解析國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

2017-11-20 09:54:15 來源:千尋生活　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

20 世紀(jì)80——90年代，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并且逐漸成熟。風(fēng)力發(fā)電憑借它自身的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)延伸到了電網(wǎng)難以達(dá)到的地方，給他們帶來了很多方便。據(jù)全球風(fēng)能理事(GWEC)發(fā)布的全球風(fēng)電市場(chǎng)裝機(jī)數(shù)據(jù)顯示，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè) 2011年新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)四萬一千兆瓦。這一新增容量使全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到二十三萬八千兆瓦。這一數(shù)據(jù)表明全球累計(jì)裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了兩成多的年增長(zhǎng)，新增裝機(jī)增長(zhǎng)達(dá)到6%。到目前為止，全球七十多個(gè)國(guó)家有商業(yè)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電裝機(jī)，其中22個(gè)國(guó)家的裝機(jī)容量超過 1GW。據(jù)估計(jì)到 2030 年，歐洲風(fēng)電裝機(jī)可達(dá)三百億瓦，可滿足歐洲百分之二十的電力需求。

國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)風(fēng)力資源儲(chǔ)量豐富，分布廣泛。陸上可開發(fā)的儲(chǔ)量為2.53億kW，海上可開發(fā)的儲(chǔ)量為7.5億kW。大規(guī)模、高集中開發(fā)，遠(yuǎn)距離和高電壓輸送是我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的重要特征。近年來，我國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅猛，2006-2010 年風(fēng)電總裝機(jī)容量從260萬kW增長(zhǎng)到4182.7萬kW，2010年新增風(fēng)電裝機(jī)1600萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量和新增裝機(jī)容量均居世界第一。預(yù)計(jì)2020年我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可以達(dá)到2.3億kW。這意味著未來十年中，風(fēng)電總裝機(jī)容量平均每年需新增1800萬kW。預(yù)計(jì)每年需新增機(jī)組及其配套變流器約9000臺(tái)。

風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式有三種:獨(dú)立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)控制器、風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變頻器和變壓器等組成。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、變速傳動(dòng)裝置及相應(yīng)的控制器等，用來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與電能的能量轉(zhuǎn)換。風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵問題是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率和速度控制。

風(fēng)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置是風(fēng)力機(jī)，它由風(fēng)輪、迎風(fēng)裝置和塔架等組成。按結(jié)構(gòu)不同，風(fēng)力機(jī)可分為水平軸式和立軸式兩種;按功率調(diào)節(jié)方式不同，風(fēng)力機(jī)可分為定槳距失速、變槳距和主動(dòng)失速 3 種。

風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)在并入電網(wǎng)時(shí)必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)電機(jī)可分為恒速和變速兩類，其中變速需要通過變頻器來實(shí)現(xiàn)。變頻器采用電力電子變流技術(shù)和控制技術(shù)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同、能與電網(wǎng)柔性連接的交流電，并且能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型三種;按照變頻器容量的不同可將變頻器分為部分容量和全部容量(全額)兩種。變速傳動(dòng)裝置可將風(fēng)輪的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的較高轉(zhuǎn)速，按傳動(dòng)鏈類型將其分為齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩種，其中前者包括單級(jí)和多級(jí)兩種齒輪箱驅(qū)動(dòng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其風(fēng)電系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)恒速或變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有許多種方案，所選發(fā)電機(jī)的類型主要取決于風(fēng)電系統(tǒng)的形式。傳統(tǒng)的恒速/變速風(fēng)電系統(tǒng)共有四種:基于SCIG 的恒速風(fēng)電系統(tǒng)、基于WRIG 的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)、基于ESC-SCIG 的變速風(fēng)電系統(tǒng)和基于MMG的變速風(fēng)電系統(tǒng)。

現(xiàn)代風(fēng)電系統(tǒng)一般采用變速恒頻技術(shù)，這種技術(shù)通過變流裝置或改造發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)共有六種:基于SCIG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于DFIG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于直驅(qū)式EESG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于直驅(qū)式PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于半直驅(qū)PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)和基于PMBDCG的風(fēng)電系統(tǒng)。

近年來，一些具有商業(yè)化潛力的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。新型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)主要有以下八種:基于 SRG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于BDFIG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于CPG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于HVG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于DWIG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于TFPMG的風(fēng)電系統(tǒng)、基于DSPMG的風(fēng)電系統(tǒng)和基于EVT的風(fēng)電系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)

并網(wǎng)技術(shù)的研究和最大風(fēng)能的捕獲

并網(wǎng)技術(shù)是通過對(duì)全功率電力變換器的控制算法來實(shí)現(xiàn)控制目的。并網(wǎng)控制方面，部分文獻(xiàn)提出了直流側(cè)并網(wǎng)的新方法。在直流電容與DC/AC之間安裝并網(wǎng)開關(guān)。并網(wǎng)前并網(wǎng)開關(guān)斷開，DC/AC通過限流電阻對(duì)電容進(jìn)行充電，此時(shí)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速?gòu)?上升。當(dāng)電容充電達(dá)到交流電網(wǎng)線電壓幅值時(shí)閉合并網(wǎng)開關(guān)，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁咧饾u上升，并在某一轉(zhuǎn)速下并入電網(wǎng)。當(dāng)由于某種原因，發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下脫網(wǎng)需要重新并網(wǎng)，由于此時(shí)電容已經(jīng)充電且直流母線電壓高于網(wǎng)側(cè)交流線電壓幅值，因此只要將并網(wǎng)開關(guān)閉合就可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)電力電子變換器并入電網(wǎng)以后的控制目標(biāo)是風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)使系統(tǒng)以額定功率輸出。

最大風(fēng)能捕獲的目的就是通過適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，始終沿著最佳功率曲線運(yùn)行，從而使風(fēng)能轉(zhuǎn)化最大化。最大風(fēng)能追蹤可以有變槳距調(diào)節(jié)，也可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持最佳葉尖速比實(shí)現(xiàn)。出于可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的考慮，當(dāng)前使用的主要是通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率以調(diào)節(jié)其電磁功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

低電壓穿越的研究

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，由于受變流器通流能力的限制，網(wǎng)側(cè)逆變器注入電網(wǎng)功率減小。而此刻機(jī)側(cè)整流器的功率并沒有改變，造成直流側(cè)的過電壓。如果維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導(dǎo)致電力電子器件的損壞，為了保護(hù)變流器不被損壞，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將在電壓跌落時(shí)退出運(yùn)行。電網(wǎng)穿透率小時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電壓跌落時(shí)退出運(yùn)行還是可以接受的。

然而，隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，若風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落時(shí)仍然采取被動(dòng)保護(hù)式脫網(wǎng)，則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至使故障更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其他機(jī)組全部解列。目前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的一些國(guó)家，如丹麥、德國(guó)等已相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則, 定量給出了風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時(shí)間)，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時(shí),發(fā)電機(jī)應(yīng)提供無功功率。這就要求風(fēng)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力，能方便地為電網(wǎng)提供無功支持。因此必須研究低電壓穿越的措施，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。

結(jié)論

風(fēng)電作為我國(guó)今后大力重點(diǎn)發(fā)展的3類新能源之一，在今后將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，風(fēng)力發(fā)電在擺脫對(duì)化石能源的過度依賴、緩解中國(guó)能源緊缺、改善生態(tài)環(huán)境和擴(kuò)大社會(huì)效益等方面將做出較大的貢獻(xiàn)。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r，如傳統(tǒng)的恒速/變速風(fēng)電系統(tǒng)、現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)和新型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷變革以及機(jī)組制造工藝的持續(xù)改進(jìn)，將來風(fēng)力發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力必定逐漸提升，其發(fā)展前景廣闊。

原標(biāo)題:趨勢(shì)丨國(guó)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

責(zé)任編輯：lixin

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