fēng)電市場(chǎng)有可能喚醒人們對(duì)兩葉片風(fēng)輪的興趣，因?yàn)閷?duì)于陸上風(fēng)電場(chǎng)的兩個(gè)制約因素（噪聲和視覺(jué)影響）在海上都不太重要。但還沒(méi)有跡象表明會(huì)發(fā)生這種情況。風(fēng)力機(jī)是一種大型結(jié)構(gòu)，因此它的重量很重要。葉片的重量尤其重要，因?yàn)闇p少葉片重量可以相應(yīng)降低輪轂、機(jī)艙和塔架結(jié)構(gòu)的重量。一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的推理認(rèn)為葉片重量隨葉輪直徑的立方加大，這是從觀察直徑20m到100m的風(fēng)輪重量得出的結(jié)論。然而，多年來(lái)的實(shí)踐表明，通過(guò)深入理解風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)和葉片荷載特性，可以實(shí)質(zhì)性降低風(fēng)輪重量。1.4.2 控制和傳動(dòng)系統(tǒng)在21世紀(jì)開(kāi)始時(shí)，世界上大約一半風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是固定葉片、失速調(diào)節(jié)型；其他是變槳距調(diào)節(jié)，目的是限制高風(fēng)速時(shí)的功率。失速調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)組可以免于配置葉片槳距變化所需的有可能產(chǎn)生麻煩的控制，但仍需要某種形式的活動(dòng)翼面，以調(diào)節(jié)同步前及從電網(wǎng)切出時(shí)的轉(zhuǎn)速。然而必須強(qiáng)調(diào)指出，現(xiàn)在這兩種風(fēng)電機(jī)組的可靠性都很高。在風(fēng)力發(fā)電開(kāi)發(fā)早期，多數(shù)風(fēng)電機(jī)組是定速運(yùn)行的，使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)；但使用功率調(diào)節(jié)設(shè)備、變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越多（見(jiàn)第3章）。風(fēng)速較低時(shí)使用較低轉(zhuǎn)速的好處是降低了噪聲，而且略微提高了氣動(dòng)效率，因而會(huì)提高發(fā)電量。越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組取消了齒輪箱，直接驅(qū)動(dòng)多極發(fā)電機(jī)。使用功率調(diào)節(jié)設(shè)備的另一個(gè)好處是不需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。這對(duì)電力企業(yè)很有好處，而且風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)商也會(huì)節(jié)省支出，因?yàn)闊o(wú)功功率也經(jīng)常收費(fèi)。如果風(fēng)電機(jī)組能以更高電價(jià)向電力企業(yè)售出功率因數(shù)滯后的電量，那么它還可以得到進(jìn)一步收益。傳動(dòng)技術(shù)的最新發(fā)展是使用直驅(qū)發(fā)電機(jī)。德國(guó)制造商Enercon向全世界售出了大量的這種風(fēng)電機(jī)組。它目前出售的容量范圍為200～7580kW，7580kW風(fēng)電機(jī)組的直徑為127m。1.4.3 主要設(shè)計(jì)選項(xiàng)小結(jié)主要設(shè)計(jì)選項(xiàng)歸納見(jiàn)表1-1。表1-1典型風(fēng)電機(jī)組的特性風(fēng)輪直徑和額定功率最大可達(dá)164m，8MW葉片數(shù)量多數(shù)為三葉片，一些為雙葉片，少數(shù)為單葉片葉片材料多數(shù)為鋼化玻璃塑料，碳纖維加強(qiáng)塑料用得越來(lái)越多風(fēng)輪朝向通常為塔架的上風(fēng)向，有些為下風(fēng)向轉(zhuǎn)速100m直徑的定速風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約為10r/min，容量越小轉(zhuǎn)速越快，容量越大旋轉(zhuǎn)越慢；變速風(fēng)力機(jī)數(shù)量越來(lái)越多功率控制最常用的方式：槳距控制：葉片全部或部分旋轉(zhuǎn)來(lái)限制功率失速控制：葉片固定，但在高風(fēng)速時(shí)停轉(zhuǎn)；現(xiàn)在用量越來(lái)越少傳動(dòng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的是增速齒輪箱，但現(xiàn)在使用直驅(qū)方式的多極發(fā)電機(jī)越來(lái)越普遍發(fā)電機(jī)通常是感應(yīng)發(fā)電機(jī)，4極或6極；21世紀(jì)初雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)很普遍，但現(xiàn)在使用AC/DC/AC電力電子裝置的變速風(fēng)機(jī)越來(lái)越普遍偏航控制傳感器監(jiān)控風(fēng)向；發(fā)電時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使之與風(fēng)向一致有的風(fēng)力機(jī)是被動(dòng)響應(yīng)塔架圓筒式鋼結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)早期風(fēng)電機(jī)組使用桁架式塔架；有些（大型）塔架是混凝土結(jié)構(gòu)15 風(fēng)電場(chǎng)支持機(jī)制的性質(zhì)會(huì)影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式。例如，早期加利福尼亞及后來(lái)英國(guó)的風(fēng)電開(kāi)發(fā)模式主要是一般有幾十臺(tái)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，有些情況下會(huì)上百臺(tái)甚至更多。德國(guó)和丹麥的支持機(jī)制有利于個(gè)人或小合作體投資，所以那里有很多單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，或兩三臺(tái)一組的風(fēng)電機(jī)組。建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生規(guī)模效益，尤其在土建和聯(lián)網(wǎng)成本方面，而且可能從風(fēng)電機(jī)組制造商那里得到數(shù)量折扣。在海上風(fēng)電場(chǎng)的情況下，規(guī)模效益得到的節(jié)約特別明顯。很多建議中的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目都包含很多風(fēng)電機(jī)組。表1-2是海上和陸上風(fēng)電場(chǎng)的參數(shù)指標(biāo)。表1-2一個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)和一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵特性陸上風(fēng)電場(chǎng)海上風(fēng)電場(chǎng)工程名稱HagshawHillGreaterGabbard工程位置la蘇格蘭南部高地（SouthernHigh-ndsofScotland），格拉斯哥南50km32距Harwich約20mile（英里）（約km）場(chǎng)址特點(diǎn)高沼地，周?chē)巧罟人?0～32m風(fēng)電機(jī)組26臺(tái)，每臺(tái)600kW140臺(tái)，每臺(tái)3.6MW工程裝機(jī)容量/MW15.6504風(fēng)電機(jī)組尺寸輪轂高度35m，風(fēng)輪直徑41m輪轂高度78m，風(fēng)輪直徑107m風(fēng)電機(jī)組特性修改了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)，使之適用于極高陣風(fēng)，葉片噪聲極低安裝在單柱基礎(chǔ)上；監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜，包括閉路電視風(fēng)電機(jī)組選位不規(guī)則排列，分為兩組，間距通常為風(fēng)輪直徑的3倍多邊形，146km2年發(fā)電量/GWh571750建設(shè)時(shí)間1995年8月～11月2009年～2012年注：來(lái)源于丹麥BonusEnergyA/S，www.bonus.dk由于風(fēng)速對(duì)發(fā)電量影響極大，因此它是決定發(fā)電量成本的主要因素，粗略地說(shuō)，在風(fēng)速為8m/s的地點(diǎn)開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)，發(fā)電量成本約為風(fēng)速為5m/s地點(diǎn)的1/3。通常，在五大洲的海邊，風(fēng)速5m/s左右的地點(diǎn)隨處可見(jiàn)，但開(kāi)發(fā)商的目標(biāo)通常是更高的風(fēng)速。丹麥很多海邊區(qū)域和全國(guó)各地的風(fēng)速都達(dá)到7m/s；希臘島嶼的很多地方、加利福尼亞山口（很多早期風(fēng)電開(kāi)發(fā)的地點(diǎn)）和加勒比、愛(ài)爾蘭、瑞典、英國(guó)、西班牙、新西蘭和南極洲的沿海及山地風(fēng)速更高。1.5.1 海上風(fēng)電場(chǎng)海上風(fēng)電吸引人的原因很多，主要是：資源豐富、環(huán)境影響小。在歐洲，這些資源大部分處于電力需求中心的合理距離之內(nèi)。海上風(fēng)速通常高于內(nèi)陸，盡管英倫諸島、意大利和希臘的高地風(fēng)速確實(shí)高于海上風(fēng)速。距海岸10km處的海上，通常風(fēng)速會(huì)比海岸高1m/s。北海和波羅的海的廣大區(qū)域的風(fēng)速都超過(guò)8m/s（50m高度）（Hartnell和Milborrow，2000）。海上的湍流也較低，可以降低疲勞負(fù)荷。然而，在設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)與波浪的相互作用。不可避免的是，海上風(fēng)速特性的描述通常不如陸上的準(zhǔn)確，但發(fā)電成本需要準(zhǔn)確估計(jì)。潛在的海上風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商目前正在進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步的研究工作正在進(jìn)行。丹麥、瑞典、比利時(shí)、荷蘭、德國(guó)、英國(guó)和愛(ài)爾蘭是最早進(jìn)入海上風(fēng)電市場(chǎng)的國(guó)PAGEPAGE10 風(fēng)電并網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)運(yùn)行 （原書(shū)第2版）第第1章 緒 論P(yáng)AGE11家。它們已經(jīng)建造了適于海上環(huán)境（無(wú)論是海上還是港口防波堤）的風(fēng)電機(jī)組。近來(lái)，包括意大利、挪威和中國(guó)等，都在規(guī)劃下一步工作。某些制造商現(xiàn)在已經(jīng)可以提供專門(mén)適用于海上風(fēng)電市場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組。這些機(jī)組的容量大部分為3～6MW，它們的設(shè)計(jì)也做了修改，如密封機(jī)艙和專用維護(hù)平臺(tái)等。大型風(fēng)電機(jī)組通常成本效益更佳，因?yàn)楦甙l(fā)電量至少會(huì)部分補(bǔ)償它的基礎(chǔ)的高成本。兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的建造、現(xiàn)場(chǎng)交付及組裝都需要專用設(shè)備、適用的港口和仔細(xì)規(guī)劃的時(shí)間表，最大限度地利用天氣比較平靜的時(shí)間段。盡管人們?cè)J(rèn)為進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)可能是個(gè)問(wèn)題，但丹麥設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)是令人鼓舞的，但仍然缺乏某些條件不好的海上經(jīng)驗(yàn)。16 經(jīng)濟(jì)性1.6.1 風(fēng)電機(jī)組價(jià)格人們開(kāi)發(fā)了大型風(fēng)電機(jī)組，因?yàn)樗鼈儾粌H發(fā)電量較高，而且成本較低，如前面已經(jīng)討論過(guò)的。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組成本（風(fēng)輪單位掃掠面積）隨容量加大而降低，所以使用大型風(fēng)電機(jī)組意味著如果發(fā)電量一定的話，需要的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)會(huì)減少，因此運(yùn)輸、安裝和敷設(shè)電纜的成本都會(huì)降低。6.2 發(fā)電成本對(duì)風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性如何？”這樣的問(wèn)題沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單答案。資金成本取決于場(chǎng)址的特性和是否容易進(jìn)入（即難度）。偏遠(yuǎn)的陸上及海上場(chǎng)址不可避免地會(huì)發(fā)生較高的建設(shè)成本，但它可以被較高風(fēng)速及較高發(fā)電量補(bǔ)償。運(yùn)行維護(hù)成本也取決于是否容易進(jìn)入。發(fā)電成本（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是價(jià)格）取決于體制因素，尤其是支持機(jī)制的穩(wěn)固性。如果感覺(jué)它的風(fēng)險(xiǎn)很低，則開(kāi)發(fā)商可以滿足于適度的投資回報(bào)率（6%～8）。但如果發(fā)出電量的報(bào)酬不能保證，則投資商很可能要求更高的回報(bào)率（10%～12）。保險(xiǎn)金支付時(shí)間也可能影響發(fā)電成本。為對(duì)陸上和海上電價(jià)做一比較，圖1-4給出了不同風(fēng)速范圍下的數(shù)據(jù)（NationalGrid，2013），假設(shè)如下：裝機(jī)成本：陸上1456英鎊/kW，海上2214英鎊/kW；運(yùn)行維護(hù)成本：陸上57英鎊/W·a，海上141英鎊/W·a；20年折舊，8%（實(shí)際）加權(quán)平均資金成本。基于以上假設(shè)，陸上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本為124英鎊/MWh（對(duì)于風(fēng)速6m/s的場(chǎng)址）55英鎊/MWh（對(duì)于風(fēng)速95m/s的場(chǎng)址）。海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本為166英鎊/MWh（對(duì)于風(fēng)速7m/s的場(chǎng)址）到92英鎊/MWh（對(duì)于風(fēng)速10m/s的場(chǎng)址）。國(guó)際能源署引用的更大范圍數(shù)據(jù)為，陸上風(fēng)電：50～160美元/MWh（32～104英鎊/MWh，按2013年7月匯率計(jì)）；海上風(fēng)電：150～340美元/MWh（97～221英鎊/MWh）。在電力市場(chǎng)改革規(guī)劃中，英國(guó)政府提出了可再生能源差價(jià)合同（CfD）。陸上風(fēng)電圖1-4海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的價(jià)格比較的售價(jià)可能為100英鎊/MWh，海上風(fēng)電為155英鎊/MWh。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，其他可比電價(jià)為，燃?xì)怆姀S約為～美元/（26～63英鎊/MWh），～美元/（26～英鎊/MWh），～63英鎊/MWh，取決于電廠的融資情況。核電價(jià)格非常難以確定，但據(jù)報(bào)道，對(duì)于英國(guó)新建核電廠的履約價(jià)格的談判范圍為95～97英鎊/MWh（Harvey，2013）。然而，這一比較過(guò)于簡(jiǎn)單化，它忽略了以下三個(gè)重要問(wèn)題：可再生能源中最常見(jiàn)的風(fēng)電會(huì)饋入低壓配電網(wǎng)，靠近用電點(diǎn)，因此價(jià)值可能較高。風(fēng)電的外部成本遠(yuǎn)低于火電廠。外部成本是沒(méi)有計(jì)入的成本，如酸雨造成的損害的成本及煤炭補(bǔ)貼。以上兩點(diǎn)提高了風(fēng)電的價(jià)值。而相反的意見(jiàn)認(rèn)為，風(fēng)電的變化本質(zhì)意味著它會(huì)帶來(lái)增加備用的成本，因?yàn)樗哟罅斯┬桦p方匹配的不確定性。這些問(wèn)題的第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)將在下一節(jié)討論。歐盟委員會(huì)資助了一項(xiàng)外部成本的權(quán)威性研究（歐盟，1995）。這項(xiàng)研究的估計(jì)結(jié)果列于表1-3。應(yīng)該指出，很多國(guó)家的政府都不動(dòng)聲色地接受了前面討論過(guò)的對(duì)可再生能源提供支持機(jī)制的原則。表1-3外部成本的估計(jì)值 （單位：歐分/kWh）范 疇煤 炭石 油CCGT①核 電風(fēng) 電人類(lèi)健康和事故0.7～40.7～4.80.1～0.20.0300.040農(nóng)作物/森林0.07～1.51.6000.080小0.080建筑物0.15～50.2～50.05～0.18小0.1～0.33災(zāi)難0.11～2.5總損害0.7～60.7～60.3～0.70.2～2.50.2～0.5全球變暖估計(jì)0.05～240.5～1.30.3～0.70.0200.018總指標(biāo)1.7～403.7～18.70.83～1.860.36～50.4～1.0①聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。1.6.3 二氧化碳減排引入可再生能源導(dǎo)致的二氧化碳減排量取決于它替代的是哪種燃料。因?yàn)轱L(fēng)電是一種“必須運(yùn)行”的技術(shù)，所以風(fēng)電場(chǎng)出力的變化必定在“負(fù)荷跟蹤”電廠的出力變化中反映出來(lái)。在歐洲的大部分地方，燃煤和燃油電廠通常都被用來(lái)進(jìn)行負(fù)荷跟蹤，這意味著，可再生能源發(fā)出的每MWh電力會(huì)減少二氧化碳排放650～1000g（低值適用于燃油電廠）。然而，當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電數(shù)量增加時(shí)，增加的備用電廠產(chǎn)生的附加二氧化碳排放也需要考慮在內(nèi)，盡管這種增加是相當(dāng)適度的。世界上一些碳排放交易法案（在歐盟、美國(guó)的某些州和澳大利亞）省掉了建立引入風(fēng)電產(chǎn)生的二氧化碳減排與它的相應(yīng)價(jià)值之間關(guān)系的需求。盡管很多人建議對(duì)至少?gòu)亩ㄐ陨蠒?huì)產(chǎn)生外部成本的化石燃料發(fā)電征收碳排放稅，但歐盟排放交易法的目的卻是確定取決于為排放設(shè)定的最高級(jí)別的二氧化碳排放的市場(chǎng)價(jià)格。然而，在2013年，二氧化碳的交易價(jià)格非常低（約為2.5歐元/t），因而它的懲罰是從燃煤發(fā)電的約2歐元/MWh到燃?xì)獍l(fā)電的約0.6～0.8歐元/MWh。作為電力市場(chǎng)改革法案的一部分，英國(guó)政府提議設(shè)定碳排放最低價(jià)，該價(jià)格將從2015年的24英鎊/t提高到2030年的30英鎊/t，這將使燃煤發(fā)電的價(jià)格增加約24英鎊/MWh，燃?xì)獍l(fā)電的價(jià)格增加約10英鎊/MWh。.7 并網(wǎng)和變化性關(guān)鍵問(wèn)題有一種很普遍但并不正確的感覺(jué)，即認(rèn)為把風(fēng)電引入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，從而帶來(lái)財(cái)務(wù)上的懲罰。隨著英國(guó)實(shí)施了新電力交易協(xié)議[NewElectricityTradingArrangement，NETA，后來(lái)改稱英國(guó)電力交易和輸電協(xié)議（BritishElectricityTradingandTransmissionArrangement，BETTA）]，更加深了人們的這種看法。該協(xié)議對(duì)變化能源電力通常都賦予較低價(jià)值。BETTA把水?dāng)嚮炝耍驗(yàn)殡娏ο到y(tǒng)的核心約定通常基于使供電商的需求與發(fā)電能力相匹配。在某種程度上，供需雙方密不可分。這樣的觀點(diǎn)就把變化的可再生能源推到了不利地位。國(guó)家電網(wǎng)公司（NationalGridCompany，NGC）重申了它執(zhí)行的表1-4中的輸電網(wǎng)接納可再生能源的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（NGC，1999）。3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，第三項(xiàng)對(duì)于風(fēng)電可能最嚴(yán)苛，對(duì)此將在下一節(jié)討論。應(yīng)該指出，閾值不是壁壘，可以接納更多的風(fēng)電只是要付出一定代價(jià)。表1-4接納可再生能源的標(biāo)準(zhǔn)影 響閾 值緩解措施可再生能源發(fā)電出力變化發(fā)電功率波動(dòng)>20%峰值需求增加購(gòu)買(mǎi)可控出力發(fā)電出力不可預(yù)見(jiàn)的瞬時(shí)下降可能瞬時(shí)損失超過(guò)2%峰值需求功率增加購(gòu)買(mǎi)頻率控制手段出力不可預(yù)見(jiàn)的短時(shí)預(yù)告下降1h可能損失超過(guò)3%峰值需求功率增加購(gòu)買(mǎi)備用服務(wù)1.7.1 風(fēng)電的波動(dòng)性正如消費(fèi)需求會(huì)因分散化而變得平滑一樣，風(fēng)電設(shè)備的出力也是如此，地理分散性會(huì)大大降低風(fēng)電的波動(dòng)性。這一點(diǎn)可以從德國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目（ISET，1999/2000）及丹麥西部的風(fēng)電波動(dòng)分析（Milborrow，2001）的數(shù)據(jù)中清楚看出。這些數(shù)據(jù)涵蓋了德國(guó)350MW和丹麥西部1900MW的風(fēng)電場(chǎng)。所有情況下，記錄的風(fēng)電功率每小時(shí)向上偏移都不超過(guò)20額定功率。然而，對(duì)于單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組或單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，記錄的功率偏移最大可達(dá)96額定功率，盡管相當(dāng)少見(jiàn)。對(duì)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，偏移10額定功率的情況占全部時(shí)間的7，而對(duì)于組合出力來(lái)說(shuō)，這種偏移只占總時(shí)間的1。圖1-5將丹麥西部的全部風(fēng)電場(chǎng)的出力與單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)做了比較。后者的依據(jù)是北愛(ài)爾蘭BessyBell風(fēng)電場(chǎng)的功率測(cè)量結(jié)果。它的引用得到了北愛(ài)爾蘭電力公司惠允。這些數(shù)據(jù)的分析方法與丹麥數(shù)據(jù)相同，目的是顯示功率的擺動(dòng)。圖1-5風(fēng)電場(chǎng)平均出力的變化，基于每小時(shí)平均值德國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果也表明，功率波動(dòng)小于用以上模擬分析得到的數(shù)值。這也意味著運(yùn)行含風(fēng)電的電網(wǎng)導(dǎo)致的運(yùn)行困難低于先前的估計(jì)。運(yùn)行更多火電機(jī)組作為備用的附加成本并不太高早期研究認(rèn)為，系統(tǒng)風(fēng)電比重為2%時(shí)不到0.1p/kh一，10%時(shí)增加到約為02p/kWh（Dale，2002）。新近的估計(jì)認(rèn)為，20的風(fēng)電會(huì)給電力消費(fèi)者帶來(lái)的額外成本約為286億英鎊/年，008p/kWh（NationalGrid，2011）。其他研究也得出了相似結(jié)果，因?yàn)殛P(guān)鍵問(wèn)題是引入風(fēng)電給電網(wǎng)帶來(lái)的附加不確定性。任何電網(wǎng)的供需水平都不可能精確預(yù)測(cè)典型的需求預(yù)測(cè)誤差為1～2這意味著任何時(shí)候都需要配備一定數(shù)量的旋轉(zhuǎn)備用，它必須能應(yīng)對(duì)系統(tǒng)失去最大單臺(tái)機(jī)組的情況。一p（便士），英國(guó)貨幣輔助單位，等于.1英鎊。譯者注風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的具體方式及其附加成本取決于其他發(fā)電設(shè)備的特性。帶水電和抽水蓄能（用于對(duì)風(fēng)電出力變化做出響應(yīng)）的系統(tǒng)能接納更多變化的可再生能源。核電或熱電聯(lián)產(chǎn)比例較高的系統(tǒng)通常靈活性較低。顯然，如果風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的比例不太高，則它們的特殊性對(duì)大部分集中式電力系統(tǒng)并不會(huì)造成多大問(wèn)題。盡管丹麥的風(fēng)電滲透率一直在穩(wěn)定增長(zhǎng)，但風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電量也一直被消納。但是，它對(duì)穩(wěn)定性的威脅確實(shí)在增大，尤其是在失去互聯(lián)或失去大型火電廠的情況下。1.7.2 容量可信度很少有哪個(gè)課題比風(fēng)電場(chǎng)容量可信度問(wèn)題的爭(zhēng)議更大。發(fā)電設(shè)備的容量可信度可定義為它對(duì)電力系統(tǒng)峰值需求做出貢獻(xiàn)能力的度量。容量可信度經(jīng)常定義為一個(gè)比值（保證出力能力/額定出力）。因?yàn)榛痣姀S也不是百分之百可靠，所以所有發(fā)電廠的容量可信度數(shù)值都小于1。首先，1000MW核電廠對(duì)應(yīng)的保證出力約為850MW，因此它的容量可信度為0.85；燃煤電廠的容量可信度約為0.75。這些數(shù)字大致對(duì)應(yīng)于峰值需求期間可用發(fā)電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)概率。幾乎所有大電網(wǎng)發(fā)表的權(quán)威研究報(bào)告得出的結(jié)論都認(rèn)為風(fēng)電能提供保證出力在北歐它大致等于冬季三個(gè)月的容量系數(shù)（Milborrow1996）這意味著如果英國(guó)本土運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)為1000MW，則它預(yù)期可以替代約300MW火電廠。對(duì)于不能從地理分散性獲益的較小電網(wǎng)，容量可信度可能較小或根本沒(méi)有。例如，愛(ài)爾蘭電網(wǎng)的一項(xiàng)研究認(rèn)為，風(fēng)電沒(méi)有容量可信度，盡管這項(xiàng)研究承認(rèn)，有與此相矛盾的證據(jù)并主張進(jìn)一步研究以澄清這一問(wèn)題（Gardner等2003）然而近來(lái)愛(ài)爾蘭的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了一項(xiàng)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)影響的分析（ESBNG，2004），認(rèn)為如果風(fēng)電數(shù)量很小則它的容量可信度約為風(fēng)電場(chǎng)額定出力的30這一結(jié)論與歐洲其他研究的結(jié)果一致。1.7.2.1 峰值需求期間的可用功率因?yàn)樵诜逯敌枨笃陂g發(fā)電容量不足的風(fēng)險(xiǎn)最高，因此容量可信度數(shù)值會(huì)受到該期間變化的可再生能源可用率的強(qiáng)烈影響。有些作者研究了這一與風(fēng)的可用率相關(guān)的問(wèn)題。例如Palutikof等人（1990）發(fā)現(xiàn)“…峰值需求時(shí)期發(fā)生于寒冷天氣加冷風(fēng)因素之時(shí)，僅低溫本身還不足以產(chǎn)生一年之中的最高需求”。他們使用了4個(gè)地點(diǎn)8個(gè)冬季峰值需求期間風(fēng)電機(jī)組的綜合平均出力為額定出力的32類(lèi)似地國(guó)家風(fēng)電公司（NationalWindPower）發(fā)現(xiàn)峰值需求期間風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)通常比全年平均容量系數(shù)高50%”（Warren等，1995）。7.3 嵌入式發(fā)電的效益和影響小型發(fā)電可以節(jié)省輸電和配電損耗（和費(fèi)用），這一原則已經(jīng)明確，而且對(duì)電壓支持、無(wú)功功率和其他輔助服務(wù)還會(huì)付給小額附加報(bào)酬。然而，必須承認(rèn)，把嵌入式發(fā)電集中起來(lái)會(huì)加大需求較低的農(nóng)村地區(qū)的配電損耗，因而應(yīng)該避免。對(duì)英格蘭康沃爾（Cornwall）郡一個(gè)接入11kV系統(tǒng)的10機(jī)4MW風(fēng)電場(chǎng)的研究提供了對(duì)配電系統(tǒng)影響的寶貴信息（西南電力公司，1994）。該研究考察了一系列問(wèn)題，得出的結(jié)論是風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)和它的用戶的擾動(dòng)極小”。特別重要的有以下幾點(diǎn)：起動(dòng)時(shí)的電壓降落完全處于預(yù)設(shè)界限之內(nèi)。在任何運(yùn)行條件下，都沒(méi)有閃變問(wèn)題。當(dāng)?shù)刎?fù)荷較低時(shí)期，風(fēng)電場(chǎng)的輸出通過(guò)配電網(wǎng)反饋回來(lái)，但沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題的報(bào)道。鄰近的33/11kV變壓器分接頭自動(dòng)切換頻度顯著降低，因而會(huì)降低維護(hù)成本。1.7.4 儲(chǔ)能人們經(jīng)常宣稱儲(chǔ)能會(huì)提高風(fēng)能等變化能源發(fā)出的電量的價(jià)值。在某些情況下，這是正確的，但只有儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)的附加值大于提供該附加值花費(fèi)的成本時(shí)才成立。儲(chǔ)能設(shè)備供電的成本實(shí)際上幾乎與常規(guī)火電廠發(fā)電的成本相當(dāng)，即與給儲(chǔ)能裝置充電的電量成本相當(dāng)，盡管發(fā)電的燃料成本是變化的。盡管帶儲(chǔ)能功能的電力系統(tǒng)更容易接納變化的可再生能源，但這并不是說(shuō)為提高可再生能源的價(jià)值，專門(mén)建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施就一定經(jīng)濟(jì)合理。然而，如果儲(chǔ)能設(shè)施是現(xiàn)成可用的，則完全可以用它的輸出補(bǔ)償某些情況下可再生能源的出力下降。另外，也可以在高風(fēng)速的夜晚利用風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)剩出力給儲(chǔ)能裝置充電。除抽水蓄能之外，其他大型儲(chǔ)能裝置通常都很昂貴，或?qū)Φ攸c(diǎn)要求非常嚴(yán)苛。然而，在全世界范圍內(nèi)，人們正在進(jìn)行大量研究開(kāi)發(fā)，以求開(kāi)發(fā)出高成本效益的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能在風(fēng)電運(yùn)行并網(wǎng)中的作用將在第5章進(jìn)一步討論。風(fēng)能等變化可再生能源最可能從負(fù)荷管理中獲益，盡管所有技術(shù)都可能從中獲得效益。有一項(xiàng)研究（EconnectLtd，1996）考察了風(fēng)電的潛在效益，但這樣的安排取決于與供電方的協(xié)議。18 將來(lái)的發(fā)展1.8.1 技術(shù)方面自從政府資助的項(xiàng)目在約30年前孵化出一些兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組以來(lái)，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)在轉(zhuǎn)了一圈后又回到原地。盡管這些風(fēng)電機(jī)組基本都不大經(jīng)濟(jì)，但風(fēng)電界卻從中獲得了很多知識(shí)，他們現(xiàn)在又在建造類(lèi)似或更大容量的風(fēng)電機(jī)組。這種向更大容量的進(jìn)步幾乎沒(méi)有減慢的跡象，人們經(jīng)常會(huì)問(wèn)這種發(fā)展有沒(méi)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)極限。粗略地說(shuō)，風(fēng)輪重量隨尺寸的三次方變化，而發(fā)電量隨它的二次方變化。也許更重要的是，它最終會(huì)到達(dá)彎曲重力開(kāi)始主導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程的點(diǎn)，超過(guò)這一點(diǎn)后，重量會(huì)隨風(fēng)輪直徑的四次方變化。然而，對(duì)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化分析認(rèn)為，在風(fēng)輪直徑達(dá)到200m之前，這一交叉點(diǎn)是不大可能達(dá)到的（Milborrow，1986）。即使到那時(shí)候，使用碳纖維增強(qiáng)塑料（CarbonFi-bre-ReinforcedPlastic，CFRP）等堅(jiān)固輕型材料也可以使這一極限進(jìn)一步提高。使用這些輕型材料很可能使目前正在開(kāi)發(fā)的大型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)一步減輕重量、降低成本。控制技術(shù)和電氣創(chuàng)新的持續(xù)進(jìn)步很可能提高發(fā)電量，并使風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商更有吸引力。有些制造商正在推銷(xiāo)專門(mén)用于海上風(fēng)電市場(chǎng)的風(fēng)力機(jī)，它的容量最大到6MW。此外，排除了陸上風(fēng)力機(jī)的某些約束也可能使設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大改變。使用更高轉(zhuǎn)速和雙葉片風(fēng)電機(jī)組是可能導(dǎo)致重量顯著降低的兩個(gè)選項(xiàng)。葉片使用CFRP材料也可以大大降低重量。盡管CFRP材料目前還十分昂貴，但它的需求提高還可能會(huì)使成本進(jìn)一步降低。1.8.2 未來(lái)價(jià)格趨勢(shì)全世界的風(fēng)電裝機(jī)容量很可能繼續(xù)以大約每三年翻一番的速度增長(zhǎng)，而且假如繼續(xù)目前走勢(shì)的話，每翻一番發(fā)電成本都會(huì)降低10%～15%。然而，在2005年，風(fēng)電設(shè)備的裝機(jī)成本有一個(gè)顯著上揚(yáng)，它的主要原因是風(fēng)電機(jī)組成本上漲。而風(fēng)電機(jī)組成本上漲又是因?yàn)殇摬摹~和葉片材料成本上漲。然而，造成先前成本下降的趨勢(shì)仍然在起作用。制造商正在開(kāi)發(fā)發(fā)電成本效益更高的技術(shù)，從而使風(fēng)電機(jī)組價(jià)格下降。單機(jī)容量在持續(xù)加大，這意味著對(duì)于一定容量來(lái)說(shuō)需要的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)更少，因此風(fēng)電場(chǎng)的安裝成本會(huì)降低。此外，人們正在建設(shè)容量更大的風(fēng)電場(chǎng)，從而把架空線、道路、電氣連接和融資的成本分?jǐn)偟礁笕萘可稀Ｊ褂酶箫L(fēng)電機(jī)組意味著它可以捕獲到更高風(fēng)速，這會(huì)影響發(fā)電量和發(fā)電成本。1.8.3 市場(chǎng)發(fā)展風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展速度和它的成本下降速度相互關(guān)聯(lián)。市場(chǎng)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致成本持續(xù)下降，假如這種趨勢(shì)繼續(xù)下去，則市場(chǎng)增長(zhǎng)也會(huì)持續(xù)，因?yàn)榕c燃?xì)獍l(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)持續(xù)加強(qiáng)。一項(xiàng)對(duì)未來(lái)走勢(shì)的新近預(yù)測(cè)（GlobalWindEnergyCouncil，2013）認(rèn)為，裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)量會(huì)從2012年的約45GW增加到2017年的約61GW。那時(shí)，全球風(fēng)電的總裝機(jī)容量會(huì)達(dá)到536GW，發(fā)電量將達(dá)到全球發(fā)電量的約4%。今后幾年，歐洲風(fēng)電市場(chǎng)將繼續(xù)占風(fēng)電容量的大部分份額，海上風(fēng)電很可能逐漸顯著增長(zhǎng)。8.4 并網(wǎng)問(wèn)題越來(lái)越多的電網(wǎng)正在應(yīng)對(duì)或考慮與風(fēng)電份額越來(lái)越大有關(guān)的問(wèn)題，而且人們對(duì)可能產(chǎn)生的問(wèn)題及對(duì)策也越來(lái)越了解。總體來(lái)說(shuō)，人們對(duì)與增加備用導(dǎo)致的成本增加的關(guān)鍵問(wèn)題已經(jīng)有了共識(shí)，盡管由于備用成本不同，人們的看法還有一定差異。由于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，與變化性有關(guān)的附加成本預(yù)期會(huì)更準(zhǔn)確地量化，很可能會(huì)降低。此外，需求側(cè)管理的新技術(shù)可能意味著對(duì)頻率物理響應(yīng)設(shè)備的額外需求可能降低，從而使成本降低（Kirby，2003）。第2章 電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1 引言大部分風(fēng)電裝機(jī)都接入電網(wǎng)，這種情況在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)很可能還會(huì)繼續(xù)。接入電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于：可以把風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在風(fēng)資源豐富的地點(diǎn)，不必考慮需求地點(diǎn)；可以利用互聯(lián)電網(wǎng)吸收風(fēng)電變化的能力，而這種變化與需求的總體變化無(wú)關(guān)；提供勵(lì)磁手段，可以把簡(jiǎn)單的感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用。這些優(yōu)點(diǎn)受電力系統(tǒng)的各種局限的制約，第4章和第5章會(huì)討論如何克服由此產(chǎn)生的問(wèn)題。然而，實(shí)際情況是，聯(lián)網(wǎng)仍然是刺激風(fēng)電發(fā)展的主要因素。因此必須了解本章介紹的電力工程的基礎(chǔ)知識(shí)。本章將首先介紹電力工程的基本原理，由此引出整個(gè)電力系統(tǒng)以及所有風(fēng)電場(chǎng)都會(huì)使用的變壓器。然后介紹交流（AC）系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹有功功率和無(wú)功功率，以及相量的使用。然后介紹電力系統(tǒng)，最后將介紹交流輸電。22 基本原理2.2.1 電磁學(xué)奧斯特（?ersted）在1820年發(fā)現(xiàn)，有電流存在時(shí)，磁羅盤(pán)的指針會(huì)偏轉(zhuǎn)。他還說(shuō)明，磁場(chǎng)可以用以導(dǎo)線為軸的多個(gè)同心圓表示，如圖2-1所示。注意，當(dāng)電流流向遠(yuǎn)方（用×表示）時(shí)會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針磁場(chǎng)。電流流向觀察者時(shí)（用·表示）會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針磁場(chǎng)。磁場(chǎng)與電流方向的這種關(guān)系稱為右螺旋定則：當(dāng)螺旋順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（磁場(chǎng)）時(shí)，右螺旋會(huì)向遠(yuǎn)方運(yùn)動(dòng)（電流）。電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)幅值可用安培定理定量表示（Chris-ous，1990）。在考慮無(wú)窮長(zhǎng)直導(dǎo)線中流過(guò)電流i產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，利用安培定理可用得到一個(gè)非常簡(jiǎn)單但很有用的結(jié)果。如圖2-1所示，距導(dǎo)線D處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為HH2πD

（2-1）磁場(chǎng)強(qiáng)度表示電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的作用。實(shí)際 圖2-1電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)PAGEPAGE18 風(fēng)電并網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)運(yùn)行 （原書(shū)第2版）第第2章 電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)PAGE19磁場(chǎng)反映介質(zhì)的磁導(dǎo)率。真空或空氣等非磁性介質(zhì)中，磁場(chǎng)用磁通密度B表示。磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為B=μ0H （2-2）式中，μ0為自由空間的磁導(dǎo)率。當(dāng)介質(zhì)為鐵磁物質(zhì)時(shí)，某一磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁通密度會(huì)大得多，可表示為：B=μrμ0H （2-3）式中，μr是鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。顯然，非鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率范圍可從100到100000。應(yīng)該指出，由式（2-1）得H×2πD=i （2-4）∮這是電磁學(xué)一個(gè)重要的普遍原理的特例。H經(jīng)過(guò)閉合路徑的線積分等于它包圍的總電流即磁動(dòng)勢(shì)（m.m.f.，magnetomotiveforce）F：∮Hdl=F （2-5）（2-6）奧斯特發(fā)現(xiàn)，電流會(huì)對(duì)磁鐵產(chǎn)生一個(gè)作用力，尤其是對(duì)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。從牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律（每個(gè)力都存在一個(gè)大小相等方向相反的反作用力）可以推導(dǎo)出，磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)攜帶電流的導(dǎo)線產(chǎn)生一個(gè)作用力。這一點(diǎn)很容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。如果一根攜帶電流i的導(dǎo)線處于與磁通密度為B的磁場(chǎng)的方向垂直的平面上，則作用于導(dǎo)線的力（2-6）f∝Bli式中，l為磁場(chǎng)中導(dǎo)線的長(zhǎng)度。該作用力垂直于磁場(chǎng)及電流。它的方向由Fleming左手定則確定（見(jiàn)圖2-2）一，具體方法是將左手的前三指按圖張開(kāi)，則：拇指為推力方向，食指為磁場(chǎng)方向，中指為電流方向。由式（2-6）f=kBli式中，k為比例常數(shù)。磁通密度的單位為特斯拉（T），它選擇為使上式中k等于1，即 圖2-2Fleming左手定則f=Bli （2-7）因此，1T是使流過(guò)1A電流的導(dǎo)線在其垂直方向上受到1N/m的作用力的磁通密度。式（2-7）與電流單位（A）的定義合在一起可用于確定自由空間磁導(dǎo)率μ0。安培一該圖是譯者加的。目的是形象表示左手定則。其說(shuō)明也與原文略有不同。增加此圖后，后續(xù)插圖序號(hào)及正文引用之處也做了相應(yīng)修改。譯者注的定義為：“流過(guò)真空中距離為1m的兩根平行長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生2×10-7N/m作用力的電流”。由式（2-1）和式（2-2），一根導(dǎo)線流過(guò)電流在另一根導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁通密度為B=μ0由式（2-7），作用于這根導(dǎo)線上的力為f=μ0=2×10-7N/m因此，μ0=4π×10-7H/m。2.2.2 磁路用磁路表示電磁系統(tǒng)很方便。磁場(chǎng)可以借助磁通線直觀表示（見(jiàn)圖2-1）。磁路可定義為任何一組磁通線通過(guò)的完整閉合路徑”（Hughes，2005）。通過(guò)任一面積的總磁通Φ可以由通過(guò)它的磁通密度法向分量求得。在很多有實(shí)際意義的情況，磁通密度確實(shí)是與我們關(guān)注的面積垂直的。此外，如果磁通密度在整個(gè)面積上都是相同的，則總磁通可以用下面的簡(jiǎn)單公式求得Φ=Ba （2-8）式中，a為面積。這里我們特別關(guān)注含鐵磁材料的磁路。前面式（2-3）已經(jīng)給出，這些材料的特點(diǎn)是它們的相對(duì)磁導(dǎo)率μr非常大。對(duì)于磁通密度不大于1T的情況，這些材料的性能可以用線性關(guān)系式（2-3）表示。超過(guò)這一密度后它們會(huì)飽和，當(dāng)磁通密度繼續(xù)加大時(shí)，它的相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)明顯降低。現(xiàn)在我們來(lái)考慮一下強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)施加在長(zhǎng)度為l的部分磁路時(shí)的作用。假定磁通密度B是不變的且垂直于不變截面積a。由式（2-5），磁動(dòng)勢(shì)為F=Hlμrμ0μrμ0FBlμrμF

=lΦ=SΦ （2-9）式中，S為磁阻。各段磁路的磁阻很容易求得。式（2-9）與歐姆定律表達(dá)式（V=IR）很相近。因此磁路可以用電路方法分析，它們的等價(jià)量如下：電 路磁 路電 路磁 路電壓V磁動(dòng)勢(shì)F電阻R磁阻S電流I磁通Φ2.2.3 電磁感應(yīng)對(duì)發(fā)電來(lái)說(shuō)最關(guān)鍵的是1831年法拉第（Faraday）發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第定律通常用N匝線圈鏈接磁通Φ而感應(yīng)得到的電動(dòng)勢(shì)e表示。令磁鏈λ=NΦ，則e=dλ=NdΦ

（2-10）dt dt此式說(shuō)明的概念是，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的是磁通的變化而非如法拉第預(yù)期的磁通本身。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性由楞次（Lenz）定律決定。楞次定律的內(nèi)容是：“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。”（Hughes，2005）。在電力系統(tǒng)分析中，把式（2-10）改用線圈壓降v和線圈電流i表示更為有用。由式（2-5）和式（2-9）得Φ=F=NiS S由此可得v=e=N2di=Ldi=d（

（2-11）Sdt dt dt式中，L為線圈的電感。比較式（2-10）和式（2-11）可以看出，電感可定義為每安培電流產(chǎn)生的磁鏈”。2.2.4供電電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)鋪平了以實(shí)用規(guī)模供電的道路。第一批供電項(xiàng)目幾乎同時(shí)（1882年）出現(xiàn)在英國(guó)和美國(guó)，用來(lái)為新開(kāi)發(fā)的電氣照明供電。一個(gè)靜止線圈鏈接了旋轉(zhuǎn)部件（轉(zhuǎn)子）產(chǎn)生的磁通，感應(yīng)出電壓（它的一般配置示意如圖2-13所示）。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，恒定的轉(zhuǎn)子磁通在靜止線圈看來(lái)就是一個(gè)交變磁通。根據(jù)法拉第定律，每個(gè)靜止線圈內(nèi)都會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。在圖2-13中的機(jī)器稱為同步發(fā)電機(jī)。到目前為止，世界上幾乎全部電力都是由同步發(fā)電機(jī)提供的。然而，盡管同步發(fā)電機(jī)非常簡(jiǎn)單，但供電先驅(qū)者們當(dāng)時(shí)決定使用的卻是直流電壓而非交流電壓。這需要在同步發(fā)電機(jī)配上電刷和換向器以達(dá)到整流的目的。這樣得到的直流發(fā)電機(jī)由于更加復(fù)雜使供電可靠性很差。直流在切斷開(kāi)關(guān)以斷開(kāi)負(fù)荷時(shí)也更加困難。要在短時(shí)間內(nèi)把電流降到零會(huì)產(chǎn)生很高電壓；這是用式（2-10）和式（2-11）表示的法拉第定律的直接結(jié)果。這一電壓出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)兩端之間，會(huì)產(chǎn)生電弧。適當(dāng)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)可以解決這個(gè)問(wèn)題，但會(huì)加大直流供電的困難和成本。短路條件下需要切斷的電流更要大得多，會(huì)造成非常嚴(yán)重的系統(tǒng)保護(hù)問(wèn)題。盡管這些問(wèn)題非常具有挑戰(zhàn)性，但直流供電的最大問(wèn)題是它的電力必須以相同電壓發(fā)出、配送和使用。這一電壓通常是110V，它據(jù)信是對(duì)用戶安全的最高電壓值。對(duì)于給定功率，增加負(fù)荷需要不斷加大導(dǎo)線的截面積。很快人們就意識(shí)到，以這樣低的電壓供電是難以為繼的。然而，要提高供電電壓，對(duì)相同功率使用較細(xì)的導(dǎo)線，就需要進(jìn)行電壓變換。在19世紀(jì)晚期，這意味著使用交流供電和變壓器。幸運(yùn)的是，變壓器是一種非常簡(jiǎn)單的設(shè)備。它是法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程中發(fā)明的。變壓器可以把適于發(fā)電機(jī)使用的電壓變換為高得多的輸電電壓。很高的輸電電壓可以再降到配電用的中間電壓，最后再降到適于用戶使用的電壓。現(xiàn)在英國(guó)的用電電壓是230V。20世紀(jì)電力工業(yè)快速發(fā)展的原因之一就是有效的交流發(fā)電和供電。盡管看似荒謬的另一方面是直流互聯(lián)的配置卻越來(lái)越多。這可能是電力電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。電力電子設(shè)備在不同層次的供電用電方面都有廣泛用途。在風(fēng)力發(fā)電方面當(dāng)然也是如此，我們將在第3章對(duì)此加以討論。然而，現(xiàn)在我們重點(diǎn)討論交流系統(tǒng)。這里首先討論變壓器的基本原理。2.5 變壓器變壓器的基本構(gòu)造是鐵心和繞在它上面的兩個(gè)線圈，為方便把它們分別叫作一次繞組（線圈1）和二次繞組（線圈2）。它的配置如圖2-3所示。一次繞組和二次繞組的匝數(shù)分別為N1和N2。圖2-3簡(jiǎn)單變壓器假定兩個(gè)繞組鏈接的磁通相同，即沒(méi)有漏磁通，對(duì)它們應(yīng)用法拉第定律（式（2-10））可得dtdtv1=N1dΦv2=N2dtdt兩個(gè)電壓的關(guān)系為

v2=N2

（2-12）v1 N1可以看出，電壓變換的比例等于匝數(shù)比。注意，變壓器的運(yùn)行取決于磁通的變化，正如法拉第發(fā)現(xiàn)的那樣。而一次側(cè)的交變電壓可以確保磁通是變化的，因此二次側(cè)的交變電壓與它同相位。電流關(guān)系可由鐵心構(gòu)成的磁路推導(dǎo)得出。作用于鐵心的磁動(dòng)勢(shì)為μaF=N1i1-N2i2=SΦ=lΦμa=式中，l為鐵心長(zhǎng)度；a是鐵心截面積；μ是鐵心磁導(dǎo)率。二次電流的負(fù)號(hào)表示它的假定磁通方向是相反的。假定鐵心磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，則對(duì)有限磁通，磁動(dòng)勢(shì)F必須為零，此時(shí)：=二次繞組的輸出功率為

i2 N1i1 N2

（2-13）pout=v2i2=N2v1×N1i1=v1i1=pinN1 N2變壓器的送出功率等于供給變壓器的功率。這毫不奇怪，因?yàn)槲覀兗俣ɡ硐腓F心沒(méi)有漏磁，而且不考慮繞組的銅損。實(shí)際變壓器與理想變壓器的差別在于：漏磁有的一次磁通并不鏈接二次繞組，反之亦然；繞組有電阻，因此在帶負(fù)荷時(shí)會(huì)有功率損耗；鐵心的磁導(dǎo)率是有限的，因此需要?jiǎng)?lì)磁電流；鐵心有磁滯和渦流引起的鐵損。在系統(tǒng)方面，這些效應(yīng)中最顯著的是漏磁。漏磁指僅鏈接一個(gè)線圈的磁通，因此它表現(xiàn)為與每個(gè)線圈串聯(lián)的電感，稱為漏電感，24L1L2。繞組的電阻（R1，R2）包含在與漏電感串聯(lián)的回路中它們表示變壓器的銅損與電流平方成正比這些串聯(lián)部件的作用是產(chǎn)生滿載串聯(lián)電壓降。在工頻下，它的數(shù)值最大可達(dá)到額定電壓的10與繞組電阻相比工頻下的漏電抗占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)因而可以確保壓降與線對(duì)中性點(diǎn)電壓的相位差成直角。因此，變壓器的變比在全部負(fù)荷范圍內(nèi)的變化很小。圖2-4實(shí)際變壓器的等值電路實(shí)際變壓器需要一個(gè)較小電流來(lái)勵(lì)磁。這一作用用跨接在理想變壓器每個(gè)繞組之間的勵(lì)磁電感來(lái)表示，見(jiàn)圖2-4中的Lm。最后，鐵損可以用與勵(lì)磁電感并聯(lián)的電阻（見(jiàn)圖2-4中的Rc）表示。鐵損與負(fù)荷無(wú)關(guān)。變壓器的總效率在95%～97%之間。這些作用綜合表示在圖2-4中。它們可以看作是理想變壓器加等值電路的變壓器總體性能的外部表現(xiàn)。23 交流供電用發(fā)電機(jī)發(fā)電加上變壓器來(lái)實(shí)施高壓輸電的這種組合在過(guò)去上百年里基本上沒(méi)有太大變化。因此了解交流系統(tǒng)的性能非常重要。以下各節(jié)將介紹必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)。首先介紹交流系統(tǒng)中功率的含義。然后會(huì)介紹分析交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)非常有用的工具，即相量。然后說(shuō)明交流電路中無(wú)源元件的性能。然后再回到功率表示方法，但這次是從相量角度說(shuō)明。最后會(huì)介紹采用三相供電的理由。2.3.1 穩(wěn)態(tài)交流系統(tǒng)功率考慮下面的簡(jiǎn)單交流系統(tǒng)。其中從A點(diǎn)到B點(diǎn)的瞬時(shí)潮流可能為正也可能為負(fù)。如果v和i都為正，則從A到B的方向?yàn)檎ㄒ?jiàn)圖2-5）。圖2-5簡(jiǎn)單交流系統(tǒng)交流電壓和電流可表示如下：1）v（t）=Vmcosωt2）i（t）=Imcos（ωt-?）式中，ω為角頻率（rad/s），ω2πff為頻率（Hz）]。可以令電流滯后于電壓的時(shí)間為?/ω而不失去普遍性。在電力工程中，這一滯后時(shí)間通常表示為相應(yīng)的角度?。它反映在后面將要介紹的相量應(yīng)用中。從A到B的瞬時(shí)功率用電壓和電流的乘積表示：p（t）=VmImcosωt×cos（ωt-?）將該式右側(cè)整理可以把功率分為有功功率和無(wú)功功率兩個(gè)分量。首先，注意cos（A+B）=cosAcosB-sinAsinBcos（A-B）=cosAcosB+sinAsinB所以 cos（A+B）+cos（A-B）=2cosAcosB令A(yù)=ωt，B=ωt-?，則p（t）=VmIm[cos（2ωt-?）+cos?]/2=Vm·Im（cos2ωtcos?+sin2ωtsin?+cos?）=2 2=VI[（1+cos2ωt）cos?+sin2ωtsin?]=P（1+cos2ωt）cos?+Qsin2ωt注意，V=Vm/2，I=Im/2。V和I分別是電壓和電流的有效值，即方均根（r.m.s.）值。從現(xiàn)在開(kāi)始，交流電壓和電流的所有值都假定為方均根值，除非另有說(shuō)明。上述分析引進(jìn)了兩個(gè)非常重要的量：P=VIcos?Q=VIsin?

（2-14）P是有功功率，簡(jiǎn)稱功率。它是瞬時(shí)功率的平均值，它當(dāng)然是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的生產(chǎn)和送出量。有功功率取決于系統(tǒng)電流正弦波領(lǐng)先或滯后于電壓正弦波的角度?。cos?項(xiàng)稱為功率因數(shù)。它可以理解為在給定電壓及電流下，最大可能有功功率由于電流與電壓相位不同而降低的因數(shù)。Q是無(wú)功功率。它是振蕩的瞬時(shí)功率的一個(gè)分量的幅值。電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商必須小心應(yīng)對(duì)它，因?yàn)樗南嚓P(guān)電流也需要導(dǎo)線容量。注意，功率因數(shù)為1意味著無(wú)功功率為零。有功功率和無(wú)功功率的單位（及單位符號(hào)）如下：（有功）功率瓦特（W）無(wú)功功率乏（無(wú)功伏安）（var）2.3.2 相量到目前為止我們已經(jīng)討論了時(shí)域中的時(shí)變余弦（或正弦）量，例如：v（t）=Vmcos（ωt+?）這個(gè)公式包含了很多我們通常并不需要的信息。我們通常需要的信息是：幅值有峰值或方均根值就足夠了相位電壓（或電流）領(lǐng)先于基準(zhǔn)相量的角度?頻率通常對(duì)所有量都相同使用相量可以得到上述公式的簡(jiǎn)寫(xiě)版。相量是一個(gè)復(fù)數(shù)量，現(xiàn)在情況是電壓V。它可以表示為一個(gè)矢量圖中的相量，如圖2-6所示。相量的幅值等于被表示量的方均根值，現(xiàn)在情況下是Vm/2。相量的角度等于該量相對(duì)于基準(zhǔn)量的角度，在本例中為?。把上面的步驟反向進(jìn)行就可以從相量得到瞬時(shí)值。在多數(shù)實(shí)際情況下，相量包含了我們需要的全部信息。

2-6矢量圖中的相量表示2.3.2.1 阻抗的相量表示相量提供了分析交變電流電壓下的電路的方便手段。首先，必須理解三種無(wú)源電路元件電阻、電感和電容對(duì)交流的響應(yīng)。每種情況下都依據(jù)圖2-7所示的基準(zhǔn)方向考慮瞬時(shí)正弦電流i產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓v。電阻（R）由歐姆定律可知，vRi。取i為基準(zhǔn)量，則i=Imcosωt所以 v=RImcosωt電阻上的電壓降與通過(guò)它的電流同相位。它的相應(yīng)相量圖如圖2-8所示。注意復(fù)數(shù)相量用黑體字表示。由式（2-14），電阻的有功功率和無(wú)功功率分別為P=VIcos?=VI=RI2Q=VIsin?=0

圖2-7v和i的基準(zhǔn)方向圖2-8電阻的相量圖電感（L）由式（2-11）可得到電感在正弦電流下的電壓：dtv=Lddti=Imcosωt所以 v=ωLImcos（ωt+π/2）它的相應(yīng)相量圖如圖29所