淺談風力發電的現狀及發展趨勢

王政允

摘 要：如今人們的環保意識不斷加強，環境保護的理念已經深入人心。風力發電作為新型的清潔能源，已經成為國家關注和發展的重點，發展極為迅速，國家以及眾多企業投入大量資金進行風力發電相關技術的研究，大量的風電場也在投入建設。該文對近年來風力發電的現狀進行了介紹，對風電運行存在的問題進行了分析，并對風電未來發展的趨勢進行了展望。

關鍵詞：風力發電 現狀 發展趨勢

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0014-02

近年來能源供應日益緊張，環境污染問題日益突出，因此國家對新能源的重視程度與日俱增，風能作為一種清潔高效的能源已經成為利用的重點。我國有綿長的海岸線，大片的草原戈壁，風力資源十分豐富。隨著我國對風力發電投入力度的不斷加大，風力發電近年來發展十分迅速，已經成為一種重要的能源供應，風電技術也得到了迅速發展[1]。截至2013年底，我國風力發電新增裝機容量達到1.6萬MW，累計裝機容量達到9.1萬MW，新增裝機容量和累計裝機容量都達到世界前列。

由于風力資源季節性波動性的影響，大容量的風電場的并網會對電網的電能質量、系統穩定性、諧波情況、線路損耗以及繼電保護造成影響。進行風電功率的合理預測，提高風電穿透功率，研究動態無功補償等技術對風電存在的問題進行有效解決是風電研究的重點。由于風力發電所占電網裝機總量的比重過大會影響系統運行的可靠性，合理分配風電場和傳統能源的比例，降低風電場對電網的沖擊，是發展風電能源的重點[2]。該文對風力發電現有技術進行了闡述，對風電技術發展面臨的問題進行了研究，并對風力發電的發展趨勢進行了展望。

1 常用的風力發電系統

目前風力發電系統常用的風力發電機主要有恒速恒頻率異步發電機、變速恒頻雙饋異步發電機和直驅永磁同步發電機三種。由于變速恒頻系統可以適應較寬的風速范圍，已經成為風力發電的主流機型，而直驅永磁同步發電機和全功率變流器組合在未來有著廣闊的發展前景。

1.1 恒速恒頻發電機系統

恒速恒頻發電機系統主要由風力機、變速箱、異步發電機以及并聯電容器構成。風輪機應用定漿失速控制可以確保發電機輸出的電能電壓和頻率保持恒定。由于異步發電機在輸出有功功率的同時會有無功產生，因此，可以通過并聯電容器提高電網的功率因數[3]。由于風能波動性和不穩定性的特點，恒速恒頻發電機系統的風能利用率較低，能量輸出波動性也比較大。

1.2 變速恒頻雙饋異步發電機系統

雙饋異步發電機是如今風力發電的主流設備，占裝機總量的絕大部分。變漿距角技術的應用，提高了風能的利用率，而且在機組緊急停止時，通過調整可以減少風能的收集，降低了機組的機械沖擊，機組的使用壽命加長了[4]。定子側和電網連接，轉子通過雙PWM變換器控制勵磁，確保定子電能頻率的穩定。

1.3 變速恒頻直驅永磁同步發電機系統

風力發電機和永磁同步發電機直接連接，避免了減速箱對系統運行的影響。同步發電機發出的電能通過交直交變頻技術形成穩定的交流電進入電網[5]。勵磁采用永磁體節省了勵磁的維護投入，但發電機的體積和制造成本以及難度加大了。

2 風電場并網對電網的影響

隨著風電技術的迅速發展，大容量風電場的并入，電力系統的潮流方向和繼電保護配置都會發生改變。風電場在并網過程中還有很多問題需要解決。

2.1 功率流動模式在風電場并網后發生改變

常規電網電能從電源發出，經由輸電線路輸送到負荷端，電能的傳輸方向是單向傳輸。而風電場在電網的末端，通常建立在偏遠的野外，遠離用戶端，風電場并網后，配電網的功率流動呈雙向傳輸，對系統的繼電保護整定造成影響，應多電源網絡模式配置保護設備，整定值不應在并網沖擊電流范圍內。

2.2 影響電網調度分配

風能的不確定性和不可控性，造成其難以進行可靠的調節和預測，風電的并入，使電力系統的備用容量增加。由于火電機組需要幾個小時的時間才能可靠投入，一旦系統的備用容量不足，則會對風電場的并網造成影響。風電的并網常常會顯得不太合時宜，即在用電高峰時風電供應較少，而在用電低谷時電能的產生量卻很大，增加了電網的調度難度。

2.3 影響電網的供電質量

風電場的并入增加了電網的電源，但由于風能的不穩定性和隨機性，風電場的輸出功率是波動的，從而造成電網電壓的穩定性不高。目前風電系統主要為以步發電機，需要吸收大量無功，若無功不足則會造成電網壓降和閃變的問題。風力發電并網的電力電子設備也會產生諧波，對電網的供電質量造成影響。

3 風力發電中的重點技術問題

風力發電作為重要的新興能源，受重視程度越來越高，如何提高風能的使用效率，改善風力發電的電能質量是風力發電工作研究的重點。

3.1 風力發電功率的預測

風能的不穩定性和隨機性，經常造成大容量電場并網嚴重影響電力系統的可靠性，制約著大容量風電場的并網運行。因此對風電能量進行科學準確的預測，有助于風電場的合理選址以及電網能量的合理調度。目前常用的風能預測方法有：基于數值天氣預報的風能預測，即利用氣象信息對中長期風能進行預測；時間序列預測法，即利用歷史風能數據對短期風能分布進行預測、人工神經網絡預測，該方法的自適應性比較強，適用于非線性的模型預測。為提高預測的準確性，將多種方法結合使用是風能預測的發展方向。

3.2 風電場電力電子設備的研究

先進的電力電子技術是現代風力發電的重要技術依托，為風力發電提供重要的技術支撐。風力發電設備中存在大量電力電子設備，如雙饋一步發電系統中的PWM變流器、直流永磁同步發電系統重點交直交變頻設備、基于電壓源的高壓直流輸電并網技術以及低壓穿越所需的電子裝置等。因此，加強電力電子設備的研究，對風力發電的發展具有重要意義。

3.3 低壓穿越技術

低壓穿越技術在電網發生故障時，利用電力電子技術確保風電場在一定時間范圍內向電網提供一定的無功，從而保證電網不脫網運行。當電網電壓降低時，風電機組通常由于自我保護而脫離電網，在風電所占電網的比例較小時，風電的脫離不會對系統造成太大影響，一旦風電機組的容量較大，電網故障時風電的解列在故障的基礎上增加了電網的擾動，嚴重影響電網的可靠運行，甚至造成整個系統的解列。因此，我國對低電壓運行標準進行了規定，即當并網電壓跌至20%才額定電壓時，風電機組應能不脫網運行625 ms，目前由于電網的故障復雜多變，還沒有十分完善的方案能夠完全滿足低電壓穿越的要求，這已經成為風電研究的熱點問題[6]。

3.4 風電場的無功補償

電壓穩定是風電并網中的重要問題，無功補償是風電電壓穩定的重要影響因素。尤其在異步風力發電機系統中，異步發電機和變壓器設備產生大量的無功功率，一旦這些無功無法得到及時補償則會對電網的可靠運行造成影響，系統無功過高會使系統電流增加，增大系統損耗的同時，也會影響設備的安全運行；電流和實在功率的增加造成電力設備容量的增加，電力設備的體積也相應增大，電網的經濟運行性降低，另外電網的功率因數過低會造成電網電壓的降低。風電場無功補償的方式多種多樣，目前最為常用且使用效果較好的方式是基于電力電子技術的動態無功補償設備[7]。

4 風力發電的發展趨勢

分離作為一種重要的清潔能源，已經成為全世界關注的重點，且產業發展的總體趨勢為以下幾點：

（1）單機容量呈大型化發展。為提高風能的利用率，降低風電場的面積，提高風電的經濟效益，大容量風電機組成為未來風電發展的趨勢。

（2）變漿距將成為發展主流。風能的隨機性和不穩定性，要求在風度發生變化時，發電設備可以通過改變風輪的漿距角使葉尖速比保持在最佳狀態。在電網發生故障需要緊急停機時，可以通過調整葉輪漿距角降低風能的轉化，從而優化停機策略并且配合低電壓穿越控制。

（3）變速恒頻直驅永磁同步發電機系統將成為發展的主流。雙饋風機具有控制性能好，且成本較低的優勢，已經占領了風電市場。直驅電機的使用，提高了系統的可靠性，全功率變流技術能夠很好的滿足低壓穿越要求。

（4）海上風電將快速發展。隨著風電機組和風電規模的日趨龐大，風電設備的運輸和選址受到限制，加上海上風力資源極為豐富，使得海上風電場將成為風電發展的另一重要方向[8]。

5 結語

風力發電在近年來發展極為迅速，有效解決了國家能源緊缺和環境保護的問題，對我國環境、經濟的可持續發展具有重要意義，是國家重點發展的能源產業。該文介紹了大規模風電場的投入對電網安全運行的影響，對風電運行中所面臨的技術問題進行了闡述，并對風電未來的發展趨勢進行了展望。隨著技術的不斷發展，風電將逐步走向常規化，成為電力供應的重要組成。

參考文獻

[1] 周雙喜，魯宗相.風力發電與電力系統[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2] 賀益康，胡家兵，徐烈.并網雙饋異步風力發電機運行控制[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3] 劉彥東.風力發電現狀及對策[J].內蒙古石油化工，2011（5）：74-75.

[4] 孟明，靖言，李和明.風電多元化應用及其相關技術[J].電機與控制應用，2011，38（3）：1-6.

[5] 王大陸，郝永旺.風電發展狀況及面臨的問題[J].能源與節能，2011（9）：9-11.

[6] 侯喆瑞，張鑫，張嵩.風力發電的發展現狀與關鍵技術研究綜述[J].智能電網，2014（2）：22-27.

[7] 張明.關于風電并網的功率補償問題探討[J].科學之友，2011（5）：34-35.

[8] 楊崢嶸.對風力發電技術發展及趨勢的認識[J].電源技術應用，2012，12（15）：69-70.