風力發電快速發展所面臨的問題

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風力發電系統是一個復雜的能量轉換系統，不同的變流器及其發電機等均可能在系統中應用，近期的研究分析表明大約66％石家莊風機廠的風機通過電力電子功率器件并網，而且此種趨勢還在逐漸增大。而大規模開發利用風電所面臨的挑戰主要來源于電力系統對風力發電的要求，這一要求主要取決于三個方面：電力系統的配置、風力發電的裝機容量以及風力發電系統輸出電能的變化。風力發電的裝機容量對電力系統的影響通常用風力發電的“穿透率(Penetration)”來描述，風力發電的穿透率是指風力發電量與電力消耗量的百分比。風力發電量占總電力消耗量的比重小于5％的情況，通常認為是低穿透率，而高于1 0％的情況通常被認為是高穿透率。
這些挑戰與問題的關鍵是風力發電系統與電力系統的交互影響，其主要表現在以下兩個方面：(1)風力發電對電網的影響風力發電對電力系統的影響主要取決于風力發電的電網穿透率、電網的容量以及電力系統中電能的混合狀況。首先，由于風電場選址布局的特殊性，大多數風電場距電網主系統和負荷中心很遠，風電場多與弱電網相連接，且其電能來源較為單一，風力發電均具有較高的穿透率。這樣一來，風電場向電網提供發電量的同時，還極大地影響到電網的穩定運行。其次，風力發電系統輸出電能的變化，即風力發電的時變性是由風能的變化所引起的，風能每秒、每分、每天、每月和每年都在變化著，這些變化都會直接影響到風力發電系統輸出電能的變化。再次，風機的動態輸出轉矩、功率中本身就存在能量的波動，其對風力發電系統的并網電能質量勢必會有影響。風力發電對電力系統的影響可以分為短期影響和長期影響、局部影響和整個系統的影響。其中短期影響包括：電壓控制、常規電廠(熱電廠、水電廠等)的發電效率、輸配電的效率、電能2質量等，長期影響主要指電力系統的可靠性。
在以上各種影響中，除電壓控制為局部影響外，其它皆為系統影響。因此，大規模風電場的接入給電網的可靠性運行帶來了極大地挑戰。(2)石家莊風機廠的風機對電網電壓的適應性要求風電場的大規模接入對弱電網的電能質量有很大影響，同時電網電壓的閃變、不平衡等故障對風力發電系統的正常運行也造成了極大地影響。風力發電的低電壓穿越能力成為了風力發電的研究熱點之一，石家莊風機廠的風機特別是雙饋型石家莊風機廠的風機，對電網電壓變化的適應能力，特別是電網故障情況下的適應能力，目前一直是風力發電領域廣為關注的研究課題。對于傳統的基于籠型異步電機的石家莊風機廠的風機，當電網電壓跌落較大時將脫離電網，不具有低電壓穿越(LvlH)特性，不適合現代電力系統對石家莊風機廠的風機并網的要求19 J。對雙饋型石家莊風機廠的風機而言，由于雙饋電機定子與電網之間直接耦合，電網電壓的任何波動都會在電機內部引起較大的電磁過渡過程，這一振蕩過程甚至會造成轉子變流器的損壞。
目前由于雙饋型石家莊風機廠的風機在1．5MW以上級別的大功率石家莊風機廠的風機中居于主導地位，再加上現在大功率風電場包括近海風電場多采用雙饋型石家莊風機廠的風機這一機型，因而關于雙饋電機對電網電壓適應性的研究倍受關注，目前關于雙饋型石家莊風機廠的風機的LVRT特性，美國GE風能公司走在了前列。對于基于全功率變流器的變速風力發電系統而言，由于發電機與電網之間完全解耦，因此電網電壓的波動對石家莊風機廠的風機的影響較小，其LvI盯特性主要取決于全功率變流器的控制。同樣，大規模風電場的接入對風力發電的電網適應性提出了更高的要求。這樣一來，風力發電的快速發展，需要大量的實驗研究，而如此大規模的風場實驗研究顯然是不現實的，因為實際風場實驗投資大，周期長且對自然環境的依賴性高，很不利于風力發電系統的研究。因此有必要建立風力發電實驗室模擬系統進行風力發電的前期研究，以加快風力發電技術的發展，這是本文的集中關注點。