浅谈风力发电的现状及发展趋势

摘 要：如今人们的环保意识不断加强，环境保护的理念已经深入人心。风力发电作为新型的清洁能源，已经成为国家关注和发展的重点，发展极为迅速，国家以及众多企业投入大量资金进行风力发电相关技术的研究，大量的风电场也在投入建设。该文对近年来风力发电的现状进行了介绍，对风电运行存在的问题进行了分析，并对风电未来发展的趋势进行了展望。

关键词：风力发电 现状 发展趋势

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0014-02

近年来能源供应日益紧张，环境污染问题日益突出，因此国家对新能源的重视程度与日俱增，风能作为一种清洁高效的能源已经成为利用的重点。我国有绵长的海岸线，大片的草原戈壁，风力资源十分丰富。随着我国对风力发电投入力度的不断加大，风力发电近年来发展十分迅速，已经成为一种重要的能源供应，风电技术也得到了迅速发展[1]。截至2013年底，我国风力发电新增装机容量达到1.6万MW，累计装机容量达到9.1万MW，新增装机容量和累计装机容量都达到世界前列。

由于风力资源季节性波动性的影响，大容量的风电场的并网会对电网的电能质量、系统稳定性、谐波情况、线路损耗以及继电保护造成影响。进行风电功率的合理预测，提高风电穿透功率，研究动态无功补偿等技术对风电存在的问题进行有效解决是风电研究的重点。由于风力发电所占电网装机总量的比重过大会影响系统运行的可靠性，合理分配风电场和传统能源的比例，降低风电场对电网的冲击，是发展风电能源的重点[2]。该文对风力发电现有技术进行了阐述，对风电技术发展面临的问题进行了研究，并对风力发电的发展趋势进行了展望。

1 常用的风力发电系统

目前风力发电系统常用的风力发电机主要有恒速恒频率异步发电机、变速恒频双馈异步发电机和直驱永磁同步发电机三种。由于变速恒频系统可以适应较宽的风速范围，已经成为风力发电的主流机型，而直驱永磁同步发电机和全功率变流器组合在未来有着广阔的发展前景。

1.1 恒速恒频发电机系统

恒速恒频发电机系统主要由风力机、变速箱、异步发电机以及并联电容器构成。风轮机应用定浆失速控制可以确保发电机输出的电能电压和频率保持恒定。由于异步发电机在输出有功功率的同时会有无功产生，因此，可以通过并联电容器提高电网的功率因数[3]。由于风能波动性和不稳定性的特点，恒速恒频发电机系统的风能利用率较低，能量输出波动性也比较大。

1.2 变速恒频双馈异步发电机系统

双馈异步发电机是如今风力发电的主流设备，占装机总量的绝大部分。变浆距角技术的应用，提高了风能的利用率，而且在机组紧急停止时，通过调整可以减少风能的收集，降低了机组的机械冲击，机组的使用寿命加长了[4]。定子侧和电网连接，转子通过双PWM变换器控制励磁，确保定子电能频率的稳定。

1.3 变速恒频直驱永磁同步l电机系统

风力发电机和永磁同步发电机直接连接，避免了减速箱对系统运行的影响。同步发电机发出的电能通过交直交变频技术形成稳定的交流电进入电网[5]。励磁采用永磁体节省了励磁的维护投入，但发电机的体积和制造成本以及难度加大了。

2 风电场并网对电网的影响

随着风电技术的迅速发展，大容量风电场的并入，电力系统的潮流方向和继电保护配置都会发生改变。风电场在并网过程中还有很多问题需要解决。

2.1 功率流动模式在风电场并网后发生改变

常规电网电能从电源发出，经由输电线路输送到负荷端，电能的传输方向是单向传输。而风电场在电网的末端，通常建立在偏远的野外，远离用户端，风电场并网后，配电网的功率流动呈双向传输，对系统的继电保护整定造成影响，应多电源网络模式配置保护设备，整定值不应在并网冲击电流范围内。

2.2 影响电网调度分配

风能的不确定性和不可控性，造成其难以进行可靠的调节和预测，风电的并入，使电力系统的备用容量增加。由于火电机组需要几个小时的时间才能可靠投入，一旦系统的备用容量不足，则会对风电场的并网造成影响。风电的并网常常会显得不太合时宜，即在用电高峰时风电供应较少，而在用电低谷时电能的产生量却很大，增加了电网的调度难度。

2.3 影响电网的供电质量

风电场的并入增加了电网的电源，但由于风能的不稳定性和随机性，风电场的输出功率是波动的，从而造成电网电压的稳定性不高。目前风电系统主要为以步发电机，需要吸收大量无功，若无功不足则会造成电网压降和闪变的问题。风力发电并网的电力电子设备也会产生谐波，对电网的供电质量造成影响。

3 风力发电中的重点技术问题

风力发电作为重要的新兴能源，受重视程度越来越高，如何提高风能的使用效率，改善风力发电的电能质量是风力发电工作研究的重点。

3.1 风力发电功率的预测

风能的不稳定性和随机性，经常造成大容量电场并网严重影响电力系统的可靠性，制约着大容量风电场的并网运行。因此对风电能量进行科学准确的预测，有助于风电场的合理选址以及电网能量的合理调度。目前常用的风能预测方法有：基于数值天气预报的风能预测，即利用气象信息对中长期风能进行预测；时间序列预测法，即利用历史风能数据对短期风能分布进行预测、人工神经网络预测，该方法的自适应性比较强，适用于非线性的模型预测。为提高预测的准确性，将多种方法结合使用是风能预测的发展方向。

3.2 风电场电力电子设备的研究

先进的电力电子技术是现代风力发电的重要技术依托，为风力发电提供重要的技术支撑。风力发电设备中存在大量电力电子设备，如双馈一步发电系统中的PWM变流器、直流永磁同步发电系统重点交直交变频设备、基于电压源的高压直流输电并网技术以及低压穿越所需的电子装置等。因此，加强电力电子设备的研究，对风力发电的发展具有重要意义。

3.3 低压穿越技术

低压穿越技术在电网发生故障时，利用电力电子技术确保风电场在一定时间范围内向电网提供一定的无功，从而保证电网不脱网运行。当电网电压降低时，风电机组通常由于自我保护而脱离电网，在风电所占电网的比例较小时，风电的脱离不会对系统造成太大影响，一旦风电机组的容量较大，电网故障时风电的解列在故障的基础上增加了电网的扰动，严重影响电网的可靠运行，甚至造成整个系统的解列。因此，我国对低电压运行标准进行了规定，即当并网电压跌至20%才额定电压时，风机组应能不脱网运行625 ms，目前由于电网的故障复杂多变，还没有十分完善的方案能够完全满足低电压穿越的要求，这已经成为风电研究的热点问题[6]。

3.4 风电场的无功补偿

电压稳定是风电并网中的重要问题，无功补偿是风电电压稳定的重要影响因素。尤其在异步风力发电机系统中，异步发电机和变压器设备产生大量的无功功率，一旦这些无功无法得到及时补偿则会对电网的可靠运行造成影响，系统无功过高会使系统电流增加，增大系统损耗的同时，也会影响设备的安全运行；电流和实在功率的增加造成电力设备容量的增加，电力设备的体积也相应增大，电网的经济运行性降低，另外电网的功率因数过低会造成电网电压的降低。风电场无功补偿的方式多种多样，目前最为常用且使用效果较好的方式是基于电力电子技术的动态无功补偿设备[7]。

4 风力发电的发展趋势

分离作为一种重要的清洁能源，已经成为全世界关注的重点，且产业发展的总体趋势为以下几点：

（1）单机容量呈大型化发展。为提高风能的利用率，降低风电场的面积，提高风电的经济效益，大容量风电机组成为未来风电发展的趋势。

（2）变浆距将成为发展主流。风能的随机性和不稳定性，要求在风度发生变化时，发电设备可以通过改变风轮的浆距角使叶尖速比保持在最佳状态。在电网发生故障需要紧急停机时，可以通过调整叶轮浆距角降低风能的转化，从而优化停机策略并且配合低电压穿越控制。

（3）变速恒频直驱永磁同步发电机系统将成为发展的主流。双馈风机具有控制性能好，且成本较低的优势，已经占领了风电市场。直驱电机的使用，提高了系统的可靠性，全功率变流技术能够很好的满足低压穿越要求。

（4）海上风电将快速发展。随着风电机组和风电规模的日趋庞大，风电设备的运输和选址受到限制，加上海上风力资源极为丰富，使得海上风电场将成为风电发展的另一重要方向[8]。

5 结语

风力发电在近年来发展极为迅速，有效解决了国家能源紧缺和环境保护的问题，对我国环境、经济的可持续发展具有重要意义，是国家重点发展的能源产业。该文介绍了大规模风电场的投入对电网安全运行的影响，对风电运行中所面临的技术问题进行了阐述，并对风电未来的发展趋势进行了展望。随着技术的不断发展，风电将逐步走向常规化，成为电力供应的重要组成。

参考文献

[1] 周双喜，鲁宗相.风力发电与电力系统[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2] 贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2012.

[3] 刘彦东.风力发电现状及对策[J].内蒙古石油化工，2011（5）：74-75.

[4] 孟明，靖言，李和明.风电多元化应用及其相关技术[J].电机与控制应用，2011，38（3）：1-6.

[5] 王大陆，郝永旺.风电发展状况及面临的问题[J].能源与节能，2011（9）：9-11.

[6] 侯慈穑张鑫，张嵩.风力发电的发展现状与关键技术研究综述[J].智能电网，2014（2）：22-27.

[7] 张明.关于风电并网的功率补偿问题探讨[J].科学之友，2011（5）：34-35.

[8] 杨峥嵘.对风力发电技术发展及趋势的认识[J].电源技术应用，2012，12（15）：69-70.