風(fēng)電新能源發(fā)展與并網(wǎng)技術(shù)研究

李冬冬

（國電東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧沈陽 110000）

我國國土面積較大，海岸線相對較長，風(fēng)力資源與其他國家相比占據(jù)優(yōu)勢。風(fēng)能是對太陽能資源的間接利用，其在開發(fā)過程中占用耕地少、污染小，但儲(chǔ)量較大，是實(shí)行可持續(xù)發(fā)展策略的重要組成環(huán)節(jié)。近年來，人們的生活水平不斷提升，也加快了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度。由于風(fēng)電發(fā)電驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用方面存在差異性及并網(wǎng)運(yùn)行中的可靠性影響，對并網(wǎng)提出了較高的要求。

1 當(dāng)前風(fēng)電新能源發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究現(xiàn)狀

《中華人民共和國可再生能源法》頒布后，一系列支持可再生能源發(fā)展的政策文件不斷出臺(tái)，針對費(fèi)用分?jǐn)?、價(jià)格、財(cái)稅等方面的支持政策也不斷推出，有效解決了可再生能源在上網(wǎng)問題、費(fèi)用分?jǐn)?、?jīng)濟(jì)激勵(lì)等方面的問題，我國可再生能源規(guī)?；l(fā)展明顯[1]。

現(xiàn)階段，風(fēng)電發(fā)展速度較快，2005～2008年風(fēng)電裝機(jī)容量每年上漲一倍，發(fā)展迅猛。截至2009年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量2 601 萬kW，位居世界第二。2015年風(fēng)電新增樁基容量達(dá)到3 297 萬kW，累積并網(wǎng)裝機(jī)容量1.29 億kW；2015年風(fēng)電發(fā)電量1 863 億kWh。

近年來，我國風(fēng)電行業(yè)始終保持高速發(fā)展，為了進(jìn)一步提高風(fēng)電的市場競爭力，需要積極進(jìn)行創(chuàng)新。一方面應(yīng)加大研發(fā)力度，積極將智能化技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)中，推進(jìn)工業(yè)化與信息化的融合，積極進(jìn)行全行業(yè)創(chuàng)新；另一方面應(yīng)不斷降低風(fēng)電的成本，減少風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈種類，提高風(fēng)電的市場競爭力與產(chǎn)品的可靠性。

風(fēng)電走向國產(chǎn)化，在風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展的情況下，我風(fēng)電行業(yè)的供應(yīng)鏈已完整，應(yīng)把握工業(yè)5.0、中國制造2025的機(jī)會(huì)，對系統(tǒng)集成、風(fēng)電設(shè)備制造等方面積極進(jìn)行研究。

1.2 不足

當(dāng)前我國風(fēng)電裝機(jī)容量位居世界首位，但是當(dāng)前我國風(fēng)電仍存在較多的不足。雖然數(shù)量上為世界首位，但在科技創(chuàng)新能力上仍與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，需要對行業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新性理論分析。并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)部分關(guān)鍵零件仍高度依賴進(jìn)口，當(dāng)前風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范不健全。相關(guān)人員應(yīng)積極利用互聯(lián)網(wǎng)思維、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等跨界新工具、新知識為風(fēng)電行業(yè)與客戶服務(wù)；分析風(fēng)電行業(yè)，以行業(yè)為背景共建、共享研發(fā)成果；實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)以降低能源成本，行業(yè)內(nèi)部、國內(nèi)國際大力合作，互利共贏，通過風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新，有效降低能源成本。

2 風(fēng)電新能源對并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

2.1 負(fù)荷

電力需求對負(fù)荷管理效果不明顯，風(fēng)電場輸出反調(diào)峰率、峰谷差等，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。負(fù)荷水平不高時(shí)，調(diào)峰能力不足；當(dāng)負(fù)荷水平較高時(shí)，風(fēng)電的消納能力大，需要花費(fèi)較多財(cái)力、精力，為了維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，將放棄建設(shè)風(fēng)電場。

2.2 電網(wǎng)架構(gòu)

風(fēng)電場避免選擇建立在市中心等位置，單個(gè)風(fēng)電廠的容量通常在50 MW以上，經(jīng)過遠(yuǎn)距離輸電通道，可將電能傳遞給高電壓等級的變電站，高電壓等級的跨區(qū)、跨省輸電通道主要用于輸送煤電，未充分發(fā)揮電網(wǎng)架構(gòu)能力，造成地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力不足[2]。

2.3 風(fēng)電場

風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速、風(fēng)力不穩(wěn)等特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)電場的輸出具有隨機(jī)性，接入風(fēng)電時(shí)，會(huì)影響電網(wǎng)電壓。風(fēng)電的并網(wǎng)容量不高時(shí)，通過風(fēng)速預(yù)測技術(shù)、電網(wǎng)調(diào)度，可控制風(fēng)電并網(wǎng)對電壓造成的影響；風(fēng)電并網(wǎng)容量較大時(shí)，風(fēng)電場輸出隨機(jī)性的特點(diǎn)會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，調(diào)度部門會(huì)關(guān)閉風(fēng)電場。

2.4 其他

當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)容量迅速增加，接近甚至超過地區(qū)電網(wǎng)消納極限，影響電網(wǎng)電壓。促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展前，需要先對這些問題進(jìn)行針對性研究，確保充分利用風(fēng)電資源。

3 控制風(fēng)電接入對電網(wǎng)電壓影響的對策

3.1 合理確定風(fēng)電機(jī)組類型

當(dāng)前風(fēng)電制造企業(yè)的風(fēng)電發(fā)展路線包括直驅(qū)型風(fēng)機(jī)、雙饋型風(fēng)機(jī)。

（1）前者控制簡單，但其要求較高；后者控制較為復(fù)雜，但靈活度較高。

（2）前者無齒輪箱；后者具有齒輪箱，但整體維護(hù)成本較高。

（3）前者的噪聲較小；后者噪聲較大。

（4）前者為永磁；后者為電勵(lì)磁。

（5）前者為全功率；后者為全功率的33%。

（6）前者切入風(fēng)速低；后者切入風(fēng)速高。

（7）前者造價(jià)高；后者造價(jià)低。

（8）前者尺寸大；后者尺寸小。

（9）前者重量重；后者重量輕。

（10）前者電流、扭矩均不變；后者電機(jī)側(cè)電流上升，扭矩增加。

長期以來，雙饋型由于技術(shù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，受到市場的認(rèn)可，隨著直驅(qū)型技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前直驅(qū)型風(fēng)機(jī)應(yīng)用更廣泛。

風(fēng)電場選定電機(jī)時(shí)，需要考慮眾多因素，如安裝、交通、地形、水文氣象、風(fēng)資源等，選擇質(zhì)量穩(wěn)定、發(fā)電效率高的風(fēng)電機(jī)組具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前我國風(fēng)電制造廠家具有技術(shù)成熟、信譽(yù)好、實(shí)力強(qiáng)等特點(diǎn)，其設(shè)備可利用率、風(fēng)機(jī)可靠性上均可得到保障，選擇風(fēng)電機(jī)組類型時(shí)，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源，充分利用風(fēng)能。

風(fēng)電場開發(fā)后需要較長時(shí)間，方可體現(xiàn)其效益，多種因素均會(huì)影響項(xiàng)目的收益?？紤]收益時(shí)，應(yīng)從原本的僅關(guān)注初期成本變?yōu)殛P(guān)注生命周期的平均成本，不斷降低維護(hù)成本，延長生命收起，提高發(fā)電量。本地的風(fēng)速水平較低、其他條件均一致時(shí)，風(fēng)速轉(zhuǎn)化率越高，切入風(fēng)速越低，發(fā)電總量便越高，選擇直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢更明顯。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本較低，不會(huì)對電網(wǎng)帶來過大的沖擊，當(dāng)建設(shè)資金支持時(shí)，應(yīng)選擇直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組。

3.2 確定風(fēng)電最大并網(wǎng)容量

電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力有限，是風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)電壓的重要原因，結(jié)合電網(wǎng)的調(diào)節(jié)性能，對風(fēng)電最大并網(wǎng)容量進(jìn)行計(jì)算，合理控制電網(wǎng)受到風(fēng)電場的影響。進(jìn)行風(fēng)電同時(shí)率的計(jì)算時(shí)，需要考慮風(fēng)機(jī)安裝規(guī)律、風(fēng)力資源平均度等特點(diǎn)，明確不同風(fēng)機(jī)的性能，風(fēng)機(jī)處理時(shí)應(yīng)始終保持出力穩(wěn)定、滿荷處理，且應(yīng)考慮風(fēng)電場輸出的隨機(jī)性、不確定性。

風(fēng)電并網(wǎng)的接納容量受風(fēng)電場同時(shí)率、聯(lián)絡(luò)線輸送功率、負(fù)荷特性、系統(tǒng)備用容量、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性、風(fēng)電裝機(jī)容量等因素的影響。為了確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，風(fēng)電場的輸出功率過高超出電網(wǎng)調(diào)節(jié)容量時(shí)，可采用暫時(shí)關(guān)閉部分風(fēng)電機(jī)組的措施限制風(fēng)電部分的功率。

3.3 提高地區(qū)電網(wǎng)的消納能力

（1）制定發(fā)電計(jì)劃。

風(fēng)電場可考慮制定發(fā)電計(jì)劃，對常規(guī)電機(jī)組的出力情況進(jìn)行合理安排，提高電網(wǎng)的風(fēng)電接入能力。

（2）調(diào)整負(fù)荷特性。

可從調(diào)整負(fù)荷的峰谷差方面提高電網(wǎng)接入能力，調(diào)整負(fù)荷特性方式，提升系統(tǒng)調(diào)峰冗余度?？稍诓煌秒娖谥贫ú煌膬r(jià)格，對用戶的需求進(jìn)行管理，調(diào)節(jié)用戶用電時(shí)間，減輕電網(wǎng)的壓力。

（3）改善電源結(jié)構(gòu)。

電網(wǎng)裝機(jī)容量過多，超出地區(qū)電網(wǎng)接納風(fēng)電容量時(shí)，考慮系統(tǒng)調(diào)峰的需求會(huì)選擇放棄風(fēng)電。為了提高地區(qū)電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力，可建設(shè)相應(yīng)容量的調(diào)峰點(diǎn)源，對風(fēng)電場的出力波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。可通過特高壓電網(wǎng)大范圍調(diào)用能量，利用省內(nèi)其他地區(qū)的調(diào)峰能源，降低風(fēng)電并網(wǎng)帶來的影響。

3.4 建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能電站的建設(shè)可平衡電網(wǎng)的供需，提高電網(wǎng)需求側(cè)峰谷時(shí)的調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、輸變電能力，滿足風(fēng)電等可再生但供應(yīng)不穩(wěn)定能源的并網(wǎng)需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)可提高電能供應(yīng)低谷值、降低電能需求峰值。工作人員應(yīng)注意，電能無法直接存儲(chǔ)，需要將其轉(zhuǎn)化為電磁能、化學(xué)能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)[3]。

（1）物理儲(chǔ)能。

①壓縮空氣。典型功率為50～300 MW，其功率與容量均較大，但對場地具有特殊要求，主要應(yīng)用于系統(tǒng)備用電源、調(diào)峰發(fā)電廠。②抽水蓄能。典型功率為50～2 000 MW，其功率與容量均較大，成本較低，但對場地具有特殊要求，需要經(jīng)過較長時(shí)間的施工，主要應(yīng)用于系統(tǒng)備用電源、頻率控制、日負(fù)荷調(diào)節(jié)。③飛輪儲(chǔ)能。典型功率為20 MW，其功率較大，但能量密度不高，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)節(jié)，改善電能質(zhì)量。

（2）電磁儲(chǔ)能。

①超級電容器。典型功率為1～100 MW，其具有效率高、壽命長、響應(yīng)速度等特點(diǎn)，但能量密度低，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電，改善電網(wǎng)頻率波動(dòng)。②超導(dǎo)儲(chǔ)能。典型功率為0.1～1 MW，其具有轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)速度快、功率密度高等特點(diǎn)，但成本高，主要應(yīng)用于電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、UPS。

（3）電化學(xué)儲(chǔ)能。

①鋰離子電池。典型功率為0.1～10 MW，其能量密度高，循環(huán)使用周期長，但成本高、功率密度低，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、調(diào)峰、備用電源。②液流電池。典型功率為0.001～500 MW，具有壽命長、容量大等特征，但功率密度低、響應(yīng)速度慢，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、備用電源調(diào)節(jié)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。③鉛酸電池。典型功率0.001～10 MW，其具有成本低等特征，但使用周期短、環(huán)保性差，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、UPS。

4 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)電場容量比例越來越大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了研究風(fēng)電并網(wǎng)新技術(shù)，應(yīng)合理控制風(fēng)電并網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定因素，開展大容量風(fēng)電系統(tǒng)的相關(guān)研究，創(chuàng)新并網(wǎng)技術(shù)、最大風(fēng)能捕獲技術(shù)。發(fā)展海上風(fēng)電場技術(shù)可解決風(fēng)電發(fā)展過程中遇到的問題，可推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。