風(fēng)電新能源的發(fā)展現(xiàn)狀及其并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景研究

鄒璐

摘 ? 要：風(fēng)力發(fā)電以其資源豐富、成本低廉、開發(fā)方便、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢成為可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，被世界各國大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用，其發(fā)展前景十分廣闊。文章首先對我國當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要概括;其次，闡述了風(fēng)電新能源的特點(diǎn)以及風(fēng)電并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響;最后，探討了風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，希望能夠推動風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;新能源;并網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)今人類生存和發(fā)展急需解決的是能源和環(huán)境問題。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國為了保證各自的能源安全并應(yīng)對氣候變化，紛紛調(diào)整能源戰(zhàn)略，加大可再生能源的開發(fā)和建設(shè)力度，尤其是風(fēng)能的開發(fā)和利用。風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的綠色能源，以其無污染、儲量豐富、成本低廉、使用前景廣闊的優(yōu)勢倍受世界各國的重視。我國由于海域面積遼闊，風(fēng)能儲量很大且分布較廣，開發(fā)潛力很大。近年來，在能源和環(huán)境危機(jī)日趨緊迫的情況下，我國政府實(shí)施了一系列新的能源戰(zhàn)略，對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)水平得到了飛速發(fā)展，但在風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)方面還存在一些問題，總結(jié)并分析如何解決這些問題，對深入推進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展意義非凡。

1 ? ?我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

我國的風(fēng)力發(fā)電起步較晚，20世紀(jì)80年代中期風(fēng)力發(fā)電開始進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營階段。雖然較之國外尚存在一定差距，但在國家利好政策的支持和推動下，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)得到了迅猛發(fā)展。從2005—2008年的4年時(shí)間里，全國風(fēng)電裝機(jī)容量由126 kW增長到1 221萬kW，以每年一翻的驚人速度發(fā)展著，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界風(fēng)電發(fā)展的平均速度。2009年年底，我國以風(fēng)電總裝機(jī)容量2 601萬kW的數(shù)據(jù)位居世界第二，其中新增裝機(jī)容量為1 300萬kW，占世界新增裝機(jī)容量的30%以上，居于世界首位。這一數(shù)據(jù)充分證明我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正在步入一個(gè)飛速發(fā)展的階段，同時(shí)，在技術(shù)上，經(jīng)歷了從引進(jìn)技術(shù)到消化吸收，再到自主創(chuàng)新，一系列改變之后正日益發(fā)展壯大起來。兆瓦級機(jī)組在國內(nèi)風(fēng)電市場的大量普及，標(biāo)志著我國對風(fēng)電技術(shù)自主研發(fā)能力的提升。此外，我國對海上風(fēng)電也進(jìn)行了積極的探索和實(shí)踐，從2008—2015年的7年時(shí)間里，海上風(fēng)電的裝機(jī)容量有了大幅度的增長。2016年，僅海上風(fēng)電新增裝機(jī)就有154臺，容量高達(dá)59萬kW，同比增長50%之多。由此看來，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展是非常迅速的，潛力十分巨大。但是，我國的風(fēng)電技術(shù)還存在很大的不足，主要體現(xiàn)在：并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)以進(jìn)口為主，風(fēng)電在整個(gè)電網(wǎng)中的占比相對較小，一些關(guān)鍵零部件還是靠進(jìn)口，沒有制定健全的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范，不能保證風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。未來我國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，必須在高層技術(shù)方面尋求創(chuàng)新和突破，才能繼續(xù)保持高速發(fā)展。

2 ? ?風(fēng)電新能源的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的作用下，將風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械能在完成一系列控制操作后轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)能發(fā)電的特點(diǎn)在于風(fēng)能是可再生的，發(fā)電過程中不會釋放廢氣造成污染，具有節(jié)能環(huán)保且造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不易控制的因素[1]，具體如下。

2.1 ?風(fēng)能具有不穩(wěn)定性

風(fēng)能是一種間斷性能源，風(fēng)速和風(fēng)向隨季節(jié)和氣候的變化而發(fā)生變化，致使風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性，這些不穩(wěn)定的特點(diǎn)決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)很難調(diào)控出力大小的均勻度，因此，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能也是波動的、隨時(shí)變化的。

2.2 ?風(fēng)能的密度稀疏，風(fēng)能發(fā)電不方便大量儲存

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪尺寸只有做到足夠大，才可以取得與其他發(fā)電設(shè)備相同的發(fā)電容量。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲存電能的成本很高，遠(yuǎn)大于其發(fā)電的成本，因此，整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)中幾乎沒有蓄電的能力，一般是通過調(diào)節(jié)收納電量來完成輸電，所以風(fēng)能發(fā)電輸出電量的大小是不均衡的，對并網(wǎng)的技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

2.3 ?風(fēng)電場分布位置偏遠(yuǎn)

我國風(fēng)資源豐富的區(qū)域一般在沿海地區(qū)，居住人口稀少，距離用電負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，加之當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)架設(shè)結(jié)構(gòu)薄弱，風(fēng)電外送受到一定制約，急需加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，這使國家的電網(wǎng)建設(shè)及傳輸都面臨考驗(yàn)。

此外，風(fēng)能的不可控性導(dǎo)致風(fēng)能發(fā)電的電網(wǎng)具有不可調(diào)度性，這些不穩(wěn)定因素造成的結(jié)果就是：風(fēng)電場容量在整個(gè)電力系統(tǒng)中的占比是引起電網(wǎng)穩(wěn)定性的決定因素，即占比越大，電網(wǎng)穩(wěn)定性越差。

3 ? ?風(fēng)電并網(wǎng)主要存在的問題

為應(yīng)對當(dāng)前的環(huán)境問題以及改善能源緊張狀況，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。大基地大電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電開發(fā)模式正在被積極推進(jìn)，我國開始規(guī)劃籌建千萬級的風(fēng)電基地，但大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)卻給既有的電網(wǎng)帶來了不小的壓力。

3.1 ?風(fēng)電并網(wǎng)會影響到電網(wǎng)的電力平衡

風(fēng)力發(fā)電是一種新的發(fā)電方式，風(fēng)能具有的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致風(fēng)電出力不均衡，風(fēng)力發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定，特別是在高峰負(fù)荷時(shí)期，風(fēng)電場可能出力很小，非高峰負(fù)荷期又可能出力很大，引起電力峰值不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行過程中消耗的能量增加，對整個(gè)電力系統(tǒng)的平衡運(yùn)行造成一定影響。

3.2 ?風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對既有電網(wǎng)的峰值和頻率的改變范圍帶來一定影響

風(fēng)電并網(wǎng)增加了電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的難度。首先，風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)必須提供給風(fēng)力發(fā)電足夠的峰值調(diào)整能力，保證電網(wǎng)內(nèi)部的峰值和頻率處在一定的范圍之內(nèi)，但是風(fēng)能大小的不可控性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的功率輸出變化幅度很大，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的困難。其次，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的過程中，風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的數(shù)值不夠穩(wěn)定，傳統(tǒng)的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)必須充分地保證能夠滿足風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際需要，這就給電網(wǎng)調(diào)頻增加了負(fù)擔(dān)。

3.3 ?風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響

首先，風(fēng)電的不穩(wěn)定性和不規(guī)律性導(dǎo)致在風(fēng)電并網(wǎng)過程中，難以有效地對風(fēng)電進(jìn)行管理。其次，風(fēng)電的隨機(jī)性導(dǎo)致當(dāng)其并入整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)后會引起電網(wǎng)局部流量分布的隨機(jī)變化，使得線路傳輸?shù)墓β孰S之變化，導(dǎo)致電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生隨機(jī)變化。因此，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)輸出功率的穩(wěn)定性受到影響。再次，風(fēng)速的不可控變化給電網(wǎng)帶來了隨機(jī)的擾動故障，風(fēng)電并網(wǎng)后風(fēng)電的無功功率降低了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。最后，由于風(fēng)電的不易控制性，在風(fēng)電并網(wǎng)之后，隨著風(fēng)電比例的擴(kuò)大，電網(wǎng)系統(tǒng)頻率以及系統(tǒng)故障范圍將會擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用穩(wěn)定性下降[2]。

此外，風(fēng)機(jī)抗干擾能力較差，也是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的因素之一。

4 ? ?風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 ?對大容量風(fēng)電系統(tǒng)的研發(fā)

目前，我國缺乏對大容量風(fēng)電系統(tǒng)的研發(fā)。隨著國家對風(fēng)電能源的大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量不斷增大，在此要求下，相關(guān)部件和控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度也越來越大，研發(fā)大容量、高性能和可靠穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為當(dāng)務(wù)之急。如何突破這一瓶頸，研發(fā)出新的控制、設(shè)計(jì)技術(shù)是目前世界風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題，因此，大容量風(fēng)電系統(tǒng)的研發(fā)是未來風(fēng)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

4.2 ?對并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)的研究

風(fēng)電場受風(fēng)力和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)影響很大，其出力往往不太均衡，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全，因此，為了提高風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)應(yīng)對故障能力，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)的友好支持，需要對并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入研究。此外，風(fēng)能的密度較小，如何捕獲最大的風(fēng)能也是未來研究的方向。目前，對風(fēng)能進(jìn)行最優(yōu)捕獲的方法就是通過調(diào)節(jié)槳距和發(fā)電機(jī)組功率轉(zhuǎn)速。從電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可行性等方面考慮，對風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)是當(dāng)前及未來發(fā)展風(fēng)電的首要任務(wù)。

4.3 ?對海上風(fēng)電場技術(shù)研究

我國海域面積遼闊，海上風(fēng)力資源豐富，風(fēng)向穩(wěn)定，易安裝單機(jī)裝機(jī)容量較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，海上風(fēng)電場發(fā)電未來有很大的發(fā)展空間。但是，由于海上風(fēng)力的不穩(wěn)定性以及沿海與負(fù)荷中心的距離較遠(yuǎn)問題，對風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、海上風(fēng)電場電能輸送技術(shù)以及風(fēng)電場系統(tǒng)保護(hù)和維保技術(shù)、風(fēng)電場的協(xié)調(diào)控制技術(shù)都提出了更高的要求。因此，對海上風(fēng)電場技術(shù)的研究是風(fēng)電并網(wǎng)亟待解決的重要問題[3]。

5 ? ?結(jié)語

面對當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的局面，風(fēng)電建設(shè)步伐逐漸加快，電網(wǎng)中風(fēng)電場容量的比例將會越來越大，這將會給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的影響。因此，研究風(fēng)電并網(wǎng)新技術(shù)，合理控制風(fēng)電并網(wǎng)帶來的一系列不穩(wěn)定因素是當(dāng)前及未來面臨的主要問題。開展大容量風(fēng)電系統(tǒng)研究，創(chuàng)新并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)，以及發(fā)展海上風(fēng)電場技術(shù)可以很好地解決風(fēng)電發(fā)展瓶頸，對于推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、適應(yīng)國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整需求具有重要意義。

[參考文獻(xiàn)]

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