風力發(fā)電技術問題探析

李曉巖

摘 要：風電是當前新型能源的主流發(fā)展形式之一。隨著能源緊張和環(huán)保壓力的進一步加大，風力發(fā)電的需求與日劇增。我國風力資源豐沛，風力發(fā)電基礎條件十分優(yōu)越。文章圍繞當前風力發(fā)電相關技術問題進行探討，介紹了風力發(fā)電機組發(fā)展狀況，討論了風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的負面影響及解決措施，闡述了當前發(fā)展風電技術的主要難題，最后對今后風力發(fā)電的前景進行了展望。

關鍵詞：風力發(fā)電；風電場；低電壓穿越；風力發(fā)電趨勢

引言

21世紀，能源緊張和環(huán)保問題已經(jīng)成為世界性難題。在這個大環(huán)境下，光伏太陽能、風力發(fā)電、水力發(fā)電等新型能源以其清潔無污染、高效、可持續(xù)發(fā)展等特點受到世界各國的高度重視，在經(jīng)濟發(fā)展和改善人居生活方面發(fā)揮了極為重要的作用。我國在新能源領域起步較晚，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，取得了階段性成效。我國國土面積廣大，橫跨多個溫度帶，豐富的風力資源給風力發(fā)電創(chuàng)造了極為有利的條件。相關數(shù)據(jù)顯示，到2013年底，我國風電新增裝機容量已超過1.6萬兆瓦，累計裝機容量達到9萬兆瓦，同比增長均超過了百分之二十，這個成績在世界范圍內(nèi)也是名列前茅的。經(jīng)過長期的研究和實踐，風力發(fā)電在實際應用過程中存在的一些問題也逐漸引起人們的關注。其中，大型風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)在功率傳輸方向、電網(wǎng)電壓、頻率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、諧波污染、線路損耗和保護裝置等方面所造成的影響最為突出，成為當前風力發(fā)電領域重點研究的關鍵性技術難題。截至目前，相關領域已經(jīng)取得了一定成果，提高風電穿透功率、開展風功率預測、研究低電壓穿越和動態(tài)無功補償?shù)燃夹g對于上述問題有著較好的解決效果。受風能發(fā)電原理影響，風力發(fā)電功率的具有較強的隨機性，波動范圍較大，如果電網(wǎng)裝機總量中風電裝機容量所占比例較大，那么并網(wǎng)后就會對原電網(wǎng)造成較大沖擊，威脅電網(wǎng)運行安全。通過調(diào)整風電場和電網(wǎng)原有電源間的出力對比，能夠有效減少風電并網(wǎng)引發(fā)的安全問題，風電常規(guī)化是未來智能電網(wǎng)和分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，也是風力發(fā)電今后的主要發(fā)展趨勢。

1 風力發(fā)電設備發(fā)展現(xiàn)狀概述

截至目前，風力發(fā)電機組主要有三款機型投入使用，分別是恒速恒頻異步發(fā)電機、變速恒頻雙饋異步和直驅永磁同步發(fā)電機。三種機型各有特點。其中，變速恒頻系統(tǒng)適應性最廣，能夠在較大的風度變化范圍內(nèi)高效運轉，并保持理想的葉尖速比和最大功率點，從而獲得風電企業(yè)的廣泛歡迎，成為當前風電領域使用最多的主流風電發(fā)電機型。此外，直驅永磁同步發(fā)電技術和全功率變流器的應用，進一步擴大了風電發(fā)展空間，其風電發(fā)展前景十分廣闊。

2 風電并網(wǎng)影響分析

從電網(wǎng)架構上看，風電場多數(shù)位于電網(wǎng)外緣地區(qū)，電網(wǎng)系統(tǒng)控制力較弱，受外界影響波動較大。當風電場大規(guī)模并入電網(wǎng)時，會對原有電力系統(tǒng)潮流方向和繼電保護問題造成較大沖擊和影響。深入開展風電并網(wǎng)問題研究，對于降低風電并網(wǎng)負面影響，推動風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展意義重大。

2.1 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)功率流動方向的影響

按照常規(guī)發(fā)電方式，電能由電源發(fā)出，經(jīng)由輸電線路到達配電網(wǎng)，配電網(wǎng)按相關設置將電能分配到各個用電區(qū)域。在這個過程中，電能傳輸方向始終保持不變。而風電場并入電網(wǎng)后，配電網(wǎng)中電流功率改為雙向流動，潮流流動方式的改變，影響了電網(wǎng)繼電保護整定效果。因此，風電并網(wǎng)后的電網(wǎng)應按雙電源或多電源網(wǎng)絡相關標準設置保護裝置，整定值要按照規(guī)避風電并網(wǎng)沖擊電流的要求設計。

2.2 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)調(diào)度的影響

風力發(fā)電以自然風為能源，生產(chǎn)不規(guī)律的現(xiàn)象非常突出，生產(chǎn)過程中難以對變化趨勢進行有效預估。風電并網(wǎng)后，電網(wǎng)裝機容量增加，為保障電網(wǎng)供電正常穩(wěn)定的備用容量要求也就更高。由于作為備用的火電機組往往需要很長時間才能投入運行，使得電網(wǎng)運行安全可靠性有所降低，限制了風電的并網(wǎng)。此外，風力發(fā)電功率大小變化往往與用電需求量相錯位，用電高峰時風力發(fā)電量小，用電低估時風力發(fā)電量反而大。這個特性使得風電并網(wǎng)后電網(wǎng)調(diào)度工作難度大增。目前較好的解決方法是在用電低谷時將風力發(fā)電電能儲存起來，到用電高峰時再投入使用，從而達到“削峰填谷”的效果。

2.3 風電并網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質量的影響

風電并入電網(wǎng)后，等效于在配電網(wǎng)上增加了電源。風力發(fā)電受風能影響，其輸出功率呈現(xiàn)出不規(guī)律、不可預估的變化，降低了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。當前電網(wǎng)中主要使用的是異步電機，為保障安全，必須配套足夠的無功功率補償，否則就會引發(fā)電網(wǎng)電壓下降、閃變等問題。此外，由風力發(fā)電機組及其并網(wǎng)所使用的電力電子設備所造成的諧波污染也是風電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質量的負面影響之一。一般情況下，風電并網(wǎng)后的電網(wǎng)會安裝并聯(lián)電容器組、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）和動態(tài)電壓恢復器（DVR）等設備以應對風電并網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質量的負面影響。

3 發(fā)展風力發(fā)電面臨的技術難題

當前困擾風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術性難題主要包括風電功率預測、風電場電力電子設備及相關技術和低電壓穿越問題。它們嚴重制約了風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為世界風電企業(yè)共同面對、必須予以解決的共性問題。

4 未來風力發(fā)電技術展望

當前，全球市場一體化趨勢日漸明顯，經(jīng)濟生產(chǎn)活動愈加頻繁。經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求越來越高。風力發(fā)電等新型能源契合綠色環(huán)保理念，既保障了能源供給又減輕了環(huán)境壓力，是今后能源產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢。就風力發(fā)電自身而言，其未來的發(fā)展具有如下幾個方面的特點。

4.1 單機容量越來越大

風電場的建設需要大面積土地。當前，土地資源緊張也是制約經(jīng)濟發(fā)展的一個重要問題。提高風電機組單機裝機容量，在保障電力供應的同時降低土地成本，可以大幅提高風電項目經(jīng)濟效益水平。

4.2 漿距可變趨勢明顯

由于風能的不穩(wěn)定性，通過調(diào)整風機葉片的漿距角保證葉尖速比處于最佳狀態(tài)，從而最大限度利用風能發(fā)電，是今后風電產(chǎn)業(yè)的一個發(fā)展方向。同時，漿距可控有利于在意外情況發(fā)生時，減少風能捕獲，實現(xiàn)機組停機。

4.3 風電場的常規(guī)化

這里的常規(guī)化指的是消除風電發(fā)電的不確定性，使其與傳統(tǒng)發(fā)電形式、常規(guī)電廠的運作模式相一致，提高風力發(fā)電的可控性和利用效率，滿足電網(wǎng)運行需求。

4.4 風電場實現(xiàn)由陸地向海洋轉移

相較于陸地，海上風力資源更加豐富，同時，海上風電場的建立可以有效降低風電場對土地資源的占用。隨著VSC-HVDC技術及其構成的多端直流輸電技術的成熟，海上風電場已經(jīng)成為今后風力發(fā)電的重要方向。

5 結束語

我國正處于經(jīng)濟體制改革的關鍵時期。能源短缺問題是滯緩我國改革事業(yè)順暢推進的重要瓶頸。加快實施風力發(fā)電，對于推動我國國民經(jīng)濟建設發(fā)展，節(jié)約資源，保護環(huán)境都有著十分重要的積極作用。風電企業(yè)要加快風電技術研發(fā)，特別是風電并網(wǎng)技術難題的攻關，掃清風電發(fā)展障礙，為我國能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展作出保障。

參考文獻

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