风电并网技术的发展现状

风力发电越来越受到人们的重视.近年来,世界上发展最快的可再生能源当属风力发电,装机容量每年增长超过30%.风电发展最快的德国,据统计,2004年风电约占发电总量的5.3%.我国风能资源丰富,理论可开发总量将近2.53×108 kW,与世界先进水平相比,我国风电发展有很大差距,但近年来我国风电也得到了较快的发展.截止到2005年底,我国除台湾省外累计风电机组1859台,装机容量126×104 kW[1] ,占全国电力装机容量5×108 kW的0.25%.

1 世界风电的发展概况

美国2002年风能装机新增10%,410 MW新设备投入使用.2003年,美国新增风电装机容量1687 MW,与美国风电装机历史最好水平2001年(1696 MW)持平,累计风电装机容量已超过6370 MW.美国风电装机容量在过去的5年中平均增长率达到28%,两位数的平均增长既体现了较强的市场需求,同时也面临许多挑战 [2] .

丹麦是最早利用风力发电的国家.2002年丹麦新增装机容量497 MW,总容量达2880 MW,可满足20%的国家电力需求.成为世界上使用风电比例最高的国家.丹麦风电产业是国民经济的主导产业之一,世界上大约一半的风力发电机源自丹麦.全球十大风机制造商中,丹麦占6家.

德国是世界上风力发电规模最大的国家,风电装机总量占世界的55%,达12001 MW,可满足4.5%的国家电力需求.德国的风机制造能力强、水平高,德国安装的大部分风电机组是本国制造的.

在亚洲,最具发展潜力的是印度、日本和中国.印度的风电装机容量增加较多,2002年新增装机容量195 MW.截止到2003年3月底,日本的风电装机容量已达460 MW,占世界的1%左右[3] .

根据美国风能协会(AWEA)、欧洲风能协会(EWEA)和印度风机制造商协会(IWTMA)的统计,截止至2003年底,世界风电总装机容量达39294 MW[4] .各国风电装机容量详见图1.

2 我国风电发展的状况 
 

我国是世界上利用风能最早的国家之一,可以开发利用的风能资源仅次于前苏联和美国,为世界第三位[5].我国风电场的建设起步于1986年,在山东容城建成我国第一个并网型风电场.十多年来,我国风力发电得到了很大发展,政府对风力发电日益重视,风力发电场装机容量不断增加.2005年我国除台湾省外新增风电机组588台,装机容量498 MW,新增18个风电场.与2004年当年新增装机198 MW相比,2005年当年新增装机增长率为252%.截至2005年底,我国除台湾省外累计风电机组1859台,装机容量1260MW,共有个59个风电场,分布在15个省(市、区、特别行政区).除台湾省外各省(市、区)风电装机容量见图2.与2004年累计装机764 MW相比,2005年累计装机增长率为65.2%.但相对来说,目前国外已发展MW级风机,我国制造的风机最大容量仅600 kW.我国制订的发展规划中提出风电装机容量到2015年达到7 GW,到2020年达到20 GW的风电发展目标 [6] .我国历年风电装机容量详见图3
 
3 风力发电技术的发展

经过20多年的不断发展,世界风力发电技术又向前迈进,主要体现在以下方面.

3.1 单机容量继续稳步上升

20世纪80年代单机功率55 kW左右为主; 90年代初期以100~300 kW为主;90年代中期则以450~600 kW为主.以德国为例:2003年上半年所安装的536台风机的总功率为853.38 MW,平均每台的额定功率为1558.54 kW.而且,单机容量为5 MW的风机已进入商业运行阶段.

3.2 变浆调节方式迅速取代失速功率调节方式

失速调节方式的主要缺陷是:风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制,额定风速较高,在风速超过额定值时发电功率有所下降.采用变浆调节方式充分克服以上缺陷,故得到了迅速的应用.在德国2003年上半年所安装的风机中,就有91.2%的风机采用的是变浆调节式.

3.3 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式

变速恒频方式通过控制发电机的转速,能使风力机的叶尖速比(rip eed ratio)接近最佳值,从而最大限度的利用风能,提高风力机的运行效率.在德国2003年上半年所安装的风机中,有90.5%的风机采用了变速恒频方式.

3.4 运行可靠性提高

风电机组现在的年利用率从20世纪80年代的50%左右提高到95%以上.风力发电已是一种相当可靠的发电方式.在风力发电机组中采用了计算机技术以及检测和自动控制技术,使风机的运行和控制实现了自动化.控制系统通过若干传感器及时收集风向、风速、风力等信息,经计算机处理、调整,使风机能够适应风力的变化,在最佳状态下运行.

我国从20世纪70年代开始研制大型的并网型风电机组,到1997年才走向了市场.目前我国已基本掌握了200~600 kW大型风电机组的制造技术,这几年有了较快发展,装机市场份额从1997年的0.71%增长到2002年的42.6%.

4 风力发电中存在的问题及解决途径

我国风能储量丰富,有专家称,我国内蒙古地区的风电可开采量就有3个三峡的水电容量,但我国风电开发水平十分落后.到2002年底,我国共有32处风电场,总容量约468 MW,相当于美国20年前的装机容量,小于德国2002年底累计装机容量的4%,即使与风能资源和全部电力装机容量都远低于我国的印度相比,我国的风电建设也远远落后,2002年印度的累计风电装机容量相当于中国的3倍多,约有1500 MW [7] .

制约我国风电发展突出的主要问题.

4.1 政策问题

世界各国的可再生能源发电的发展都离不开强有力的激励政策,包括税收、信贷、补贴和价格等方面.中国目前没有一部专门针对可再生能源发电的法律,现有的一些激励政策尚不完善.

4.2 技术问题

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性,使风电机组的输出功率是波动的[9],可能影响电网的电能质量,如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等.电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一.

风力发电引起的电压波动和闪变采用静止无功补偿器和感性储能装置来减小,但由于风资源的不确定性、风电机组单机容量不断增加,风力发电引起的电压波动和闪变还有待进一步研究.

目前并网风电场的容量还比较小,在电力系统保护配置和整定计算时往往没有考虑风电场的影响,而是简单地将风电场认为是一个负荷,不考虑其提供短路电流.然而,当大规模的风电场接入系统后,在电网发生故障时风力发电机组将向短路点提供一定的短路电流.在此情况下如果系统保护配置和整定仍不考虑风电场的影响是不合理的,实际运行时可能导致保护的误动.

风电场对系统继电保护将产生一定的影响,在进行系统继电保护的配置和整定时,应该计及风电场提供的短路电流,具体应按照如下原则来考虑:

如果保护动作很快(小于5个周波),则必须考虑风电短路电流对保护的影响.保护的配置和整定必须按双电源来考虑,必要时还需加装方向保护.

当保护动作时间大于5个周波,可以不考虑风电短路电流对电流保护的影响.因为风电短路电流衰减很快,保护从时间上已经躲过.

风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电厂的运行相比有明显的差距,缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录和分析.现在,我国政府及与风电有关的研究、开发、运行和生产部门已认识到这些问题,并采取了很多措施,不久的将来将会迎来我国风电发展的一个新的飞跃.

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