李曉巖

摘 要：風(fēng)電是當(dāng)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(jìn)一步加大，風(fēng)力發(fā)電的需求與日劇增。我國風(fēng)力資源豐沛，風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)條件十分優(yōu)越。文章圍繞當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行探討，介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r，討論了風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的負(fù)面影響及解決措施，闡述了當(dāng)前發(fā)展風(fēng)電技術(shù)的主要難題，最后對今后風(fēng)力發(fā)電的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電場；低電壓穿越；風(fēng)力發(fā)電趨勢

引言

21世紀(jì)，能源緊張和環(huán)保問題已經(jīng)成為世界性難題。在這個(gè)大環(huán)境下，光伏太陽能、風(fēng)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(diǎn)受到世界各國的高度重視，在經(jīng)濟(jì)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(lǐng)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(gè)溫度帶，豐富的風(fēng)力資源給風(fēng)力發(fā)電創(chuàng)造了極為有利的條件。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2013年底，我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量已超過1.6萬兆瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到9萬兆瓦，同比增長均超過了百分之二十，這個(gè)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(shí)踐，風(fēng)力發(fā)電在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的一些問題也逐漸引起人們的關(guān)注。其中，大型風(fēng)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(hù)裝置等方面所造成的影響最為突出，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域重點(diǎn)研究的關(guān)鍵性技術(shù)難題。截至目前，相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成果，提高風(fēng)電穿透功率、開展風(fēng)功率預(yù)測、研究低電壓穿越和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對于上述問題有著較好的解決效果。受風(fēng)能發(fā)電原理影響，風(fēng)力發(fā)電功率的具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，波動(dòng)范圍較大，如果電網(wǎng)裝機(jī)總量中風(fēng)電裝機(jī)容量所占比例較大，那么并網(wǎng)后就會(huì)對原電網(wǎng)造成較大沖擊，威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。通過調(diào)整風(fēng)電場和電網(wǎng)原有電源間的出力對比，能夠有效減少風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)的安全問題，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電今后的主要發(fā)展趨勢。

1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀概述

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

2 風(fēng)電并網(wǎng)影響分析

從電網(wǎng)架構(gòu)上看，風(fēng)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(dòng)較大。當(dāng)風(fēng)電場大規(guī)模并入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對原有電力系統(tǒng)潮流方向和繼電保護(hù)問題造成較大沖擊和影響。深入開展風(fēng)電并網(wǎng)問題研究，對于降低風(fēng)電并網(wǎng)負(fù)面影響，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展意義重大。

2.1 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)功率流動(dòng)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(dá)配電網(wǎng)，配電網(wǎng)按相關(guān)設(shè)置將電能分配到各個(gè)用電區(qū)域。在這個(gè)過程中，電能傳輸方向始終保持不變。而風(fēng)電場并入電網(wǎng)后，配電網(wǎng)中電流功率改為雙向流動(dòng)，潮流流動(dòng)方式的改變，影響了電網(wǎng)繼電保護(hù)整定效果。因此，風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)應(yīng)按雙電源或多電源網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置保護(hù)裝置，整定值要按照規(guī)避風(fēng)電并網(wǎng)沖擊電流的要求設(shè)計(jì)。

2.2 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)調(diào)度的影響

風(fēng)力發(fā)電以自然風(fēng)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(jìn)行有效預(yù)估。風(fēng)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)裝機(jī)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(jī)組往往需要很長時(shí)間才能投入運(yùn)行，使得電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠性有所降低，限制了風(fēng)電的并網(wǎng)。此外，風(fēng)力發(fā)電功率大小變化往往與用電需求量相錯(cuò)位，用電高峰時(shí)風(fēng)力發(fā)電量小，用電低估時(shí)風(fēng)力發(fā)電量反而大。這個(gè)特性使得風(fēng)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(shí)將風(fēng)力發(fā)電電能儲(chǔ)存起來，到用電高峰時(shí)再投入使用，從而達(dá)到“削峰填谷”的效果。

2.3 風(fēng)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

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

3 發(fā)展風(fēng)力發(fā)電面臨的技術(shù)難題

當(dāng)前困擾風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)性難題主要包括風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電場電力電子設(shè)備及相關(guān)技術(shù)和低電壓穿越問題。它們嚴(yán)重制約了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為世界風(fēng)電企業(yè)共同面對、必須予以解決的共性問題。

4 未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)展望

當(dāng)前，全球市場一體化趨勢日漸明顯，經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)愈加頻繁。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源的需求越來越高。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電自身而言，其未來的發(fā)展具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

4.1 單機(jī)容量越來越大

風(fēng)電場的建設(shè)需要大面積土地。當(dāng)前，土地資源緊張也是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要問題。提高風(fēng)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量，在保障電力供應(yīng)的同時(shí)降低土地成本，可以大幅提高風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益水平。

4.2 漿距可變趨勢明顯

由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)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(fēng)能發(fā)電，是今后風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。同時(shí)，漿距可控有利于在意外情況發(fā)生時(shí)，減少風(fēng)能捕獲，實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。

4.3 風(fēng)電場的常規(guī)化

這里的常規(guī)化指的是消除風(fēng)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(yùn)作模式相一致，提高風(fēng)力發(fā)電的可控性和利用效率，滿足電網(wǎng)運(yùn)行需求。

4.4 風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)由陸地向海洋轉(zhuǎn)移

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

5 結(jié)束語

我國正處于經(jīng)濟(jì)體制改革的關(guān)鍵時(shí)期。能源短缺問題是滯緩我國改革事業(yè)順暢推進(jìn)的重要瓶頸。加快實(shí)施風(fēng)力發(fā)電，對于推動(dòng)我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境都有著十分重要的積極作用。風(fēng)電企業(yè)要加快風(fēng)電技術(shù)研發(fā)，特別是風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)難題的攻關(guān)，掃清風(fēng)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。

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