典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究

趙巖++張彥輝

摘 要：風(fēng)能是一種清潔，安全，可再生的綠色能源，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日新月異，單機(jī)容量不斷提高，國內(nèi)、國際總裝機(jī)容量不斷攀升。風(fēng)力資源應(yīng)用的最大困難就是其強(qiáng)度、方向的不穩(wěn)定性，并且風(fēng)力資源豐富地區(qū)一般遠(yuǎn)離用電稠密地區(qū)，因此，如何提高風(fēng)電機(jī)組抗沖擊能力、消除諧波污染、電源波動以及閃變，如何解決風(fēng)能遠(yuǎn)距離輸帶來的一些列問題，就成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的重要研究課題。該文對風(fēng)力資源特點(diǎn)及分布、風(fēng)電發(fā)展趨勢、國內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展近況以及典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了綜合論述及對比。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力 發(fā)電技術(shù) 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0087-01

1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

自20世紀(jì)70年代起，世界主要發(fā)達(dá)國家為解決對石油天然氣以及其他化石能源的過度依賴，開始對以風(fēng)能、光伏等可再生能源的開發(fā)利用研究。到20世紀(jì)90年代，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成以歐盟、北美和亞洲為代表的多極發(fā)展趨勢；通過規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化以及標(biāo)準(zhǔn)化的形成，以及電壓型換流器（VSC）和絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）等電力電子設(shè)備技術(shù)的成熟，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備成本、系統(tǒng)運(yùn)維成本不斷下降，為風(fēng)力發(fā)電廣泛推廣提供了技術(shù)保障。

根據(jù)世界能源署《2013年世界能源展望》所描述，“到2035年，可再生能源將近占全球發(fā)電能力增長的一半，其中間歇式供電占比45%。中國將是可再生能源發(fā)電絕對量增幅最大的國家，超過歐盟、美國和日本增長的總和。”而2014年9月召開的中國能源革命高峰論壇提出，“十三五”期間，全國風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到“十二五”目標(biāo)的一倍，在2020年達(dá)到2億千瓦以上。

2 典型風(fēng)力發(fā)電端系統(tǒng)

在發(fā)電端，在國際上比較主流的幾類典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有：定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

總的來說，可以根據(jù)分為恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，根據(jù)有無齒輪組分為傳統(tǒng)驅(qū)動和直驅(qū)同步系統(tǒng)，而根據(jù)發(fā)電機(jī)類型又可以分為異步、同步發(fā)電機(jī)兩種。與其他發(fā)電機(jī)組一樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時，也頻率與電網(wǎng)相等并保持恒定，當(dāng)前在大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中應(yīng)用較多的，是采用雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)異步恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相比，對風(fēng)能的利用效率更高，有效可發(fā)電時間更長。隨著電壓型換流器和絕緣柵極雙極晶體管等電力電子設(shè)備技術(shù)的成熟，電力變頻技術(shù)日益成熟，雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁多極同步電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

為解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱傳動磨損和漏油所造成的機(jī)械故障多、機(jī)組維護(hù)工作量大、噪聲污染嚴(yán)重、機(jī)組的可靠性和使用壽命受齒輪箱影響大等問題，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合的無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組研究開始受到人們重視，其產(chǎn)品市場份額迅速擴(kuò)大。這種結(jié)構(gòu)取消了齒輪箱傳動軸，機(jī)組水平方向長度大大縮短，增加風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)中的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)由于不需勵磁創(chuàng)造磁場，而提高了發(fā)電效率。

3 典型風(fēng)力發(fā)電專用輸電線路

由于風(fēng)力資源豐富地區(qū)一般遠(yuǎn)離用電稠密地區(qū)，因此采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力發(fā)電專用輸電線路傳送電能也是重要的研究課題。現(xiàn)在主要采用的是傳統(tǒng)交流輸電方式，但由于風(fēng)力發(fā)電存在豐枯不穩(wěn)定、風(fēng)力不可控等特點(diǎn)，交流輸電線路存在很多缺點(diǎn)。目前主要通過以下技術(shù)進(jìn)行改善：

3.1 高壓直流輸電

高壓直流輸電基于GTO、IGBT等可關(guān)斷器件電力電子元件，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，充分利用直流電無感抗、可抵御容抗影響的特點(diǎn)，有效降低線路造價和運(yùn)行費(fèi)用。更重要的是由于直流輸電通過可控硅換流器調(diào)整功率，調(diào)節(jié)速度快，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下可保證穩(wěn)定輸出，在暫態(tài)下可實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。

3.2 輕型直流輸電

輕型直流輸電以電壓源型換流器VSC為核心，通過大量采用電力電子元件以及電力電子技術(shù)進(jìn)行高可控性直流輸電。與高壓直流輸電相比，輕型直流輸電技術(shù)可通過VSC可同時且獨(dú)立控制有功、無功功率，受端系統(tǒng)可以使無源網(wǎng)絡(luò)，潮流翻轉(zhuǎn)時直流電壓極性不變等突出優(yōu)點(diǎn)。因此對于風(fēng)電場的長距離功率輸送來說，優(yōu)勢非常明顯。

3.3 柔性交流輸電

柔性交流輸電技術(shù)通過綜合應(yīng)用電力電子技術(shù)與微處理、微電子、通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，通過對電壓、相位角、阻抗、功率、潮流的連續(xù)快速調(diào)節(jié)控制而形成的快速控制交流輸電技術(shù)，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。

4 典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)濾波與補(bǔ)償系統(tǒng)

風(fēng)力資源應(yīng)用的最大困難就是其強(qiáng)度、方向的不穩(wěn)定性，而風(fēng)電機(jī)組由于處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，其本身的運(yùn)行特征會直接影響電能質(zhì)量。如何提高風(fēng)電機(jī)組抗沖擊能力、消除諧波污染、電源波動以及閃變，就成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的重要研究課題。通過使用濾波與補(bǔ)償系統(tǒng)，可有效解決以上問題，目前主要應(yīng)用以下技術(shù)：

4.1 靜止無功補(bǔ)償器

靜止無功補(bǔ)償器在電壓變化時能夠快速、平滑地動態(tài)補(bǔ)償無功功率，還能進(jìn)行分享補(bǔ)償，因此對三相不平衡符合及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性，通過加裝濾波器，還可抑制晶閘管設(shè)備對電抗器投切過程中產(chǎn)生的高次諧波。對于需要快速跟蹤負(fù)荷變化，動態(tài)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)力發(fā)電廠而言，SVC的應(yīng)用可以有效穩(wěn)定由于風(fēng)速引起的電壓波動，提高電能質(zhì)量。

4.2 有源電力濾波器

相對于只能被動吸收固定頻率、固定大小諧波的無源LC濾波器，有源電力濾波器APF通過DSP計算提取諧波成分，然后有針對的通過逆變器產(chǎn)生一個和負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流與之進(jìn)行抵消，從而消除諧波達(dá)到濾波目的。隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變頻設(shè)備的大量應(yīng)用，APF將體現(xiàn)出更大優(yōu)勢。

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