宾县大顶山风电场规划研究-张雷.pdf

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1、国内图书分类号： TM76 学校代码： 10213 国际图书分类号： 621.31 密级：公开 工程硕士学位论文 宾县大顶山风电场规划研究 硕士研究生： 张雷 导师： 刘瑞叶 教授 申请学位： 工程硕士 学科： 电气工程 所在单位： 哈尔滨电业局 答辩日期： 2010 年 9 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 - Classified Index: TM76 U.D.C: 621.31 Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDY OF DADINGSHAN WIND FARM PLANNING Candidate: Zhan

2、g Lei Supervisor: Prof. Liu Ruiye Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Electrical Engineering Affiliation: Harbin Power Bureau Date of Defence: Sep, 2010 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - I - 摘 要 当今，全球正面临着气候变化和能源短缺的严峻挑战。日益增长的能源需求

3、、能源安全问题得到了越来越多的关注 。风能，是现代社会最具效率的能源之一，能够帮助我们应对这些问题。风能 安全、清洁，资源丰富，取之不尽，用之不竭。风能是一种永久性的大量存在 的本地资源，可以为我们提供长期稳定的能源供应。 风资源评估和风电场规划是风电场建设的前期环节和重点工作。做好评估和规划对充分利用风力资源和提高风 场的综合效能有着举足轻重的作用。 本文以宾县大顶山风电场为研究对象，对于风资源评估及风电场规划理论及技术进行深入的分析和研究，详细分析 当地风能资源数据，从而较为准确地预计由此产生的经济效益，确定当地建设 风电场的可行性、选择合适的风力发电机组和风电场接入电网方案等，以期最 大

4、限度地利用当地的风能资源，为当地经济社会的快速发展提供清洁而高效的动力。主要内容如下： (1) 分析并确定宾县大顶山风电场风资源 评估的理论方法，包括对风资源基本参数的测算与风电场特性参数分析方法；确定检验和校正测风数据的方法；选择了本课题研究所用的风资源评估应用软件（ WAsP） 。 (2) 利用实测数据及计算软件，从基本评 估依据、气象数据分析、现场测风情况和风力资源条件等几个方面对宾县 大顶山的风资源进行详细的分析与评估，根据评估结果，确定了风电场建设的可行性。 (3) 利用 WAsP 软件详细分析宾县大顶山风电场的装机规模，估算其发电量，并对宾县地区进行电力平衡分析 ，初步制定该风电场

5、接入电网方案。 通过上述统计、分析和计算，我们得出了大顶山风电场的规划结论：该风场的盛行风向较稳定，有效风小时数多， 没有破坏性风速，风力资源丰富，具备接入电网的条件，工程开发可行。 关键词： 风力发电；风资源；评估；风场规划哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - II - Abstract Today, the world is facing climate changes and energy shortage challenges. Growing energy demand, energy security issues are more and more payed attention

6、to. Wind power, one of the most efficient energy, can help us address these issues in modern society. Wind energy is secure, clean, rich in resource and inexhaustible. As is a permanent presence of a large number of local resource, wind power can provide us with long-term stable energy supply. Asses

7、sment of wind resource and wind farm planning is the early part and priorities of the construction of wind farm. Evaluation and planning plays an important role in the full use of wind resource and the enhancement of the combined effectiveness of wind farm. In this paper, we study the Dadingshan win

8、d farm as the research object, for the in-depth analysis and research of the wind resource assessment and wind farm planning theory and technology, detailed analysis of the local wind resource data to more accurately estimated the resulting economic effectiveness, to determine the feasibility of a l

9、ocal wind farm construction, selecting the appropriate wind turbine wind farm connected to the grid programs in order to maximize the use of local wind energy resources for rapid economic and social development of the local provision of clean and efficient power. The major elements is following: (1)

10、 We analyze and determine the theoretical methods of the wind resource assessment of the Dadingshan wind farm, including the basic parameters of the wind resource measurement and analysis of wind parameters; determine the inspection and correction of wind data; selecte the subject of research with t

11、he wind resource assessment applications (WAsP). (2) We use the measured data and calculation software, from the basic assessment of the basis of meteorological data analysis, field conditions and wind resources, wind conditions, and several other aspects of Dadingshan detailed wind resource analysi

12、s and evaluation, based on assessment results to determine the feasibility of wind farm construction. (3) We use the software of WAsP detailed analysis of the Dadingshan wind farm in the installed capacity to estimate the generating capacity, and power balance analysis of Bin areas, the initial deve

13、lopment of the wind farms power program. Through the above statistics, analysis and calculations, we have come to the Dadingshan wind farm planning conclusion: The prevailing wind direction was 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - III - stable, the effective number of the hours of the wind is sufficient, there is no d

14、amaging wind speed, wind resource is rich, and there are conditions with access to grid, so the engineering development is feasible. Keywords: wind power, wind resource, assessment, wind farm planning哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - IV - 目 录 摘要 .1 Abstract. II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 .1 1.2 国内风电场工程发展与研究现状 .3

15、 1.3 国内风电设备发展与应用现状 .5 1.4 国内风资源评估及风电场规划现状 .6 1.5 本课题研究所用的风资源评估工具软件 .6 1.6 本文主要研究内容 .8 第 2 章 风资源评估及风场规划的相关理论 .9 2.1 引言 .9 2.2 风资源评估及风场规划的相关理论 .9 2.2.1 风资源基本参数 .9 2.2.2 风场特性参数分析 . 10 2.3 测风数据的检验与校正方法 . 14 2.3.1 数据检验方法 . 14 2.3.2 数据校正方法 . 15 2.3.3 风资源评估的程序步骤 . 16 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 宾县大顶山风电场风资源评估分析 . 1

16、7 3.1 引言 . 17 3.2 风资源评估依据 . 17 3.3 对当地气象站所提供数据的分析 . 17 3.3.1 气象站的基本情况 . 17 3.3.2 气象要素分析 . 18 3.4 现场测风基本情况分析 . 20 3.5 风资源条件分析 . 23 3.6 风资源分析结论 . 31 3.7 本章小结 . 32 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - V - 第 4 章 风电场装机规模计算及接入电网方案 . 33 4.1 引言 . 33 4.2 区域装机规模与发电量计算 . 33 4.2.1 机型选择 . 33 4.2.2 不同机型发电量计算与经济比较 . 34 4.2.3 风电机布置原则

17、 . 36 4.2.4 装机规模计算结果 . 37 4.3 接入电网方案 . 40 4.3.1 哈尔滨地区及宾县电网概况 . 40 4.3.2 风电场接入电网方案设计 . 42 4.4 本章小结 . 43 结论 . 44 参考文献 . 45 攻读学位期间发表的学位论文 . 48 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 49 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 49 致谢 . 50 个人简历 . 51 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 人类利用风能的历史非常悠久，在蒸汽机、电力出现之前，风帆、风车是人类生产、生活使用的重要动

18、力装置，随 着现代技术的广泛应用，它们已逐渐被取代，但地球上巨大的风能资源一直吸引着人们的关注1。 随着全球化石能源枯竭供应紧张、气候变化形势严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，并对风电发 展高度重视，世界风电产业得到迅速发展2。自 1996 年以后，全球风电装机年均增长率保持在 25%以上，风能成为世界上增长最快的清洁能源。 20 世纪 70 年代发生的石油危机，特别是世界范围内化石能源的大量消耗产生的一系列环境问题，给人类生存造成 的危害日趋明显，风能利用被重视起来，世界上不少国家投入人力、物力用现 代技术研究开发风力发电机组。经过多年的研究和实践，用于偏远无电地区独 立运行或

19、与光伏电池或柴油机并联运行的 100W 到 10kW 级小型机组已实现商业化，在解决电网不及的偏远地区用电方面发挥了重要作用3。作为常规电网电源的大型风力发 电机组制造技术取得了重大进展，可靠性提高，成本下降， 单机容量不断增大，技术日臻完善，是目前具有规模开发和商业化发展前景的 新能源。特别是由于其具有改善生态环境的突出作用以及其取之不尽、用之不 竭的优势，受到各国的重视，成为发展最快的清洁能源4。 发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对 新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生 能源中，风能无疑是世界

20、上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一 与太阳能、生物质能相比，风能的产业化基础最好，经济性优势最明显，而且不 存在生物质能所面临的资源约束，另外也没有任何大的环境影响 ，在可预见的时间内（ 20302050 年） ，都将是最有可能大规模发展的能源资源之一5。在不考虑常规电力的环境成本情况下，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高 于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励 政策，从不同的方面引导和支持风电的发展。在气候变化压力不断加大的情况下，发展以风电为代表的可再生能源，已成为各国应对未来能源和气候变化压力的长期策略6。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 -

21、 在政策的鼓励下， 2008 年成为风电发展具有标志性的一年：这一年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过 1 亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业，共为全球提供了近 20 万个就业机会。近年来，国外风电发展非常之快，装机容量以每年 30以上的速度增长，其中发展最快的有德国、西班牙、美国、丹麦、印度等 。欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机容量最大的国家，装机容量超过 2000 万千瓦；美国和西班牙也都超过 1000 万千瓦7；印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家，装机总容量也超过 600 万千瓦。 近几年世界很多国家都在制定大规模发展风电的计划。在

22、开发陆地风力资源的同时，不少国家已进行海上风电场的开发和建设。欧盟 15 个成员国总目标是到 2010 年再生能源在电力中的比例达到 22，在风电发展领域表现卓越的丹麦政府预计，到 2030 年风电装机达 550 万 kW，相当于全国用电量的 50。世界风电的快速发展给我国提供了经验、机遇和挑战。抓住机遇迎接挑战，加快我国风电的发展，是风电界肩负的重要责任8。 我国地处亚洲大陆东部，濒临太平洋，位于东南季风带，海岸线长达 1.8万公里，内陆多山，改变了气压分布。根 据国家气象局的初步调查分析，全国约 20的国土面积有比较丰富的风能资源。我国离地 10 米高的风能资源总储量约 32.26 亿千瓦

23、，其中可开发和利用的陆地上风能储量有 2.53 亿千瓦， 50米高度的风能资源比 10 米高度多一倍，为 5 亿多千瓦；近海可开发和利用的风能储量有 7.5 亿千瓦9。经过 20 年的科技攻关，在国家有关部门和地方政府的支持下，我国风能利用技术有了很大提高，积累不少成功的经验。 经过多年的研究开发和工程实践，我国在风力资源调查评估，风电场规划建设，并网技术、运行管理等方面都积累了不少经验，具备规模化开发的基础。但从总体上看，我国风电技术与国外 相比还有较大的差距，提高对发展风电重要性的认识，制定促进风电发展的政 策和措施，加大科研的投入，提升我国风电设备制造的技术水平，培育风电咨 询和服务体系

24、，加强风能资源调查评估和风电场建设的前期工作，提高运行管 理水平，降低投资和风电电价，是今后我国发展风电产业必须着重解决的问题10。 风力资源调查评估和风电场规划是风电场建设的前期环节和重点工作。做好评估和规划对充分利用风力资源和提高 风场的综合效能有着举足轻重的作用11。 近几年，宾县地区在工业和第三产业迅 猛发展的带动下，国民经济快速发展，全县供电量、负荷迅速增长，供电量从 2003 年的 1.26 亿千瓦时增长至哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 2009 年的 2.7 亿千瓦时，年均增长率 13.56%；负荷从 2003 年的 42 兆瓦增长至 2009 年的 81 兆瓦，年均

25、增长率 11.57%，负荷增长高居哈尔滨周边县市地区之首，用电需求非常紧迫。因此，充分 发挥本地的风资源优势，开发风电场工程建设和投产运行对于解决宾县地区的供用电矛盾已迫在眉睫。 此外，大顶山风电场的建成可在一定程 度上降低对常规燃煤电站的需求，每年可大量减排 SO2、 CO2 等气体，环境效益十分显著，对于保护当地生态环境、促进经济和谐发展具有重要作用。同 时，大顶山风电场的建设还可推动当地各产业的蓬勃发展，具有明显而深远的经济和社会意义。 拟建大顶山风电场位于宾县县城西北 42km 大顶山上，山体呈东西走向，北靠松花江。风场区域属低 山丘陵区，海拔高程为 190 290m，风场中心坐标为

26、N4600， E12704，占地面积约为 22km。该区域风能资源丰富，风力发电潜力巨大，做好风资源评估及风场规 划对于该区域的风电开发、建设和运行都有着举足轻重的基础性作用。根据电 力电量平衡分析，大顶山风电场电力输送主要用来满足宾县地区负荷增长，随 着哈尔滨地区装机容量逐年增大，风电就地平衡部分电力后，相应接受省网电 力减小，增强了省网电力的综合调配能力。本文结合该项目对风电场的风资源进行评估，并对风电并网进行了研究。 1.2 国内风电场工程发展与研究现状 我们知道，以风能为动力的发电设备， 称为风力发电机组。装有两台或多台并网型风力发电机组的发电站称为风力 发电场，通常称风电场。风电场的

27、风力发电机组产生的电能，通过电 缆经箱式变电站将其电压由 0.4kV 或 0.69kV升至 l0kV 后，再经架空线路或电缆输送到风电场的变电所，在变电所将电压升高至 35kV 或 110kV 后，经高压架空线路输入公共电网。风电场建设工程，是以监测评估初选的风电场所在地的风能 资源开始，以完成风电场试运行通过竣工验收投入商业化运行结束12。 以上是我们通常认知的风电场中的重要构成、概念以及相应的建设大体过程。下面，我们看一下我国风电开发利用现状。 我国风能资源丰富的地区主要分布在东北、华北、西北地区，包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省（市、自治区）近 200 公里宽的地带；东南沿海及其附近岛屿，包括山东、 江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省（市、自治区）沿海近 10 公里宽的地带；内陆个别地区由于湖泊和特殊地形的影响形成的一些风能丰富点和东部近海地区13。