風力發電技術問題探析

李曉巖

摘 要：風電是當前新型能源的主流發展形式之一。隨著能源緊張和環保壓力的進一步加大，風力發電的需求與日劇增。我國風力資源豐沛，風力發電基礎條件十分優越。文章圍繞當前風力發電相關技術問題進行探討，介紹了風力發電機組發展狀況，討論了風電并網對電網的負面影響及解決措施，闡述了當前發展風電技術的主要難題，最后對今后風力發電的前景進行了展望。

關鍵詞：風力發電；風電場；低電壓穿越；風力發電趨勢

引言

21世紀，能源緊張和環保問題已經成為世界性難題。在這個大環境下，光伏太陽能、風力發電、水力發電等新型能源以其清潔無污染、高效、可持續發展等特點受到世界各國的高度重視，在經濟發展和改善人居生活方面發揮了極為重要的作用。我國在新能源領域起步較晚，經過數年的發展，取得了階段性成效。我國國土面積廣大，橫跨多個溫度帶，豐富的風力資源給風力發電創造了極為有利的條件。相關數據顯示，到2013年底，我國風電新增裝機容量已超過1.6萬兆瓦，累計裝機容量達到9萬兆瓦，同比增長均超過了百分之二十，這個成績在世界范圍內也是名列前茅的。經過長期的研究和實踐，風力發電在實際應用過程中存在的一些問題也逐漸引起人們的關注。其中，大型風電并網給電力系統在功率傳輸方向、電網電壓、頻率、系統穩定性、諧波污染、線路損耗和保護裝置等方面所造成的影響最為突出，成為當前風力發電領域重點研究的關鍵性技術難題。截至目前，相關領域已經取得了一定成果，提高風電穿透功率、開展風功率預測、研究低電壓穿越和動態無功補償等技術對于上述問題有著較好的解決效果。受風能發電原理影響，風力發電功率的具有較強的隨機性，波動范圍較大，如果電網裝機總量中風電裝機容量所占比例較大，那么并網后就會對原電網造成較大沖擊，威脅電網運行安全。通過調整風電場和電網原有電源間的出力對比，能夠有效減少風電并網引發的安全問題，風電常規化是未來智能電網和分布式電源發電系統的重要發展方向，也是風力發電今后的主要發展趨勢。

1 風力發電設備發展現狀概述

截至目前，風力發電機組主要有三款機型投入使用，分別是恒速恒頻異步發電機、變速恒頻雙饋異步和直驅永磁同步發電機。三種機型各有特點。其中，變速恒頻系統適應性最廣，能夠在較大的風度變化范圍內高效運轉，并保持理想的葉尖速比和最大功率點，從而獲得風電企業的廣泛歡迎，成為當前風電領域使用最多的主流風電發電機型。此外，直驅永磁同步發電技術和全功率變流器的應用，進一步擴大了風電發展空間，其風電發展前景十分廣闊。

2 風電并網影響分析

從電網架構上看，風電場多數位于電網外緣地區，電網系統控制力較弱，受外界影響波動較大。當風電場大規模并入電網時，會對原有電力系統潮流方向和繼電保護問題造成較大沖擊和影響。深入開展風電并網問題研究，對于降低風電并網負面影響，推動風力發電事業的發展意義重大。

2.1 風電并網對電網功率流動方向的影響

按照常規發電方式，電能由電源發出，經由輸電線路到達配電網，配電網按相關設置將電能分配到各個用電區域。在這個過程中，電能傳輸方向始終保持不變。而風電場并入電網后，配電網中電流功率改為雙向流動，潮流流動方式的改變，影響了電網繼電保護整定效果。因此，風電并網后的電網應按雙電源或多電源網絡相關標準設置保護裝置，整定值要按照規避風電并網沖擊電流的要求設計。

2.2 風電并網對電網調度的影響

風力發電以自然風為能源，生產不規律的現象非常突出，生產過程中難以對變化趨勢進行有效預估。風電并網后，電網裝機容量增加，為保障電網供電正常穩定的備用容量要求也就更高。由于作為備用的火電機組往往需要很長時間才能投入運行，使得電網運行安全可靠性有所降低，限制了風電的并網。此外，風力發電功率大小變化往往與用電需求量相錯位，用電高峰時風力發電量小，用電低估時風力發電量反而大。這個特性使得風電并網后電網調度工作難度大增。目前較好的解決方法是在用電低谷時將風力發電電能儲存起來，到用電高峰時再投入使用，從而達到“削峰填谷”的效果。

2.3 風電并網對配電網電能質量的影響

風電并入電網后，等效于在配電網上增加了電源。風力發電受風能影響，其輸出功率呈現出不規律、不可預估的變化，降低了電網電壓的穩定性。當前電網中主要使用的是異步電機，為保障安全，必須配套足夠的無功功率補償，否則就會引發電網電壓下降、閃變等問題。此外，由風力發電機組及其并網所使用的電力電子設備所造成的諧波污染也是風電并網對電網電能質量的負面影響之一。一般情況下，風電并網后的電網會安裝并聯電容器組、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）和動態電壓恢復器（DVR）等設備以應對風電并網對配電網電能質量的負面影響。

3 發展風力發電面臨的技術難題

當前困擾風電產業發展的技術性難題主要包括風電功率預測、風電場電力電子設備及相關技術和低電壓穿越問題。它們嚴重制約了風電產業的發展，成為世界風電企業共同面對、必須予以解決的共性問題。

4 未來風力發電技術展望

當前，全球市場一體化趨勢日漸明顯，經濟生產活動愈加頻繁。經濟的發展對能源的需求越來越高。風力發電等新型能源契合綠色環保理念，既保障了能源供給又減輕了環境壓力，是今后能源產業的主要發展趨勢。就風力發電自身而言，其未來的發展具有如下幾個方面的特點。

4.1 單機容量越來越大

風電場的建設需要大面積土地。當前，土地資源緊張也是制約經濟發展的一個重要問題。提高風電機組單機裝機容量，在保障電力供應的同時降低土地成本，可以大幅提高風電項目經濟效益水平。

4.2 漿距可變趨勢明顯

由于風能的不穩定性，通過調整風機葉片的漿距角保證葉尖速比處于最佳狀態，從而最大限度利用風能發電，是今后風電產業的一個發展方向。同時，漿距可控有利于在意外情況發生時，減少風能捕獲，實現機組停機。

4.3 風電場的常規化

這里的常規化指的是消除風電發電的不確定性，使其與傳統發電形式、常規電廠的運作模式相一致，提高風力發電的可控性和利用效率，滿足電網運行需求。

4.4 風電場實現由陸地向海洋轉移

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

5 結束語

我國正處于經濟體制改革的關鍵時期。能源短缺問題是滯緩我國改革事業順暢推進的重要瓶頸。加快實施風力發電，對于推動我國國民經濟建設發展，節約資源，保護環境都有著十分重要的積極作用。風電企業要加快風電技術研發，特別是風電并網技術難題的攻關，掃清風電發展障礙，為我國能源產業的健康發展作出保障。

參考文獻

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