风电多元化应用及其相关技术

孟 明，靖 言，李和明

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003)

0 引言

世界经济快速发展对能源的需求大幅增长，导致常规发电不断扩大规模，同时也暴露了集中式供电的不足;与此同时，全球范围内常规能源供应持续紧张，环境污染问题日益突出，这些因素促使世界各国大力发展新能源，积极构建能源可持续发展体系和发展电力新技术［1］。在众多新能源中，风能脱颖而出，发展迅猛。截止2009年底，风电全球累计装机容量达到159.2 GW，增长幅度为24.1%，在新能源发电中位居第一。

规模利用风能的主要途径为并网风电，是现今世界风电发展的主要方向，其中以变速恒频型风电系统为主流;分布式发电及风能结合其他能源形成的联合互补发电能够灵活利用风能，满足特定用户的用电需求，弥补集中式供电的不足;风光互补供能系统与建筑一体化形成的绿色建筑创造出的低碳、环保的城市生活环境，能够有效节约常规能源和保护环境。风电的多元化应用是以减小常规能源份额、增大可再生能源份额为目标的新型能源可持续发展体系的重要组成部分，而其发展的深度和广度都依赖于风电相关技术的进步和完善。因此，研究和完善各种有效风电技术已成为各国可持续发展风能的主要推动力。

1 风电发展现状

1.1 国外风电发展现状

世界国家和地区因其风能资源状况、政府政策的不同，以及风电技术发展程度的差异，使得风电产业发展不平衡。目前，国外主要风电市场有德国、美国和丹麦，上述国家的风能相关技术发展水平位于世界领先地位。

根据德国风能研究所(DEWI)统计数据，截止2009年，德国风电累计装机容量达到26 000 MW，风电在全国电力消耗中约占7%，而2010年新装机容量将会在2009年的基础上增加20%。目前，其国内市场逐渐饱和，出口已成为德国风电事业的主要增长点，其风电设备生产总额约占全球市场的37%。

美国是风电增长速度最快的国家，2008年已成功超越德国，跃居世界首位。据美国风能协会(AWEA)统计，截止2009年，美国风电装机容量达35 159 MW，仅上半年新增装机容量达4 000 MW;并在保持现有风电增长率的基础上，实现2030年20%的电力供应来自风能。

风电在丹麦的电能需求中所占比重最高。截止2007年，风电的比重已经达到21.22%——提前10年实现欧盟确立的2020年实现20%可再生能源发电的目标。丹麦仅2008年向全球输出的风能技术相关业务总额达到57亿欧元，占整体丹麦出口额的7.2%;2009年，欧洲新增风能风电场的设备需求90%来自丹麦，预计到2025年，丹麦电力供给将有50%来自于风能。2009年12月7日，第十五届联合国气候变化大会在哥本哈根开幕，会议旨在寻求如何减少温室气体排放，避免全球气候变暖带来灾难性后果。作为主办国的丹麦正在用实际行动回应这一世界命题。在过去的25年里，丹麦的经济增长了75%，但能源消耗总量基本维持不变，这得益于丹麦对新能源的开发利用。

风能产业将保持每年20%的增速。蓬勃发展的风电事业，其发展很大程度上依赖两大因素:风电技术及风电成本。风电技术的成熟和规模效应的显现，还有各种优惠政策的扶持，使得风电成本持续下降。自20世纪90年代中期以来，风电成本达到每5年下降20%，预计到2020年，即使没有补贴，风电成本也将接近常规能源。

1.2 国内风电发展概况

我国可利用风能资源共计约10亿kW，位居世界第三。我国风电产业起步较晚，但发展迅速。截止2008年，风电累计装机容量达12 210 MW，跃居世界第四，标志着我国风电进入大规模开发阶段;截止2009年，风电累计装机容量达25 800 MW，年同比增长114%。预计到2020年风电装机容量可达1～1.5亿kW，占目前总装机容量的1/8。

煤炭在我国能源结构中的比重达70%，制造了约80%的温室气体排放。哥本哈根世界气候大会焦点问题就集中在温室气体排放的责任共担上，中国已经超过美国成为最大的CO2排放国，面对未来发展中的巨大减排压力，中国已经制定各种扶持政策和长期规划加快风能产业的发展。2005年颁布了第一部《可再生能源利用法》，该法案经修改后于2010年4月1日起实施;将“风电三峡”计划提上日程，建设六大1 000万kW级风电基地，包括甘肃酒泉、新疆哈密、内蒙古东部、内蒙古西部、河北北部及江苏沿海，其中最大一处基地的装机容量就达2 000万kW。

2 规模并网风电场及其相关技术

2.1 主要类型和并网结构

并网风电场是大规模开发利用风能的最经济有效的方式之一，一般由几十台至上千台机组构成，容量可达几兆瓦到几百兆瓦，有以下优点:

(1)风电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，建设工期短;

(2)实际占地面积小，对土地质量要求低;

(3)运行管理自动化程度高，可无人值守。

规模并网风电场多采用变速恒频型风电系统，主要有双馈感应电机(Double-Fed Induction Generation，DFIG)和永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)两种风电系统，其并网结构如图1、图2所示。

图1 变速恒频DFIG风电系统示意图

图2 变速恒频PMSG风电系统示意图

DFIG风电系统的并网结构特点是风力机经变速齿轮箱与发电机连接，其定子直接接入电网，转子经变流器与电网相连。PMSG风电系统并网结构特点为风力机与同步发电机直接连接，省略了故障率较高的齿轮箱，定子经变流器与电网相连。

2.2 并网技术

风速变化导致风电场出力的随机性会对电网造成冲击，严重时会引起电网电压的大幅下降，还可能对发电机和风电系统中的机械部件(如塔架、叶片、增速器等)造成损坏。如果并网冲击时间持续过长，还可能引起电网瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行［2］。

(1)同步风电机组并网技术。由于风能的间歇性，使同步机调速性能很难达到风电所要求的精度，并网后若不进行有效控制，常会发生无功振荡与失步等问题，在重载下尤为严重。但近年来，随着电力电子技术的发展，通过在同步发电机与电网之间采用变频装置，从技术上解决了这些问题。目前，同步风电系统并网方式主要有4种［3］，如表1所示。

表1 同步风电机组并网方式的特点比较

(2)异步风电机组并网技术。风电系统配用异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后也不会产生振荡和失步，运行非常稳定。但是，异步风力发电机直接并网会产生过大的冲击电流，造成电压大幅下降，对系统安全运行构成威胁，需要无功补偿。目前，异步风电机组并网方式主要有4种，如表2所示。

表2 异步风电机组的并网方式比较

2.3 风电机组的控制技术

风电机组控制是整个风电系统的核心，它直接影响整个系统的性能、效率及供电质量，而且也影响到风力机的运行方式、效率和结构。

(1)矢量控制(Vector Control，VC)即磁场定向控制，其核心是模拟直流机的控制思想，实现转矩和励磁的解耦控制。该方法从磁场理论出发，利用坐标变换将三相系统转换成两相系统，再根据磁场定向原理将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别设计两者的调节器同时对这两个分量的幅值和相位进行控制，从而达到控制交流电机转速的目的。

变速恒频双馈型风电场的并网调节中，根据交流电机矢量控制和磁场定向原理，采用变速恒频矢量控制技术，当风速在切入风速和额定风速之间时，控制发电机转子励磁电流及频率，追踪最佳功率曲线;在额定风速和切出风速之间时，调节风力机叶片桨距角，保持额定功率不变。采用变速恒频矢量控制技术可灵活调节系统的有功、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率［4］。

(2)直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，根据定子磁场定向，通过检测定子电压、电流，运用瞬时空间矢量理论直接在定子坐标系下计算和控制电机磁链和转矩，实现对转速控制。国外已将DTC应用于变速恒频风电系统中［5-6］，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。

VC与DTC的区别是:VC通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，DTC是把转矩直接作为被控量控制;VC需要将交流电机等效成直流电机以及进行复杂坐标变换计算，而DTC只需关心电磁转矩的大小。因此，DTC技术在很大程度上解决了VC中计算控制复杂，特性易受电机参数变化影响，实际控制性能难以达到理论分析结果等重大问题。

(3)智能控制(Intelligent Control)综合了神经网络、模糊数学、专家系统、控制论及人工智能等多门学科，是一种新型的控制技术。该技术主要用来解决那些传统方法难以解决的有以下特点［7］的复杂系统的控制问题:控制对象存在严重的不确定性;控制模型不确定或模型结构和参数变化范围大，以及控制对象具有高度的非线性等。

基于模糊逻辑和神经网络的风电机组智能控制技术，用模糊逻辑辨识电机模型参数，用模糊逻辑控制器进行转速和功率调节，用神经网络控制叶片桨距及预测风轮气动特性。另外，采用计算机分布式控制系统、嵌入智能策略，可实现并网风电机组无人值守全自动运行。

智能控制技术与传统控制技术相比，最大的优点是不需要对风电机组建立系统数学模型，即可实现控制功能，并具有对机组能量转换特性进行在线学习的能力，减少了因风电机组的空气动力模型和电力电子模型的不确定性所带来的控制偏差，保持系统高效运行。

2.4 低电压穿越

电压跌落是电网最常见的故障。对于风电比例较高的电网，若风电机组在电压跌落时采取被动保护式脱离电网，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能导致电网中其他机组全部解列。目前，在欧洲已经出现了强制性标准对风电机组作出了这方面的要求，我国国家能源局组织制定的《风电并网技术标准》初稿已完成，其中对低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力的要求是风电机组技术要求的重要组成部分之一。

(1)基于硬件保护电路的LVRT实现。DFIG风电系统中的发电机定子直接与电网相连，所以电网电压跌落故障直接反映在电机定子端电压上，导致定子出现较大故障暂态电流，转子暂态过电流及直流侧电压上升;电压跌落期间PMSG风电系统的主要问题在于输入、输出能量不匹配导致直流母线侧上升。因此，电网电压跌落时，在变速恒频型风电系统定子侧、转子侧或直流侧增加保护电路［8］，能够有效抑制暂态过程，提高变速恒频风电系统不间断运行的能力，如图3所示。

图3 带保护电路的DFIG风电系统

定子侧开关保护电路正常运行时，交流开关全部导通，电压跌落时，通过控制晶闸管的触发延迟角对暂态电流进行限制;转子侧Crowbar电路在电网电压跌落的瞬间切入，对转子过电流提供一条旁路通路，防止过电流损害变流器;直流侧Crowbar电路在当直流侧电压超出正常值时切入运行，消耗掉多余的能量，维持变流器两侧功率平衡，保护直流侧电容和功率器件。使用Crowbar作为卸荷负载的保护电路，适用于短时电网电压跌落故障，如果电压跌落持续时间较长，则需要辅助采用其他控制策略如变桨距等限制风电机组输入功率。

(2)无硬件的LVRT控制策略。网侧变流器是控制系统的重要组成部分。电网电压跌落时，网侧变流器同时受到来自网侧和负载侧两方面的扰动。文献［8］针对电网电压三相对称跌落故障，利用小信号模型分析方法提出了一种基于网侧变流器的改进型前馈控制策略。前馈信号同时包含了电网电压和负载的信息，在电网电压波动或负载扰动时，都能迅速给出电流环参考信号，通过快速调节交流侧进线电流，使得系统功率平衡得以维持，从而避免了母线电压产生大的波动，增强了系统的LVRT能力，提高了系统的动态响应速度。

基于暂态磁链补偿的控制策略［9］，该方法针对对称及不对称故障下，DFIG定子磁链中出现的定子磁链暂态直流和负序分量，由于转子电路中的漏感和电阻值均较小，因而在转子电路中产生同频率的电流，为了抵消因定子磁链中直流分量和负序分量在转子回路中感生出电流，则必须在转子端电压中加入相同频率的电压量，从而达到控制转子电流的目的;另一种改进VC策略［10］，该方法根据故障下DFIG内部电磁变量的暂态特点，适当控制励磁电压，使之产生出与定子磁链暂态直流和负序分量相反的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量，通过所建立的转子漏磁场抵消定子磁链中的暂态直流和负序分量。

3 分布式发电

分布式发电(Distributed Generation，DG)是风能应用的又一新型有效途径，系统容量一般为几千瓦到几十兆瓦，结合了包括风能在内的多种能源联合发电。与常规发电相比，DG有以下优势:

(1)利用新能源以及可再生能源在负荷处就近供电，降低化石能源的消耗和输配电成本，减缓环境污染和负荷对电网的依赖;

(2)提供多种形式的能量，典型冷、热、电三联产，实现了能量的梯级利用，大大提高了能源的总体利用效率;

(3)可并网运行也可独立运行，负荷调节灵活，与大电网配合可大大提高供电可靠性，例如能够在电网崩溃和意外灾害(地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下维持重要用户的供电［11］。

结合我国的具体国情，我国陆地的绝大部分风能可利用区主要分布在西北、东北、青藏高原及沿海地区，囊括我国最不发达的贫困地区和无电地区。通过架线输电的办法来解决用电问题十分困难，而且成本昂贵。针对这些地区交通不便、居住分散、用电量低等特点，可采用风电为基础的小型独立DG来解决这些地区的用电问题。

DG并网存在的主要问题在于使电网继电保护的设置和动作值整定的难度加大，影响电网的电能质量及配电网的静态稳定性，增加了配电网潮流的不确定性。为尽量减小分布式电源并网对电网的不利影响，专家们研究并提出了微网技术。

微网技术实现DG和负荷一起作为配电子系统运行于电网中，对电网不会产生大的影响，而且不需要修改电网的运行策略就可以非常灵活地把DG接入或撤离电网，从而大大提高了电网的可靠性。微网基本结构如图4所示。

图4 微网基本结构图

并网运行时，类似传统配电网，服从系统调度，可同时利用微网内DG发电和从大电网吸取电能，并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能。当外界大电网出现故障停电或有电力质量问题时，微网可以通过能量管理单元控制主断路器切断与外界联系，转为独立运行，此时微网内负荷全部由DG供电。故障解除后，主断路器重新合上，恢复与主电网同步运行，以保证系统平稳恢复到并网运行状态，而这两种运行模式平滑转换的关键是微网与电网之间的电力电子接口，这种接口可以使分布式电能实现即插即用，以尽量减少分布式电源对电网的不利影响［12］。

4 风光互补供能系统与建筑一体化

我国建筑耗能已超过全国耗能总量的1/4，仅建筑采暖能耗就约为发达国家的3倍［13］。因此，在风力和太阳能资源丰富的地区，在建筑中适当引入风光互补供电系统，环保又节能的同时可实现低碳生活理念。

风光互补供电系统与建筑一体化［14］的设计理念主要是指利用风光互补供电系统为建筑提供电力，同时该供电系统可以融入建筑，即通过在建筑围护结构上(墙体、屋顶)铺设光伏阵列，在建筑绿地(小公园、景点)安置风能发电设备。这种一体化设计不仅能够减少常规电能输送过程的能耗，节约费用，而且以不破坏环境的方式生产出建筑所需的大部分电能，实现了城市生活环保节能的目标。

完整的风电－光伏互补供电系统由风能发电机、太阳能光伏电池组、充电控制器、蓄电池组、逆变电源、交流配电系统和用电负载等部件组成［15］，如图5所示。其基本原理是在充电控制器控制下，光伏电池组、风力发电机单独或同时向蓄电池组充电，再经逆变电源进行直流－交流转换，最后通过交流配电系统输送到用户。

图5 风力－光伏互补供电系统示意图

2010世博会新能源为一大亮点，其中印度场馆的建筑设计采用小型风车与屋顶上的太阳能电池充分利用永久性的可再生能源，实现了安全排放无污染，充分体现节能、高效概念。另外，风光互补路灯系统、风光互补高速公路监控系统，以及风光互补通信机站电源系统等正在推广应用中。

目前，除在技术上已较成熟的风光互补供能系统，风电－水电互补系统和风电－燃气轮机发电互补系统等正在发展完善中。中国工程院杨裕生院士提出风电多元化应用的又一种重要的技术途径，即将风电直接供电与大规模蓄电相结合。总之，风能与其他能源形成的多能互补功能系统应用灵活，可达到环保、高效节能的用电目标，是风能多元化发展趋势之一。

5 风电技术未来的发展趋势

风电相关技术是一项综合集成的高新技术，风电产业的不断发展使其相关技术也将不断面临新的挑战，预计将会围绕以下几个方面展开研究:

(1)变速恒频技术与微网技术。变速恒频技术与微网技术是并网风电和DG发展的技术保障，需进行提高和完善。

(2)多能联合供能技术。风能与其他能源形成的各种发电系统可广泛应用于生活中，实现低碳、节能的生活理念。

(3)智能控制技术。智能控制能够有效解决大规模、非线性、复杂和不确定性系统的参数辨识和控制器设计问题，对于提高供电系统的稳定运行性能十分重要，智能化也是未来电网发展的趋势之一。

(4)故障运行技术。风能融入电网是必然趋势，这就要求风电系统具备一定的故障运行能力，能够承受电网故障的同时为电网提供一定的支撑，帮助电网恢复到正常状态，如LVRT技术等。

6 结语

环保节能是未来电网发展的一个重要目标，风能作为一种清洁能源必将在电网中发挥越来越大的作用，而不断发展和完善的风电技术使得风电的应用领域不断拓展，逐渐展现出多元化的趋势。我国风电技术虽然有了长足的进步，但是与世界先进技术相比还存在较大的差距，风能基础研究还很薄弱，自主创新能力还很不足。因此，我国要充分利用当前风电技术发展的大好机遇，结合我国国情发展有自主知识产权的风电技术，确保我国的风电产业持续、稳步发展。

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