第1章 風(fēng)電場電氣系統(tǒng)概述

1.1 風(fēng)力發(fā)電概述

1．風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

風(fēng)能作為一種蘊(yùn)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(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)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(fēng)力在一年內(nèi)所能提供能量的1/3。因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)風(fēng)能。

利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，早在20世紀(jì)初就已經(jīng)開始了。20世紀(jì)30年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)廣泛在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用，其發(fā)電成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低得多。不過，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大多在5kW以下。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)能市場也迅速發(fā)展起來。自2004年以來，全球風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅猛，圖1-1所示為2004—2014年全球風(fēng)電總裝機(jī)容量情況，到2015年年底，全球總裝機(jī)容量達(dá)432GW，僅2015年比2014年就增加了63.013GW。預(yù)計(jì)未來20～25年內(nèi)，世界風(fēng)能市場每年將遞增25%。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。

中國風(fēng)能協(xié)會2010—2015年中國風(fēng)電裝機(jī)情況分析見表1-1。2015年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量30.5GW，同比增長30.6%，累計(jì)裝機(jī)容量145.1GW，同比新增26%。

2．風(fēng)力發(fā)電與風(fēng)電場

把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程如圖1-2所示。依據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)風(fēng)速就可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)槠洳恍枰褂萌剂?，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。

單臺風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力有限，其單機(jī)容量與常規(guī)火電廠或水電站的百兆瓦級發(fā)電機(jī)相比小得多，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電都是在風(fēng)電場中實(shí)現(xiàn)的。

風(fēng)電場是在一定的地域范圍內(nèi)，由同一單位經(jīng)營管理的所有風(fēng)電機(jī)組及配套的輸變電設(shè)備、建筑設(shè)施、運(yùn)行維護(hù)人員等共同組成的集合體。風(fēng)電場是大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式，目前，風(fēng)電場的分布幾乎遍布全球，風(fēng)電場數(shù)目已成千上萬，最大規(guī)模的風(fēng)電場可達(dá)上百萬千瓦級。選擇風(fēng)力資源良好的場地，根據(jù)地形條件和主風(fēng)向，將多臺風(fēng)電機(jī)組按照一定的規(guī)則排成陣列，組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群，并對電能進(jìn)行收集和管理，統(tǒng)一送入電網(wǎng)，是建設(shè)風(fēng)電場的基本思想。圖1-3所示為典型的風(fēng)電場實(shí)景圖。

3．風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

風(fēng)電場運(yùn)行與常規(guī)能源發(fā)電廠在很多方面具有共性，需要解決的主要是風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的特殊問題。風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電（例如火電、水電和核電）相比，基本區(qū)別有以下4點(diǎn)：

（1）由于風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電場的有功輸出也具有隨機(jī)性，大小取決于風(fēng)速的變化，而常規(guī)能源的有功輸出和無功輸出都可以準(zhǔn)確地預(yù)測。

（2）風(fēng)力發(fā)電有很強(qiáng)的地域性。不是任何地方都可以建風(fēng)電場，而是必須建在風(fēng)力資源豐富的地方，即風(fēng)速大、持續(xù)時(shí)間長的地方。風(fēng)力資源大小與地勢、地貌有關(guān)，山口、海島常是優(yōu)選地址。如新彊達(dá)坂城年平均風(fēng)速為6.2m/s；內(nèi)蒙古輝騰錫勒年平均風(fēng)速為7.2m/s；河北張北年平均風(fēng)速為6.8m/s；廣東南澳年平均風(fēng)速為8.5m/s；福建平潭年平均風(fēng)速為8.4m/s。其中，福建平潭縣海壇島年平均風(fēng)速為8.5m/s，年可發(fā)電風(fēng)時(shí)數(shù)為3343h，為目前中國之最。

（3）相對于常規(guī)能源的發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量較小，大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行是風(fēng)電場的重要特點(diǎn)。

（4）常規(guī)能源發(fā)電機(jī)組對電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)壓有著重要的作用，往往需要運(yùn)行人員值守；目前，風(fēng)電機(jī)組一般不參與系統(tǒng)調(diào)整，可以做到無人值守，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)超過一定范圍時(shí)，風(fēng)電機(jī)組自動停機(jī)。

風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性也是波動和間歇的。當(dāng)風(fēng)電場的容量較小時(shí)，這些特性對電力系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)電場對系統(tǒng)的影響就會越來越顯著。