風力發電技術綜述

孫浩然

（連云港供電公司，江蘇連云港 222004）

1 風力發電概述

地球表面各處接受太陽照射受熱不同而產生溫差，引起大氣對流運動形成風。地球上風能蘊藏量巨大，而且取之不盡，用之不竭，是一種重要的可再生能源。據世界氣象組織于1954年估計，地球上可為人們利用的風能有107 MW，這相當于10 000個100萬kW的利用燃料發電的發電廠的容量，是地球上可供利用的水力的100倍。這是一個非常可觀的數量[1]。在中國，根據2004～2005年中國氣象局進行的第三次全國風能資源普查，僅陸上10 m高空處的實際可開發的風能就有2.97億kW。我國陸上加海上可開發風能總量有7～12億kW[2]。

人類利用風能的歷史已經有數千年，然而利用風能發電的歷史卻始于1891年，但之后的較長時間發展緩慢。直到1973年石油危機后，風力發電作為新能源越來越受到重視。特別是20世紀90年代以來，風力發電加速發展[2，3]，總裝機容量以年均25%以上的速度增長，每年新增容量的增長率也超過了30%。2007年，全球新增風電裝機容量20 073 MW，累計風電裝機容量94 112 MW。歐洲2007年新增電源中風電首次超過天然氣發電，成為第一大增長電源。

中國發展風力發電始于1990年，2000年總裝機容量為350 MW，到2006年增長為2 600 MW，年增長率近40%。2007年更是翻了一番，新增3 449 MW，居世界第三，總裝機達到6 050 MW，居世界第五。圖1給出了世界風電總裝機前10位的情況。2008年8月12日，中國風電發電裝機總量已經達到7 000 MW，占我國發電總裝機容量的1%，這也意味著我國已進入可再生能源大國行列。

風力發電的快速發展和各國支持風電發展的政策緊密相關。為促進風力發電的發展，世界各國政府出臺了許多優惠政策，主要包括有：投資補貼、低利率貸款、規定新能源必須在電源中占有一定比例、規定最低風電電價、從電費中征收附加基金用于發展風電、減排CO2獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發展本國的風力發電事業；美國通過金融支持，由聯邦和州政府提供信貸資助來扶持風力發電事業；印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流發展風力發電；日本采取的措施則是優先采購風電。多種多樣的優惠政策促進了各國風力發電的快速發展。中國為促進風力發電的發展，先后實施了“乘風計劃”、“光明工程”和“雙加工程”，推行風電特許權項目，給予風電在資金、電價等方面的政策支持。2006年正式實施了《可再生能源法》及其一系列實施細則，大大促進了風力發電的發展。根據全球風能理事會以中等發展水平的預測，中國風力發電裝機容量2010年將達到10 000 MW，2020年將達到70 000 MW，2050年將達到450 000 MW。

2 風力發電系統的基本形式

從機組結構上來看，風力發電經過多年的發展，曾出現過多種類型。圖2是幾種典型的風力發電系統拓撲[4]，這些拓撲的區別在于使用的發電機和電力電子變換器以及有無齒輪箱。

圖2（a）是20世紀80年代到90年代被廣泛采用的傳統結構。它的風力機采用失速調節，機組轉速可以認為是不可調的。為了補償感應發電機的無功功率使用了電容器組，為了平滑并網使用了軟啟動器進行軟并網。

圖2（b）中，用電力電子變換器代替了軟啟動器和電容器組，把電網和感應發電機隔開，實現了機組在全風速下的變速運行。

圖2（c）中使用了繞線轉子的感應發電機，并采用電力電子變換器外部改變轉子電阻，從而獲得轉差率可控的10%可調范圍，并通過控制轉差率控制機組輸出的功率。

圖2（d）結構使用了雙饋型感應發電機，用變頻器控制轉子繞組的電流。變頻器功率僅為發電機額定功率的20%～30%就可控制發電機的全功率輸出。這種結構比圖（c）的結構有更寬的調速范圍，變換器所需功率較小，經濟性好。我國東汽集團生產的1.5 MW風力發電機組就屬于這種結構。

圖2（e）引入了繞線式同步發電機，經電力電子變換器連接電網。由于它需要勵磁用整流電路、電刷和滑環，即使其可以實現變速恒頻也不被看好。

圖 2（f）與圖 2（e）結構相同，也使用繞線式同步發電機。但由于它使用的是多極發電機，所以它不需要齒輪箱。Enercon和Lgaerwey是典型應用這種結構的風力機制造公司。

圖2（g）所示結構有風力機直接驅動多級永磁同步發電機，省去了齒輪箱、電刷和滑環，提高了機組的運行可靠性，減少了維護費用。電力電子變換器可以使機組實現變速恒頻運行。早期由于成本的原因只用于小型風力發電機，典型應用是作為船舶電源。近年來隨著永磁體價格的降低這種結構被更廣泛的應用，目前單機容量國內已經達到2 MW。ABB公司在2000年利用這種結構提出一個新的設想：用多極3.5 MW永磁發電機發出電能后經二極管整流器產生21 kV直流電，然后經高壓直流輸電并入電網。

從技術發展上看，風力發電經歷了從定槳距到變槳距、從恒速恒頻（CSCF）到變速恒頻（VSCF）的技術升級。節距角就是槳葉半徑R處回轉平面與槳葉截面弦長之間的夾角。變槳距控制就是通過改變槳葉節距角來調節風力機功率，使得在額定風速以下控制風力機運行于特定轉速使其風能轉換效率保持最大直到功率達到額定值；在風速超過額定時降低轉換效率保持額定功率直到切出風速，這是定槳距很難實現的。變速恒頻發電是另一種新型的發電技術，尤其適合于風力發電。它適應了風能的隨機、不穩定的特性，根據風速調節轉速從而最大的輸出能量，實現和電網的柔性連接，提高機組的風能轉化效率，減少風力機的應力和磨損，優化了機組運行條件。20世紀90年代以來，國內外新建的大型風力發電系統大多采用變速恒頻技術。隨著風力發電技術的廣泛應用，變速恒頻風力發電方式將得到更多重視，應用范圍不斷擴大[5]。

變速恒頻風力發電有多種機型，除了目前已經有較大市場份額的雙饋風力發電機組和直驅永磁風力發電機組以外，還有無刷雙饋、爪極式、和開關磁阻等風力發電系統。雙饋式風力發電系統的變流器容量只是系統額定容量的30%左右，成本較低，因此也成為當前變速恒頻風力發電系統的主流機型。直驅式變速恒頻風力發電系統采用低速永磁同步發電機（PMSG0），取消了變速齒輪箱，不需要電刷，結構簡單，便于維護，使用壽命長。與傳統技術相比，輸出功率可以增加20%以上，維護費用則可降低50%，這些足以抵消它采用全功率變換器所增加的成本；同時它具有可靠性更高，噪音更低等優點，因而代表著未來的發展方向[6]。

從2002年全球各類風力發電機的市場份額統計可以看出，在風力發電市場中，采用籠型感應電機的恒速風力發電機、采用雙饋感應發電機的變速風力發電機和采用永磁同步發電機的直驅永磁同步風力發電機占有絕對的優勢[7]。

隨著新材料的應用、設計水平的提高以及控制系統的改進，風力發電的發展將會呈現出以下幾個趨勢[7]：

（1）單機容量不斷增大，兆瓦級的大機組的比重會不斷增長。在歐洲，5 MW的風力發電機組已經商業化，在國內，2 MW和1.5 MW的機組技術已經成熟，在總裝機容量中的比重分別從2006年的1%和9%增長到2007年的2%和18%。

（2）變槳距調節方式將會逐步取代定槳距失速調節方式。變槳距調節能夠按最佳參數運行，額定風速以下能最多的吸收風能，額定風速以上能輸出恒定功率，避免發電機超負荷，并且可以改善整機受力狀況。

（3）變速運行方式將會取代恒速運行方式。變速運行可以控制風機運行于最佳葉尖速比以獲取最大風能，同時使功率輸出更穩定。

（4）直驅式的市場份額會越來越大。直接驅動省去齒輪箱，減少能量損失、停機時間、發電成本和噪聲，降低了維護費用，提高了風電轉換效率和可靠性。

（5）海上風力發電將會得到更大的發展。海上風能較陸上大且具有穩定的主導風向，允許安裝單機容量更大的風機。

（6）風力發電機無刷化。無刷化可提高系統的運行可靠性,實現免維護提高發電效率。

3 風力發電中的關鍵技術

3.1 并網技術的研究和最大風能的捕獲

對直驅式永磁發電系統研究的內容主要有并網及并網后的發電機轉速控制的研究、提高系統可靠性的控制的研究以及提高系統故障穿越能力的研究等幾方面。這些研究幾乎都是通過對全功率電力變換器的控制算法來實現相應的控制目的的。

并網控制方面，文獻[8]提出了直流側并網的新方法。在直流電容與DC/AC之間安裝并網開關。并網前并網開關斷開，DC/AC通過限流電阻對電容進行充電，此時發電機在風力機的帶動下轉速從0上升。當電容充電達到交流電網線電壓幅值時閉合并網開關，同步風力發電機并網。正常情況下，發電機轉速從低到高逐漸上升，并在某一轉速下并入電網。當由于某種原因，發電機在高轉速下脫網需要重新并網，由于此時電容已經充電且直流母線電壓高于網側交流線電壓幅值，因此只要將并網開關閉合就可實現并網。

直驅式永磁同步風力發電機經電力電子變換器并入電網以后的控制目標是風速小于額定風速時實現最大風能捕獲，風速超過額定風速時使系統以額定功率輸出[9]。

最大風能捕獲的目的就是通過適當的控制，使風力機轉速隨風速變化，始終沿著最佳功率曲線運行，從而使風能轉化最大化。最大風能追蹤可以有變槳距調節，也可以通過調節發電機功率來調節轉速以保持最佳葉尖速比實現。出于可行性、經濟性和可靠性的考慮，當前使用的主要是通過控制發電機輸出功率以調節其電磁功率，進而調節發電機轉速。

具體實現時，在發電機有功和無功功率解耦控制的基礎上，根據有功功率給定的提取方法的不同，又有有速度傳感器和無速度傳感器的控制方法之分。有速度傳感器的控制方法是根據風力機最佳功率曲線和風力機轉速實時計算發電機輸出功率給定。而無速度傳感器的控制方法又有擾動法、參數估計法、查表法和人工在智能法幾類。

文獻[10-12]介紹了最大風能跟蹤的擾動法，主要有爬山法、正弦波小擾動法和最佳轉矩曲線法等。擾動法的基本原理是根據電機轉速和直流電壓之間的關系，先對直流電壓的擾動，然后測量有功功率的變化，如果輸出功率變化為正，則以擾動后位置為新工作點繼續擾動，如果輸出有功功率變化為負，則在原來工作點改變擾動，直到找到最佳工作點。根據改變擾動的策略又有2個思路，一個是功率變化為負時，改變擾動方向，如果向大向小2個方向的擾動都使得有功功率變化為負，則認為達到了最佳點；另一個叫變步長法，當有功功率變化為負時，不改變擾動方向，而是把擾動減半在原來工作點上再次擾動，直到功率變化小于一個很小的正數，認為達到最佳工作點。文獻[13]用發電機電動勢的積分得到磁通鏈，而這個磁通鏈包含有轉子的位置信息，進而估計出轉子轉速。文獻[14]根據直流電壓和發電機轉速的關系，通過測量直流電壓，通過查表得到轉速。然后據此計算逆變器的有功給定，實現最大風能追蹤。文獻[15]針對雙PWM變換器研究了發電機的單位功率因數控制，通過增加約束方程的方法，解決了電機定子超過極限值而導致系統不穩定的問題。文獻[16]使用神經網絡的方法估算風速，在根據估算的風速計算發電機轉速給定并據此控制最大風能追蹤。

目前對減小直驅式風力發電系統變換器的直流環節電容，以提高系統的可靠性的研究比較少。文獻[17]建立了在主從控制方式下應用功率平衡聯合控制策略的雙PWM控制模型，使得整流部分充分利用了逆變部分的信息，提高了直流母線電壓的動態控制性，減少了對變換器中電解電容容量的要求，提高了系統的可靠性和性能；文獻[18]對用于海浪發電永磁同步機的變換器做了類似研究，通過在整流器和逆變器之間加入功率反饋環，達到電容充放電電流減小的目的，使得在電容量一定時，直流電壓范圍變小，為逆變創造了更好的條件。

文獻[19]對風力發電用大功率逆變器進行了研究，提出了一種新的電路拓撲；文獻[20]則對大型風電場接入系統方式進行了比較；而文獻[21]則從槳距角控制、發電機轉速控制、電力變換器功率解耦控制等方面對直驅永磁同步發電機的控制策略進行了全面的研究，為進一步研究奠定了基礎。

3.2 低電壓穿越的研究

電網電壓跌落時，由于受變流器通流能力的限制，網側逆變器注入電網功率減小。而此刻機側整流器的功率并沒有改變，造成直流側的過電壓。如果維持直流側電壓穩定，則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導致電力電子器件的損壞，為了保護變流器不被損壞，風力發電機組將在電壓跌落時退出運行。電網穿透率小時，風力發電機組在電壓跌落時退出運行還是可以接受的。

然而，隨著風力發電規模的不斷擴大，若風電機組在電壓跌落時仍然采取被動保護式脫網，則會增加整個系統的恢復難度，甚至使故障更加嚴重，最終導致系統其他機組全部解列。目前在風力發電技術發展領先的一些國家，如丹麥、德國等已相繼制定了新的電網運行準則,定量給出了風電系統離網的條件（如最低電壓跌落深度和跌落持續時間），只有當電網電壓跌落低于規定曲線以后才允許風力機脫網，當電壓在凹陷部分時,發電機應提供無功功率。這就要求風電系統具有較強的低電壓穿越能力，能方便地為電網提供無功支持。因此必須研究低電壓穿越的措施，實現電網電壓跌落時風力發電機不脫網運行。

文獻[22]通過在逆變器交流側加裝無功補償裝置和低通濾波器來應對電網電壓不對稱跌落對系統所造成的影響，使逆變器只能感受到電網的正序電壓，保持其對稱工作狀態，從而實現低電壓穿越；文獻[23-26]通過直流側加卸荷負載以消除電壓跌落時直流側的功率擁堵，避免直流側的過電壓和逆變器的過電流，實現低電壓穿越。這些方法都要增加專門的元件，降低了系統的可靠性和經濟性，使控制變得復雜。

4 結束語

風力發電作為可再生能源，未來的應用前景很好。目前風電的控制、并網等技術已經相對成熟。隨著風電的發展，當風電場遠離電網時的遠距離并網方式的選擇待進一步研究。另外，隨著風電容量的增大，其對電網電能質量的影響、對系統穩定的影響是電力運行人員亟需面對和處理的問題。

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