風電多元化應用及其相關技術

孟 明，靖 言，李和明

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003)

0 引言

世界經濟快速發展對能源的需求大幅增長，導致常規發電不斷擴大規模，同時也暴露了集中式供電的不足;與此同時，全球范圍內常規能源供應持續緊張，環境污染問題日益突出，這些因素促使世界各國大力發展新能源，積極構建能源可持續發展體系和發展電力新技術［1］。在眾多新能源中，風能脫穎而出，發展迅猛。截止2009年底，風電全球累計裝機容量達到159.2 GW，增長幅度為24.1%，在新能源發電中位居第一。

規模利用風能的主要途徑為并網風電，是現今世界風電發展的主要方向，其中以變速恒頻型風電系統為主流;分布式發電及風能結合其他能源形成的聯合互補發電能夠靈活利用風能，滿足特定用戶的用電需求，彌補集中式供電的不足;風光互補供能系統與建筑一體化形成的綠色建筑創造出的低碳、環保的城市生活環境，能夠有效節約常規能源和保護環境。風電的多元化應用是以減小常規能源份額、增大可再生能源份額為目標的新型能源可持續發展體系的重要組成部分，而其發展的深度和廣度都依賴于風電相關技術的進步和完善。因此，研究和完善各種有效風電技術已成為各國可持續發展風能的主要推動力。

1 風電發展現狀

1.1 國外風電發展現狀

世界國家和地區因其風能資源狀況、政府政策的不同，以及風電技術發展程度的差異，使得風電產業發展不平衡。目前，國外主要風電市場有德國、美國和丹麥，上述國家的風能相關技術發展水平位于世界領先地位。

根據德國風能研究所(DEWI)統計數據，截止2009年，德國風電累計裝機容量達到26 000 MW，風電在全國電力消耗中約占7%，而2010年新裝機容量將會在2009年的基礎上增加20%。目前，其國內市場逐漸飽和，出口已成為德國風電事業的主要增長點，其風電設備生產總額約占全球市場的37%。

美國是風電增長速度最快的國家，2008年已成功超越德國，躍居世界首位。據美國風能協會(AWEA)統計，截止2009年，美國風電裝機容量達35 159 MW，僅上半年新增裝機容量達4 000 MW;并在保持現有風電增長率的基礎上，實現2030年20%的電力供應來自風能。

風電在丹麥的電能需求中所占比重最高。截止2007年，風電的比重已經達到21.22%——提前10年實現歐盟確立的2020年實現20%可再生能源發電的目標。丹麥僅2008年向全球輸出的風能技術相關業務總額達到57億歐元，占整體丹麥出口額的7.2%;2009年，歐洲新增風能風電場的設備需求90%來自丹麥，預計到2025年，丹麥電力供給將有50%來自于風能。2009年12月7日，第十五屆聯合國氣候變化大會在哥本哈根開幕，會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災難性后果。作為主辦國的丹麥正在用實際行動回應這一世界命題。在過去的25年里，丹麥的經濟增長了75%，但能源消耗總量基本維持不變，這得益于丹麥對新能源的開發利用。

風能產業將保持每年20%的增速。蓬勃發展的風電事業，其發展很大程度上依賴兩大因素:風電技術及風電成本。風電技術的成熟和規模效應的顯現，還有各種優惠政策的扶持，使得風電成本持續下降。自20世紀90年代中期以來，風電成本達到每5年下降20%，預計到2020年，即使沒有補貼，風電成本也將接近常規能源。

1.2 國內風電發展概況

我國可利用風能資源共計約10億kW，位居世界第三。我國風電產業起步較晚，但發展迅速。截止2008年，風電累計裝機容量達12 210 MW，躍居世界第四，標志著我國風電進入大規模開發階段;截止2009年，風電累計裝機容量達25 800 MW，年同比增長114%。預計到2020年風電裝機容量可達1～1.5億kW，占目前總裝機容量的1/8。

煤炭在我國能源結構中的比重達70%，制造了約80%的溫室氣體排放。哥本哈根世界氣候大會焦點問題就集中在溫室氣體排放的責任共擔上，中國已經超過美國成為最大的CO2排放國，面對未來發展中的巨大減排壓力，中國已經制定各種扶持政策和長期規劃加快風能產業的發展。2005年頒布了第一部《可再生能源利用法》，該法案經修改后于2010年4月1日起實施;將“風電三峽”計劃提上日程，建設六大1 000萬kW級風電基地，包括甘肅酒泉、新疆哈密、內蒙古東部、內蒙古西部、河北北部及江蘇沿海，其中最大一處基地的裝機容量就達2 000萬kW。

2 規模并網風電場及其相關技術

2.1 主要類型和并網結構

并網風電場是大規模開發利用風能的最經濟有效的方式之一，一般由幾十臺至上千臺機組構成，容量可達幾兆瓦到幾百兆瓦，有以下優點:

(1)風電機組及其輔助設備具有模塊化的特點，設計和安裝簡單，建設工期短;

(2)實際占地面積小，對土地質量要求低;

(3)運行管理自動化程度高，可無人值守。

規模并網風電場多采用變速恒頻型風電系統，主要有雙饋感應電機(Double-Fed Induction Generation，DFIG)和永磁同步發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)兩種風電系統，其并網結構如圖1、圖2所示。

圖1 變速恒頻DFIG風電系統示意圖

圖2 變速恒頻PMSG風電系統示意圖

DFIG風電系統的并網結構特點是風力機經變速齒輪箱與發電機連接，其定子直接接入電網，轉子經變流器與電網相連。PMSG風電系統并網結構特點為風力機與同步發電機直接連接，省略了故障率較高的齒輪箱，定子經變流器與電網相連。

2.2 并網技術

風速變化導致風電場出力的隨機性會對電網造成沖擊，嚴重時會引起電網電壓的大幅下降，還可能對發電機和風電系統中的機械部件(如塔架、葉片、增速器等)造成損壞。如果并網沖擊時間持續過長，還可能引起電網瓦解或威脅其他掛網機組的正常運行［2］。

(1)同步風電機組并網技術。由于風能的間歇性，使同步機調速性能很難達到風電所要求的精度，并網后若不進行有效控制，常會發生無功振蕩與失步等問題，在重載下尤為嚴重。但近年來，隨著電力電子技術的發展，通過在同步發電機與電網之間采用變頻裝置，從技術上解決了這些問題。目前，同步風電系統并網方式主要有4種［3］，如表1所示。

表1 同步風電機組并網方式的特點比較

(2)異步風電機組并網技術。風電系統配用異步發電機不僅控制裝置簡單，而且并網后也不會產生振蕩和失步，運行非常穩定。但是，異步風力發電機直接并網會產生過大的沖擊電流，造成電壓大幅下降，對系統安全運行構成威脅，需要無功補償。目前，異步風電機組并網方式主要有4種，如表2所示。

表2 異步風電機組的并網方式比較

2.3 風電機組的控制技術

風電機組控制是整個風電系統的核心，它直接影響整個系統的性能、效率及供電質量，而且也影響到風力機的運行方式、效率和結構。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)即磁場定向控制，其核心是模擬直流機的控制思想，實現轉矩和勵磁的解耦控制。該方法從磁場理論出發，利用坐標變換將三相系統轉換成兩相系統，再根據磁場定向原理將定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)，并分別設計兩者的調節器同時對這兩個分量的幅值和相位進行控制，從而達到控制交流電機轉速的目的。

變速恒頻雙饋型風電場的并網調節中，根據交流電機矢量控制和磁場定向原理，采用變速恒頻矢量控制技術，當風速在切入風速和額定風速之間時，控制發電機轉子勵磁電流及頻率，追蹤最佳功率曲線;在額定風速和切出風速之間時，調節風力機葉片槳距角，保持額定功率不變。采用變速恒頻矢量控制技術可靈活調節系統的有功、無功功率，抑制諧波，減少損耗，提高系統效率［4］。

(2)直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)直接在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，根據定子磁場定向，通過檢測定子電壓、電流，運用瞬時空間矢量理論直接在定子坐標系下計算和控制電機磁鏈和轉矩，實現對轉速控制。國外已將DTC應用于變速恒頻風電系統中［5-6］，而國內在這方面的研究還處于起步階段。

VC與DTC的區別是:VC通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉矩，DTC是把轉矩直接作為被控量控制;VC需要將交流電機等效成直流電機以及進行復雜坐標變換計算，而DTC只需關心電磁轉矩的大小。因此，DTC技術在很大程度上解決了VC中計算控制復雜，特性易受電機參數變化影響，實際控制性能難以達到理論分析結果等重大問題。

(3)智能控制(Intelligent Control)綜合了神經網絡、模糊數學、專家系統、控制論及人工智能等多門學科，是一種新型的控制技術。該技術主要用來解決那些傳統方法難以解決的有以下特點［7］的復雜系統的控制問題:控制對象存在嚴重的不確定性;控制模型不確定或模型結構和參數變化范圍大，以及控制對象具有高度的非線性等。

基于模糊邏輯和神經網絡的風電機組智能控制技術，用模糊邏輯辨識電機模型參數，用模糊邏輯控制器進行轉速和功率調節，用神經網絡控制葉片槳距及預測風輪氣動特性。另外，采用計算機分布式控制系統、嵌入智能策略，可實現并網風電機組無人值守全自動運行。

智能控制技術與傳統控制技術相比，最大的優點是不需要對風電機組建立系統數學模型，即可實現控制功能，并具有對機組能量轉換特性進行在線學習的能力，減少了因風電機組的空氣動力模型和電力電子模型的不確定性所帶來的控制偏差，保持系統高效運行。

2.4 低電壓穿越

電壓跌落是電網最常見的故障。對于風電比例較高的電網，若風電機組在電壓跌落時采取被動保護式脫離電網，則會增加整個系統的恢復難度，甚至可能導致電網中其他機組全部解列。目前，在歐洲已經出現了強制性標準對風電機組作出了這方面的要求，我國國家能源局組織制定的《風電并網技術標準》初稿已完成，其中對低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力的要求是風電機組技術要求的重要組成部分之一。

(1)基于硬件保護電路的LVRT實現。DFIG風電系統中的發電機定子直接與電網相連，所以電網電壓跌落故障直接反映在電機定子端電壓上，導致定子出現較大故障暫態電流，轉子暫態過電流及直流側電壓上升;電壓跌落期間PMSG風電系統的主要問題在于輸入、輸出能量不匹配導致直流母線側上升。因此，電網電壓跌落時，在變速恒頻型風電系統定子側、轉子側或直流側增加保護電路［8］，能夠有效抑制暫態過程，提高變速恒頻風電系統不間斷運行的能力，如圖3所示。

圖3 帶保護電路的DFIG風電系統

定子側開關保護電路正常運行時，交流開關全部導通，電壓跌落時，通過控制晶閘管的觸發延遲角對暫態電流進行限制;轉子側Crowbar電路在電網電壓跌落的瞬間切入，對轉子過電流提供一條旁路通路，防止過電流損害變流器;直流側Crowbar電路在當直流側電壓超出正常值時切入運行，消耗掉多余的能量，維持變流器兩側功率平衡，保護直流側電容和功率器件。使用Crowbar作為卸荷負載的保護電路，適用于短時電網電壓跌落故障，如果電壓跌落持續時間較長，則需要輔助采用其他控制策略如變槳距等限制風電機組輸入功率。

(2)無硬件的LVRT控制策略。網側變流器是控制系統的重要組成部分。電網電壓跌落時，網側變流器同時受到來自網側和負載側兩方面的擾動。文獻［8］針對電網電壓三相對稱跌落故障，利用小信號模型分析方法提出了一種基于網側變流器的改進型前饋控制策略。前饋信號同時包含了電網電壓和負載的信息，在電網電壓波動或負載擾動時，都能迅速給出電流環參考信號，通過快速調節交流側進線電流，使得系統功率平衡得以維持，從而避免了母線電壓產生大的波動，增強了系統的LVRT能力，提高了系統的動態響應速度。

基于暫態磁鏈補償的控制策略［9］，該方法針對對稱及不對稱故障下，DFIG定子磁鏈中出現的定子磁鏈暫態直流和負序分量，由于轉子電路中的漏感和電阻值均較小，因而在轉子電路中產生同頻率的電流，為了抵消因定子磁鏈中直流分量和負序分量在轉子回路中感生出電流，則必須在轉子端電壓中加入相同頻率的電壓量，從而達到控制轉子電流的目的;另一種改進VC策略［10］，該方法根據故障下DFIG內部電磁變量的暫態特點，適當控制勵磁電壓，使之產生出與定子磁鏈暫態直流和負序分量相反的轉子電流空間矢量及相應的漏磁場分量，通過所建立的轉子漏磁場抵消定子磁鏈中的暫態直流和負序分量。

3 分布式發電

分布式發電(Distributed Generation，DG)是風能應用的又一新型有效途徑，系統容量一般為幾千瓦到幾十兆瓦，結合了包括風能在內的多種能源聯合發電。與常規發電相比，DG有以下優勢:

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

(2)提供多種形式的能量，典型冷、熱、電三聯產，實現了能量的梯級利用，大大提高了能源的總體利用效率;

(3)可并網運行也可獨立運行，負荷調節靈活，與大電網配合可大大提高供電可靠性，例如能夠在電網崩潰和意外災害(地震、暴風雪、人為破壞、戰爭)情況下維持重要用戶的供電［11］。

結合我國的具體國情，我國陸地的絕大部分風能可利用區主要分布在西北、東北、青藏高原及沿海地區，囊括我國最不發達的貧困地區和無電地區。通過架線輸電的辦法來解決用電問題十分困難，而且成本昂貴。針對這些地區交通不便、居住分散、用電量低等特點，可采用風電為基礎的小型獨立DG來解決這些地區的用電問題。

DG并網存在的主要問題在于使電網繼電保護的設置和動作值整定的難度加大，影響電網的電能質量及配電網的靜態穩定性，增加了配電網潮流的不確定性。為盡量減小分布式電源并網對電網的不利影響，專家們研究并提出了微網技術。

微網技術實現DG和負荷一起作為配電子系統運行于電網中，對電網不會產生大的影響，而且不需要修改電網的運行策略就可以非常靈活地把DG接入或撤離電網，從而大大提高了電網的可靠性。微網基本結構如圖4所示。

圖4 微網基本結構圖

并網運行時，類似傳統配電網，服從系統調度，可同時利用微網內DG發電和從大電網吸取電能，并能在自身電力充足時向大電網輸送多余電能。當外界大電網出現故障停電或有電力質量問題時，微網可以通過能量管理單元控制主斷路器切斷與外界聯系，轉為獨立運行，此時微網內負荷全部由DG供電。故障解除后，主斷路器重新合上，恢復與主電網同步運行，以保證系統平穩恢復到并網運行狀態，而這兩種運行模式平滑轉換的關鍵是微網與電網之間的電力電子接口，這種接口可以使分布式電能實現即插即用，以盡量減少分布式電源對電網的不利影響［12］。

4 風光互補供能系統與建筑一體化

我國建筑耗能已超過全國耗能總量的1/4，僅建筑采暖能耗就約為發達國家的3倍［13］。因此，在風力和太陽能資源豐富的地區，在建筑中適當引入風光互補供電系統，環保又節能的同時可實現低碳生活理念。

風光互補供電系統與建筑一體化［14］的設計理念主要是指利用風光互補供電系統為建筑提供電力，同時該供電系統可以融入建筑，即通過在建筑圍護結構上(墻體、屋頂)鋪設光伏陣列，在建筑綠地(小公園、景點)安置風能發電設備。這種一體化設計不僅能夠減少常規電能輸送過程的能耗，節約費用，而且以不破壞環境的方式生產出建筑所需的大部分電能，實現了城市生活環保節能的目標。

完整的風電－光伏互補供電系統由風能發電機、太陽能光伏電池組、充電控制器、蓄電池組、逆變電源、交流配電系統和用電負載等部件組成［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、風力發電機單獨或同時向蓄電池組充電，再經逆變電源進行直流－交流轉換，最后通過交流配電系統輸送到用戶。

圖5 風力－光伏互補供電系統示意圖

2010世博會新能源為一大亮點，其中印度場館的建筑設計采用小型風車與屋頂上的太陽能電池充分利用永久性的可再生能源，實現了安全排放無污染，充分體現節能、高效概念。另外，風光互補路燈系統、風光互補高速公路監控系統，以及風光互補通信機站電源系統等正在推廣應用中。

目前，除在技術上已較成熟的風光互補供能系統，風電－水電互補系統和風電－燃氣輪機發電互補系統等正在發展完善中。中國工程院楊裕生院士提出風電多元化應用的又一種重要的技術途徑，即將風電直接供電與大規模蓄電相結合?？傊?，風能與其他能源形成的多能互補功能系統應用靈活，可達到環保、高效節能的用電目標，是風能多元化發展趨勢之一。

5 風電技術未來的發展趨勢

風電相關技術是一項綜合集成的高新技術，風電產業的不斷發展使其相關技術也將不斷面臨新的挑戰，預計將會圍繞以下幾個方面展開研究:

(1)變速恒頻技術與微網技術。變速恒頻技術與微網技術是并網風電和DG發展的技術保障，需進行提高和完善。

(2)多能聯合供能技術。風能與其他能源形成的各種發電系統可廣泛應用于生活中，實現低碳、節能的生活理念。

(3)智能控制技術。智能控制能夠有效解決大規模、非線性、復雜和不確定性系統的參數辨識和控制器設計問題，對于提高供電系統的穩定運行性能十分重要，智能化也是未來電網發展的趨勢之一。

(4)故障運行技術。風能融入電網是必然趨勢，這就要求風電系統具備一定的故障運行能力，能夠承受電網故障的同時為電網提供一定的支撐，幫助電網恢復到正常狀態，如LVRT技術等。

6 結語

環保節能是未來電網發展的一個重要目標，風能作為一種清潔能源必將在電網中發揮越來越大的作用，而不斷發展和完善的風電技術使得風電的應用領域不斷拓展，逐漸展現出多元化的趨勢。我國風電技術雖然有了長足的進步，但是與世界先進技術相比還存在較大的差距，風能基礎研究還很薄弱，自主創新能力還很不足。因此，我國要充分利用當前風電技術發展的大好機遇，結合我國國情發展有自主知識產權的風電技術，確保我國的風電產業持續、穩步發展。

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