張新宇，李斌，姚遠

（1. 大唐新能源山東公司，山東 264209；2. 北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100083）

我國風能資源豐富，陸地可開發(fā)裝機容量達25億kW，是我國重要的可再生能源資源。近年來，我國風電產業(yè)發(fā)展迅速，到2012年底，我國風電裝機已達到6 300萬kW，成為全球風電裝機最多的國家，風電已成為我國第三大電源。在能源供應中發(fā)揮著重要作用，為調整能源結構、減排溫室氣體、保護生態(tài)環(huán)境做出了重要貢獻。但由于受電網運行等因素的影響，特別是在冬季供暖期間，風電機組運行與熱電聯產機組運行矛盾突出，致使北方地區(qū)的風電機組被迫大量棄風，2012年的風電棄風電量達200 kW·h[1]。

2013年6月國家能源局下發(fā)了《關于做好風電清潔供暖工作的通知》，鼓勵北方地區(qū)采用風電進行清潔供熱。鼓勵新建建筑優(yōu)先使用風電清潔供暖技術，支持其利用風電清潔供暖技術替代已有的燃煤鍋爐供熱[2]。

風電供暖一方面可以解決燃煤供暖所帶來的污染問題，另一方面還可以緩解風電的棄風問題。近年來，我國北方風能資源富集地區(qū)風電場棄風限電問題引起較多關注。北方地區(qū)的風能資源冬季夜間最大，而這正是用電負荷的低谷時段和取暖供熱的高峰時段，為了滿足建筑取暖供熱需要，熱電聯產機組需優(yōu)先運行，幾乎把電力負荷的空間全部占去了，風電機組被迫棄風停運[3]。而風電供暖將有助于緩解這個問題，通過因地制宜的展開風電供暖試點，將會使風電棄風限電問題得到明顯好轉[4-7]。

1 風電供暖方法

1.1 離網型風電機組獨立供暖方法

離網型風電機組獨立供暖系統，包括有風力發(fā)電場、電加熱鍋爐、蓄熱裝置、換熱裝置和熱用戶，風力發(fā)電場通過輸電線路與電加熱鍋爐連接，電加熱鍋爐分別與換熱裝置和蓄熱裝置連接，電加熱鍋爐與換熱裝置連接成循環(huán)回路，蓄熱裝置與電加熱鍋爐連接成循環(huán)回路，蓄熱裝置與換熱裝置連接成循環(huán)回路，換熱裝置與熱用戶連接成循環(huán)回路。結構示意圖如圖1所示。

風力發(fā)電供電供熱系統的供熱技術性和經濟性均可行，既沒有環(huán)境污染，又緩解了電網的調峰難度，減輕電網外送壓力。該方案是離風場較近熱用戶遠離主電網時的風電供暖方法。利用風電供暖時，風電輸出電能直接接入電加熱鍋爐。

圖1 離網型風電機組獨立供暖結構示意圖Fig. 1 The structure diagram of the off-grid independent wind turbine heating system

離網型供暖風電機組的電氣控制方法如圖2所示。

圖2 離網型供暖風電機組的電氣控制結構示意圖Fig. 2 Schematic structure of the electrical control for the off-grid heating wind turbine

當主控發(fā)送啟動指令后，變流器采集三相定子電壓，通過定子電壓計算出電勵磁同步發(fā)電機轉速。依據風電機組最佳轉速功率曲線，構造出轉速-定子電壓有效值曲線，根據所采用的定子電壓閉環(huán)的控制策略，調節(jié)變流器輸出勵磁電流的大小，在一定轉速下維持發(fā)電機定子電壓有效值達到給定。定子電壓經變流器內的二極管整流橋整流后轉換為直流電壓，在直流端連接固定電阻負載，通過電阻消耗功率實現加熱的功能。

風電在提供清潔能源的同時，風電場的大規(guī)模并網也給電網安全經濟運行帶來了不利影響。傳統的電網調度問題是基于負荷預測進行的，而風力發(fā)電受到的氣候、海拔、地形以及溫度等多種自然因素的影響具有隨機波動性，風速及風功率預測的難度較大。風電獨立供暖的效率和可靠性不高。基于風電的間歇性特點，風電與電網，燃煤機組，太陽能發(fā)電等聯合供暖也成為克服風電這一弊端的有效途徑。

1.2 風電互補型供暖方法

針對風力發(fā)電間歇性的特點，最便捷的風電與電網互補型供暖方法提出，利用風力發(fā)電機作為電暖氣的主要能源，以電網電源作為控制電源和供暖電源必要時的補充，大大節(jié)省了用電的費用。它同時可以將發(fā)電機和市電的能量轉換成熱能，同時增加傳感器增加信號采集功能，還能夠將各自的運行狀態(tài)及采暖單元的溫度信息反饋到控制單元，便于用戶了解室內供暖情況。

風電與市電互補型供暖方案也是離風場較近的熱用戶風電供暖方法，利用風電供暖的線路與獨立式風電供暖方法相同，在風電供暖不足時，切換市電供暖。

1.3 風光互補型供暖方法

與風電互補型供暖方案相比，太陽能和風能聯合補熱供暖方案進一步利用了清潔能源，節(jié)省用戶的用電費用。太陽能和風能聯合補熱供暖方案，由太陽能熱水裝置、風力發(fā)電裝置、蒸汽鍋爐、電加裝置控制電路組成，如圖3所示。

圖3 風光互補型供暖結構示意圖Fig. 3 Structure diagram of the wind and solar heating system

太陽能熱水裝置的儲熱水箱通過出水閥、四通管接頭、鍋爐進水閥和管道與蒸汽鍋爐進水口連接，蒸汽鍋爐的蒸汽出口經保溫蒸汽管與室內散熱裝置連接，風力發(fā)電裝置的電源輸出連接熱水箱中的電加熱管、并同時經接觸器常開觸點連接室內電加熱器，室溫控制電路的控制器單元連接接觸器線圈。采用聯合補熱供暖的方法，利用太陽能熱水系統和風能對進入燃煤鍋爐的冷水進行預熱，同時利用風能發(fā)電直接對溫室進行加熱供暖。

該方案對區(qū)域光照和風速要求較高。

1.4 風電、光電及電網互補變功率蓄能供暖方法

太陽能和風能聯合補熱供暖方案的確是充分利用清潔能源供暖的有效途徑，但是，風力發(fā)電受到氣候、海拔、地形以及溫度等多種自然因素的影響具有隨機波動性；太陽能發(fā)電技術也隨著晝夜交替以及天氣變化因素呈現波動性。

為進一步提高風電和太陽能聯合供暖的供暖效率和可靠性，一種基于三者的互補供暖方法，風電、光電及電網互補變功率蓄能供暖系統提了出來。該系統包括風電機組、太陽能電池板、變功率電熱蓄能供水子系統和變功率電熱蓄能供暖子系統；還與市電電網連接；風電機組、太陽能電池板和市電電網均通過電路連接到輸入端上；變功率電熱蓄能供水子系統和變功率電熱蓄能供暖子系統均通過電路連接到輸出端上。采用上述技術方案，降低能量的損耗和設備成本，實現可再生能源的充分、高效和合理的應用；充分利用市電電網的低谷電量，使低谷時段被浪費的電量得到充分利用，降低用電成本，交直流兩用，對可再生能源進行可靠和穩(wěn)定的補充。

1.5 風電和燃氣聯合循環(huán)機組供暖方法

北方地區(qū)的風能資源冬季夜間最大，而這正是用電負荷的低谷時段和取暖供熱的高峰時段。為了滿足暖熱需要，熱電聯產機組需優(yōu)先運行，幾乎把電力負荷的空間全部占去了，風電機組被迫棄風停運。大規(guī)模風電并網，因熱電聯產機組供熱問題不能停運，而棄風，造成清潔能源的浪費巨大。

針對這一現狀，從熱電聯產機組的供暖特性出發(fā)，一種風電和燃氣聯合循環(huán)機組的熱電聯產提出，采用熱水散熱器和熱泵耗電兩種方式供熱，其中的熱水來源于燃氣聯合循環(huán)機組，電力由燃氣聯合循環(huán)機組與風能發(fā)電機組聯合提供，通過綜合調度控制裝置在檢測一段時間的供能和用戶的耗能情況后，對未來一段時間做出預測；然后在此基礎上進行調度，在保證滿足電力供給和熱能供給的條件下，減少供暖出力熱水流量，由消耗電力供熱來補償，耗電供熱既可以補償熱水供暖的不足，也可以增加電力低谷時段的負荷；這樣根據風能發(fā)電、熱電聯產綜合起來，使得預測的出力經調整后更接近系統實際需求的風電出力。如圖4所示。

圖4 風電和燃氣聯合循環(huán)機組供暖示意圖Fig. 4 Schematic structure diagram of the wind and gas-fired combined cycle unit heating system

風電機組和熱電聯產機組聯合供暖是目前研究的熱點，該方案也是針對棄風現象提出的有效解決方案。但是對于風電機組和熱電聯產機組的聯合調度控制策略有待進一步優(yōu)化，才能更好地利用清潔能源，提高風電的利用效率。

2 結語

風電場選取的風電供暖技術方法與風場的地理位置、電網狀況有關。遠離主電網的島嶼或者小鎮(zhèn)，宜采用離網型風電機組獨立供暖或者風光互補供暖方法；靠近主電網的風電場可選取風電互補供暖方法；靠近天然氣產地的風電場可采用風電和燃氣聯合循環(huán)機組供暖方法。根據電網的用戶類型或者風電場的實際情況選用合適的供暖方案，可以有效地減輕和避免風電場對電力系統的不利影響，同時提高了風電場在電力市場中的競爭能力。

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