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风电并网技术
2010-7-24
 

                风电并网技术即将告别“瓶颈”时代

  风电是绿色能源的典型代表,但在中国却从“绿色能源”迅速演变为近乎于“垃圾能源”,从技术角度看风电大规模并网技术不能满足实际需要是关键原因。然而,随着世界各国科学家和技术人员在这一领域的努力探索,大规模风电并网在技术上已经日臻成熟,只要投资收益成本等经济问题得以解决,风电告别“垃圾能源”的时代就不远了。

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风电并网瓶颈时代

  垃圾能源由来

  在中国,可利用风能密度超过200瓦/平方米的“高能”区域只集中在内蒙古北部、新疆北部、黑龙江东部、西藏中北部和沿海的个别地区。这直接导致了百万千瓦级风电场的出现,而这样规模的风电场在欧洲等地是相当罕见的。

  大规模的风电场给电力系统造成的负面影响日益明显,由于风能的间歇性等原因,导致风电场给电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题。另外,风电的随机性也给发电和运行计划的制定带来很多困难。除了风力随机变化的自然属性之外,风机本身和电网的调节功能也滞后于实际应用的需求。

  实际应用中的典型例子是:风大而电网负荷小时,风能输送不出去会导致电网频率超过50赫兹,如果电网调度能力不足,就只能把风电切出去,风机就要紧急刹车,由于惯性,齿轮箱、传动、制动系统、叶片等将受到巨大的冲击载荷。而风小电网负荷大时,风电发电量不足,电网频率会低于50赫兹,网压变得很低,如电网调度能力弱就会大面积停电。

  从技术角度,可以将目前风电并网的缺点大致分成三个方面,这也是目前科研技术人员重点突破的领域:储能技术、风力预测技术和电力电子应用,从风机本身、风场系统以及风场气象预测等层次解决风电并网的问题。

  以不变应万变

  解决风电并网问题,最容易想到的莫过于“储能-无功调节”,利用储能技术把风电的间歇能量变成容易调节的能源。据了解,目前储能技术已经发展到足以适应大规模风电并网所需的程度。其中,钠硫电池、锂电池相对成熟,可用于电量和功率应用的场合,但需要降低成本。另外,在地理条件合适的地方,还可以开展压缩空气储能试验,估计可以达到100MW以上的应用。

  钠硫电池是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜,并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。钠硫电池用于储能具有独到的优势,主要体现在原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便等方面。

  钠硫电池的理论比能量为760Wh/Kg,实际已大于100Wh/Kg,是铅酸电池的3-4倍;另一个特点是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2,并瞬时放出其3倍的固有能量;再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质,所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应,充放电电流效率几乎100%。

  钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。目前在国外已经有上百座钠硫电池储能电站在运行,是各种先进二次电池中最为成熟和最具潜力的一种。

  世界上钠硫电池领域较为领先的是日本的NGK公司,通用电气与NGK进行着激烈的竞争。同样的,生产锂电池的比亚迪公司也是新能源产业的积极参与者。特别值得注意的是,储能技术还包括了储能模块之间的调配协调,这与电池单体一道组成了储能技术的难点。

  智能风电

  利用风车发电的技术早在100多年前就已经诞生,但苦于实际应用的效果不理想,一直未能成为能源的主流之一。究其原因,就在于技术进步的速度追不上实际应用的需要。随着风机技术的进步,从早期的异步风机到现在的同步风机,风机本身的技术进步一直没有间断过。同时,围绕着风电场如何与电网密切配合,保证风电并网的电能质量和稳定性。

  从风机本身讲,为了最大限度利用风能,风力发电机的装机容量日益增大,从定桨距到变桨距控制,从恒速恒频到变速恒频,从今后的发展趋势看,在大型风力发电机组中变桨距变速技术将非常普遍。而相应的,这一发展趋势大大加强了电力电子技术在风电机组中的应用。

      从风场整体来看,调动数量众多的风机协同运行,即时调控整个风场的电力参数,保证并网的可靠性和稳定性是未来发展的趋势。比如风场调度人员需要通过控制和协调风场内各台风机的无功功率,并协调风场内可能具有的其它无功设备,来有效地调节整个风电场并网点,甚至更远处的电压和无功功率。此外,遭遇电网跳闸等故障时,需要足够的低电压穿越能力,这也需要相应的电力电子技术作为支持。要达到这些目的,需要高度复杂的控制管理系统。

  不论从风机本身,还是从风电场整体来说,未来风力发电的“智能”属性正在不断增强,这也是对“智能电网”的自然需求,从这个意义上讲,说风电是垃圾还有失公允,建设智能电网可以从根本上扭转风电的这一不利的公众形象。

  总之,未来的大规模风电并网技术一定会成熟到足以商业化运行,届时风力发电产业也将走上一个新台阶。

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