风电供暖技术方法研究

张新宇，李斌，姚远

（1. 大唐新能源山东公司，山东 264209；2. 北京科诺伟业科技股份有限公司，北京 100083）

我国风能资源丰富，陆地可开发装机容量达25亿kW，是我国重要的可再生能源资源。近年来，我国风电产业发展迅速，到2012年底，我国风电装机已达到6 300万kW，成为全球风电装机最多的国家，风电已成为我国第三大电源。在能源供应中发挥着重要作用，为调整能源结构、减排温室气体、保护生态环境做出了重要贡献。但由于受电网运行等因素的影响，特别是在冬季供暖期间，风电机组运行与热电联产机组运行矛盾突出，致使北方地区的风电机组被迫大量弃风，2012年的风电弃风电量达200 kW·h[1]。

2013年6月国家能源局下发了《关于做好风电清洁供暖工作的通知》，鼓励北方地区采用风电进行清洁供热。鼓励新建建筑优先使用风电清洁供暖技术，支持其利用风电清洁供暖技术替代已有的燃煤锅炉供热[2]。

风电供暖一方面可以解决燃煤供暖所带来的污染问题，另一方面还可以缓解风电的弃风问题。近年来，我国北方风能资源富集地区风电场弃风限电问题引起较多关注。北方地区的风能资源冬季夜间最大，而这正是用电负荷的低谷时段和取暖供热的高峰时段，为了满足建筑取暖供热需要，热电联产机组需优先运行，几乎把电力负荷的空间全部占去了，风电机组被迫弃风停运[3]。而风电供暖将有助于缓解这个问题，通过因地制宜的展开风电供暖试点，将会使风电弃风限电问题得到明显好转[4-7]。

1 风电供暖方法

1.1 离网型风电机组独立供暖方法

离网型风电机组独立供暖系统，包括有风力发电场、电加热锅炉、蓄热装置、换热装置和热用户，风力发电场通过输电线路与电加热锅炉连接，电加热锅炉分别与换热装置和蓄热装置连接，电加热锅炉与换热装置连接成循环回路，蓄热装置与电加热锅炉连接成循环回路，蓄热装置与换热装置连接成循环回路，换热装置与热用户连接成循环回路。结构示意图如图1所示。

风力发电供电供热系统的供热技术性和经济性均可行，既没有环境污染，又缓解了电网的调峰难度，减轻电网外送压力。该方案是离风场较近热用户远离主电网时的风电供暖方法。利用风电供暖时，风电输出电能直接接入电加热锅炉。

图1 离网型风电机组独立供暖结构示意图Fig. 1 The structure diagram of the off-grid independent wind turbine heating system

离网型供暖风电机组的电气控制方法如图2所示。

图2 离网型供暖风电机组的电气控制结构示意图Fig. 2 Schematic structure of the electrical control for the off-grid heating wind turbine

当主控发送启动指令后，变流器采集三相定子电压，通过定子电压计算出电励磁同步发电机转速。依据风电机组最佳转速功率曲线，构造出转速-定子电压有效值曲线，根据所采用的定子电压闭环的控制策略，调节变流器输出励磁电流的大小，在一定转速下维持发电机定子电压有效值达到给定。定子电压经变流器内的二极管整流桥整流后转换为直流电压，在直流端连接固定电阻负载，通过电阻消耗功率实现加热的功能。

风电在提供清洁能源的同时，风电场的大规模并网也给电网安全经济运行带来了不利影响。传统的电网调度问题是基于负荷预测进行的，而风力发电受到的气候、海拔、地形以及温度等多种自然因素的影响具有随机波动性，风速及风功率预测的难度较大。风电独立供暖的效率和可靠性不高。基于风电的间歇性特点，风电与电网，燃煤机组，太阳能发电等联合供暖也成为克服风电这一弊端的有效途径。

1.2 风电互补型供暖方法

针对风力发电间歇性的特点，最便捷的风电与电网互补型供暖方法提出，利用风力发电机作为电暖气的主要能源，以电网电源作为控制电源和供暖电源必要时的补充，大大节省了用电的费用。它同时可以将发电机和市电的能量转换成热能，同时增加传感器增加信号采集功能，还能够将各自的运行状态及采暖单元的温度信息反馈到控制单元，便于用户了解室内供暖情况。

风电与市电互补型供暖方案也是离风场较近的热用户风电供暖方法，利用风电供暖的线路与独立式风电供暖方法相同，在风电供暖不足时，切换市电供暖。

1.3 风光互补型供暖方法

与风电互补型供暖方案相比，太阳能和风能联合补热供暖方案进一步利用了清洁能源，节省用户的用电费用。太阳能和风能联合补热供暖方案，由太阳能热水装置、风力发电装置、蒸汽锅炉、电加装置控制电路组成，如图3所示。

图3 风光互补型供暖结构示意图Fig. 3 Structure diagram of the wind and solar heating system

太阳能热水装置的储热水箱通过出水阀、四通管接头、锅炉进水阀和管道与蒸汽锅炉进水口连接，蒸汽锅炉的蒸汽出口经保温蒸汽管与室内散热装置连接，风力发电装置的电源输出连接热水箱中的电加热管、并同时经接触器常开触点连接室内电加热器，室温控制电路的控制器单元连接接触器线圈。采用联合补热供暖的方法，利用太阳能热水系统和风能对进入燃煤锅炉的冷水进行预热，同时利用风能发电直接对温室进行加热供暖。

该方案对区域光照和风速要求较高。

1.4 风电、光电及电网互补变功率蓄能供暖方法

太阳能和风能联合补热供暖方案的确是充分利用清洁能源供暖的有效途径，但是，风力发电受到气候、海拔、地形以及温度等多种自然因素的影响具有随机波动性；太阳能发电技术也随着昼夜交替以及天气变化因素呈现波动性。

为进一步提高风电和太阳能联合供暖的供暖效率和可靠性，一种基于三者的互补供暖方法，风电、光电及电网互补变功率蓄能供暖系统提了出来。该系统包括风电机组、太阳能电池板、变功率电热蓄能供水子系统和变功率电热蓄能供暖子系统；还与市电电网连接；风电机组、太阳能电池板和市电电网均通过电路连接到输入端上；变功率电热蓄能供水子系统和变功率电热蓄能供暖子系统均通过电路连接到输出端上。采用上述技术方案，降低能量的损耗和设备成本，实现可再生能源的充分、高效和合理的应用；充分利用市电电网的低谷电量，使低谷时段被浪费的电量得到充分利用，降低用电成本，交直流两用，对可再生能源进行可靠和稳定的补充。

1.5 风电和燃气联合循环机组供暖方法

北方地区的风能资源冬季夜间最大，而这正是用电负荷的低谷时段和取暖供热的高峰时段。为了满足暖热需要，热电联产机组需优先运行，几乎把电力负荷的空间全部占去了，风电机组被迫弃风停运。大规模风电并网，因热电联产机组供热问题不能停运，而弃风，造成清洁能源的浪费巨大。

针对这一现状，从热电联产机组的供暖特性出发，一种风电和燃气联合循环机组的热电联产提出，采用热水散热器和热泵耗电两种方式供热，其中的热水来源于燃气联合循环机组，电力由燃气联合循环机组与风能发电机组联合提供，通过综合调度控制装置在检测一段时间的供能和用户的耗能情况后，对未来一段时间做出预测；然后在此基础上进行调度，在保证满足电力供给和热能供给的条件下，减少供暖出力热水流量，由消耗电力供热来补偿，耗电供热既可以补偿热水供暖的不足，也可以增加电力低谷时段的负荷；这样根据风能发电、热电联产综合起来，使得预测的出力经调整后更接近系统实际需求的风电出力。如图4所示。

图4 风电和燃气联合循环机组供暖示意图Fig. 4 Schematic structure diagram of the wind and gas-fired combined cycle unit heating system

风电机组和热电联产机组联合供暖是目前研究的热点，该方案也是针对弃风现象提出的有效解决方案。但是对于风电机组和热电联产机组的联合调度控制策略有待进一步优化，才能更好地利用清洁能源，提高风电的利用效率。

2 结语

风电场选取的风电供暖技术方法与风场的地理位置、电网状况有关。远离主电网的岛屿或者小镇，宜采用离网型风电机组独立供暖或者风光互补供暖方法；靠近主电网的风电场可选取风电互补供暖方法；靠近天然气产地的风电场可采用风电和燃气联合循环机组供暖方法。根据电网的用户类型或者风电场的实际情况选用合适的供暖方案，可以有效地减轻和避免风电场对电力系统的不利影响，同时提高了风电场在电力市场中的竞争能力。

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