第1章 風電場電氣系統概述

1.1 風力發電概述

1．風力發電的發展

風能作為一種蘊藏量巨大的可再生清潔能源，越來越受到世界各國的重視，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要多10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量只有風力在一年內所能提供能量的1/3。因此，國內外都很重視利用風力來發電，開發風能。

利用風能進行發電，早在20世紀初就已經開始了。20世紀30年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種小型風力發電機廣泛在多風的海島和偏僻的鄉村使用，其發電成本比小型內燃機的發電成本低得多。不過，當時的發電量較低，大多在5kW以下。

隨著全球經濟的發展，風能市場也迅速發展起來。自2004年以來，全球風力發電發展迅猛，圖1-1所示為2004—2014年全球風電總裝機容量情況，到2015年年底，全球總裝機容量達432GW，僅2015年比2014年就增加了63.013GW。預計未來20～25年內，世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環保事業的發展，風能發電在商業上將完全可以與燃煤發電競爭。

中國風能協會2010—2015年中國風電裝機情況分析見表1-1。2015年中國風電新增裝機容量30.5GW，同比增長30.6%，累計裝機容量145.1GW，同比新增26%。

2．風力發電與風電場

把風的動能轉化成機械能，再把機械能轉化為電能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，驅動發電機發電。風力發電的能量轉換過程如圖1-2所示。依據目前的風電技術，大約3m/s的微風風速就可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為其不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

單臺風電機組的發電能力有限，其單機容量與常規火電廠或水電站的百兆瓦級發電機相比小得多，大規模風力發電都是在風電場中實現的。

風電場是在一定的地域范圍內，由同一單位經營管理的所有風電機組及配套的輸變電設備、建筑設施、運行維護人員等共同組成的集合體。風電場是大規模利用風能的有效方式，目前，風電場的分布幾乎遍布全球，風電場數目已成千上萬，最大規模的風電場可達上百萬千瓦級。選擇風力資源良好的場地，根據地形條件和主風向，將多臺風電機組按照一定的規則排成陣列，組成風力發電機群，并對電能進行收集和管理，統一送入電網，是建設風電場的基本思想。圖1-3所示為典型的風電場實景圖。

3．風力發電的特點

風電場運行與常規能源發電廠在很多方面具有共性，需要解決的主要是風力發電產生的特殊問題。風力發電與常規能源發電（例如火電、水電和核電）相比，基本區別有以下4點：

（1）由于風能的隨機性和間歇性，風電場的有功輸出也具有隨機性，大小取決于風速的變化，而常規能源的有功輸出和無功輸出都可以準確地預測。

（2）風力發電有很強的地域性。不是任何地方都可以建風電場，而是必須建在風力資源豐富的地方，即風速大、持續時間長的地方。風力資源大小與地勢、地貌有關，山口、海島常是優選地址。如新彊達坂城年平均風速為6.2m/s；內蒙古輝騰錫勒年平均風速為7.2m/s；河北張北年平均風速為6.8m/s；廣東南澳年平均風速為8.5m/s；福建平潭年平均風速為8.4m/s。其中，福建平潭縣海壇島年平均風速為8.5m/s，年可發電風時數為3343h，為目前中國之最。

（3）相對于常規能源的發電機組，風電機組的單機容量較小，大量風電機組并列運行是風電場的重要特點。

（4）常規能源發電機組對電網調頻和調壓有著重要的作用，往往需要運行人員值守；目前，風電機組一般不參與系統調整，可以做到無人值守，系統運行參數超過一定范圍時，風電機組自動停機。

風能的隨機性和間歇性決定了風力發電機的輸出特性也是波動和間歇的。當風電場的容量較小時，這些特性對電力系統的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統中所占比例的增加，風電場對系統的影響就會越來越顯著。