风力发电技术现状及发展趋势
风力发电技术现状及发展趋势 (20 5 No. )
现状与展望
风力发电技术现状及发展趋势
宋恒东,董学育
(南京工程学院 电力仿真与控制工程中心,江苏 南京 211167)
摘 要:介绍了现阶段的三大主流风力机型的应用及其特点,分析了大规模风电场并网对电网安全稳定运行带来的问题:一是改变电网潮流分布,二是对电网调度的影响,三是对配电网电能质量影响。基于当前的风电产业现状给出了风电功率预测、风电场中的电力电子设备及控制技术、低电压穿越等几个研究热点,并展望了未来风电发展前景。
关键词:风力发电;风电场;低电压穿越;风力发电趋势
中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:1007-3175(2015)01-0001-04
Discussion on Present Situations and Development Trends of
Wind Power Generation Technology
SONG Heng-dong, DONG Xue-yu
(Electric Power Simulation and Control Engineering Center, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 2 67, China)
Abstract: Introduction was made to the application and characteristics of the three mainstream wind models at the present stage. This paper analyzed the influences of safe and stable operation caused by large-scale wind farms power grid, including changing the power grid tidal current distribution, having impacts on the power grid dispatching and the quality of distribution network. In view of the pres-ent status of wind power industry, this paper proposed wind power prediction, power electronics device and control technology in wind farm, low voltage ride through etc research hotspot issues and prospected the trend of wind power development. Key words: wind power generation; wind farms; low voltage ride through; trend of wind power
0 引言
随着能源日益枯竭,环境不断恶化,风能作为一种高效清洁无污染的新能源逐渐引起人们的重视,已成为致力于可再生能源利用国家面对能源危机的共同选择,经过近年的飞速发展,已成为我国三大能源之一,风力发电技术也随之得到迅猛发展。我国幅员辽阔,陆疆总长2万多公里,海岸线1.8万多公里,是一个风力资源丰富的国家[1-2]。近年来,我国的风电产业发展迅速,截至2013年底我国风电新增装机容量16088.7MW,同比增长24.1%;累计装机容量91412.89MW,同比增长21.4%,新增装机和累计装机两项数据均居世界前列。
大规模风电场并网将会对原有电网的功率传输方向、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产生不利影响[3],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将会对解决上述问题产生积极作用。基于风能随机性和波动性的特点,加之风电装机容量占电网总容量比例较大时会对电网安全运行产生不利影响,合理协调分配风电场与原有电源之间的出力关系,减小风电场并网对输电网的冲击,使其能向常规电源发展将是构建统一坚强智能电网和分布式电源发电的重要组成部分。本文详细综述了现阶段风电技术发展所面临的难点和研究的热点,并展望了风力发电技术的发展前景及风力发电趋势。
1 主流风力发电机系统
当前风电系统中主要有三大风力发电机型,恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步和直驱永磁
作者简介:宋恒东(1989- ),男,硕士研究生,研究方向为风力发电技术; 董学育(1964- ),男,教授,博士,研究方向为发电厂过程控制系统仿真、电站热力系统故障监测与诊断及新能源发电技术。
(20 5 No. )同步发电机。变速恒频系统因桨距角可调,能在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比、最大功率点运行等优良特性已成为当今的主流机型。尤其直驱永磁同步发电机加上全功率变流器拥有更加广阔的发展前景。
1.1 恒速恒频风力发电系统
典型恒速恒频风电系统如图1所示,主要有风力机、齿轮箱、异步发电机及并联电容组成。采用定桨距失速控制的风轮机使异步发电机输出恒定频率的电压,因异步发电机发出有功的同时还需从电网中吸收无功功率,故采用并联电容器组提高电网的功率因数。由于风速随机性和间歇性的特点,恒速恒频系统的风能利用系数较低且输出功率易波动,现已逐渐被变速恒频发电系统所取代。
异步发电机
电网
齿轮箱
C1
C2
C3
软起动装置
风力机
并联电容器
图1 恒速恒频风力发电机系统
1.2 变速恒频双馈异步发电系统
双馈异步发电机为当今世界的主流机型,约占总装机容量的80%。与恒速恒频系统不同的是:风力机使用变桨距角控制,不仅可以实现风能的最大利用,且在机组紧急停机时,可将风力机调为顺桨状态,减少风能的捕获,延长机组使用寿命。如图2所示,其定子侧直接与电网相连,转子经过背靠背的双PWM变换器结构实现交流励磁,使定子侧输出恒定频率的交流电,电功率可通过定转子双向通道与电网交换。
异步发电机
电网
齿轮箱
风力机
AC/DC
DC/AC
图2 变速恒频双馈异步发电机系统
1.3 变速恒频直驱永磁同步发电系统
风力机直接与永磁同步机相连,减少了因齿轮箱故障所带来的诸多不便。如图3所示,同步机发出的交流电通过全功率变流器AC-DC-AC实现并网,即机侧变流器将同步机发出的交流电整流为电压恒定2
风力发电技术现状及发展趋势
的直流电,再经网侧变换器逆变成交流电馈入电网。因电机本身是永磁体不需要电网提供励磁电流,因而节省了励磁及电刷滑环等损耗。但永磁机的极对数较多,导致发电机体积庞大,增加了制造成本和难度。
同步发电机
AC/DC
DC/AC
电网
风力机
图3 变速恒频直驱永磁同步发电机系统
2 风电场接入电网对电力系统的影响
风电场通常处于电网的边缘,是电网最薄弱的环节。随着风电技术发展,大规模风电场的并入,将改变原有电力系统潮流方向和继电保护配置。进一步深入研究并网风电场对电力系统的影响,具有重要意义。
2.1 风电场并网后改变功率流动的模式
传统电网是电源发出电能经输电线路送至配电网,再由配电网分配到各个负荷,电能是单向传输的。而风电场通常建立在电网的末梢,远离负荷区的风电场并网后,此时的配电网就变成了功率双向流动的电力传输系统,改变了潮流的流动方式,对继电保护的整定产生不利影响[4]。应按双电源或多电源网络考虑保护装置和配置,整定值应躲过风电并网所产生的冲击电流。2.2 对电网调度的影响
风能的不可控性使其很难像传统能源一样具有良好的可调性和预测性,风电接入电网后,使得系统的备用容量增大。因常规火电机组的投运需要长
达几小时,若系统的备用容量不足,则会限制风电场的接入。风电并网常常会出现“削谷填峰”的现象[5],即在高峰负荷期风能很少,而在低谷负荷期风能发电量却很大。这使得电网调度工作具有一定的难度,通常采用储能技术将低谷负荷期的电能存储起来,在高峰期时馈入电网,达到“削峰填谷”的效果[6]。
2.3 影响配电网电能质量
并网后的风电场相当于在配电网上增加了电源,由于风能的随机性和波动性,风电场输出的有功功率也是随机波动,从而引起电压稳定性降低。目
风力发电技术现状及发展趋势前风电系统中多为异步电机,需要从电网中吸收大量无功功率,若无功供应不足,则会引起电网电压下降、闪变等问题。风力发电机组及其并网所使用的电力电子设备还会产生大量谐波污染。通常解决上述问题的设备有并联电容器组、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[7-9]。
3 风力发电技术几个重要研究问题
风电产业作为最有潜力规模化和商业化的新能源之一,已受到世界各国越来越多的重视。随着装机容量的不断增大,如何将风电场像常规能源那样与电力系统整合在一起则显得尤为重要,由此引发了许多研究问题。3.1 风电功率预测
风能预测是风力发电技术的一项重要分支,由于风能的随机性和波动性,加之大规模风电场并入系统后对电力系统的稳定性及电能质量产生较大影响,威胁电网运行安全。对风能进行有效的预测,有助于选择风电场址及电网调度分配备用容量。目前风能预测方法有[10-11]:基于数值天气预报(NWP)的预测,即利用数值气象参数对中长期风能预测的一种较为准确方法;时间序列方法,利用一组历史风能数据即可对短期风能进行预测;人工神经网络方法,具有自学习自适应特性,应对非线性较强的模型具有良好的预测效果。风能的预测具有重要意义,将不同的预测方法组合在一起,是未来风能预测的重要发展方向。
3.2 风电场中的电力电子设备及控制技术
现代风力发电技术是基于电力电子技术的快速发展,换句话说电力电子技术为风电事业的发展卯足了劲,如双馈异步发电机转子侧和网侧之间的双PWM变流器、直驱永磁同步发电机定子侧经交-直-交变换电路接入电网、基于电压源换流器高压直流输电(SVC-HVDC)的风电场并网技术和为满足低电压穿越所设置的电力电子装置及其控制等。因此,电力电子设备及其控制策略的研究,对于解决风力机转速控制、变流器等所产生的谐波及并网带来的各种问题具有重要意义。3.3 低电压穿越
低电压穿越(Low voltage ride through,LVRT)
(20 5 No. )
在一定范围内上可归纳为:应用电力电子技术解决电网发生故障时,保持风电场在一定时间内不脱网运行,并向电网提供一定的无功功率支持“穿越”这段低电压时间的能力。当电网电压降低时,风电机组通常处于被动式自我保护而从电网中解列,当风电在电网中所占比例不大时是可以接受的。然而,随着风电装机容量的不断增大,若电网故障时仍采取被动式解列运行,则在电网的故障上又加了一个扰动源,严重威胁电网安全运行,甚至导致系统解列。因此,各国分别出台了不同的低电压运行标准。我国规定当电网发生故障时,并网点的电压跌至额定电压的20%,风电机组应能保证不脱网运行625ms等。目前的解决方案是改进变流器的控制策略、增加Crowbar电路或储能装置[12]。但面对电网中的各种故障,多数方案并不满足低电压穿越的要求,这已成为制约大规模风电并网的瓶颈,对于低电压穿越技术的研究仍将是一个热点话题。
4 风力发电技术的发展趋势
随着世界各国经济的发展,对能源的需求量逐年增大,而风电作为最具有开发前景的新能源和再生能源之一,已成为各国持续关注的焦点。目前风电产业总体发展的趋势如下[13-16]:
(1)单机从小容量到大容量发展。为提高风能及发电设备的利用效率,减少风电场的占地面积,使风电产业的经济利益最大化,兆瓦级大容量机组已成为发展趋势。
(2)定桨距向变桨距变速发展。风能具有随机性和爆发性的特点,当风速变化时,改变风轮的桨距角使其保持在最佳叶尖速比。以期获得风能的最大利用效率。并且在电网发生故障时,通过调整叶轮桨距角减少风能捕获,以利于机组紧急停机或配合低电压穿越控制策略。
(3)双馈主导,直驱引领。由于双馈风机技术较为成熟、控制性能好、生产成本低等优点,已占据风电市场的主导地位。而与之相比的直驱电机,因减少了齿轮箱带来的故障隐患,提高了运行可靠性,与之相连的全功率变流技术具有良好的低电压穿越能力。因此,直驱风机及其衍生的半直驱风机将引领未来的风电市场。
(4)风电场向常规电厂发展。随着能源的短
(20 5 No. )风力发电技术现状及发展趋势
[3] 马祥,米渊,马晓宁.风力发电并入大同电网对电网
的影响分析[J].中国电力教育,2014(9):240-241.[4] 傅旭,李海伟,李冰寒.大规模风电场并网对电网的
影响及对策综述[J].陕西电力,2010,38(1):53-57.[5] 唐洪良,周荣亮,孙磊.海上风电并网的关键技术
与最新进展[J].机电工程,2014,31(7):928-932.[6] 刘世念,苏伟,魏增福.储能技术在风电并网
领域的市场需求分析[J].科技管理研究,2014,34(1):120-122.
[7] 白鸿斌,王瑞红.风电场并网对电网电能质量的影响
分析[J].电力系统及其自动化,2012,24(1):120- 124.
[8] 马昕霞,宋明中,李永光,等.风力发电并网技术及
若干问题的研究[J].吉林电力,2006,34(4):1-4. [9] 曲忠伟.风力发电机建模和风电并网研究现状[J].
电器工业,2013(9):65-67.[10] 赵文辉.风电场输出功率的组合预测研究[D].北
京:华北电力大学,2013.[11] 洪翠,林维明,温步瀛.风电场风速及风电功率
预测方法研究综述[J].电网与清洁能源,2011,27(1):60-66. [12] 冯晨,王平,刘辉,等.直驱风力发电机组低电压穿
越实现方案综述[J].华北电力技术,2013(9):59-64.[13] 朱劲松.柔性直流输电技术研究分析[J].电工电
气,2014(1):1-6.[14] 胡冰.并网型风力发电技术的现状及发展趋势探讨
[J].科技创业家,2014(3):137.[15] 汪旭旭,刘毅,江娜,等.风力发电技术发展综述
[J].电气开关,2013,51(3):16-19.[16] 翟斌.变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真
[D].沈阳:沈阳工业大学,2007.
收稿日期:2014-10-08
缺,新能源势必将要代替传统能源。由于风能的不确定性,如何使风电场向常规电厂那样满足电网运行的要求,及具有良好的可控可调性,还有很长的路要走。
(5)陆上发电向海上风力发电发展。随着风电机组单机容量逐渐增大,庞大的体积难以运输和风电场选址困难限制了其在陆地上的发展。海上风能资源极其丰富,风速高、对噪音要求低、大容量机组易于运输等特点,加之VSC-HVDC技术及其构成的多端直流输电技术为海上风电传输扫除了技术障碍,使其成为未来风电的一个重要发展方向。
5 结语
风力发电是可再生能源中发展最快最具规模化的绿色能源,对解决我国能源短缺、环境保护、可持续发展等问题都具有十分重要的意义。本文详细分析了大规模风电场并网对输电网安全稳定运行的影响及其应对措施,探讨了未来风电技术产业向直驱式、大机组、常规能源及近海发展趋势,并指出新一代的柔性直流输电技术将成为解决大型风电基地功率外送瓶颈的最佳方案,值得更加深入的研究。
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.
本刊加入“万方数据—数字化期刊群”的声明
为了实现期刊编辑、出版工作的网络化,本刊现已入网“万方数据—数字化期刊群”、中国核心期刊(遴选)数据库。被本刊录用的文章,将由编辑部统一纳入“万方数据—数字化期刊群”,进入因特网提供信息服务。如作者不同意文章被收录,请在来稿时向本刊声明,本刊将作适当处理。本刊所付稿酬包含刊物内容上网服务报酬,不再另付。
“万方数据—数字化期刊群”是国家“九五”重点科技攻关项目。本刊全文内容按照统一格式制作,读者可上网查询浏览本刊内容,并征订本刊。
《电工电气》编辑部
2015年1月
风力发电技术现状及发展趋势
作者:
作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
宋恒东, 董学育, SONG Heng-dong, DONG Xue-yu
南京工程学院 电力仿真与控制工程中心,江苏 南京,211167电工电气
Electrotechnics Electric (Jiangsu Electrical Apparatus)2015(1)
引用本文格式:宋恒东.董学育.SONG Heng-dong.DONG Xue-yu 风力发电技术现状及发展趋势[期刊论文]-电工电气 2015(1)