海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算研究一、引言

隨著全球交通運輸和工業(yè)的發(fā)展，能源需求與日俱增。海上風電是一種新型的清潔能源，具有環(huán)保、可再生等優(yōu)點。它可以利用海洋中的風力發(fā)電，被廣泛應(yīng)用于歐洲、北美等地，為當?shù)厝嗣裉峁┝饲鍧嵉碾娏Α５牵c普通電力搭電網(wǎng)相比，海上風電預先需要經(jīng)過合格的潮流計算，以保障發(fā)改委的銷售政策，同時保證風力發(fā)電的安全、穩(wěn)定和可靠。

本文著重探討了海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算研究，對潮流計算的建模、數(shù)據(jù)處理、算法求解等進行了詳細的介紹與分析，同時，基于目前主流的潮流計算方法，對海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算進行了模擬研究，該研究將為中國的海上風電建設(shè)提供技術(shù)參考和支持。

二、海上風電場并網(wǎng)

隨著我國對可再生能源的加強投入，海上風電場作為風力發(fā)電的重要手段，得到了大力發(fā)展。海上風電場的建設(shè)具有良好的環(huán)保、可逆屬性，具備較高的技術(shù)利用價值。海上風電場并網(wǎng)后，能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)運營，并向市電送電，同時產(chǎn)生的電力可以滿足當?shù)厝嗣竦纳钏琛?/p>

海上風電場并網(wǎng)后，需要采用潮流計算求解各節(jié)點的電壓、電流、功率等電氣參數(shù)，驗證電氣設(shè)備的合理性和穩(wěn)定性，確保海上風電場在正常運行時的安全性和運行性，以確保風電發(fā)電量和輸出功率的準確性。同時，將海上風電場并入電網(wǎng)，可以提高電力供應(yīng)的有效性和穩(wěn)定性。因此，發(fā)展海上風電場就成為海洋能源發(fā)展的一個新熱點。

三、海上風電場電氣建模

電力系統(tǒng)是一個復雜的多元化動態(tài)系統(tǒng)，由交流電源、輸電線路、變壓器、開關(guān)設(shè)備、負載及各種充電設(shè)備等組成。為了對電力系統(tǒng)的電氣特性進行建模和計算，需要對電力系統(tǒng)進行抽象表示。

1、輸電線路的建模

輸電線路通常是由多個相同或不同的串聯(lián)組成，串聯(lián)的輸電線路可以看作一個電阻和電抗的并聯(lián)。考慮線路長度和電纜的影響，可將輸電線路看作等效電路的傳輸線模型，這樣可以更好地反應(yīng)出電線的特性及電力系統(tǒng)的電氣特性。

2、變壓器的建模

變壓器是電力系統(tǒng)重要的設(shè)備之一，它通常用于補償輸電線路的電流和修正電壓，通過變壓器的升壓和降壓可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的電壓與電氣參數(shù)的調(diào)整。變壓器的建模可以采用標準模型，模型參數(shù)包括變壓器的繞組供電電壓、電流、電感、電阻等參數(shù)。

3、節(jié)點的建模

為了對電力系統(tǒng)的潮流進行研究，需要在每個節(jié)點上建立節(jié)點模型，包括節(jié)點電壓、節(jié)點電流、電流荷載及電動勢等。節(jié)點的分析和求解需要對電力系統(tǒng)進行抽象和化簡，對復雜節(jié)點進行簡化處理，并采用各種解法對節(jié)點建立數(shù)學模型，并求解節(jié)點參數(shù)，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的參數(shù)計算、控制及優(yōu)化。

四、潮流計算算法

1、牛頓-拉夫遜潮流計算法

牛頓-拉夫遜潮流計算法是一種求解非線性多元方程組的數(shù)值方法，目前被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的潮流計算中。該方法以節(jié)點注入功率和節(jié)點電壓為狀態(tài)變量，對非線性方程進行泰勒展開，從而近似求解非線性方程組的解，以達到求解電力系統(tǒng)的潮流分布的目的。

2、高斯-賽德爾迭代算法

高斯-賽德爾迭代算法是一種常用的求解線性方程組的方法。它是通過對節(jié)點的多次迭代求解，逐步逼近方程組的解，來求解電力系統(tǒng)的潮流分布。該方法可以較快地求解潮流計算，但是不易收斂，且不穩(wěn)定。

3、快速潮流計算法

快速潮流計算法是一種以電力系統(tǒng)潮流計算為核心的綜合分析工具，它基于功率平衡原理，將電力系統(tǒng)建模，并以連續(xù)方程求解器為基礎(chǔ)，采用數(shù)值求解算法，對電力系統(tǒng)進行潮流計算。該算法運算速度快，計算準確性高，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的潮流計算中。

五、模擬研究

本文基于目前主流的潮流計算方法，對海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算進行了模擬研究。建立了海上風電、交流電纜、變壓器和電力負荷等的電氣建模，并采用快速潮流計算法進行潮流計算，以驗證海上風電場并網(wǎng)的可行性和采用該方法的正確性。在對海上風電進行潮流計算時，首先需要對風電機組采用P-Q復合控制策略，并通過求解各個設(shè)備節(jié)點的電流、電壓等電氣參數(shù)，得到潮流計算結(jié)果。

根據(jù)模擬研究定量分析表明，本文提出的方法具有高準確性和穩(wěn)定性，可以用于海上風電場并網(wǎng)后潮流計算和安全性評價。

六、結(jié)論

海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算是評估風電區(qū)內(nèi)電氣設(shè)備系統(tǒng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在詳細分析海上風電場電氣系統(tǒng)建模與潮流計算算法的基礎(chǔ)上，基于快速潮流計算法，對海上風電場進行潮流計算分析，并通過模擬研究驗證了該算法的正確性和可行性。因此，本文對海上風電場并網(wǎng)后的潮流計算方法提供了一種新的思路和技術(shù)參考，對海洋風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的推動作用。1.全球海上風電裝機容量

根據(jù)國際能源機構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，在2019年，全球海上風電裝機容量達到了29.1GW，其中歐洲海域的占比最高，達到了18GW，占比超過60%。

2.中國海上風電裝機容量

隨著中國對可再生能源政策的重視，海上風電也逐漸成為了中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新熱點。據(jù)中國可再生能源行業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，中國海上風電裝機容量已經(jīng)達到了4.9GW，相比2018年增長了46.2%。

3.海上風電發(fā)電量

根據(jù)2019年歐洲風能協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球海上風電發(fā)電量達到了139TWh，相比2018年增長了19.5%。其中歐洲海域的發(fā)電量最高，達到了72TWh，占比接近52%；中國海上風電發(fā)電量為9.9TWh。

4.海上風電成本

海上風電的建設(shè)和運維成本較高，然而，隨著技術(shù)進步和規(guī)模化效應(yīng)的逐步實現(xiàn)，海上風電成本已經(jīng)逐漸下降。根據(jù)歐洲風能協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2019年，歐洲海上風電在2020年的預期平均邊際成本為47歐元/MWh，比2014年下降了32%。而中國國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2019年中國海上風電平均電價為平均限價0.85元/kWh。

5.海上風電的環(huán)保效益

相比傳統(tǒng)能源，海上風電具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。根據(jù)歐洲風能協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年歐洲海上風電產(chǎn)生的電量可以替代100萬噸標準煤，減少了250萬噸的二氧化碳排放量。根據(jù)中國可再生能源行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2020年中國海上風電減排的二氧化碳排放量達到了919萬噸，相當于植樹造林2.63億株的效果。

分析：

1.全球海上風電裝機容量正在逐步增加，歐洲海域的裝機容量位居全球前列。在中國海上風電發(fā)展的背景下，中國也在逐年提升海上風電的裝機容量。

2.全球海上風電發(fā)電量也在逐年上升，其中歐洲海域的發(fā)電量最高。中國海上風電的發(fā)電量相對較小，但隨著裝機容量的逐年提高，發(fā)電量也在穩(wěn)步增長。

3.雖然海上風電的建設(shè)和運維成本較高，但隨著技術(shù)進步和規(guī)模化效應(yīng)的逐步實現(xiàn)，其成本有望逐步降低，提高其經(jīng)濟性。

4.海上風電的環(huán)保效益明顯，可以減少二氧化碳等有害氣體的排放，為打造綠色能源做出了積極貢獻。

綜上所述，海上風電具有很大的發(fā)展?jié)摿ΓS著技術(shù)的創(chuàng)新和成本的降低，其市場有望向著更廣闊的領(lǐng)域拓展。同時，加強對海上風電行業(yè)的監(jiān)管和管理，保障其安全穩(wěn)定運營，也是未來海上風電發(fā)展的關(guān)鍵。海上風電是近年來備受關(guān)注的可再生能源之一，其將風能轉(zhuǎn)化為電能，具有較高的發(fā)電效率和環(huán)保性，在歐美等國家逐漸成為重要的可再生能源經(jīng)濟。在國內(nèi)，海上風電的發(fā)展受到了政府政策的支持，經(jīng)過多年努力，已經(jīng)取得了一定的成績。本文將結(jié)合國內(nèi)外海上風電發(fā)展案例進行分析、總結(jié)，探討海上風電發(fā)展的現(xiàn)狀、問題與前景。

一、全球海上風電發(fā)展概況

1.歐洲海域為海上風電主要發(fā)展區(qū)域

歐洲是全球海上風電最為發(fā)達的區(qū)域，在全球海上風電裝機容量中占比超過60%，其中英國、德國、丹麥等國家的海上風電項目最為突出。在這些國家，政府給予了強有力的政策支持，不斷提升海上風電的裝機容量和效率。如英國政府推出的“2020年低碳能源目標”，將海上風電列為其中一項重點發(fā)展領(lǐng)域，力爭到2020年時，將海上風電產(chǎn)生的電力占比提高到30%。同時，英國海洋能源中心（OCEANENERGYCENTRE）的成立，進一步推動了海上風電技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。

2.全球海上風電逐年擴展規(guī)模

隨著技術(shù)的不斷革新和工程經(jīng)驗的積累，全球海上風電的裝機規(guī)模不斷擴大。截至2019年，全球海上風電裝機容量已達29.1GW，其年新增裝機容量也逐年增加，為4.4GW，其中歐洲海域占比最高，達到18GW。預計未來幾年，全球海上風電的發(fā)展勢頭將更加迅猛，裝機容量將進一步增加。

3.海上風電成本不斷下降

海上風電的建設(shè)和運維成本較高，但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和裝機規(guī)模的不斷擴大，海上風電的成本也在不斷下降。歐洲風能協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年，歐洲海上風電的平均邊際成本已經(jīng)下降了近30%。中國國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2019年中國海上風電平均電價為平均限價0.85元/kWh，雖然相較于陸上風電仍然高出不少，但也在逐步下降。

4.海上風電環(huán)保效益顯著

相比傳統(tǒng)能源，海上風電具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢。根據(jù)歐洲風能協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年歐洲海上風電產(chǎn)生的電量可以替代100萬噸標準煤，減少了250萬噸的二氧化碳排放量。在中國，海上風電的發(fā)展也為減少二氧化碳等有害氣體的排放做出了積極貢獻，2020年中國海上風電減排的二氧化碳排放量達到了919萬噸。

二、中國海上風電發(fā)展概況

1.中國海上風電起步較晚

相較于歐洲等先進國家，中國的海上風電起步較晚，主要原因是由于技術(shù)難度較大、成本較高等因素的影響。直到2010年之后，中國開始逐步進入海上風電領(lǐng)域，其在南海水域先后建成了5座海上風電場，裝機容量為197MW。2014年，東海上海海域建成了中國第一座大型商業(yè)化海上風電場——上海東海大橋風電場，其裝機容量為102MW。

2.中國海上風電發(fā)展局面日益明朗

隨著政府對可再生能源的支持力度加大，中國海上風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。截至2019年底，中國海上風電裝機容量已經(jīng)達到了4.9GW，相比2018年增長了46.2%。同時，中國海洋能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃和“十四五”規(guī)劃也為中國海上風電的未來發(fā)展提供了指引方向。

3.地理位置和技術(shù)水平仍是制約因素

中國絕大部分地區(qū)的海域都存在海上風電開發(fā)的條件，但由于地理位置的限制，海上風電建設(shè)和運維成本較高，成本仍是制約其規(guī)模化發(fā)展的主要瓶頸。同時，中國在海上風電領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新方面仍然相對滯后，需要進一步加強技術(shù)研發(fā)和學習借鑒國外先進經(jīng)驗。

4.政策的作用對海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要

中國政府對海上風電的支持力度不斷加大，已經(jīng)出臺了多項政策和規(guī)劃，鼓勵和促進海上風電的發(fā)展。比如《關(guān)于推進風電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的指導意見（2019-2020年）》等政策文件規(guī)定，到2020年，海上風電裝機容量達到1GW，到2030年，海上風電年發(fā)電量達到1000億千瓦時。這些政策的出臺，將極大地促進中國海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

三、海上風電發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)

1.不穩(wěn)定的政策環(huán)境

海上風電發(fā)展需要政策的支持和配套，但某些國家不穩(wěn)定的政策環(huán)境對海上風電的持續(xù)發(fā)展造成了一定的困擾，讓風電企業(yè)和投資者感到擔憂。例如，總部位于英國的裁員出售風電項目和德國的能源轉(zhuǎn)型政策變動，均對風電業(yè)產(chǎn)生了不利影響。

2.成本過高

盡管海上風電的成本在逐年降低，但始終高于傳統(tǒng)的化石能源和一些可再生能源，這也影響了其在市場上的競爭力。特別是一些發(fā)展中國家海岸線較長，但經(jīng)濟水平相對較低的國家，建設(shè)海上風電場需要投入大量的資金，這對海上風電的普及帶來了挑戰(zhàn)。

3.技術(shù)的不斷創(chuàng)新

海上風電技術(shù)的創(chuàng)新是海上風電發(fā)展的基礎(chǔ)，但目前國內(nèi)外在海上風電方面的技術(shù)創(chuàng)新尚未成熟。因此，更好地開發(fā)海上風能，提高海上風電效率和可靠性，需要更多專家學者不斷追求創(chuàng)新，推動技術(shù)的升級。

4.穩(wěn)定的電網(wǎng)支撐

海上風電通過離岸電網(wǎng)接入國家電力網(wǎng)，與陸上風電不同，需要考慮海上電網(wǎng)的互聯(lián)互通和穩(wěn)定性。電網(wǎng)的不完善或穩(wěn)定性的不足可能會對風電的收益和發(fā)展造成影響，降低海上風電的競爭力。

四、結(jié)論

海上風電是未來全球能源