典型风力发电系统技术研究

赵岩++张彦辉

摘 要：风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，当前风力发电技术日新月异，单机容量不断提高，国内、国际总装机容量不断攀升。风力资源应用的最大困难就是其强度、方向的不稳定性，并且风力资源丰富地区一般远离用电稠密地区，因此，如何提高风电机组抗冲击能力、消除谐波污染、电源波动以及闪变，如何解决风能远距离输带来的一些列问题，就成为风力发电系统应用的重要研究课题。该文对风力资源特点及分布、风电发展趋势、国内外风电发展近况以及典型风力发电系统进行了综合论述及对比。

关键词：风力 发电技术 发展趋势

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0087-01

1 国内外风力发电发展现状和趋势

自20世纪70年代起，世界主要发达国家为解决对石油天然气以及其他化石能源的过度依赖，开始对以风能、光伏等可再生能源的开发利用研究。到20世纪90年代，在世界范围内已经形成以欧盟、北美和亚洲为代表的多极发展趋势；通过规模化、产业化以及标准化的形成，以及电压型换流器（VSC）和绝缘栅极双极晶体管（IGBT）等电力电子设备技术的成熟，风力发电设备成本、系统运维成本不断下降，为风力发电广泛推广提供了技术保障。

根据世界能源署《2013年世界能源展望》所描述，“到2035年，可再生能源将近占全球发电能力增长的一半，其中间歇式供电占比45%。中国将是可再生能源发电绝对量增幅最大的国家，超过欧盟、美国和日本增长的总和。”而2014年9月召开的中国能源革命高峰论坛提出，“十三五”期间，全国风电装机容量将达到“十二五”目标的一倍，在2020年达到2亿千瓦以上。

2 典型风力发电端系统

在发电端，在国际上比较主流的几类典型的风力发电机系统有：定速笼型异步风力发电机系统、转子电流受控的异步风力发电机系统、双馈异步风力发电机系统、转子电流混合控制的异步风力发电机系统、变速笼型异步风力发电机系统、电励磁直驱同步风力发电机系统、永磁直驱同步风力发电机系统、混合励磁直驱同步风力发电机系统、横向磁通永磁同步风力发电机系统。

总的来说，可以根据分为恒速恒频风电系统和变速恒频风电系统，根据有无齿轮组分为传统驱动和直驱同步系统，而根据发电机类型又可以分为异步、同步发电机两种。与其他发电机组一样，风力发电机组与电网并联运行时，也频率与电网相等并保持恒定，当前在大型风力发电设备中应用较多的，是采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统，该系统相比传统异步恒速恒频发电系统相比，对风能的利用效率更高，有效可发电时间更长。随着电压型换流器和绝缘栅极双极晶体管等电力电子设备技术的成熟，电力变频技术日益成熟，双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统逐渐成为主流风力发电系统。

为解决风力发电机齿轮箱传动磨损和漏油所造成的机械故障多、机组维护工作量大、噪声污染严重、机组的可靠性和使用寿命受齿轮箱影响大等问题，风力机与发电机转子直接耦合的无齿轮箱直驱式风电机组研究开始受到人们重视，其产品市场份额迅速扩大。这种结构取消了齿轮箱传动轴，机组水平方向长度大大缩短，增加风电机组运行状态中的稳定性。这种结构由于不需励磁创造磁场，而提高了发电效率。

3 典型风力发电专用输电线路

由于风力资源丰富地区一般远离用电稠密地区，因此采用适当的风力发电专用输电线路传送电能也是重要的研究课题。现在主要采用的是传统交流输电方式，但由于风力发电存在丰枯不稳定、风力不可控等特点，交流输电线路存在很多缺点。目前主要通过以下技术进行改善：

3.1 高压直流输电

高压直流输电基于GTO、IGBT等可关断器件电力电子元件，并采用脉宽调制技术实现异步联网，充分利用直流电无感抗、可抵御容抗影响的特点，有效降低线路造价和运行费用。更重要的是由于直流输电通过可控硅换流器调整功率，调节速度快，在系统稳态下可保证稳定输出，在暂态下可实现潮流翻转。

3.2 轻型直流输电

轻型直流输电以电压源型换流器VSC为核心，通过大量采用电力电子元件以及电力电子技术进行高可控性直流输电。与高压直流输电相比，轻型直流输电技术可通过VSC可同时且独立控制有功、无功功率，受端系统可以使无源网络，潮流翻转时直流电压极性不变等突出优点。因此对于风电场的长距离功率输送来说，优势非常明显。

3.3 柔性交流输电

柔性交流输电技术通过综合应用电力电子技术与微处理、微电子、通信技术和现代控制技术，通过对电压、相位角、阻抗、功率、潮流的连续快速调节控制而形成的快速控制交流输电技术，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。

4 典型风力发电系统滤波与补偿系统

风力资源应用的最大困难就是其强度、方向的不稳定性，而风电机组由于处于供电网络的末端，其本身的运行特征会直接影响电能质量。如何提高风电机组抗冲击能力、消除谐波污染、电源波动以及闪变，就成为风力发电系统应用的重要研究课题。通过使用滤波与补偿系统，可有效解决以上问题，目前主要应用以下技术：

4.1 静止无功补偿器

静止无功补偿器在电压变化时能够快速、平滑地动态补偿无功功率，还能进行分享补偿，因此对三相不平衡符合及冲击负荷有较强的适应性，通过加装滤波器，还可抑制晶闸管设备对电抗器投切过程中产生的高次谐波。对于需要快速跟踪负荷变化，动态进行无功补偿的风力发电厂而言，SVC的应用可以有效稳定由于风速引起的电压波动，提高电能质量。

4.2 有源电力滤波器

相对于只能被动吸收固定频率、固定大小谐波的无源LC滤波器，有源电力滤波器APF通过DSP计算提取谐波成分，然后有针对的通过逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流与之进行抵消，从而消除谐波达到滤波目的。随着风力发电系统中变频设备的大量应用，APF将体现出更大优势。

参考文献

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