1、电气新能源技术浅谈风能发电浅谈风能发电摘要：风能作为清洁能源发展十分迅速，在风电发挥在那过程中也必然有利有弊，文章针对风电发展的现状以及风电并网的利弊做了简要的分析并提出了一点参考的解决方案，但是风电作为极具潜力的能源所需的研究和探索不是一朝一夕可以完成的。 关键词：风能发电；电压波动；系统影响；风电规划；风电问题 引言纵观世界范围，能源形势不容乐观，煤炭资源日渐匮乏，以目前的消耗速度来看支撑不到 2050 年；石油资源价格不断飙升，世界范围内的是有争夺愈来愈烈；环境污染问题又不容忽视成为了全球各国普遍关注的问题。电能作为一种清洁可再生的二次能源受到了普遍的青睐，但是电能的产生对一次能源的消耗
2、量相当巨大，因此寻找一种清洁的一次能源来发电就逐渐受到了普遍的关注。风能发电也就应运而生。但是风能发电也存在这一些难以解决的问题，如风电并网对系统的影响以及风力发电的规划是摆在眼前的现实问题。1973 年的石油危机之前,风力发电技术仍处于科学研究阶段,主要在高校和科研单位开发研究,政府从技术储备的角度提供少量科研费。1973 年以后,风力发电作为能源多样化措施之一,列入能源规划,一些国家对风力发电以工业化试点应用给予政策扶持,以减税、抵税和价格补贴等经济手段给予激励,推进了风力发电工业化的发展。进入九十年代,风力发电技术日趋成熟,风场规模式建设;另一方面全球环境保护严重恶化,发达国家开始征收能
3、源和碳税,环保对常规发电提出新的、严格的要求。情况变化缩短了风力发电与常规发电价格竞争的差距,风力发电正进入商业化发展的前夜。近年,世界风力发电如雨后春笋,逐年以二位数速度迅猛增长,截至 1998 年,全球装机 9689MW。装机容量前 10 名的国家是:德国 2874MW、美国 1890MW、丹麦 1400MW、印度 968MW、西班牙 834MW、荷兰 364MW、英国 331MW、中国223MW、意大利 180MW 和瑞典 174MW。我国风力发电起步于八十年代末,集中在沿海和新疆、内蒙风能带。19861994 年试点,1994 年新疆达坂城二号风场首次突破装机 10MW(当年全国装机
4、25MW),四年后,全国装机 223MW,增长 9 倍,占全球风力发电装机的 2.3%。 1 风能发电优势突出： 1.1 风能发电对于环保贡献巨大 风能资源量大质优，风力发电优势突出，世界性范围内风电发展迅速。到达地球 2%的太阳能可转化成风能，以此来计，风能总量比水能更大，有人算过,只需地面风力的 1% ,就能满足全球发电能量需要。而且风能发电对环境无任何破坏，只要修建必要的采风发电装置即可，不像水能发电那样需要修建大坝蓄水发电，必然会对环境做出一些不可自恢复的改变，会影响当地的生态发展和原始的自然景观，有时甚至会影响到原住民的生活。对于由发电而引起的温室气体排放问题来说，燃煤火电最严重，燃
5、油火电次之，核电较少，风电最少。核电虽然和风电的温室气体排风量差不多，相比火电小了两个数量级，但是核电的污染问题目前还没办法解决，因此风力发电有着得天独厚的优势。从经济角度衡量，风力发电优势更加巨大，可谓一本万利，只需前期建设裁缝发电设备和后期的较少的维护费用即可，并不需要像火电核电那样无限期的投入日渐高昂的成本。此外火电核电等热电设备还必须耐受高温高压，风电则没此多余的担心。 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的是英国人蒲福（Francis Beaufort，17741859）于 1805 年所拟定的等级，故又称蒲福风级，他把静
6、风到飓风分为 13 级，如下： 0 静风 Calm 静、烟直上 1 软风 Light air 烟能表示风向，树叶略有摇动 2 轻风 Light breeze 人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动 3 微风 Gentle breeze 树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息 4 和风 Moderate breeze 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏 5 清劲风 Fresh breeze 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显 6 强风 Strong breeze 大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地 7 疾风 Near ga
7、le 大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变 8 大风 Gale 可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大 9 烈风 Strong gale 草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断 10 狂风 Storm 树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏 11 暴风 Violent storm 大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏 12 飓风 Hurricane 陆上少见，其摧毁力极大 1.2 风力发电在世界范围发展迅速： 由于意识到风力发电的巨大优势，世界各国都开始竞相发展风力发电。世界性的风电发展以前所未有的速度进行着，全世界的风电在 1999 年已经达到了10000MW，而更值得惊奇的是这个数字在 2000
8、年的时候就已经翻了一番达到了20000MW 以上，2005 年的时候又超过了 30000MW。风电发展主要以欧洲为主，占到了风电总量的 2/3，北美占到了 1/5，亚洲是 1/8。德国作为风电第一大国，风力发电总量是 15688MW，占全国发电量的 6.2%，占世界风电总量的 33%。由于风电的发展使德国的温室气体排放量大为减少，2004 年德国新建 1200 多台发电用风车,装机容量超过 2000MW,居世界首位。而目前相对风电量最大的是丹麦，目前的风电总量已经超过了全国发电总量的 10%，丹麦规划到 2030 年,风力发电将占总发电装机的 50 %。我国的风电事业发展也较为迅速，已从 19
9、97年排列在世界第十位而跃居到现在的第八位,预计今后还将有更大的进步。我国的风力资源相当丰富，居世界首位，因此发展潜力十分巨大。目前开发还很不足，主要在内蒙、新疆和沿海一些地区，但是还没有形成真正的规模，有待于进一步的开发和探索。 1.3 中国风力发电的资源配置 2004 年 5 月 15 日,一份由中国资源综合利用协会可再生能源专门委员会、绿色和平组织和欧洲风能协会联合发布的 研究 报告风力 12的中文版在北京发布。报告认为,到 2020 年,全球风力发电装机容量将达到 12 亿千瓦,年发电量 3 万亿千瓦时,能够满足世界电力需求总量的 12%。按照规划,届时中国的风力发电装机容量将达到 2
10、000 万千瓦,占全球风电总量的 1.7%。 中国气象 科学 研究院生态与农业气象研究所的朱瑞兆教授告诉了望东方周刊,中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”,其风能功率密度在 200 瓦/平方米300 瓦/平方米以上,有的可达 500 瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在 5000 小时以上,有的可达 7000 小时以上。“从新疆到东北,面积大、 交通 方便、地势平,风速随高度增加很快, 三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。”朱瑞兆教授说:“而这个地带的缺点是建网少,
11、发出的电上不了网。” 另一条是“沿海及其岛屿地丰富带”,其风能功率密度线平行于海岸线。沿海岛屿风能功率密度在 500 瓦/平方米以上,如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等岛屿,这些地区每年可利用风能的小时数约在7000-8000 小时,年有效风能功率密度在 200 瓦/平方米以上。“沿海岛屿的风能是全国最好的,这个地带的优点是建网好,电价高,缺点是地形复杂,且容易受台风 影响 。”朱瑞兆教授以 10 米高处的风能, 计算 出 中国 陆地风能资源 理论 储量为 32.26 亿千瓦,经过风力机间的湍流和叶片面积修正,得出中国陆地实际可开发的风能约为 2.53 亿千瓦,而据
12、估计,中国近海风能资源约为陆地的 3倍,所以,中国可开发风能资源总量约为 10 亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为 1143 万千瓦、2421 万千瓦、3433 万千瓦和 6178 万千瓦,是中国大陆风能储备最丰富的地区。 2 风力发电问题不容忽视 在风力发电巨大优势面前也不能盲目的乐观，由毕竟风力发电所带来的问题还没有十分完美的解决，好有待继续研究和努力。 2.1 风力发电并网 风力发电并网后会对系统产生不小的影响，会影响到系统的电压波动和电能质量，还会造成谐波污染。其中由风电并网所引起的电压波动和闪变是风电并网的主要负面影响。电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的
13、周期性变化,闪变是人对灯光照度波动的主观视感。虽然现在风力发电机组大都采用软并网方式，但是启动时仍会产生较大的冲击电流，使得风电机组输出的功率不稳定，进而会导致电压的波动和闪变。电压的波动和闪变会使电灯闪烁，电视机画面不稳定，电动机转速变化严重影响到工业产品的质量，在某些特殊行业电压不稳会使一些精密的仪器出现测量错误，严重时还会引发重大事故。除了电压问题，风电并网还会引入谐波污染。变速风机需通过整流和逆变装置接入系统，由于风速并不能稳定在一个特定值，因此会造成大量的谐波污染。虽然谐波污染对风电并网有较大影响，但与电压波动相比就显得小多了。 转2.2 风电对电网功率和暂态稳定性的影响 风力发电由
14、于风速变化莫测，使得风电上网功率也随之不断振荡，当风电的扰动频率接近系统固有的振荡频率时，就会引起大幅度的功率振荡，并且振荡的幅度会随着扰动的幅度而变化。扰动幅度不仅与风电扰动有关，也与系统本身的参数有关，因此可考虑从两方面着手减少扰动对电网的强迫功率振荡。风电并网不仅会对系统产生强迫的功率振荡，还会对系统的暂态稳定性产生影响。当然这种影响在风电装机容量较小时显得微不足道，但是当一旦风电在系统中占有比较多的份额时，这种影响就不容忽视了，否则当并网的风电突然变化时，系统有可能由于振荡过大而不能保持暂态稳定而失去稳定，出现电力系统大的崩溃。总之如果并网的风电份额较高而系统较脆弱时，并网产生的负面影
15、响是十分巨大的。 3 电池储能的应用 风能作为清洁能源大力发展以来，风电的问题也越来越受到电力工作人员的关注。但是风能作为一种间歇性能源，加之风能资源的预测准确度并不能完全符合电力系统对电能质量的要求，寻求新途径新思路解决风电对系统的影响也自然成了许多电力行业工作人员的目标。采用静止无功补偿器可快速补偿无功功率，维持风力发电电源接入点电压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功率。而采用电池储能系统可以较好的解决这一问题，及可以保证上网电压的稳定，又可以补偿有功功率，不会对系统产生不利的影响。可以选择由蓄电池组、整流装置和逆变装置组成的柔性交流输电系统作为储能系统。 4 结束语 风能作为一种清洁的
16、能源，在二十一世纪资源匮乏，环境问题突出的今天有着相当大的吸引力，世界大范围内发展风力发电技术来取代传统的燃煤和燃油火电。在风电发展方面比较先进的是德国和丹麦等国家，我国的风电虽然较之前有了较大的发展，但是和世界先进水平还有较大的差距。在风电发展方面，除了看到其优点以外，缺点也不容忽视，对于电力系统电压和功率的影响都值得去深入的探索和研究。目前可以通过电池储能技术解决较少风电对系统的影响，要使风电大面积发展所要做的工作还有很多。 参考文献: 1周春平,孙瑶廷,白旭.当今世界风力发电最新动向J.发电设备,2001,(3). 2赵洪杰,马春宁.风力发电的发展状况与发展趋势J.水利科技与经济,200
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