淺談風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王政允

摘 要：如今人們的環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，環(huán)境保護(hù)的理念已經(jīng)深入人心。風(fēng)力發(fā)電作為新型的清潔能源，已經(jīng)成為國(guó)家關(guān)注和發(fā)展的重點(diǎn)，發(fā)展極為迅速，國(guó)家以及眾多企業(yè)投入大量資金進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，大量的風(fēng)電場(chǎng)也在投入建設(shè)。該文對(duì)近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對(duì)風(fēng)電運(yùn)行存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)風(fēng)電未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0014-02

近年來(lái)能源供應(yīng)日益緊張，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，因此國(guó)家對(duì)新能源的重視程度與日俱增，風(fēng)能作為一種清潔高效的能源已經(jīng)成為利用的重點(diǎn)。我國(guó)有綿長(zhǎng)的海岸線，大片的草原戈壁，風(fēng)力資源十分豐富。隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電投入力度的不斷加大，風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)發(fā)展十分迅速，已經(jīng)成為一種重要的能源供應(yīng)，風(fēng)電技術(shù)也得到了迅速發(fā)展[1]。截至2013年底，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)到1.6萬(wàn)MW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到9.1萬(wàn)MW，新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量都達(dá)到世界前列。

由于風(fēng)力資源季節(jié)性波動(dòng)性的影響，大容量的風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、諧波情況、線路損耗以及繼電保護(hù)造成影響。進(jìn)行風(fēng)電功率的合理預(yù)測(cè)，提高風(fēng)電穿透功率，研究動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對(duì)風(fēng)電存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決是風(fēng)電研究的重點(diǎn)。由于風(fēng)力發(fā)電所占電網(wǎng)裝機(jī)總量的比重過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，合理分配風(fēng)電場(chǎng)和傳統(tǒng)能源的比例，降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是發(fā)展風(fēng)電能源的重點(diǎn)[2]。該文對(duì)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了闡述，對(duì)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有恒速恒頻率異步發(fā)電機(jī)、變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)三種。由于變速恒頻系統(tǒng)可以適應(yīng)較寬的風(fēng)速范圍，已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，而直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變流器組合在未來(lái)有著廣闊的發(fā)展前景。

1.1 恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、變速箱、異步發(fā)電機(jī)以及并聯(lián)電容器構(gòu)成。風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用定漿失速控制可以確保發(fā)電機(jī)輸出的電能電壓和頻率保持恒定。由于異步發(fā)電機(jī)在輸出有功功率的同時(shí)會(huì)有無(wú)功產(chǎn)生，因此，可以通過(guò)并聯(lián)電容器提高電網(wǎng)的功率因數(shù)[3]。由于風(fēng)能波動(dòng)性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)能利用率較低，能量輸出波動(dòng)性也比較大。

1.2 變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

雙饋異步發(fā)電機(jī)是如今風(fēng)力發(fā)電的主流設(shè)備，占裝機(jī)總量的絕大部分。變漿距角技術(shù)的應(yīng)用，提高了風(fēng)能的利用率，而且在機(jī)組緊急停止時(shí)，通過(guò)調(diào)整可以減少風(fēng)能的收集，降低了機(jī)組的機(jī)械沖擊，機(jī)組的使用壽命加長(zhǎng)了[4]。定子側(cè)和電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過(guò)雙PWM變換器控制勵(lì)磁，確保定子電能頻率的穩(wěn)定。

1.3 變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，避免了減速箱對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)交直交變頻技術(shù)形成穩(wěn)定的交流電進(jìn)入電網(wǎng)[5]。勵(lì)磁采用永磁體節(jié)省了勵(lì)磁的維護(hù)投入，但發(fā)電機(jī)的體積和制造成本以及難度加大了。

2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

隨著風(fēng)電技術(shù)的迅速發(fā)展，大容量風(fēng)電場(chǎng)的并入，電力系統(tǒng)的潮流方向和繼電保護(hù)配置都會(huì)發(fā)生改變。風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)過(guò)程中還有很多問(wèn)題需要解決。

2.1 功率流動(dòng)模式在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后發(fā)生改變

常規(guī)電網(wǎng)電能從電源發(fā)出，經(jīng)由輸電線路輸送到負(fù)荷端，電能的傳輸方向是單向傳輸。而風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)的末端，通常建立在偏遠(yuǎn)的野外，遠(yuǎn)離用戶端，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，配電網(wǎng)的功率流動(dòng)呈雙向傳輸，對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)整定造成影響，應(yīng)多電源網(wǎng)絡(luò)模式配置保護(hù)設(shè)備，整定值不應(yīng)在并網(wǎng)沖擊電流范圍內(nèi)。

2.2 影響電網(wǎng)調(diào)度分配

風(fēng)能的不確定性和不可控性，造成其難以進(jìn)行可靠的調(diào)節(jié)和預(yù)測(cè)，風(fēng)電的并入，使電力系統(tǒng)的備用容量增加。由于火電機(jī)組需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能可靠投入，一旦系統(tǒng)的備用容量不足，則會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)造成影響。風(fēng)電的并網(wǎng)常常會(huì)顯得不太合時(shí)宜，即在用電高峰時(shí)風(fēng)電供應(yīng)較少，而在用電低谷時(shí)電能的產(chǎn)生量卻很大，增加了電網(wǎng)的調(diào)度難度。

2.3 影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量

風(fēng)電場(chǎng)的并入增加了電網(wǎng)的電源，但由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率是波動(dòng)的，從而造成電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性不高。目前風(fēng)電系統(tǒng)主要為以步發(fā)電機(jī)，需要吸收大量無(wú)功，若無(wú)功不足則會(huì)造成電網(wǎng)壓降和閃變的問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的電力電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成影響。

3 風(fēng)力發(fā)電中的重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題

風(fēng)力發(fā)電作為重要的新興能源，受重視程度越來(lái)越高，如何提高風(fēng)能的使用效率，改善風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量是風(fēng)力發(fā)電工作研究的重點(diǎn)。

3.1 風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測(cè)

風(fēng)能的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，經(jīng)常造成大容量電場(chǎng)并網(wǎng)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的可靠性，制約著大容量風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行。因此對(duì)風(fēng)電能量進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，有助于風(fēng)電場(chǎng)的合理選址以及電網(wǎng)能量的合理調(diào)度。目前常用的風(fēng)能預(yù)測(cè)方法有：基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的風(fēng)能預(yù)測(cè)，即利用氣象信息對(duì)中長(zhǎng)期風(fēng)能進(jìn)行預(yù)測(cè)；時(shí)間序列預(yù)測(cè)法，即利用歷史風(fēng)能數(shù)據(jù)對(duì)短期風(fēng)能分布進(jìn)行預(yù)測(cè)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)，該方法的自適應(yīng)性比較強(qiáng)，適用于非線性的模型預(yù)測(cè)。為提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，將多種方法結(jié)合使用是風(fēng)能預(yù)測(cè)的發(fā)展方向。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)電力電子設(shè)備的研究

先進(jìn)的電力電子技術(shù)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的重要技術(shù)依托，為風(fēng)力發(fā)電提供重要的技術(shù)支撐。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中存在大量電力電子設(shè)備，如雙饋一步發(fā)電系統(tǒng)中的PWM變流器、直流永磁同步發(fā)電系統(tǒng)重點(diǎn)交直交變頻設(shè)備、基于電壓源的高壓直流輸電并網(wǎng)技術(shù)以及低壓穿越所需的電子裝置等。因此，加強(qiáng)電力電子設(shè)備的研究，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展具有重要意義。

3.3 低壓穿越技術(shù)

低壓穿越技術(shù)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，利用電力電子技術(shù)確保風(fēng)電場(chǎng)在一定時(shí)間范圍內(nèi)向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功，從而保證電網(wǎng)不脫網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，風(fēng)電機(jī)組通常由于自我保護(hù)而脫離電網(wǎng)，在風(fēng)電所占電網(wǎng)的比例較小時(shí)，風(fēng)電的脫離不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大影響，一旦風(fēng)電機(jī)組的容量較大，電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電的解列在故障的基礎(chǔ)上增加了電網(wǎng)的擾動(dòng)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，甚至造成整個(gè)系統(tǒng)的解列。因此，我國(guó)對(duì)低電壓運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，即當(dāng)并網(wǎng)電壓跌至20%才額定電壓時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能不脫網(wǎng)運(yùn)行625 ms，目前由于電網(wǎng)的故障復(fù)雜多變，還沒(méi)有十分完善的方案能夠完全滿足低電壓穿越的要求，這已經(jīng)成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[6]。

3.4 風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償

電壓穩(wěn)定是風(fēng)電并網(wǎng)中的重要問(wèn)題，無(wú)功補(bǔ)償是風(fēng)電電壓穩(wěn)定的重要影響因素。尤其在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，異步發(fā)電機(jī)和變壓器設(shè)備產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，一旦這些無(wú)功無(wú)法得到及時(shí)補(bǔ)償則會(huì)對(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行造成影響，系統(tǒng)無(wú)功過(guò)高會(huì)使系統(tǒng)電流增加，增大系統(tǒng)損耗的同時(shí)，也會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行；電流和實(shí)在功率的增加造成電力設(shè)備容量的增加，電力設(shè)備的體積也相應(yīng)增大，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性降低，另外電網(wǎng)的功率因數(shù)過(guò)低會(huì)造成電網(wǎng)電壓的降低。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞蕉喾N多樣，目前最為常用且使用效果較好的方式是基于電力電子技術(shù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備[7]。

4 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)

分離作為一種重要的清潔能源，已經(jīng)成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體趨勢(shì)為以下幾點(diǎn)：

（1）單機(jī)容量呈大型化發(fā)展。為提高風(fēng)能的利用率，降低風(fēng)電場(chǎng)的面積，提高風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益，大容量風(fēng)電機(jī)組成為未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）變漿距將成為發(fā)展主流。風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，要求在風(fēng)度發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電設(shè)備可以通過(guò)改變風(fēng)輪的漿距角使葉尖速比保持在最佳狀態(tài)。在電網(wǎng)發(fā)生故障需要緊急停機(jī)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整葉輪漿距角降低風(fēng)能的轉(zhuǎn)化，從而優(yōu)化停機(jī)策略并且配合低電壓穿越控制。

（3）變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將成為發(fā)展的主流。雙饋風(fēng)機(jī)具有控制性能好，且成本較低的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)占領(lǐng)了風(fēng)電市場(chǎng)。直驅(qū)電機(jī)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，全功率變流技術(shù)能夠很好的滿足低壓穿越要求。

（4）海上風(fēng)電將快速發(fā)展。隨著風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電規(guī)模的日趨龐大，風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和選址受到限制，加上海上風(fēng)力資源極為豐富，使得海上風(fēng)電場(chǎng)將成為風(fēng)電發(fā)展的另一重要方向[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電在近年來(lái)發(fā)展極為迅速，有效解決了國(guó)家能源緊缺和環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題，對(duì)我國(guó)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的能源產(chǎn)業(yè)。該文介紹了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的投入對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，對(duì)風(fēng)電運(yùn)行中所面臨的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并對(duì)風(fēng)電未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電將逐步走向常規(guī)化，成為電力供應(yīng)的重要組成。

參考文獻(xiàn)

[1] 周雙喜，魯宗相.風(fēng)力發(fā)電與電力系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[2] 賀益康，胡家兵，徐烈.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3] 劉彥東.風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及對(duì)策[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（5）：74-75.

[4] 孟明，靖言，李和明.風(fēng)電多元化應(yīng)用及其相關(guān)技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38（3）：1-6.

[5] 王大陸，郝永旺.風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r及面臨的問(wèn)題[J].能源與節(jié)能，2011（9）：9-11.

[6] 侯喆瑞，張?chǎng)?，張?風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].智能電網(wǎng)，2014（2）：22-27.

[7] 張明.關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)的功率補(bǔ)償問(wèn)題探討[J].科學(xué)之友，2011（5）：34-35.

[8] 楊崢嶸.對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012，12（15）：69-70.