風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展所面臨的問(wèn)題

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風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不同的變流器及其發(fā)電機(jī)等均可能在系統(tǒng)中應(yīng)用，近期的研究分析表明大約66％石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)通過(guò)電力電子功率器件并網(wǎng)，而且此種趨勢(shì)還在逐漸增大。而大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)電所面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)源于電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的要求，這一要求主要取決于三個(gè)方面：電力系統(tǒng)的配置、風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的變化。風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量對(duì)電力系統(tǒng)的影響通常用風(fēng)力發(fā)電的“穿透率(Penetration)”來(lái)描述，風(fēng)力發(fā)電的穿透率是指風(fēng)力發(fā)電量與電力消耗量的百分比。風(fēng)力發(fā)電量占總電力消耗量的比重小于5％的情況，通常認(rèn)為是低穿透率，而高于1 0％的情況通常被認(rèn)為是高穿透率。
這些挑戰(zhàn)與問(wèn)題的關(guān)鍵是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的交互影響，其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要取決于風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率、電網(wǎng)的容量以及電力系統(tǒng)中電能的混合狀況。首先，由于風(fēng)電場(chǎng)選址布局的特殊性，大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)距電網(wǎng)主系統(tǒng)和負(fù)荷中心很遠(yuǎn)，風(fēng)電場(chǎng)多與弱電網(wǎng)相連接，且其電能來(lái)源較為單一，風(fēng)力發(fā)電均具有較高的穿透率。這樣一來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)提供發(fā)電量的同時(shí)，還極大地影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的變化，即風(fēng)力發(fā)電的時(shí)變性是由風(fēng)能的變化所引起的，風(fēng)能每秒、每分、每天、每月和每年都在變化著，這些變化都會(huì)直接影響到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的變化。再次，風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩、功率中本身就存在能量的波動(dòng)，其對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量勢(shì)必會(huì)有影響。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響可以分為短期影響和長(zhǎng)期影響、局部影響和整個(gè)系統(tǒng)的影響。其中短期影響包括：電壓控制、常規(guī)電廠(熱電廠、水電廠等)的發(fā)電效率、輸配電的效率、電能2質(zhì)量等，長(zhǎng)期影響主要指電力系統(tǒng)的可靠性。
在以上各種影響中，除電壓控制為局部影響外，其它皆為系統(tǒng)影響。因此，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的接入給電網(wǎng)的可靠性運(yùn)行帶來(lái)了極大地挑戰(zhàn)。(2)石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性要求風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模接入對(duì)弱電網(wǎng)的電能質(zhì)量有很大影響，同時(shí)電網(wǎng)電壓的閃變、不平衡等故障對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行也造成了極大地影響。風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越能力成為了風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn)之一，石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)特別是雙饋型石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)，對(duì)電網(wǎng)電壓變化的適應(yīng)能力，特別是電網(wǎng)故障情況下的適應(yīng)能力，目前一直是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域廣為關(guān)注的研究課題。對(duì)于傳統(tǒng)的基于籠型異步電機(jī)的石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較大時(shí)將脫離電網(wǎng)，不具有低電壓穿越(LvlH)特性，不適合現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的要求19 J。對(duì)雙饋型石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)而言，由于雙饋電機(jī)定子與電網(wǎng)之間直接耦合，電網(wǎng)電壓的任何波動(dòng)都會(huì)在電機(jī)內(nèi)部引起較大的電磁過(guò)渡過(guò)程，這一振蕩過(guò)程甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子變流器的損壞。
目前由于雙饋型石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)在1．5MW以上級(jí)別的大功率石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)中居于主導(dǎo)地位，再加上現(xiàn)在大功率風(fēng)電場(chǎng)包括近海風(fēng)電場(chǎng)多采用雙饋型石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)這一機(jī)型，因而關(guān)于雙饋電機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓適應(yīng)性的研究倍受關(guān)注，目前關(guān)于雙饋型石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)的LVRT特性，美國(guó)GE風(fēng)能公司走在了前列。對(duì)于基于全功率變流器的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，由于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間完全解耦，因此電網(wǎng)電壓的波動(dòng)對(duì)石家莊風(fēng)機(jī)廠的風(fēng)機(jī)的影響較小，其LvI盯特性主要取決于全功率變流器的控制。同樣，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)適應(yīng)性提出了更高的要求。這樣一來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，需要大量的實(shí)驗(yàn)研究，而如此大規(guī)模的風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)閷?shí)際風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)投資大，周期長(zhǎng)且對(duì)自然環(huán)境的依賴性高，很不利于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。因此有必要建立風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的前期研究，以加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，這是本文的集中關(guān)注點(diǎn)。