风力发电技术问题探析

李晓岩

摘 要：风电是当前新型能源的主流发展形式之一。随着能源紧张和环保压力的进一步加大，风力发电的需求与日剧增。我国风力资源丰沛，风力发电基础条件十分优越。文章围绕当前风力发电相关技术问题进行探讨，介绍了风力发电机组发展状况，讨论了风电并网对电网的负面影响及解决措施，阐述了当前发展风电技术的主要难题，最后对今后风力发电的前景进行了展望。

关键词：风力发电；风电场；低电压穿越；风力发电趋势

引言

21世纪，能源紧张和环保问题已经成为世界性难题。在这个大环境下，光伏太阳能、风力发电、水力发电等新型能源以其清洁无污染、高效、可持续发展等特点受到世界各国的高度重视，在经济发展和改善人居生活方面发挥了极为重要的作用。我国在新能源领域起步较晚，经过数年的发展，取得了阶段性成效。我国国土面积广大，横跨多个温度带，丰富的风力资源给风力发电创造了极为有利的条件。相关数据显示，到2013年底，我国风电新增装机容量已超过1.6万兆瓦，累计装机容量达到9万兆瓦，同比增长均超过了百分之二十，这个成绩在世界范围内也是名列前茅的。经过长期的研究和实践，风力发电在实际应用过程中存在的一些问题也逐渐引起人们的关注。其中，大型风电并网给电力系统在功率传输方向、电网电压、频率、系统稳定性、谐波污染、线路损耗和保护装置等方面所造成的影响最为突出，成为当前风力发电领域重点研究的关键性技术难题。截至目前，相关领域已经取得了一定成果，提高风电穿透功率、开展风功率预测、研究低电压穿越和动态无功补偿等技术对于上述问题有着较好的解决效果。受风能发电原理影响，风力发电功率的具有较强的随机性，波动范围较大，如果电网装机总量中风电装机容量所占比例较大，那么并网后就会对原电网造成较大冲击，威胁电网运行安全。通过调整风电场和电网原有电源间的出力对比，能够有效减少风电并网引发的安全问题，风电常规化是未来智能电网和分布式电源发电系统的重要发展方向，也是风力发电今后的主要发展趋势。

1 风力发电设備发展现状概述

截至目前，风力发电机组主要有三款机型投入使用，分别是恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步和直驱永磁同步发电机。三种机型各有特点。其中，变速恒频系统适应性最广，能够在较大的风度变化范围内高效运转，并保持理想的叶尖速比和最大功率点，从而获得风电企业的广泛欢迎，成为当前风电领域使用最多的主流风电发电机型。此外，直驱永磁同步发电技术和全功率变流器的应用，进一步扩大了风电发展空间，其风电发展前景十分广阔。

2 风电并网影响分析

从电网架构上看，风电场多数位于电网外缘地区，电网系统控制力较弱，受外界影响波动较大。当风电场大规模并入电网时，会对原有电力系统潮流方向和继电保护问题造成较大冲击和影响。深入开展风电并网问题研究，对于降低风电并网负面影响，推动风力发电事业的发展意义重大。

2.1 风电并网对电网功率流动方向的影响

按照常规发电方式，电能由电源发出，经由输电线路到达配电网，配电网按相关设置将电能分配到各个用电区域。在这个过程中，电能传输方向始终保持不变。而风电场并入电网后，配电网中电流功率改为双向流动，潮流流动方式的改变，影响了电网继电保护整定效果。因此，风电并网后的电网应按双电源或多电源网络相关标准设置保护装置，整定值要按照规避风电并网冲击电流的要求设计。

2.2 风电并网对电网调度的影响

风力发电以自然风为能源，生产不规律的现象非常突出，生产过程中难以对变化趋势进行有效预估。风电并网后，电网装机容量增加，为保障电网供电正常稳定的备用容量要求也就更高。由于作为备用的火电机组往往需要很长时间才能投入运行，使得电网运行安全可靠性有所降低，限制了风电的并网。此外，风力发电功率大小变化往往与用电需求量相错位，用电高峰时风力发电量小，用电低估时风力发电量反而大。这个特性使得风电并网后电网调度工作难度大增。目前较好的解决方法是在用电低谷时将风力发电电能储存起来，到用电高峰时再投入使用，从而达到“削峰填谷”的效果。

2.3 风电并网对配电网电能质量的影响

风电并入电网后，等效于在配电网上增加了电源。风力发电受风能影响，其输出功率呈现出不规律、不可预估的变化，降低了电网电压的稳定性。当前电网中主要使用的是异步电机，为保障安全，必须配套足够的无功功率补偿，否则就会引发电网电压下降、闪变等问题。此外，由风力发电机组及其并网所使用的电力电子设备所造成的谐波污染也是风电并网对电网电能质量的负面影响之一。一般情况下，风电并网后的电网会安装并联电容器组、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）和动态电压恢复器（DVR）等设备以应对风电并网对配电网电能质量的负面影响。

3 发展风力发电面临的技术难题

当前困扰风电产业发展的技术性难题主要包括风电功率预测、风电场电力电子设备及相关技术和低电压穿越问题。它们严重制约了风电产业的发展，成为世界风电企业共同面对、必须予以解决的共性问题。

4 未来风力发电技术展望

当前，全球市场一体化趋势日渐明显，经济生产活动愈加频繁。经济的发展对能源的需求越来越高。风力发电等新型能源契合绿色环保理念，既保障了能源供给又减轻了环境压力，是今后能源产业的主要发展趋势。就风力发电自身而言，其未来的发展具有如下几个方面的特点。

4.1 单机容量越来越大

风电场的建设需要大面积土地。当前，土地资源紧张也是制约经济发展的一个重要问题。提高风电机组单机装机容量，在保障电力供应的同时降低土地成本，可以大幅提高风电项目经济效益水平。

4.2 浆距可变趋势明显

由于风能的不稳定性，通过调整风机叶片的浆距角保证叶尖速比处于最佳状态，从而最大限度利用风能发电，是今后风电产业的一个发展方向。同时，浆距可控有利于在意外情况发生时，减少风能捕获，实现机组停机。

4.3 风电场的常规化

这里的常规化指的是消除风电发电的不确定性，使其与传统发电形式、常规电厂的运作模式相一致，提高风力发电的可控性和利用效率，满足电网运行需求。

4.4 风电场实现由陆地向海洋转移

相较于陆地，海上风力资源更加丰富，同时，海上风电场的建立可以有效降低风电场对土地资源的占用。随着VSC-HVDC技术及其构成的多端直流输电技术的成熟，海上风电场已经成为今后风力发电的重要方向。

5 结束语

我国正处于经济体制改革的关键时期。能源短缺问题是滞缓我国改革事业顺畅推进的重要瓶颈。加快实施风力发电，对于推动我国国民经济建设发展，节约资源，保护环境都有着十分重要的积极作用。风电企业要加快风电技术研发，特别是风电并网技术难题的攻关，扫清风电发展障碍，为我国能源产业的健康发展作出保障。

参考文献

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