風電技術的現狀與展望

趙尊立 西北有色地質勘查局七一三總隊

風電技術的現狀與展望

趙尊立 西北有色地質勘查局七一三總隊

綜述目前國內外風力發電的背景和現狀，闡述風電發展的特點與設備制造技術現狀，介紹了幾種典型的風電模型，比較了它們的優缺點，展望未來的發展方向，為風電技術的進一步研究提供參考。

風力發電；風電模型；高空風電

隨著世界石油資源的日益匱乏,風能作為一種清潔的可再生能源而逐漸被人們重視，開發和利用風能資源不僅可以為21世紀尋找新的替代能源,而且有利于環境保護。

眾所周知，風能是一種能量密度低、穩定性差的能源，保證運行的可靠性與安全性，提高風力發電的品質和效率，延長風機的使用時間，是研究風電的根本所在。

1996年國家計委實施了“乘風計劃”，引進大型風力發電機建風電場，促進我國大型風力發電機的發展。發展中小型風力發電機可以為偏遠地區的生產及生活提供電力。

2010年底，我國風電累計裝機容量達到4473萬千瓦，超過美國躍居世界第一，與此同時，海上風力發電也開始起步。

1 風力發電原理及模型

1.1 風力發電的原理及系統結構

風力發電是將風能轉化為機械能進而機械能再轉化為電能的過程，風力吹動葉片旋轉，通過增速機構加速后帶動發電機轉動，產生的電能通過升壓器輸送到電網中。

圖1為風力發電結構圖，由風機及其控制器、轉軸、換流器、發電機等構成，風速V作為該系統的輸入信號，風機控制器將其作為參考值從而進行輸出槳距角、定位跟蹤等一系列的控制，輸出功率P經過換流器送到變壓器中，最終并到電網中。

圖1 風力發電系統圖

1.2 風機傳動模型

風力發電機種類繁多，但根據其葉輪在風流中的位置可分為兩大類：水平軸風機和垂直軸風機。水平軸風機由于具有風輪掃掠面積大、風能利用率高、風電機組結構緊湊等優點成為目前的主流風機。本文所介紹內容均以水平軸風機為基礎。

如圖2所示為常見的水平軸風機模型。

圖2 水平軸風機模型

2 典型發電機系統

2.1 定速籠型異步發電機系統

如圖3所示，系統有風力機、齒輪箱、籠型發電機、啟動裝置、電容器以及變壓器組成。該系統是目前應用最廣泛的一種系統。

圖3 恒速鼠籠式風力發電機

圖4 雙饋式風力發電機

該系統在正常工作時，風機恒速運行，發電機的轉速由發電機的極數和齒輪箱決定，如果有雙速電動機則可以在兩個不同的速度下運行。為了防止系統啟動和停止時有過大的電流變化，中間加有軟啟動裝置。該系統最常用的控制的控制方式為定槳距控制和失速控制。

該系統的突出優點是：結構簡單、控制方便、維修方便、造價低。存在的缺點是：輸出功率波動較大、葉片和輪轂剛性連接，速度波動大時易產生較大的機械沖擊。

2.2 變速恒頻雙饋發電機系統

雙饋式風力機是變速機的一種，其模型如圖4所示。

系統包括風力機、感應機、齒輪箱、PWM變頻器和直流側電容器。

該系統引入轉子交流勵磁變流器來控制轉子的電流。轉子的電流頻率為轉差頻率，其跟隨轉子的變化而變化，通過調節轉子電流的相位，控制轉子磁場領先于由電網電壓決定的定子磁場，從而在轉速高于和低于同步轉速時都能保持發電狀態。

該系統的優點有：

（1）可以連續變速運行，風能轉化率高。

（2）部分功率變換，變流器成本相對較低。

（3）電能質量好（輸出功率平滑，功率系數高）

（4）并網簡單，無沖擊電流。

（5）降低槳距控制的動態響應要求。

其存在的不足主要表現在雙向變流器結構和控制較復雜、電刷和滑環間存在機械磨損。

2.3 變速同步發電系統

該系統也屬于變速發電系統的一種，其結構圖如圖5所示。

圖5 變速同步發電系統

系統包括風力機、同步發電機、齒輪箱、全功率變頻器、直流側電容等。在該機組在低速多極同步發電時不使用齒輪箱。即“直接驅動”風力系統。

與雙饋式風機不同，此系統輸出功率可通過全功率變頻器輸送到電網中，與電網隔絕，因此在不影響電網頻率的前提下可以在兩個不同頻率下運行。

其優勢主要體現在：

（1）在系統故障時可以提供無功支持，提高電網動特性。（2）采用變槳距控制，提高風能利用率。（3）可以向邊遠地區無源網絡供電，體現出輕型直流輸電的優勢。

以上三種系統代表了風電的發展趨勢，籠型異步發電機成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風力發電系統中將扮演重要角色；雙饋異步發電機具有最高的性價比，特別適合于變速恒頻風力發電。將在未來數年內成為風電市場上的主流產品；直驅型同步風力發電機及其變流技術發展迅速，利用新技術有望大幅度減小低速發電機的體積和重量。

3 風力發電的趨勢

3.1 單機容量逐漸加大

目前，兆瓦級的風電機組以成為風電市場上的主流產品，其市場份額已從1997年的不足10%猛增到2010年的95%。世界上運行的最大風機單機容量已達5MW，6MW的風電機組也已研制成功。

3.2 風電場逐漸從陸地轉向近海

據中國風能協會以及世界自然基金會的估算，在離海岸線100千米，中心高度100米的范圍內，每秒7米以上的風力持續時間平均是陸地的3～4倍。此外，海上風電靠近傳統電力負荷中心，便于電網消納，可以減少長距離輸電的煩惱。海上發電的諸多優勢注定了風電場必定會向近海轉移的趨勢。

3.3 高空風力發電

現有的風力發電設備存在高度低、風能利用有限、風動機轉速低，難以實現對發電機直接驅動的問題。在1000米以上的高空，風功率密度可高達10kw以上，利用高空風力資源將成為風電技術的領域的迫切任務。也是將來風電發展的一大趨勢。

4 向聚能型風機發展

所謂聚能型風機就是在風機葉輪前方加上集風裝置，集風裝置起到風力加速、整流風向的作用。速度的提高使風力發電機的單機功率大大增加，同時在提高風機效率的同時可以有效降低風機塔架高度或者改用框架式整體結構。提高了風力發電機組的穩定性和牢固性。聚能型風機評價其獨到的結構創新已越來越受到人們的重視。我國在聚能型風機的研究中處于領先水平，產品已銷往國外。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.005