風力發電及其技術發展綜述

李軍軍，吳政球，譚勛瓊，陳波

(1．湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南省株洲市，412007;2．湖南大學電氣與信息工程學院，長沙市，410082;3．長沙理工大學物理與電子科學學院，長沙市，410004)

0 引言

在全球生態環境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下，對新能源的研究和利用已成為全球各國關注的焦點。除水力發電技術外，風力發電是新能源發電技術中最成熟、最具大規模開發和最有商業化發展前景的發電方式。由于在改善生態環境、優化能源結構、促進社會經濟可持續發展等方面的突出作用，目前世界各國都在大力發展和研究風力發電及其相關技術。

1 國內外風力發電的現狀和前景

1．1 全球風電發展現狀

2009年，雖然金融危機引起的全球經濟秩序的動蕩仍在持續，但風電行業發展勢頭迅猛，全球年度市場增長率達41%，行業市場格局基本沒有發生實質性的改變，美國、歐盟和亞洲仍處于全球風電發展的主要領導地位，明顯的變化是中國超越美國，成為了2009年新增裝機容量全球第1的國家［1］。根據全球風能理事會GWEC統計報告顯示，截止2009年，全球風電裝機容量累計已達1.58億kW，增長率累計達31.9%，產出總值為450億歐元，從業人數約50萬，該產業已經成為世界能源市場的重要組成部分。到2009年底，全球已有100多個國家涉足風電領域，目前17國累計裝機容量超過百萬kW，2009年累計裝機容量排名前10位和新增裝機前10位的國家如圖1 和圖2 所示［1］。

1．2 中國風電發展情況

圖1 2009 年全球風電累計裝機容量前10 名的國家Fig. 1 Top ten countries about accumulated installed capacity of global wind power in 2009

根據2004—2006年第3次風能資源普查結果顯示，中國陸地、海上10 m以上高度的風能可開發量為7億～12億kW，但隨著風機高度的逐步提高，由過去的幾十米達到如今的百米以上，這一數據發生了很大的變化。2007年中國氣象局實施了中國風能資源詳查與評價工程，并于2010年首次公布了中國風能資源研究的重要成果:中國海、陸距地50 m以上的高度，風速達3級以上風力資源的潛在可開發量約為25億kW，在風電五大國中，中國風電資源與美國接近，遠遠高于印度、德國和西班牙［1］。

圖2 2009年全球風電新增裝機容量前10名的國家Fig.2 Top ten countries about adding installed capacity of global wind power in 2009

中國風電產業發展勢頭強勁，其近年累計及新增裝機容量如圖3所示［1］。2009年中國風電新增裝機容量1 380萬kW，居全球第1;中國風電累計裝機容量2 580萬kW，僅次于美國的3 506萬kW;風電機組裝備與制造能力居全球第1。2010年，全球每新安裝3臺機組，就有1臺在中國;僅隔1年，2010年新增和累計風電裝機容量雙居全球第1位;2020年的風電累計裝機可達2.3億kW，相當于13個三峽水電站的規模，年總發電量約4 649億kW·h，風電總裝機容量占15%左右，可取代200個火電廠，減少CO2排放量4.1億t/a，節約標準煤近1.5億t/a，屆時風電將成為中國主要能源來源之一，在節約資源、改善生態環境，促進社會、經濟和諧可持續發展中將做出巨大貢獻。截止2010年年底，中國累計裝機超過100萬kW的省份超過10個，超過200萬kW 的7個，內蒙古無論新增還是累計裝機容量均位居全國第1，如表1所示［1］;目前，中國正大力投資在甘肅、新疆、河北、蒙東、蒙西、吉林和江蘇沿海建設七大“千萬千瓦級”風電基地;2010年6月，中國第1座千萬kW級風電基地在甘肅酒泉正式竣工并投入運營，預計年上網達8.58億kW，可節約標準煤30萬t/a，減少CO2排放量81萬t/a;2010年7月，亞洲首座大型海上風電場——上海東海大橋海上風電場竣工投產，成為至今歐洲之外的第1個大型海上風電場。

圖3 近年中國風電發展狀況Fig.3 Wind power development of China in recent years

表1 2010年中國風電裝機容量前10名的省(自治區)Tab.1 Top ten provinces/autonomous region about installed capacity of China wind power in 2010 MW

1．3 風電發展的前景

風電作為一種環保潔凈的綠色能源，有著優化能源結構、改善生態環境、促進社會和經濟可持續和諧發展等方面的優勢，是未來電力能源發展的一個趨勢。在今后的30年間，風電在能源結構中的比重會不斷擴大，成為未來滿足電力需求的一個重要能源。表2、3顯示了未來幾十年全球和中國風力發電的發展趨勢。

表2 未來全球風電累計裝機容量和發電量Tab.2 Accumulated installed capacity and generated energy of global wind power in future

2 風力發電系統的類型

風力發電機組種類繁多，根據不同的劃分標準可以分為以下幾種類型。

(1)按機組容量劃分為:

機組容量為0.1～1 kW的為小型機組，1～1 000 kW為中型機組，1～10 MW 為大型機組，10 MW以上的為特大或巨型機組。

表3 GWEC對中國未來風電發展情景的預測Tab.3 Prediction for development scenario of China future wind power by GWEC

(2)根據風力發電機的運行特征和控制方式分為:

1)恒速恒頻(constant speed constant frequency，CSCF)風力發電系統。這是20世紀80、90年代常見的一種類型的風力發電系統，機組容量已發展到MW級，具有性能可靠、控制與結構簡單的特點。但這種風電系統，當風速發生變化時，風力機的轉速不變，風力機必偏離最佳轉速，風能利用率Cp值也會偏離最大值，導致輸出功率下降，浪費了風力資源，發電效率大大降低。

2)變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)風力發電系統。VSCF風電系統風力機的轉速可變化，當風速改變時，可適時地調節風力機轉速，使之保持最佳狀態，風能利用系數Cp接近或達到最佳，可實現對風能最大限度地捕獲，由此優化了機組的運行條件，系統的發電效率也大為提高［5］。相對CSCF風力發電系統，VSCF風力發電系統轉速運行范圍較寬，可靈活地調節系統的有功和無功。目前，國內外已建或新建的大型風電場中的風電機組多采用這種運行方式，尤其是MW級的大容量風電系統已成為主流的風力發電系統。

(3)根據運行方式分為:

1)離網型風力發電系統。這是一種以單機獨立運行為主的小型風電系統，系統的三相交流輸出經整流穩壓后，再提供給負載或用戶使用，離網型風電系統的主要服務對象是以風電為主或缺電地區的廣大農戶，我國的內蒙古是應用和推廣小型離網風力發電最主要和最好的地區。離網型風力發電系統容量相對較小，較為常見的一般為百瓦級和千瓦級。目前，獨立的風電或風光互補路燈系統在城鄉公路供電中發展迅速，已被廣泛地應用。

2)并網型風力發電系統。與常規發電模式相同，與大電網并網運行是大規模利用風能的最有效、最經濟方式。目前，國內外建成或新建的大型風電場都采用這種運行方式，成為利用風能發電的主要方式。

(4)根據風力發電機風輪軸的位置分為:

1)垂直軸風力發電機。垂直軸風力發電機直到20世紀30年代才開始出現，比水平軸風力發電機晚(1924年的Savonius式風輪，1931年的Darrieus式風輪)。與水平軸風力發電機組相比，單位kW能力投資可節省近50%，具有機組使用壽命長、易檢修、地面維護簡單、不存在“對風損失”等特點。垂直軸風力發電機又分為2類，阻力型風輪機(Savonius式風輪)，葉尖速比低于1;升力型風輪機(Darrieus式風輪)葉尖速比可達6，風能利用率甚至與水平軸的不相上下。近年，中國在垂直軸風力發電機研制方面也得到了長足發展。2006年，在內蒙古自治區化德縣建成了中國垂直軸風力發電試驗基地，50 kW小樣機組已建成并投入發電運行;2007年底，1.5 MW實用型樣機也在該基地開始試驗運行。

2)水平軸風力發電機。

(5)按輸出功率調節方式分為:

1)變槳距調節型。這種類型風力機組加裝了葉片槳距調節機構，可使槳距角隨風速改變而變化，改善了機組的功率輸出特性及啟動性能。運行時，改變槳距角對轉速進行調節。若機組輸出功率低于額定功率，槳距角通常維持為0，不進行任何控制;當高于額定功率時，變槳距調節改變槳距角，使輸出功率維持恒定，避免風速過大影響機組的安全運行。變槳距調節可減小槳葉承受的應力，節約葉片制造材料，有效降低機組的重量，延長了機組使用壽命，提高了系統運行性能，但使機組結構的復雜性有所增加。

2)定槳距失速調節型。定槳距失速調節通常用于恒速運行情況，是傳統丹麥風電技術的典型代表，這類風電系統將輪轂和槳葉固定相連，槳距角保持不變。額定風速以上時，利用槳葉翼型失速特性，當氣流功角達到失速條件，在槳葉表面紊流的影響下，降低機組的發電效率，以此實現對輸出功率的限制。該方式功率調節簡單，但葉片過于沉重，致使其結構及成型工藝復雜，機組受力較大且發電效率較低。

(6)按變換器功率變流技術分為:

1)交—交變換系統。交—交變換器無中間直流濾波環節，為四象限變換器，能與電源間進行能量的交換，工作可靠，效率高，在風電系統中有一定的應用。但這類變換器中的功率開關器件一般采用自然換流的工作方式，電流諧波含量較大;變換器要吸收大量的無功，導致功率因數較低;元器件數量較多，并且變換器輸出側還需隔離變壓器，致使系統結構復雜，這些因素制約了其廣泛的應用。

2)交—直—交變換系統。交—直—交電壓源型變換器，也稱“背靠背”變換器，是當前各類工程領域中應用最為廣泛的變換器，該類型變換器也可實現能量的雙向傳遞，并且直流濾波環節實現了風電系統和電網間的電磁解耦;該類型變換器通常采用雙脈寬調制(pulse width modulation，PWM)的工作方式，輸出電流諧波含量小，具有結構簡單，功率因數可調，網側易于實現有功和無功的解耦控制等優點，目前這類變換器已廣泛應用于各類風力發電系統。

3)混合式變換系統。該類型變換系統共含4個可控變換器——將電壓型和電流型2個變換系統并聯運行。電流源變換器為主變換器，電壓源變換器為副變換器，具有控制方式靈活，輸出電能質量高，便于實現電機矢量調節等優點;但該類型變換器所需的功率器件數量多，拓撲結構復雜，導致硬件成本過高，且控制系統設計困難。

4)矩陣式變換系統。該類型變換器也屬于一種交—交變換器，采用四象限開關拓撲結構，可實現功率雙向傳送。與傳統變換器相比，它的輸出電壓、頻率和功率因素均可調，具有控制自由度大，結構緊湊，重量輕且效率高等優點。但換流過程中禁止同一橋臂的2個開關同時處于導通或關閉的狀態，實現起來很難;同時由于無中間直流環節，在變換器的輸入和輸出側具有比較強的耦合作用，在風電系統中的應用仍處于試驗研究階段。

公主:君主的女兒。周代時,君主的女兒出嫁,君主自己不主婚,而讓同姓者主之,故稱為公主。秦漢以后,君主嫁女兒,讓三公(司馬、司徒、司空)主婚。也稱為公主。

5)多電平變換和諧振變換系統。上述變換器輸出電壓的等級較高，開關損耗明顯降低，但變換器拓撲結構和控制系統的設計非常復雜，成本也高，在風力發電領域尚無法廣泛應用。

3 風力發電系統中的發電機類型

根據基本結構以及運行原理，發電機通常可分為直流電機、感應異步電機和同步電機幾大類。風力發電系統中電機類型繁多，包括以下類型。

在CSCF風電系統中常用的發電機包括異步機感應電機和電勵磁同步機。異步機運行穩定可靠、堅固耐用、結構簡單便于維護，適用于各種惡劣的工況條件，但轉速運行范圍窄。電機定子一般通過變換器或軟啟動器與電網相連，如圖4～5所示，通常還需并聯無功補償器，提供足夠的無功補償以維持機端電壓穩定。軟啟動器的主要作用是限制并網時過大的沖擊電流對電網的不利影響。

電勵磁同步電機，帶有獨立的勵磁系統，是同步電機必不可缺的組成部分，必須通過勵磁系統的激磁才能建立旋轉磁場，旋轉磁場以同步轉速旋轉運行。根據勵磁系統的勵磁方式可分為直流勵磁、靜止交流整流勵磁和旋轉交流整流勵磁。旋轉交流整流勵磁無需電刷及滑環，可靠性大為提高。調節勵磁可以改變電機無功功率以及功率因素，且并網運行供電可靠性高，頻率穩定，電能質量好，這是同步機的顯著優點。電勵磁同步機恒速恒頻風電系統如圖6所示。

圖6 電勵磁同步機恒速恒頻風電系統Fig.6 CSCF wind power system of electricity excitation synchronous machine

在VSCF風電系統中所采用的電機種類比較多，常見的有以下幾種。

(1)籠型異步電機。

因轉子結構像鼠籠而得名，風速改變時，風力機和發電機的轉速也跟隨調整，因此發電機輸出的電壓頻率不是恒定的，利用電機定子和電網間的變換器，將頻率轉變成與電網相同的恒定頻率，可見變速恒頻控制是在定子側實現的［4］。由于電機定子與變換器相連，變換器容量與發電機的相同，特別在大容量風電系統中將導致變換器成本、體積以及重量都明顯增加，一般多應用于離網型風電系統。

(2)繞線式異步電機。

1)普通繞線式異步發電機。這類發電機的滑差變化小，調速范圍較窄，通常不超過5%。利用改變轉子回路外串電阻阻值大小的方式，就能改變轉子回路中外串電阻所消耗的轉差功率，以此達到改變電機轉速的目的，但在轉子回路串入電阻，使系統損耗加大。

2)雙速異步發電機。這種發電機具有2種不同的同步轉速，即低同步轉速和高同步轉速。風速較低時采用低同步轉速運行方式，維持低功率輸出;風速較高時采用高同步轉速運行方式，與之對應則是高功率輸出。根據異步電機理論，在電網頻率恒定的情況下，只需改變極對數p，就能改變同步轉速。通常通過安裝2套不同繞組或改變定子繞組的接線方式就可改變極對數p。

3)滑差可調異步發電機。根據風力機特性，當風速改變時，而風力機轉速維持不變，風能利用效率Cp必將偏離最佳值，風力機發電效率將明顯降低。若風速在一定范圍內變化時，風力機的轉速也可跟隨變化，此時利用電力電子元件構成的控制機構，調整滑差可調繞線式異步發電機轉子繞組中串接電阻值的大小就可保持轉子電流恒定，不需要進行變槳距調節便可保持發電機輸出功率恒定，避免了風速頻繁變化引起輸出功率的波動，供電質量明顯改善;變槳距調節機構也無須頻繁操縱、控制，大大提高了系統運行的可靠性，有效地延長了機組的使用年限。

4)交流勵磁雙饋異步發電機。這類發電機定子側直接與電網相接，轉子側通過變換器與電網相連，定子、轉子均可與電網雙向傳遞功率，通過轉子側變換器可改變轉子電流的頻率、相角及幅值實現恒頻輸出。這種電機既可電動運行，也可發電運行，調速范圍較寬，而定子側輸出電壓與頻率均可保持恒定;對輸出有功和無功可分別獨立控制;對網側有無功補償的作用，可有效提高電網的功率因素，大大增強系統的穩定性。變換器只提供轉差功率，其容量僅僅相當電機的20%～30%，可顯著降低變換器的成本，是一種較為優化的變速恒頻運行方案，在風力發電系統中得到了日益廣泛的應用，如圖7所示。

圖7 雙饋型變速恒頻風電系統Fig.7 Doubly-fed VSCF wind power system

5)無刷雙饋異步發電機。無刷雙饋異步發電機定子包含2套極數不同的繞組:功率繞組，相當于雙饋發電機的定子繞組，與電網直接相連;控制繞組，相當于雙饋發電機的轉子繞組，通過變換器連接電網，轉子采用磁阻式或者籠型結構形式;雖然這種發電機的運行原理與雙饋發電機的存在本質的不同，但都能利用相同的控制策略進行變速恒頻調節［4］。因發電機本身沒有滑環和電刷，既降低了成本，又提高了運行的可靠性，如圖8所示。

圖8 無刷雙饋型變速恒頻風電系統Fig.8 Brushless doubly-fed VSCF wind power system

(3)永磁同步發電機。

永磁式發電機轉子用永磁材料(稀土中的釹鐵硼永磁)制成，無需獨立的勵磁繞組，因此勵磁損耗低，同時它無需換向裝置，具有效率高且壽命長等優點。

永磁同發電機定子通過變換器與電網相連，因此變換器的容量與電機的相同，變速恒頻運行是在定子側實現的。若省去系統的齒輪箱部件，風力機與發電機直接耦合，即為直驅動式結構，如圖9所示，否則為半驅式結構。直接耦合后無需傳動裝置，噪聲大為降低，但發電機運行時轉速比較低，導致電機機體體積相對較大，成本有所提高，但考慮省去了造價昂貴且易磨損的齒輪箱部件，整個機組的制造成本還是下降了，可靠性也大為提高，系統也更便于維護［4］。

圖9 直驅式永磁同步機變速恒頻風電系統Fig.9 VSCF wind power system of direct-drive permanent magnet synchronous machine

此外，直驅式結構按轉子結構可分為內轉子型與外轉子型2種類型［10］。內轉子型是一種常規結構形式，定子在外靜止固定，轉子在內與風力機同軸安裝，這樣電機定子繞組與電樞鐵心的通風條件好，有利于散熱，防止溫度過高，電機體積也相對小;而外轉子型結構，轉子在外和風力機直接耦合，定子在內固定于靜止軸上，使得永磁體外轉子安裝固定更為方便，但定子繞組和電樞鐵心通風條件相對較差，密封防護較困難，同時電機體積相對過大。根據發電機中主磁通方向的不同，又可以分為徑向磁通電機、軸向磁通電機和橫向磁通電3類。2010年10月，首臺中國自主研發設計、生產的單機最大容量5 MW直驅永磁海上風電機組在湘潭電機股份有限公司下線，標志中國的大型風電設備制造企業已躋身世界先進行列。

(4)混合勵磁永磁同步發電機。

這種發電機是在永磁同步電機結構基礎上改良而來，既含有永磁體，又帶有自身的勵磁系統。電機氣隙磁場由2部分合成:一部分是由電勵磁系統激勵生成，這部分磁場強弱可調節;另一部分則由電機的轉子永磁體產生，是構成磁場的主體部分。它同時具有永磁同步電機及電勵磁同步電機兩者的優點:磁場既可調，勵磁損耗又低，且效率高，又解決了永磁同步電機磁場難以調節的不足，有較好的發展應用前景［12］。

(5)開關磁阻發電機。

開關磁阻發電機轉子上既無繞組也無永磁體，電機定子上有集中繞組，利用控制器分時實現發電和勵磁，因此結構簡單，成本低，可靠性高;開關磁阻電機低速性能良好、啟動轉矩大、調速范圍寬、過載能力強，可應用各種高低速驅動調速系統。目前，在風力發電系統也有一定的應用(小于 30 kW)［5，9］。

(6)高壓發電機。

普通發電機通常只能在低壓條件下運行，發電后必須通過升壓變壓器才能在電網上輸送電能，這表明通過變壓器輸電時存在較大的功率損耗;高壓發電機在結構上與普通發電機并無特別之處，但高壓發電機定子繞組采用高壓電纜繞制，使得發電機可以運行于高壓條件下(最高可達400 kV)，電機銅耗明顯降低，提高了功率變換器輸出電壓的等級，風電系統經變壓器升壓就可向電網輸電［13］。因省去了變壓器和傳動機構，電磁損耗較低，可靠性高。瑞士ABB公司就從事這方面的研究，并于1998年基于Powerformer技術研制了世界上臺高壓發電機。目前只有為數不多的風電系統采用這種發電機，如 ABB公司以Windformer技術開發的風電系統。

(7)儲能式發電機。

對于風電功率波動的問題，輸出功率較小的情況下，通過加設濾波電容(或儲能裝置)，利用濾波電容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波動;若輸出功率很大，波動明顯，電容器容量必須很大，導致電容體積、成本大幅增加，這對電容器的性能、穩定和可靠性要求很高，技術上實現不容易。利用儲能式發電機，其輸出功率的波動性將極大得到平緩控制，這就意味著風電功率波動導致大規模上網難這一技術難題能夠克服。這種電機容量很小，通常應用于各種高低壓斷路器中，目前湘電對船舶用大功率儲能電機的研制正在進行中，而在風力發電中的研究多處于理論階段，尚無法投入使用。常見風力發電機結構及性能比較如表4所示。

4 風力發電技術發展趨勢及前景

2010年《可再生能源法》的頒布實施，以及“十二五”規劃綱要中節能減排政策及制度的確立，為我國風電行業的發展提供了難得的契機，風電步入了快速發展時期。為了更有效、更大規模地利用風電，將來風力發電技術將呈現以下發展態勢。

表4 風力發電中常見發電機結構及性能比較Tab.4 Comparision of structure and performance of common generators in wind power generation system

(1)單機容量向大容量發展。

目前商業化主流機型都以MW級為主，單機容量可達5 MW以上。美國、英國和丹麥等國正在研制10 MW的巨型風力發電機。預計未來10年，將會有容量更大的巨型風力發電機面世。

(2)海上發電發展迅速。

相對于陸上風力發電，海上風力發電優勢更為明顯:發展空間幾乎沒有限制，可節約大量的土地資源;海上的風能資源遠比陸上豐富，風速更高，發電量將顯著提升;風切度小，可有效降低機組塔架高度，海上風電建設成本更低;海平面摩擦力小，作用在機組上的荷載小，機組使用壽命可長達50年;噪聲、鳥類、景觀以及電磁干擾等問題對海上風電影響小;對生態環境基本無影響，綠色環保。目前許多國家都制訂了大規模開發利用海上風能計劃，歐盟在該領域處于絕對優勢地位，占全球海上風電裝機容量的90%;中國華能集團新能源公司擬2011年下半年投資60億元在江蘇大豐C4國家潮間帶建立300 MW風能項目，屆時將成為世界上裝機規模最大的海上風電場，每年將產生約7.4億kW·h的清潔能源。

(3)定槳矩、恒速恒頻向變槳距、變速恒頻發展。

高風速下，變槳距調節可維持輸出功率穩定，有效減小機組承受的荷載，確保機組安全運行，延長機組使用年限;變速運行可使機組在風速改變時適時調整轉速并保持最佳，可實現風能利用率最大，具有適應能力強、發電效率高以及運行費用低等諸多特點。

(4)雙饋風電占主導，直驅式發展迅速。

雙饋風力發電由于技術上的優勢，仍是目前主流應用的風電機組類型，2009年全球新增風電機組中，雙饋型風電機組占80%以上，以丹麥Vestas公司的V80，V90為代表的雙饋型風電機組，在全球風電市場中所占的份額最大。

無齒輪箱直驅式永磁風力發電機省去了齒輪箱、傳動裝置等部件，降低了系統的成本，大大減小了系統運行噪聲，可靠性高，更便于維護。近些年直驅式風電發展迅速，2009年新增大型風電機組中，直驅式風電機組已超過17%。

(5)采用新的葉片技術。

要提高風電機組單機容量，通常采用延長葉片長度和提高塔架高度來實現，但對于巨型機而言，運輸和安裝的難度及成本將大幅增加，使風電機組容量進一步增大受到限制。因此，特殊葉片的開發和研制日益引起重視，分段式葉片技術是很好的選擇，能較好地解決運輸和安裝的問題，如德國Enercon公司的E-126型世界上功率最大的風電機組，風輪直徑126 m，塔高135 m，采用了兩段式葉片技術，但分段式葉片連接處的剛性斷裂問題則成為該技術應用的關鍵。葉片制造材料也至關重要，目前長度大于50 m的葉片一般采用強化碳纖維材料以增強葉片剛度;為了使葉片的氣動外形能夠快速變化，可采用智力材料如壓電材料;采用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制造葉片，可使葉片生產時間縮短50%。

(6)新型風力發電機開發和研制。

前面提及的無刷交流雙饋異步電機、開關磁阻發電機和高壓發電機，相對于傳統發電機具有明顯的優勢，從降低成本、提高可靠性以及便于維護而言，大力研制新型發電機也勢在必行。

(7)優化結構設計、提高可靠性。

從商業化運行角度看，風力發電機組使用壽命偏低，為了最大限度產生經濟效益，有必要使用更好的工藝、更先進的技術、更好的材料對機組結構及有關部件，如槳葉、發電機以及先進控制器等裝置的設計進行優化和改進，如德國ENERCON公司在改進槳葉后，葉片的Cp值可達0.5以上，不僅降低了機組的重量和制造成本，系統的可靠性、發電效率與機組的使用壽命也提高了。

(8)新型電力電子技術的廣泛使用。

1)電壓源換流器高壓直流輸電(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)風電場并網技術。采用VSC-HVDC技術聯網具有眾多優勢:各VSC可同時對有功和無功分別獨立控制，控制方式靈活多變;采用該技術并網，電網間互不干擾，發送端的頻率與接收端的相互獨立，可靠性高;輸電距離遠;功率輸送容量大且損耗低;黑暗啟動能力強;VSC-HVDC采用全控型器件，可工作于無源逆變方式，VSC無需交流側提供無功功率，甚至能夠起到STATCOM的作用，增強系統的電壓穩定性。瑞典是最早利用該技術的國家，目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、送電距離最遠、技術水平最先進的直流輸電工程為2010年投入運營的中國自主研發、設計和建設的向家壩—上海±800 kV特高壓直流輸電示范工程。現在丹麥、德國、美國和澳大利亞等國家采用了VSC-HVDC風電場并網技術。中國還處于可行性研究階段，2010年，上海南匯風電場柔性直流輸電示范工程建設已臨近尾聲，表明中國擁有自主知識產權的該項技術即將成功應用。

2)新型大功率變換器的研究及應用。隨著風電機組單機容量不斷提高，對功率變換器也提出了更高的要求。多電平變換器相對兩電平變換器具有很強的優勢，具有諧波含量低、電磁干擾小、對輸入濾波器要求低等特點;相對于兩電平變換器，其開關頻率能降低約25%，顯著降低了功率器件的開關損耗，大大提高了轉換效率，如高壓三電平變換器轉換效率可達98%以上。

3)新型儲能技術的應用。應用儲能技術也能起到維持電網頻率穩定的作用，目前常見的儲能設備包括蓄電池(如鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳電池以及鋅溴蓄電池)、飛輪、超級電容器、超導以及壓縮空氣等多種形式。新型儲能技術的研發日益受到人們的關注，將來在電力系統中有很好的應用和發展前景。

(9)聯網集中控制與管理。

風電一般大規模并列運行，對多個風電場或風電場中多個機組集中管理與聯網控制勢在必行。采用有線網絡，布線鋪設困難、成本高、占用空間，尤其當風電場規模擴大或改建時更為突出。風電場遠程監控系統應基于無線局域網技術，能方便實現風電機組的聯網管理，大大降低維護的難度和運行成本。

(10)智能化。

風電系統的智能化對風電機組的控制與檢測技術、建模與仿真研究、風功率預測和管理技術、故障診斷及預警系統、風電資源的優化配置與調度等諸多技術指標均提出了新的高要求，是未來風電技術研究的熱點之一。將先進傳感器、傳動系統與智能控制技術相結合的智能葉片技術，可快速適應風速變化，顯著提高發電效率，有效減小葉片荷載，降低機組制造成本，提高了機組的可靠性和使用壽命;智能偏導航系統，對風速及時、準確進行預測，使風輪迎風面始終與風向保持一致，風能利用率達到最大;風電智能控制系統能實現風電資源的智能調度和優化配置，可對電網吸納風電的能力進行實時評估，以此確定風電最大發電出力，獲得最佳經濟效益。2010年，中國首座大型集群風電有功智能控制系統在甘肅酒泉成功投入運營，風電的綜合利用效率大大提高。

(11)惡劣氣候環境下安全性的提高。

中國北方的沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海的臺風、鹽霧，西南地區的高海拔等惡劣氣候環境對風電機組造成很大的影響，縮短了機組使用壽命。因此，在風電機組設計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風電機組抗惡劣氣候環境的能力，減少損失。

(12)低電壓穿越技術得到應用。

隨著風電規模的不斷擴大，風電對電網的影響日益加深，當電網發生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網，將嚴重影響電力系統運行的穩定性。因此在電網故障出現電壓跌落時，要求風電發機組不脫網運行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復穩定運行(即低電壓穿越)。隨著風力發電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統對風力發電機組的低電壓穿越能力做出了規定，如美國規定風電場必須具有在電壓跌至15%額定電壓時能夠維持并網運行625 ms的低壓穿越能力，同時風電場電壓發生跌落后3 s內能夠恢復到額定電壓的90%時風電場必須保持并網運行，中國的標準略有不同，為20%的額定電壓。中國企業的風電機組產品也正按標準進行該項測試，2011年3月，中國廣西銀河集團自主研發的2.5 MW直驅永磁機組成功通過了低電壓穿越測試，成為國內第1家按照即將出臺的“新國標”完成該測試的企業。

(13)風電輸出預報技術提高。

國外對風電機組和風電場的短期及長期發電預測做了很多研究，取得了重大進步，預測精確度可達90%以上。中國可借鑒歐洲國家風能功率預測在推動風電大規模利用方面的成功經驗，大力開展有關研究工作，不斷提升預測技術水平和精度，大力提高電網接納風電的能力以及電網運行的經濟性。

5 結語

根據中國“十二五”能源發展產業規劃，風電作為我國今后大力重點發展的3類新能源之一，在今后將具有廣闊的發展和應用前景，風力發電在擺脫對化石能源的過度依賴、緩解中國能源緊缺、改善生態環境和擴大社會效益等方面將做出較大的貢獻。本文對風力發電的發展狀況，如風電系統的類型、風電系統中常用的發電機以及相關技術，如結構設計、遠程監控、低電壓穿越、新型并網技術等進行了探討，希望以此為我國風電行業的健康穩步發展提供參考。隨著風電技術的不斷變革以及機組制造工藝的持續改進，將來風力發電的競爭力必定逐漸提升，其發展前景廣闊。

［1］李俊峰，施鵬飛，高虎.2010中國風電發展報告［M］．海口:海南出版社，2010:3-24．

［2］ Global wind energy outlook 2010［R］．Belgium:Global wind energy council，Brussels，2010:1-10．

［3］中國可再生能源學會風能專業委員會.2009年中國風電整機制造業市場格局及發展態勢［J］．風能，2010(1):34-37．

［4］吳聶根，程小華．變速恒頻風力發電技術綜述［J］．微電機，2009，42(8):69-73．

［5］沙非，馬成廉，劉闖．變速恒頻風力發電系統及其控制技術研究［J］．電網與清潔能源，2009，25(1):44-70．

［6］李德孚．我國離網型風力發電行業發展狀況［J］．可再生能源，2009，27(3):4-6．

［7］蔣超奇，嚴強．水平軸與垂直軸風力發電機的比較研究［J］．上海電力，2007(3):163-165．

［8］孫云峰，田德，王海寬．垂直軸風力發電機的發展概況及趨勢［J］．農村牧區機械化，2008(3):42-44．

［9］李珊珊，何鳳有，呂現釗．變速恒頻交流電機風力發電技術［J］．電機與控制應用，2008，35(4):13-20．

［10］包廣清，施進浩，江建中．大功率直驅式變速恒頻風力發電技術綜述［J］．微特電機，2008，36(9):52-60．

［11］何東升，劉永強，王亞．并網型風力發電系統的研究［J］．高電壓技術，2008，34(2):142-150．

［12］董萍，吳捷，陳淵睿．新型發電機在風力發電系統中的應用［J］．微特電機，2004(7):13-17．

［13］魏偉．風力發電及相關技發展現狀和趨勢［J］．電氣技術，2008(8):5-11．

［14］王志新，張華強．風力發電及其控制技術新進展［J］．低壓電器，2009(19):2-9．

［15］劉珊，句麗華，劉燕．海上風力發電［J］．中國科技博覽，2010(21):104．

［16］林組建．風力發電技術及其發展動向［J］．電力與電工，2010，30(2):34-40．

［17］高佳亮．電力電子系統在風能電網中應用與展望［J］．中國科技博覽，2009(2):78-79．

［18］王曉雪．發電機在風力發電系統中的應用［J］．大電機技術，2009(4):1-4．

［19］李輝，薛玉石，韓力．并網型風力發電系統的發展綜述［J］．微特電機，2009(5):56-64．

［20］魏偉，許勝輝．風力發電及其相關技術綜述［J］．微電機，2009，42(4):67-71．

［21］劉細平，林鶴云．風力發電機及風力發電控制技術綜述［J］．大電機技術，2007(3):18-23．

［22］羅如意，林曄，錢野．世界風電產業發展綜述［J］．可再生能源，2010，28(2):15-19．

［23］蔣莉萍．2008年國內外風電發展情況綜述［J］．電力技術經濟，2009，21(2):12-16．

［24］王孚懋，郭曉斌，衣秋杰．我國大型風電技術現狀與展望［J］．現代制造技術與裝備，2010(2):1-4．

［25］ Liang Wei，Liu Weiguo．Key technologies analysis of small scale non-grid-connected wind turbines:a review［C］//IEEE World Nongrid Connected Wind Power and Energy Conference，Nanjing，China，2010．

［26］Hyong S K，Liu D．Review on wind turbine generators and power electronic converters with the grid connection issues［C］//IEEE the 20th Australasian Unversities PowerEngineering Conference，Christchurch，New zealan，2010．

［27］Shukla R D，Tripathi R K，Gupta S．Power electronics applications in wind energy conversion system:a review［C］//IEEE Power，Control and Embedded Systems InternationalConference，Allahabad，India，2010．

［28］Yan Y，Xia C L，Song Zhangfeng．Assessing the growth and furture prospect of wind power in China［C］//IEEE Electrical and Control Engineering International Conference，Wuhan，China，2010．

［29］Leao R P，Antunes F L，Lourencoe K R．A comprehensive overview on wind power integration to the power grid［J］．IEEE Latin America Transactions，2009，7(6):620-629．

［30］Chen Zhe，Josep M G，Frede B．A review of the state of the art of power electronics for wind turbines［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(8):1859-1878．

［31］Milivojevic N，Stamenkovic I，Schofield N．Elecrical machines and power electronic drives for wind turbine applicaitons［C］//IEEE 34thIndustrial Electronics Annual Conference，Orlando，USA，2008．

［32］Lars G，Lars L，Heinz L．Wind energy power that be successor generation in gloablization［J］．IEEE Transactions on energy conversion，2007，22(1):13-28．

［33］Wu Y K，Hong Jingshan．A literature review of wind forecasting technology in the world［C］//IEEE Power Technology，Lausanne，Switzerland，2007．

［34］Wang C，WangL M，Shi Libao．A surveyonwindpower technologies in power systems［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，Tampa，USA，2007．