曹羽龙
中国水电顾问集团风电张北有限公司 河北张家口076450
摘要：风能是最具商业化发展前景的可再生能源，已经得到了广泛开发和应用。本文分析了大规模风电场并网对电网的影响，并结合风电产业发展现状提出了风电功率预测、电子电力设备和控制技术等研究热点，展望了未来风电技术的发展前景。
关键词：风力发电；技术现状；发展趋势
引言：在全球能源过度消耗的生态环境下，对新能源的研究和利用已成为世界热门的话题，风力发电是新能源发电技术中最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，目前各国都在加大对风力发电及其相关的技术研究。全球风电行业年度市场增长率达40%，已有一百多个国家涉足到风电行业，该行业已经成为世界能源市场的重要组成部分。我国近几年风电产业发展势头强劲，风电新增装机的容量稳居全球前茅，因此，对风力发电的技术现状和发展趋势进行研究具有重要意义。
1.主流风力发电机系统
1.1恒速恒频风力发电系统
典型恒速恒频风电系统主要有风力机、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。
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。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。
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。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。
2.风电场接入电网对电力系统的影响
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。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，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。
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。
3.风力发电技术重点研究问题探讨
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：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。
4.风力发电技术的发展趋势
我国风电行业已经步入了快速发展的时期，风力发电技术逐渐更具规模化和有效化，现已采用新的叶片技术、新型发力风电机、新型电力电子技术等智能优化风力发电系统，提高了可靠性和恶劣环境下的安全性。（1）对于巨型机而言，采用延长叶片会使运输和安装成本增加，因此分段式叶片技术应运而生，很好的解决了运输和安装问题，同时采用强化碳纤维增强叶片刚度，玻璃钢和热塑等混合纱丝制造叶片，缩短了叶片的生产时间。（2）采用无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机和高压发电机也降低了成本，提高了可靠性，便于设备维修及养护，新型风力发电机的研制仍然是当前的重要任务。（3）新型大功率变化器的研究和应用势在必行，多电平变化器相对两电平变换器显著的降低了功率器件的开关损耗，大幅度的提高了转换效率，同时，新型储能技术也日益受到了人们的关注，起到了维持电网频率稳定的作用。（4）随着风电规模的扩大，对电网的影响逐渐加深，为了不影响电力系统的稳定性，就要求风电发电机组不脱网运行，在故障切除后尽快帮助电力系统恢复运行，即低压穿越，很多国家都在致力于研究此项，我国已自主研制出直驱永磁机组成功通过了低压穿越测试，后续还需继续完善。（5）国外对风电机组和风电场的短期及长期发电预测做了很多研究，取得了重大进步，我国应借鉴欧洲国家风能功率预测在推动风电大规模利用方面的成功经验，大力开展有关研究，提高预测技术水平。
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。
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