风力发电全球互联可行性分析

邓德卫 金珊珊

（国网江西省电力公司萍乡供电分公司）

风力发电全球互联可行性分析

邓德卫 金珊珊

（国网江西省电力公司萍乡供电分公司）

全球性的能源危机与环境污染使清洁、可再生能源的开发和利用得到广泛关注，随着风力发电技术的进一步发展，更大范围内的风能获取和使用成为新能源研究的重点课题之一。本文从风力发电关键技术、电能输送技术和经济、边缘政治角度分析风力发电全球互联可行性，对推进全球范围内的风能开发和利用具有重大方向性参考意义。

风力发电；全球互联；电能替代；输送技术

0 引言

当前，国际秩序相对稳定，世界经济进入飞速发展时期，各发展中国家正加快脚步追赶发达国家经济发展的步伐，世界各国对于能源的需求量呈直线上升。全球能源利用以石油、煤炭、天然气等化石能源为主，水能、风能、太阳能、海洋能等清洁能源为辅。全球化石能源资源虽然储量大，但随着现代工业的大规模开发利用，储存总量正在逐步减少且其非可再生，化石能源即将面临枯竭的命运。截至2013年，全球探明可采的石油、煤炭、天然气储量分别为2382亿t、8915亿t、186万亿m³，按照目前世界平均开采的强度，全球煤炭、石油、天然气分别可开采113年、53年和55年。能源短缺是当前世界各国亟需解决的难题，石油、煤炭、天然气等化石能源的消耗，为环境污染的治理带来了沉重压力，能源和环境问题给世界经济和社会发展带来的影响日益凸显。

2014年，中电联理事长、国家电网公司董事长刘振亚提出了“全球能源互联网”发展构想，全面推进“两个替代”，以提供更安全、更高效、更清洁、可持续的能源供应。全球能源互联网是基于现代网络产业、控制技术和信息技术，以坚强智能电网为主要载体，由跨洲、跨国骨干网架和各国各电压等级电网构成，连接“一极一道”（北极、赤道）大型能源基地，适应各种集中式、分布式电源，能够将风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送到各类用户的安全性高、可靠性好、配置能力强、绿色低碳的新一代全球能源系统。本文基于“全球能源互联网”构想，从风力发电并网技术、电能输送技术和经济、边缘政治角度分析风力发电全球互联可行性。

1 电关键技术

1.1 风力发电机组的优势与劣势

常见的风力发电机组有永磁直驱全功率变换发电机组、双馈感应电机发电机组和鼠笼感应电机全功率发电机组[1]。

1）永磁直驱同步发电机采用风力机直接带动发电机组发电，发出的电能经全功率变流器变换后并网。其优点是发电机组通过变流器的控制，可以跟踪风速的变化最大可能地捕获风能，并且可实现柔性输电，控制输出电能的功率因数，机组的故障穿越能力强、并网特性好。而缺点是体积大、不易安装施工、变流器造价较高。

2）双馈感应发电机组则通过变流器控制感应电机的转子电流，在感应电机转子侧励磁，使得发电机能够根据风速的变化实时跟踪最大风能点捕捉风能，同时发电机定子侧直接连接电网恒频输出电能，且转子速度变化范围一般在30%左右，因此变流器容量大大降低，节约成本。但双馈电机存在电刷和滑环，使得功率的提升受到了限制，机组维护的难度增大，同时电能输出质量受电网电压波动影响大。

3）鼠笼式感应发电机相对于前两种机组而言是结构最为简单的一种机组，此种电机可以做到功率很大，达到几兆瓦，电机的定子侧与全功率频率变流器（双PWM逆变器等）相连，风力机经过齿轮箱变速后带动感应电机发电，发出的电能经频率变流器变换后并入电网，鼠笼式发电机机侧的变流器可以跟踪风速的变化，加入相应算法（如爬山法等）捕获最大风能[2]。鼠笼式发电机优点在于机侧和电网侧经变流器完全隔离，并且通过对变流器的控制可以实现对电能的柔性接入，电网故障穿越能力强、并网特性好。但是由于鼠笼式发电机使用的也是全功率变流器，当机组容量增大时，变流器成本相对较高[3]。

目前综合各类发电机组的优缺点，多绕组电机和多相电机逐渐应用于风力发电系统，其机组既可以满足发电系统大容量运行，又可实现机侧和电网侧经变流器完全隔离，并且通过对变流器的控制可以实现对电能的柔性接入，是大容量风电系统可行的较优方案。

1.2 风力发电系统低电压穿越能力

低电压穿越LVRT，指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而穿越这个低电压时间（区域）[4]。目前，实际风力发电厂所应用的全功率变流器本身对低电压穿越具有一定的耐受力（如湖南湘电集团生产的1.5MW永磁直驱风力发电机组），辅之以相应的卸荷策略，取得了令人满意的效果，达到调节电网电压和稳定电网运行的效果。

1.3 风力发电系统电能输出能力

风力发电系统的电能输出能力一直广受诟病，风力发电机组的输出功率受自然条件的影响较大，甚至在天气较为恶劣时风电机组将停止运行，无法保证足够的电能输出满足用户的用电需求。而风电全球互联正好可以弥补这一缺陷，全球的风电资源主要分布于中国“三北”和内蒙、俄罗斯北部、中亚风电基地（主要为哈萨克斯坦）、蒙古国风电、印度西部的古吉拉特邦和拉贾斯坦、北海及格陵兰岛周边海域、美国中西部、南美北部和南部、非洲东部和西北部、澳大利亚东部沿海等。全球风能资源跨区大分布广泛（跨经度、纬度大），所有风电资源联网即能形成稳定的电能输出，当然这需要坚强的输电网络支撑。

2 电能输送技术

1000kV（1100、1150kV）和1500kV电压等级特高压输电工程可行性研究和特高压输电技术的研发始于20世纪60年代末，目前中国国家电网公司已经有3项1000kV高压交流工程和4项±800kV高压直流工程实现商业运行，已经可以实现超过2000km的电能输送。预计2018年前后，±1100kV高压直流输电技术在工程上的应用，输电距离将突破5000km，输电容量可达1200万kW。全球风电互联距离上的难题正被逐渐化解，输送距离初步可满足风电互联的要求。

绝缘材料在特殊气候条件的使用性将是下一个将要攻克的难题，蒙古国风电、北海及格陵兰岛周边海域、俄罗斯北部这些地区蕴含的风能资源非常丰富，而气候却相对来说非常恶劣，目前特高压设备所能正常工作的环境温度为－50℃到+60℃之间，个别风能蕴含区的气温则超出了上述范围，但大部分风能蕴含区尚能满足特高压应用技术，在今后的20年间，新材料应用的突破将解决这一少部分问题，相连洲间电网互联成为可能，已不存在技术上的难题。跨洲跨洋间的电网互联，海底电缆技术和超导输电技术也将给予风电互联强力的支撑。

3 风力发电经济和政治因素分析

2010年之前，在一般正常条件下，测算风力发电成本与煤电发电成本比较，风力发电经营平均成本一般为0.32元/kWh，上网电价包含增值税为0.64元/ kWh，不含增值税为0.55元/kWh，发电成本比煤高出30%～60%。对风电和煤电的固定资产折旧费和机组维护费用进行比较也可发现，风电高出后者20%～22%，这也是风力发电成本略高的根本原因。2016年以来世界各国对风力发电给予高度重视，相应出台一系列的辅助性政策，大幅降低风电建设税收，特别是欧洲地区，使风力发电技术一直走在世界的前列。税收的降低，使风力发电设备制造的技术提高以及控制系统的策略优化，风力发电的竞争力进一步加强。在传统化石能源面临枯竭的前提下，风力发电具有非常优越的发展条件。

能源制约着国家的发展与安全，世界能源蕴含丰富地区也即是边缘政治地区，如中东、里海、俄罗斯以及非洲，在世界石油储藏的地缘政治版图上，形成了一个从北非的马格里布到波斯湾、里海、俄罗斯的西伯利亚和远东地区的巨大的带状区域， 在这个带状区域之内几乎储藏世界上的石油资源，同时这些地区的国家政治也相对最不稳定，资源掠夺战争时有发生，如伊拉克、阿富汗等。

传统化石能源面临枯竭，可再生能源也将成为政治家们下一步战略规划争夺的对象[5]。而风能作为一种可再生能源具有可再生能源的共性，它无法进行常规意义上的抢占和搬运，并且分布具有较强区域性，使得世界各国在风能利用上达成共识，只有打破各个国家之间的政治壁垒，相互合作，才有可能实现对风能的共同开发利用。目前世界区域电网已实现互联如北美互联电网、欧洲互联电网、俄罗斯-波罗的海互联电网、非洲南部互联电网、海湾地区互联电网、南美洲互联电网、中美洲互联电网等，世界电网已步入区域互联时代。如果各区域电网共同努力，建立完善的风电交易市场和交易机制，指定统一的风电并网标准或者通过直流输电环节将个区域电网连接，风电的利用将具有蓬勃的生命力。

[1] 姚兴佳，王士荣，董丽萍. 风力发电技术讲座(一)风力发电技术的发展与现状[J]. 可再生能源，2014(1):86-88.

[2] Grandi G， Serra G，Tani A. General analysis of multi-phase systems based on space vector approach[C]. Power Electronics and Motion Control Conference[J]， 2006. EPEPE-MC 2006. 12th International. IEEE，2006: 834-840.

[3] Rodríguez J， Bernet S， Wu B， et al. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives[J]. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，200 7，54(6): 2930-2945.

[4] 关宏亮，赵海翔，王伟胜，等. 风电机组低电压穿越功能及其应用[J]. 电工技术学报，2007，22( 10):173-177．

[5] 中国电力科学研究院. 中国电网发展779号国家电网公司风电场接入电网技术规定[S].北京:中国风能信息中心，2009．

2016-12-01）