第1章 风电场电气系统概述

1.1 风力发电概述

1．风力发电的发展

风能作为一种蕴藏量巨大的可再生清洁能源，越来越受到世界各国的重视，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要多10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量只有风力在一年内所能提供能量的1/3。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发风能。

利用风能进行发电，早在20世纪初就已经开始了。20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，其发电成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大多在5kW以下。

随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电发展迅猛，图1-1所示为2004—2014年全球风电总装机容量情况，到2015年年底，全球总装机容量达432GW，仅2015年比2014年就增加了63.013GW。预计未来20～25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

中国风能协会2010—2015年中国风电装机情况分析见表1-1。2015年中国风电新增装机容量30.5GW，同比增长30.6%，累计装机容量145.1GW，同比新增26%。

2．风力发电与风电场

把风的动能转化成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，驱动发电机发电。风力发电的能量转换过程如图1-2所示。依据目前的风电技术，大约3m/s的微风风速就可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为其不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

单台风电机组的发电能力有限，其单机容量与常规火电厂或水电站的百兆瓦级发电机相比小得多，大规模风力发电都是在风电场中实现的。

风电场是在一定的地域范围内，由同一单位经营管理的所有风电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共同组成的集合体。风电场是大规模利用风能的有效方式，目前，风电场的分布几乎遍布全球，风电场数目已成千上万，最大规模的风电场可达上百万千瓦级。选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风向，将多台风电机组按照一定的规则排成阵列，组成风力发电机群，并对电能进行收集和管理，统一送入电网，是建设风电场的基本思想。图1-3所示为典型的风电场实景图。

3．风力发电的特点

风电场运行与常规能源发电厂在很多方面具有共性，需要解决的主要是风力发电产生的特殊问题。风力发电与常规能源发电（例如火电、水电和核电）相比，基本区别有以下4点：

（1）由于风能的随机性和间歇性，风电场的有功输出也具有随机性，大小取决于风速的变化，而常规能源的有功输出和无功输出都可以准确地预测。

（2）风力发电有很强的地域性。不是任何地方都可以建风电场，而是必须建在风力资源丰富的地方，即风速大、持续时间长的地方。风力资源大小与地势、地貌有关，山口、海岛常是优选地址。如新彊达坂城年平均风速为6.2m/s；内蒙古辉腾锡勒年平均风速为7.2m/s；河北张北年平均风速为6.8m/s；广东南澳年平均风速为8.5m/s；福建平潭年平均风速为8.4m/s。其中，福建平潭县海坛岛年平均风速为8.5m/s，年可发电风时数为3343h，为目前中国之最。

（3）相对于常规能源的发电机组，风电机组的单机容量较小，大量风电机组并列运行是风电场的重要特点。

（4）常规能源发电机组对电网调频和调压有着重要的作用，往往需要运行人员值守；目前，风电机组一般不参与系统调整，可以做到无人值守，系统运行参数超过一定范围时，风电机组自动停机。

风能的随机性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对系统的影响就会越来越显著。