風力發電相關問題研究

戴高昕

（華中科技大學 電子與電氣工程學院，湖北 武漢430074）

1 引言

隨著全球人口數量的上升和經濟規模的不斷增長，世界范圍內對能源需求持續增加，化石能源、生物能源等常規能源使用帶來的環境問題日益突出，在此背景下，低碳經濟即以低能耗、低污染、低排放為基礎的能源經濟發展模式應運而生，風力發電作為清潔能源的一種，是適應當前經濟下國際能源發展的新型發電技術，有著得天獨厚的優勢：風能分布廣泛，蘊藏量巨大，是一種可再生資源，有利于可持續發展；風力發電無溫室氣體排放，清潔無污染，完全符合低碳經濟低能耗、低污染、低排放的要求；風力發電施工周期短，占地少。

風力發電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風力發電技術是一種利用風能驅動風機槳葉，進而帶動發電機組發電的能源技術。由于風能儲量豐富、用之不竭、無污染等特點，被各國廣泛重視，紛紛投入大量的人力、物力、財力來發展風力發電技術。根據國際新能源網的有關資料顯示，迄今為止，世界上已有82個國家在積極開發和應用風能資源。目前，風電發展正在不斷超越其預期的發展速度而發展，并一直保持著世界增長最快能源的地位。

2 我國風力發電的現狀

1986年，在山東榮成建成了我國第一座并網運行的風電場，安裝了3臺55kW風電機組，隨后，我國的風力發展迅速，建設規模不斷擴大。我國1989年底的年風電總裝機容量僅4 200kW，1993年為1.71萬kW，1996年后，風力發電進入了擴大建設規模的階段，最大單機容量為1 500kW，1998年風電總裝機容量增至22.6萬kW。到2003年底，中國已經在14個省、自治區建立了40個風電場，安裝的風電機組累計1 061臺，總裝機容量達到568.41MW，約占中國電力總裝機量的0.15%。在2005年到2009年的5年期間，每年的增長率都超過了百分之百，風電占全國電力總裝機比例在不斷提高（表1）。

表1 2005～2009年我國風電增長情況

隨著風電規模的快速擴大，技術水平的不斷提高，在2008年，我國中小型發電行業得到了快速發展，至2008年底，據不完全統計，我國中小型發電機組開發、研制、生產的單位達到了74家，共有19種風 力 發 電 機 型：1kW、2kW、3kW、4kW、5kW、10kW、15kW、20kW、100kW，150kW、200kW、300kW、400kW、600kW。年生產力為8萬臺左右。而在大型機組方面，我國已具備批量生產1.5MW級風電機組的能力，2MW和3MW風機也已經投入運行，5MW或者更大功率的風機也正在研發之中。

從2005年開始，我國的風電總裝機連續5年實現翻番。截至2010年底，我國新增風電裝機1 600萬kW，累計裝機容量達到4 182.7萬kW，均居世界第一，其中3 100萬kW裝機實現并網發電。

風電的快速發展，與國家政策的支持、市場化運作模式、風電技術水平提高是密不可分的。我國政府非常重視風電能源的開發，不斷加大投入的力度支持風力發電技術的開發。很顯然，經過多年的技術積累和資本投入，國內風電設備生產水平不斷提高，兆瓦級風機、海上風機等科技難關被相繼攻克。風電設備的國產化，帶動了國內風電技術水平和運營質量的快速提升。目前，我國風力發電采用的是世界主流技術。

3 世界風力發電技術的特點

3.1 水平軸風電機組技術成為主流技術

水平軸風電機組技術，因其具有風電轉換效率高、轉軸較短，在大型風電機組上更顯出經濟性等優點，使水平軸風電機組成為世界風電發展的主流機型，并占到95%以上的市場份額。同期發展的垂直軸風電機組因轉軸過長、風能轉換效率不高，啟動停機和變漿困難等問題，目前市場份額很小、應用數量有限，但由于其全風向對風、變速裝置及發電機可以置于風輪下方或地面等優點，近年來，國際上相關研究和開發也在不斷進行并取得一定進展。

3.2 變槳距調節成為氣動功率調節的主流方式

變槳調節技術是根據風速的變化調整風輪葉片的安裝角，當風速大于額定風速時，風機組仍可以保持穩定的輸出功率。很明顯，變槳距功率調節方式具有載荷控制平穩、安全和高效等優點。目前，絕大多數的風力發電機采用這種技術。2009年，在全球所安裝的風電機組中有95%的風電機組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國2009年安裝的MW級風電機組中，也全部是變槳距機組。2MW以上的風電機組大多采用3個獨立的電控調槳機構，通過3組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環控制。

3.3 變速恒頻發電系統將取代恒頻恒速發電系統

風電的特點和常規發電相比主要是有功功率是波動的。有功功率是根據風速變化而變化，不像常規火電、水電，主要是按照電力系統調度的需求來發電的。變速恒頻發電機就是根據風速變化來調節發電機轉速，以適應風速變化引起的風電機功率的變化，最大限度地利用風能，因而效率比較高，同時有較好的調節系統的有功功率、無功功率。因此變速恒頻發電系統迅速取代風能轉換效率較低的恒頻恒速發電系統。

4 我國風力發電技術存在的問題

4.1 風力發電機組控制系統滯后

控制技術是鋒利發電機組安全高效運行的關鍵。風力發電機組是復雜多變量非線性系統，具有不確定性和多干擾等特點。風力發電控制系統的基本目標為保證可靠運行，獲得最大能量，提供良好電力質量，延長機組壽命。其作用在于實現功率優化、結構動力學穩定、氣彈穩定、減緩疲勞載荷等智能控制策略，同時確保風電機組在電力系統中的穩定運行。但是由于風力發電的不穩定性，風電無法像火電，核電等常規能源進行安排控制，增加了電網穩定運行控制和調度的難度。從風電機組電子控制上來講，當風機處于狂風狀態時，可以自動調節風輪葉片自動卸載，使葉片與風向平行，這樣葉片受到風的作用力最小，也就抵抗了風的破壞作用。但風電機在臺風中損毀，說明風電機的控制系統還不可靠，并存在嚴重缺陷。我國風電機組控制系統滯后性必然會造成一定的風險。

4.2 并網技術問題凸現

隨著風能大規模的開發和并網，風電功率的波動性和隨機性對電網的沖擊逐步顯現出來。風電不像火電、水電，風電時有時無，并是很穩定，風電占總電網不能大于5%，如果超過5%，就會干擾電網質量。電網很強，風力發電很容易被消納，因此我國風力發電將面臨著電網不堪重負的問題，這是一個迫切需要解決的問題。并網的瓶頸將嚴重影響風電產業的發展。國外發電機主要采用分散入網方式，當處于風速和風向變化很大的強風狀態時，風電機不穩定，不能滿足并網條件，此時風電機可以隨時脫網；風電機穩定后，又可以隨時并網，并且電網很強，不會對電網造成太大沖擊。而我國的情況卻與此相反，風力發電機組大多采用軟并網方式。由于風電的不連續性和不穩定性，風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動，而其波動正好處在能夠產生電壓閃變的頻率范圍之內。因此，風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題，影響電能質量。

5 結語

風力發電技術是一個多學科的綜合性高技術系統工程。先進的風力發電機組控制系統會提高機組容量、改善風電質量、提高風電系統的效率和提高抗風險的能力。針對當前風電大規模并網對電網運行的沖擊，加大并網技術的研發，探討如何通過機組設計和運行調度來實現風電大規模并入后電網的穩定可靠運行。

隨著陸上優質風資源圈占完畢，海上風資源競爭愈見激烈。海上風電既是國際能源開發的潮流，也是中國風電未來的開發重點。海上風電場是風電技術的發展方向之一。

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