建设坚强的智能风力发电网

建设坚强的智能风力发电网

吴加林

（佳灵电气制造有限公司）

尽管去年发生了金融危机，但风力发电的建设在中国却仍然如火如荼，呈现出前所未有的繁荣景象。无论投资者、决策者，还是经营者心中都隐含着不小的担忧，国产风电行业缺乏自主知识产权和核心技术，投资高、收益低、风险高、可靠性低、有效运行时间不长、电能质量不稳定因素的影响，并网及长距离传输困难等因素，制约了风电建设的发展。问题的严重性不仅如此，国外还对我们进行封锁，而我们非常崇拜的技术真就那么先进完善吗？我们就引进国外技术生产建设的国内风电现状进行简单的探讨。

一、现行风力发电系统存在的主要问题

（一）系统整体效率低

传统风电场整体发电运行效率低，输出功率的有效时间每年只有2000多小时，不到全年8760小时的30％，即便在这么短的有效时间里，真正能发挥功率的时候也不到10％，其余时间发电机的效率大部分在35％左右。据有关部门对现行风电场调查统计的概率如图1所示。目前国内引进的机型主要为双馈和永磁直驱。双馈齿轮箱就吃掉10％，转速范围窄，在低于额定转速1/5时就不能并网发电，小风不能发电，甚至反过来靠电网拖着转，齿轮箱在冬天还要靠电加热。永磁直驱的传动效率比双馈有所提高但仍存在启动阻力矩较大，不能真正做到微风发电，控制和调节过程中仍可能出现倒拖的问题，所以现行的风电系统整体效率极低。

图1　某风电场输出功率的概率分布图

（二）无功消耗大、系统稳定性差

目前大功率并网性机组，不管是双馈或直驱，采用690伏电压，每台机组带一套变流器，后面再挂一个箱式变压器。发电功率很小或不发电时，变流器、变压器常年挂网运行，使整个风电场需要实时补偿大量无功能量。由于风力的不稳定特性，使风力发电机会频繁的投入和退出，风力发电场的输电网是一个有限的小电网，某一机组的进退都会严重影响电压的波动，而电网却又不允许电压出现较大的波动，于是只有加大变流器的无功补偿和电压稳定能力，这无疑又加大了变流器的成本和有功的消耗，即使这样仍然满足不了并网的无功需要。所以各风电场毫无例外地还要配备高压动态无功补偿装置，所以现行的这种风力发电网是低效、脆弱及极不可靠的系统。

（三）输电损耗大、海上远距离交流传输更困难

单机功率越来越大，传输距离越来越远，传输的损耗更为显著。海上风力发电并网后向陆地远距离交流输电过程中存在因输电电缆内部的屏蔽层和电线之间的电容效应，通过导体和电缆屏蔽层的电流大大增加，使线损及无功损耗非常大，无法实现远距离高压交流输送电能。另外，由于变化的风力负载导致传输线上的电压波动，直接影响就近的电力用户。中国风能资源的70％在近海，离陆地愈远，风能愈好，而海上风力发电机的发电时间可比陆地发电时间增加1000～2000小时，所以海上风电的高效传输是决定海上风电发展的重大关键技术。

（四）成本高昂、系统复杂、维护困难、可靠性差

每台风力发电机都要配一套四象限的变流器，其控制要求很高，如果再配上容易损坏的效率不高的升速箱，价格不菲，而一旦出现故障，将付出很高的费用。实际上我们还是用常规传统的电网观念来建设现代风力发电网。风力发电分布范围广，大多在交通不便的地方，而海上风力发电维护费用就更高，这就必然要求风力发电系统应该简单可靠、免维护、高效率、低成本。

（五）风电与大电网的连接还没准备好

由于风电的比例过去都很小，电网规划与建设都没有特别注意是很正常的。现有电网设计是以传统电力输送为主，大多没有考虑风电上网的情况，而且电网是专网专用，用现有的电网接纳风电，在风电高速发展并占到越来越大的比例时，矛盾就尤为突出；由于风电的不稳定，不受控，风力发电区与用户区相隔遥远，远程大容量稳定传输有很多问题需要解决。

二、建设坚强的智能风力发电网

（一）高效的坚强的智能风力发电网技术

引进使我们学会了走路，但创新才能使我们超越。既然现行风力发电存在如此众多问题，再如此投入巨资着实令人担忧，但能否迅速改变这种局面，建设一种有别于传统风力发电机系统，其技术先进，效率高、成本低、可靠性高、投资少的风力发电机技术呢？成都佳灵电气制造有限公司经过十多年的潜心研究，推出的新方案可以大幅降低系统成本，输出电能质量稳定，解决风电目前长距离海上输送存在的技术瓶颈和高质量并网的难题，在现有装机条件下大量增加发电输出量，可对电力主网提供无功补偿，取消传统风电场的无功补偿设备和大量的箱变设备，实现低、高风速条件下都能高效、稳定发电运行。

所谓坚强的智能风力发电网是一种新型高压直流集中逆变隔离型直驱风力发电系统，具有四大特征，即高效传动、单向并网、高压直流、集中逆变。

该系统解决了现有双馈或直驱风力发电两种方案的共同缺点，即风电场需要补偿大量无功能量，并大量地消耗有功能量，电网电压波动，出现闪变的缺点。

该系统成本降低、可靠性提高、发电量增大、自身损耗减小，与现在的两种方案相比有明显进步。实现海上远距离安全高效传输，有利于大小风电场，特别是海上风电场的并网。

本方案采用高压直流输电，直流侧无无功补偿，发电系统不存在倒流。高压直流远距离输电，线损小、系统极其稳定，特别是该系统的投资成本大幅减少，对100兆瓦级风电场，至少可多发电20％，还可节约投资1亿元以上。

（二）坚强的智能风力发电网系统构成原理及特点简述

1．坚强的智能风力发电网系统构成原理

坚强的智能风力发电网系统构成原理，如图2所示。

图2　坚强的风力发电网系统图

2．坚强的智能风力发电网系统特点

（1）高效传动。甩掉齿轮箱，扩大风速利用范围是实现高效传动的关键。本人认为直驱同步发电机与永磁直驱同步发电机都可应用于未来的风电场，而直驱同步发电机比永磁直驱同步发电机可能更胜一筹。因永磁同步发电机内部有永磁体，其启动阻力矩较同步发电机大，在微风时桨叶启动困难，有效发电时间被大大缩短，不但不发电，还消耗电能。而直驱同步发电机启动阻力矩非常小，在低风速时，桨叶启动容易并且可以调整励磁电流使输出电压符合高压直流传输功率。即使在风力小时，也不会出现倒拖，让电网提供无功能量，消耗有功能量，而增加损耗。直驱同步电机也可取消滑环，采用无刷励磁，这样就与永磁直驱发电机几乎同样坚固，但减少了启动阻力矩，真正的实现微风也能发电，同时通过调节励磁就可调节输出功率、输出电压，这对降低成本，提高效率及安全可靠性具有重大意义。

（2）单向并网。单向并网彻底消除了有功倒流、无功不稳定、闪变等问题并使并网操作不再需要。交流电并网三要素电压、频率、相位必须同时达到一致才能并网，低风速时很难做到这一点，在风力发电机不断的投入和切出中浪费了很多的发电机会。在本方案提出的新系统中，直驱同步发电机的输出经过整流器整流后，变成高压直流电，其输出整流二极管因单向导通性能，在发电机输出电压不足时具有和直流母线隔离的作用，在不发电时不存在能量倒流问题，供电系统不需提供无功能量，发电机随时挂在网上，有风就发，风大多发，风小少发，只要控制在系统允许的发电功率范围内即可。这当然就不存在并网操作了，同时多发电自然是显而易见的。

（3）高压直流。功率更大、距离更远、环境更复杂的高压直流输电是风力发电的最佳传输模式。把每个独立发电机输出的电能直接变成高压直流电，然后汇在一起构成直流输电系统，可以克服传统海上风力发电并网后向陆地远距离交流输电过程中，因输电电缆内部的屏蔽层和导体之间的电容效应、导体和电缆屏蔽层间形成大量的漏电流使线损及无功损耗非常大，无法实现远距离高压交流输送电能的难题。这种集中直流高压传输方式彻底消除了无功和并网问题，提高了电网传输的可靠性，减少了输电系统的能耗。根据传输的功率和距离，目前可优选的电压等级有20kv～180kv。

（4）集中逆变。风电场与电网连接的枢纽是有功无功的平衡所在、坚不坚强的要害之地，把集中的高压直流电进行远距离高压直传输，在到达并网点后经过变流器变成交流，并通过隔离变压器送到主电网输送电能。采用这种集中逆变方式较传统分散逆变而言既安全又方便，而且更大的好处是能量的转换效率和投入产出率比极高。逆变器不仅将直流电转换成交流电，同时根据电网的需求提供刚好合适的无功功率，稳定了电能输出，有效地解决了风电上网接入瓶颈问题。佳灵电气十多年来一直致力于IGBT直接串联技术的研究与推广，特别是在风力发电变流器、风力发电机试验站、电能优化、电网智能化以及电能的存储技术等方面取得了大量成功的经验，为集中逆变的大规模产业化的实现提供了良机。

以新技术为基准，建设坚强的智能风力发电网可以大幅度降低系统成本；减少无功损耗；稳定输出电能质量；解决长距离海上输电存在的技术瓶颈和高质量并网的难题；在现有装机条件下大量增加发电输出量，还对电力主网提供无功补偿；取消传统风电场的无功补偿设备和大量的箱变设备，实现低、高风速条件下的高效、稳定发电运行，解决风力发电和接入控制技术。该新技术的使用，将推动风电能源事业的飞跃式发展，使中国成为先进的新型风电技术的引领者。