風(fēng)電多元化應(yīng)用及其相關(guān)技術(shù)

孟 明，靖 言，李和明

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003)

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)能源的需求大幅增長(zhǎng)，導(dǎo)致常規(guī)發(fā)電不斷擴(kuò)大規(guī)模，同時(shí)也暴露了集中式供電的不足;與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)常規(guī)能源供應(yīng)持續(xù)緊張，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，這些因素促使世界各國(guó)大力發(fā)展新能源，積極構(gòu)建能源可持續(xù)發(fā)展體系和發(fā)展電力新技術(shù)［1］。在眾多新能源中，風(fēng)能脫穎而出，發(fā)展迅猛。截止2009年底，風(fēng)電全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到159.2 GW，增長(zhǎng)幅度為24.1%，在新能源發(fā)電中位居第一。

規(guī)模利用風(fēng)能的主要途徑為并網(wǎng)風(fēng)電，是現(xiàn)今世界風(fēng)電發(fā)展的主要方向，其中以變速恒頻型風(fēng)電系統(tǒng)為主流;分布式發(fā)電及風(fēng)能結(jié)合其他能源形成的聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電能夠靈活利用風(fēng)能，滿(mǎn)足特定用戶(hù)的用電需求，彌補(bǔ)集中式供電的不足;風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)與建筑一體化形成的綠色建筑創(chuàng)造出的低碳、環(huán)保的城市生活環(huán)境，能夠有效節(jié)約常規(guī)能源和保護(hù)環(huán)境。風(fēng)電的多元化應(yīng)用是以減小常規(guī)能源份額、增大可再生能源份額為目標(biāo)的新型能源可持續(xù)發(fā)展體系的重要組成部分，而其發(fā)展的深度和廣度都依賴(lài)于風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和完善。因此，研究和完善各種有效風(fēng)電技術(shù)已成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展風(fēng)能的主要推動(dòng)力。

1 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

世界國(guó)家和地區(qū)因其風(fēng)能資源狀況、政府政策的不同，以及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展程度的差異，使得風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡。目前，國(guó)外主要風(fēng)電市場(chǎng)有德國(guó)、美國(guó)和丹麥，上述國(guó)家的風(fēng)能相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平位于世界領(lǐng)先地位。

根據(jù)德國(guó)風(fēng)能研究所(DEWI)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止2009年，德國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到26 000 MW，風(fēng)電在全國(guó)電力消耗中約占7%，而2010年新裝機(jī)容量將會(huì)在2009年的基礎(chǔ)上增加20%。目前，其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)逐漸飽和，出口已成為德國(guó)風(fēng)電事業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)，其風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)總額約占全球市場(chǎng)的37%。

美國(guó)是風(fēng)電增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家，2008年已成功超越德國(guó)，躍居世界首位。據(jù)美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)(AWEA)統(tǒng)計(jì)，截止2009年，美國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)35 159 MW，僅上半年新增裝機(jī)容量達(dá)4 000 MW;并在保持現(xiàn)有風(fēng)電增長(zhǎng)率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)2030年20%的電力供應(yīng)來(lái)自風(fēng)能。

風(fēng)電在丹麥的電能需求中所占比重最高。截止2007年，風(fēng)電的比重已經(jīng)達(dá)到21.22%——提前10年實(shí)現(xiàn)歐盟確立的2020年實(shí)現(xiàn)20%可再生能源發(fā)電的目標(biāo)。丹麥僅2008年向全球輸出的風(fēng)能技術(shù)相關(guān)業(yè)務(wù)總額達(dá)到57億歐元，占整體丹麥出口額的7.2%;2009年，歐洲新增風(fēng)能風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備需求90%來(lái)自丹麥，預(yù)計(jì)到2025年，丹麥電力供給將有50%來(lái)自于風(fēng)能。2009年12月7日，第十五屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)在哥本哈根開(kāi)幕，會(huì)議旨在尋求如何減少溫室氣體排放，避免全球氣候變暖帶來(lái)災(zāi)難性后果。作為主辦國(guó)的丹麥正在用實(shí)際行動(dòng)回應(yīng)這一世界命題。在過(guò)去的25年里，丹麥的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)了75%，但能源消耗總量基本維持不變，這得益于丹麥對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用。

風(fēng)能產(chǎn)業(yè)將保持每年20%的增速。蓬勃發(fā)展的風(fēng)電事業(yè)，其發(fā)展很大程度上依賴(lài)兩大因素:風(fēng)電技術(shù)及風(fēng)電成本。風(fēng)電技術(shù)的成熟和規(guī)模效應(yīng)的顯現(xiàn)，還有各種優(yōu)惠政策的扶持，使得風(fēng)電成本持續(xù)下降。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，風(fēng)電成本達(dá)到每5年下降20%，預(yù)計(jì)到2020年，即使沒(méi)有補(bǔ)貼，風(fēng)電成本也將接近常規(guī)能源。

1.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展概況

我國(guó)可利用風(fēng)能資源共計(jì)約10億kW，位居世界第三。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速。截止2008年，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)12 210 MW，躍居世界第四，標(biāo)志著我國(guó)風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段;截止2009年，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)25 800 MW，年同比增長(zhǎng)114%。預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量可達(dá)1～1.5億kW，占目前總裝機(jī)容量的1/8。

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比重達(dá)70%，制造了約80%的溫室氣體排放。哥本哈根世界氣候大會(huì)焦點(diǎn)問(wèn)題就集中在溫室氣體排放的責(zé)任共擔(dān)上，中國(guó)已經(jīng)超過(guò)美國(guó)成為最大的CO2排放國(guó)，面對(duì)未來(lái)發(fā)展中的巨大減排壓力，中國(guó)已經(jīng)制定各種扶持政策和長(zhǎng)期規(guī)劃加快風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2005年頒布了第一部《可再生能源利用法》，該法案經(jīng)修改后于2010年4月1日起實(shí)施;將“風(fēng)電三峽”計(jì)劃提上日程，建設(shè)六大1 000萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地，包括甘肅酒泉、新疆哈密、內(nèi)蒙古東部、內(nèi)蒙古西部、河北北部及江蘇沿海，其中最大一處基地的裝機(jī)容量就達(dá)2 000萬(wàn)kW。

2 規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)及其相關(guān)技術(shù)

2.1 主要類(lèi)型和并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)是大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的最經(jīng)濟(jì)有效的方式之一，一般由幾十臺(tái)至上千臺(tái)機(jī)組構(gòu)成，容量可達(dá)幾兆瓦到幾百兆瓦，有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)風(fēng)電機(jī)組及其輔助設(shè)備具有模塊化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和安裝簡(jiǎn)單，建設(shè)工期短;

(2)實(shí)際占地面積小，對(duì)土地質(zhì)量要求低;

(3)運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高，可無(wú)人值守。

規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)多采用變速恒頻型風(fēng)電系統(tǒng)，主要有雙饋感應(yīng)電機(jī)(Double-Fed Induction Generation，DFIG)和永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)兩種風(fēng)電系統(tǒng)，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 變速恒頻DFIG風(fēng)電系統(tǒng)示意圖

圖2 變速恒頻PMSG風(fēng)電系統(tǒng)示意圖

DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)經(jīng)變速齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接，其定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子經(jīng)變流器與電網(wǎng)相連。PMSG風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為風(fēng)力機(jī)與同步發(fā)電機(jī)直接連接，省略了故障率較高的齒輪箱，定子經(jīng)變流器與電網(wǎng)相連。

2.2 并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力的隨機(jī)性會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電網(wǎng)電壓的大幅下降，還可能對(duì)發(fā)電機(jī)和風(fēng)電系統(tǒng)中的機(jī)械部件(如塔架、葉片、增速器等)造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間持續(xù)過(guò)長(zhǎng)，還可能引起電網(wǎng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行［2］。

(1)同步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)。由于風(fēng)能的間歇性，使同步機(jī)調(diào)速性能很難達(dá)到風(fēng)電所要求的精度，并網(wǎng)后若不進(jìn)行有效控制，常會(huì)發(fā)生無(wú)功振蕩與失步等問(wèn)題，在重載下尤為嚴(yán)重。但近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問(wèn)題。目前，同步風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)方式主要有4種［3］，如表1所示。

表1 同步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方式的特點(diǎn)比較

(2)異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)。風(fēng)電系統(tǒng)配用異步發(fā)電機(jī)不僅控制裝置簡(jiǎn)單，而且并網(wǎng)后也不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行非常穩(wěn)定。但是，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流，造成電壓大幅下降，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，需要無(wú)功補(bǔ)償。目前，異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方式主要有4種，如表2所示。

表2 異步風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)方式比較

2.3 風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組控制是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的核心，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率及供電質(zhì)量，而且也影響到風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行方式、效率和結(jié)構(gòu)。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)即磁場(chǎng)定向控制，其核心是模擬直流機(jī)的控制思想，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁的解耦控制。該方法從磁場(chǎng)理論出發(fā)，利用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成兩相系統(tǒng)，再根據(jù)磁場(chǎng)定向原理將定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)，并分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器同時(shí)對(duì)這兩個(gè)分量的幅值和相位進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變速恒頻雙饋型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)調(diào)節(jié)中，根據(jù)交流電機(jī)矢量控制和磁場(chǎng)定向原理，采用變速恒頻矢量控制技術(shù)，當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時(shí)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流及頻率，追蹤最佳功率曲線;在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片槳距角，保持額定功率不變。采用變速恒頻矢量控制技術(shù)可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率，抑制諧波，減少損耗，提高系統(tǒng)效率［4］。

(2)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)定子磁場(chǎng)定向，通過(guò)檢測(cè)定子電壓、電流，運(yùn)用瞬時(shí)空間矢量理論直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速控制。國(guó)外已將DTC應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中［5-6］，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。

VC與DTC的區(qū)別是:VC通過(guò)控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，DTC是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制;VC需要將交流電機(jī)等效成直流電機(jī)以及進(jìn)行復(fù)雜坐標(biāo)變換計(jì)算，而DTC只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小。因此，DTC技術(shù)在很大程度上解決了VC中計(jì)算控制復(fù)雜，特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響，實(shí)際控制性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果等重大問(wèn)題。

(3)智能控制(Intelligent Control)綜合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、專(zhuān)家系統(tǒng)、控制論及人工智能等多門(mén)學(xué)科，是一種新型的控制技術(shù)。該技術(shù)主要用來(lái)解決那些傳統(tǒng)方法難以解決的有以下特點(diǎn)［7］的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題:控制對(duì)象存在嚴(yán)重的不確定性;控制模型不確定或模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化范圍大，以及控制對(duì)象具有高度的非線性等。

基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電機(jī)組智能控制技術(shù)，用模糊邏輯辨識(shí)電機(jī)模型參數(shù)，用模糊邏輯控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制葉片槳距及預(yù)測(cè)風(fēng)輪氣動(dòng)特性。另外，采用計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)、嵌入智能策略，可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)人值守全自動(dòng)運(yùn)行。

智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，即可實(shí)現(xiàn)控制功能，并具有對(duì)機(jī)組能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行在線學(xué)習(xí)的能力，減少了因風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力模型和電力電子模型的不確定性所帶來(lái)的控制偏差，保持系統(tǒng)高效運(yùn)行。

2.4 低電壓穿越

電壓跌落是電網(wǎng)最常見(jiàn)的故障。對(duì)于風(fēng)電比例較高的電網(wǎng)，若風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落時(shí)采取被動(dòng)保護(hù)式脫離電網(wǎng)，則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)中其他機(jī)組全部解列。目前，在歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組作出了這方面的要求，我國(guó)國(guó)家能源局組織制定的《風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》初稿已完成，其中對(duì)低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力的要求是風(fēng)電機(jī)組技術(shù)要求的重要組成部分之一。

(1)基于硬件保護(hù)電路的LVRT實(shí)現(xiàn)。DFIG風(fēng)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，所以電網(wǎng)電壓跌落故障直接反映在電機(jī)定子端電壓上，導(dǎo)致定子出現(xiàn)較大故障暫態(tài)電流，轉(zhuǎn)子暫態(tài)過(guò)電流及直流側(cè)電壓上升;電壓跌落期間PMSG風(fēng)電系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于輸入、輸出能量不匹配導(dǎo)致直流母線側(cè)上升。因此，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，在變速恒頻型風(fēng)電系統(tǒng)定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)或直流側(cè)增加保護(hù)電路［8］，能夠有效抑制暫態(tài)過(guò)程，提高變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的能力，如圖3所示。

圖3 帶保護(hù)電路的DFIG風(fēng)電系統(tǒng)

定子側(cè)開(kāi)關(guān)保護(hù)電路正常運(yùn)行時(shí)，交流開(kāi)關(guān)全部導(dǎo)通，電壓跌落時(shí)，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角對(duì)暫態(tài)電流進(jìn)行限制;轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間切入，對(duì)轉(zhuǎn)子過(guò)電流提供一條旁路通路，防止過(guò)電流損害變流器;直流側(cè)Crowbar電路在當(dāng)直流側(cè)電壓超出正常值時(shí)切入運(yùn)行，消耗掉多余的能量，維持變流器兩側(cè)功率平衡，保護(hù)直流側(cè)電容和功率器件。使用Crowbar作為卸荷負(fù)載的保護(hù)電路，適用于短時(shí)電網(wǎng)電壓跌落故障，如果電壓跌落持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則需要輔助采用其他控制策略如變槳距等限制風(fēng)電機(jī)組輸入功率。

(2)無(wú)硬件的LVRT控制策略。網(wǎng)側(cè)變流器是控制系統(tǒng)的重要組成部分。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器同時(shí)受到來(lái)自網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)兩方面的擾動(dòng)。文獻(xiàn)［8］針對(duì)電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱(chēng)跌落故障，利用小信號(hào)模型分析方法提出了一種基于網(wǎng)側(cè)變流器的改進(jìn)型前饋控制策略。前饋信號(hào)同時(shí)包含了電網(wǎng)電壓和負(fù)載的信息，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，都能迅速給出電流環(huán)參考信號(hào)，通過(guò)快速調(diào)節(jié)交流側(cè)進(jìn)線電流，使得系統(tǒng)功率平衡得以維持，從而避免了母線電壓產(chǎn)生大的波動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的LVRT能力，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

基于暫態(tài)磁鏈補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕?］，該方法針對(duì)對(duì)稱(chēng)及不對(duì)稱(chēng)故障下，DFIG定子磁鏈中出現(xiàn)的定子磁鏈暫態(tài)直流和負(fù)序分量，由于轉(zhuǎn)子電路中的漏感和電阻值均較小，因而在轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生同頻率的電流，為了抵消因定子磁鏈中直流分量和負(fù)序分量在轉(zhuǎn)子回路中感生出電流，則必須在轉(zhuǎn)子端電壓中加入相同頻率的電壓量，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)子電流的目的;另一種改進(jìn)VC策略［10］，該方法根據(jù)故障下DFIG內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)特點(diǎn)，適當(dāng)控制勵(lì)磁電壓，使之產(chǎn)生出與定子磁鏈暫態(tài)直流和負(fù)序分量相反的轉(zhuǎn)子電流空間矢量及相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分量，通過(guò)所建立的轉(zhuǎn)子漏磁場(chǎng)抵消定子磁鏈中的暫態(tài)直流和負(fù)序分量。

3 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)是風(fēng)能應(yīng)用的又一新型有效途徑，系統(tǒng)容量一般為幾千瓦到幾十兆瓦，結(jié)合了包括風(fēng)能在內(nèi)的多種能源聯(lián)合發(fā)電。與常規(guī)發(fā)電相比，DG有以下優(yōu)勢(shì):

(1)利用新能源以及可再生能源在負(fù)荷處就近供電，降低化石能源的消耗和輸配電成本，減緩環(huán)境污染和負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài);

(2)提供多種形式的能量，典型冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，大大提高了能源的總體利用效率;

(3)可并網(wǎng)運(yùn)行也可獨(dú)立運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活，與大電網(wǎng)配合可大大提高供電可靠性，例如能夠在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害(地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭(zhēng))情況下維持重要用戶(hù)的供電［11］。

結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情，我國(guó)陸地的絕大部分風(fēng)能可利用區(qū)主要分布在西北、東北、青藏高原及沿海地區(qū)，囊括我國(guó)最不發(fā)達(dá)的貧困地區(qū)和無(wú)電地區(qū)。通過(guò)架線輸電的辦法來(lái)解決用電問(wèn)題十分困難，而且成本昂貴。針對(duì)這些地區(qū)交通不便、居住分散、用電量低等特點(diǎn)，可采用風(fēng)電為基礎(chǔ)的小型獨(dú)立DG來(lái)解決這些地區(qū)的用電問(wèn)題。

DG并網(wǎng)存在的主要問(wèn)題在于使電網(wǎng)繼電保護(hù)的設(shè)置和動(dòng)作值整定的難度加大，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量及配電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性。為盡量減小分布式電源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響，專(zhuān)家們研究并提出了微網(wǎng)技術(shù)。

微網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DG和負(fù)荷一起作為配電子系統(tǒng)運(yùn)行于電網(wǎng)中，對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生大的影響，而且不需要修改電網(wǎng)的運(yùn)行策略就可以非常靈活地把DG接入或撤離電網(wǎng)，從而大大提高了電網(wǎng)的可靠性。微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，類(lèi)似傳統(tǒng)配電網(wǎng)，服從系統(tǒng)調(diào)度，可同時(shí)利用微網(wǎng)內(nèi)DG發(fā)電和從大電網(wǎng)吸取電能，并能在自身電力充足時(shí)向大電網(wǎng)輸送多余電能。當(dāng)外界大電網(wǎng)出現(xiàn)故障停電或有電力質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，微網(wǎng)可以通過(guò)能量管理單元控制主斷路器切斷與外界聯(lián)系，轉(zhuǎn)為獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷全部由DG供電。故障解除后，主斷路器重新合上，恢復(fù)與主電網(wǎng)同步運(yùn)行，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，而這兩種運(yùn)行模式平滑轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是微網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電力電子接口，這種接口可以使分布式電能實(shí)現(xiàn)即插即用，以盡量減少分布式電源對(duì)電網(wǎng)的不利影響［12］。

4 風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)與建筑一體化

我國(guó)建筑耗能已超過(guò)全國(guó)耗能總量的1/4，僅建筑采暖能耗就約為發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍［13］。因此，在風(fēng)力和太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，在建筑中適當(dāng)引入風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，環(huán)保又節(jié)能的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)低碳生活理念。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)與建筑一體化［14］的設(shè)計(jì)理念主要是指利用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)為建筑提供電力，同時(shí)該供電系統(tǒng)可以融入建筑，即通過(guò)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上(墻體、屋頂)鋪設(shè)光伏陣列，在建筑綠地(小公園、景點(diǎn))安置風(fēng)能發(fā)電設(shè)備。這種一體化設(shè)計(jì)不僅能夠減少常規(guī)電能輸送過(guò)程的能耗，節(jié)約費(fèi)用，而且以不破壞環(huán)境的方式生產(chǎn)出建筑所需的大部分電能，實(shí)現(xiàn)了城市生活環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。

完整的風(fēng)電－光伏互補(bǔ)供電系統(tǒng)由風(fēng)能發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏電池組、充電控制器、蓄電池組、逆變電源、交流配電系統(tǒng)和用電負(fù)載等部件組成［15］，如圖5所示。其基本原理是在充電控制器控制下，光伏電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)或同時(shí)向蓄電池組充電，再經(jīng)逆變電源進(jìn)行直流－交流轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)交流配電系統(tǒng)輸送到用戶(hù)。

圖5 風(fēng)力－光伏互補(bǔ)供電系統(tǒng)示意圖

2010世博會(huì)新能源為一大亮點(diǎn)，其中印度場(chǎng)館的建筑設(shè)計(jì)采用小型風(fēng)車(chē)與屋頂上的太陽(yáng)能電池充分利用永久性的可再生能源，實(shí)現(xiàn)了安全排放無(wú)污染，充分體現(xiàn)節(jié)能、高效概念。另外，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，以及風(fēng)光互補(bǔ)通信機(jī)站電源系統(tǒng)等正在推廣應(yīng)用中。

目前，除在技術(shù)上已較成熟的風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)，風(fēng)電－水電互補(bǔ)系統(tǒng)和風(fēng)電－燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)等正在發(fā)展完善中。中國(guó)工程院楊裕生院士提出風(fēng)電多元化應(yīng)用的又一種重要的技術(shù)途徑，即將風(fēng)電直接供電與大規(guī)模蓄電相結(jié)合?？傊?，風(fēng)能與其他能源形成的多能互補(bǔ)功能系統(tǒng)應(yīng)用靈活，可達(dá)到環(huán)保、高效節(jié)能的用電目標(biāo)，是風(fēng)能多元化發(fā)展趨勢(shì)之一。

5 風(fēng)電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

風(fēng)電相關(guān)技術(shù)是一項(xiàng)綜合集成的高新技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展使其相關(guān)技術(shù)也將不斷面臨新的挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)將會(huì)圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:

(1)變速恒頻技術(shù)與微網(wǎng)技術(shù)。變速恒頻技術(shù)與微網(wǎng)技術(shù)是并網(wǎng)風(fēng)電和DG發(fā)展的技術(shù)保障，需進(jìn)行提高和完善。

(2)多能聯(lián)合供能技術(shù)。風(fēng)能與其他能源形成的各種發(fā)電系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于生活中，實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能的生活理念。

(3)智能控制技術(shù)。智能控制能夠有效解決大規(guī)模、非線性、復(fù)雜和不確定性系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)和控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)于提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行性能十分重要，智能化也是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

(4)故障運(yùn)行技術(shù)。風(fēng)能融入電網(wǎng)是必然趨勢(shì)，這就要求風(fēng)電系統(tǒng)具備一定的故障運(yùn)行能力，能夠承受電網(wǎng)故障的同時(shí)為電網(wǎng)提供一定的支撐，幫助電網(wǎng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，如LVRT技術(shù)等。

6 結(jié)語(yǔ)

環(huán)保節(jié)能是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)，風(fēng)能作為一種清潔能源必將在電網(wǎng)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，而不斷發(fā)展和完善的風(fēng)電技術(shù)使得風(fēng)電的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，逐漸展現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)雖然有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與世界先進(jìn)技術(shù)相比還存在較大的差距，風(fēng)能基礎(chǔ)研究還很薄弱，自主創(chuàng)新能力還很不足。因此，我國(guó)要充分利用當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的大好機(jī)遇，結(jié)合我國(guó)國(guó)情發(fā)展有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電技術(shù)，確保我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。

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