風(fēng)電技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

趙尊立 西北有色地質(zhì)勘查局七一三總隊(duì)

風(fēng)電技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

趙尊立 西北有色地質(zhì)勘查局七一三總隊(duì)

綜述目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的背景和現(xiàn)狀，闡述風(fēng)電發(fā)展的特點(diǎn)與設(shè)備制造技術(shù)現(xiàn)狀，介紹了幾種典型的風(fēng)電模型，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，展望未來的發(fā)展方向，為風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。

風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電模型；高空風(fēng)電

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

眾所周知，風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性差的能源，保證運(yùn)行的可靠性與安全性，提高風(fēng)力發(fā)電的品質(zhì)和效率，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用時(shí)間，是研究風(fēng)電的根本所在。

1996年國(guó)家計(jì)委實(shí)施了“乘風(fēng)計(jì)劃”，引進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)建風(fēng)電場(chǎng)，促進(jìn)我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。發(fā)展中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)及生活提供電力。

2010年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4473萬千瓦，超過美國(guó)躍居世界第一，與此同時(shí)，海上風(fēng)力發(fā)電也開始起步。

1 風(fēng)力發(fā)電原理及模型

1.1 風(fēng)力發(fā)電的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的過程，風(fēng)力吹動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，通過增速機(jī)構(gòu)加速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的電能通過升壓器輸送到電網(wǎng)中。

圖1為風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)圖，由風(fēng)機(jī)及其控制器、轉(zhuǎn)軸、換流器、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，風(fēng)速V作為該系統(tǒng)的輸入信號(hào)，風(fēng)機(jī)控制器將其作為參考值從而進(jìn)行輸出槳距角、定位跟蹤等一系列的控制，輸出功率P經(jīng)過換流器送到變壓器中，最終并到電網(wǎng)中。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖

1.2 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類繁多，但根據(jù)其葉輪在風(fēng)流中的位置可分為兩大類：水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)機(jī)由于具有風(fēng)輪掃掠面積大、風(fēng)能利用率高、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)成為目前的主流風(fēng)機(jī)。本文所介紹內(nèi)容均以水平軸風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)。

如圖2所示為常見的水平軸風(fēng)機(jī)模型。

圖2 水平軸風(fēng)機(jī)模型

2 典型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

2.1 定速籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

如圖3所示，系統(tǒng)有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、籠型發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)裝置、電容器以及變壓器組成。該系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。

圖3 恒速鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

圖4 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

該系統(tǒng)在正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由發(fā)電機(jī)的極數(shù)和齒輪箱決定，如果有雙速電動(dòng)機(jī)則可以在兩個(gè)不同的速度下運(yùn)行。為了防止系統(tǒng)啟動(dòng)和停止時(shí)有過大的電流變化，中間加有軟啟動(dòng)裝置。該系統(tǒng)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(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、維修方便、造價(jià)低。存在的缺點(diǎn)是：輸出功率波動(dòng)較大、葉片和輪轂剛性連接，速度波動(dòng)大時(shí)易產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊。

2.2 變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

雙饋式風(fēng)力機(jī)是變速機(jī)的一種，其模型如圖4所示。

系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)、感應(yīng)機(jī)、齒輪箱、PWM變頻器和直流側(cè)電容器。

該系統(tǒng)引入轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁變流器來控制轉(zhuǎn)子的電流。轉(zhuǎn)子的電流頻率為轉(zhuǎn)差頻率，其跟隨轉(zhuǎn)子的變化而變化，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)都能保持發(fā)電狀態(tài)。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）可以連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率高。

（2）部分功率變換，變流器成本相對(duì)較低。

（3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率系數(shù)高）

（4）并網(wǎng)簡(jiǎn)單，無沖擊電流。

（5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

其存在的不足主要表現(xiàn)在雙向變流器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜、電刷和滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。

2.3 變速同步發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)也屬于變速發(fā)電系統(tǒng)的一種，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 變速同步發(fā)電系統(tǒng)

系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、齒輪箱、全功率變頻器、直流側(cè)電容等。在該機(jī)組在低速多極同步發(fā)電時(shí)不使用齒輪箱。即“直接驅(qū)動(dòng)”風(fēng)力系統(tǒng)。

與雙饋式風(fēng)機(jī)不同，此系統(tǒng)輸出功率可通過全功率變頻器輸送到電網(wǎng)中，與電網(wǎng)隔絕，因此在不影響電網(wǎng)頻率的前提下可以在兩個(gè)不同頻率下運(yùn)行。

其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

（1）在系統(tǒng)故障時(shí)可以提供無功支持，提高電網(wǎng)動(dòng)特性。（2）采用變槳距控制，提高風(fēng)能利用率。（3）可以向邊遠(yuǎn)地區(qū)無源網(wǎng)絡(luò)供電，體現(xiàn)出輕型直流輸電的優(yōu)勢(shì)。

以上三種系統(tǒng)代表了風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)，籠型異步發(fā)電機(jī)成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將扮演重要角色；雙饋異步發(fā)電機(jī)具有最高的性價(jià)比，特別適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。將在未來數(shù)年內(nèi)成為風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品；直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量。

3 風(fēng)力發(fā)電的趨勢(shì)

3.1 單機(jī)容量逐漸加大

目前，兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組以成為風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，其市場(chǎng)份額已從1997年的不足10%猛增到2010年的95%。世界上運(yùn)行的最大風(fēng)機(jī)單機(jī)容量已達(dá)5MW，6MW的風(fēng)電機(jī)組也已研制成功。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)逐漸從陸地轉(zhuǎn)向近海

據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)以及世界自然基金會(huì)的估算，在離海岸線100千米，中心高度100米的范圍內(nèi)，每秒7米以上的風(fēng)力持續(xù)時(shí)間平均是陸地的3～4倍。此外，海上風(fēng)電靠近傳統(tǒng)電力負(fù)荷中心，便于電網(wǎng)消納，可以減少長(zhǎng)距離輸電的煩惱。海上發(fā)電的諸多優(yōu)勢(shì)注定了風(fēng)電場(chǎng)必定會(huì)向近海轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

3.3 高空風(fēng)力發(fā)電

現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備存在高度低、風(fēng)能利用有限、風(fēng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的問題。在1000米以上的高空，風(fēng)功率密度可高達(dá)10kw以上，利用高空風(fēng)力資源將成為風(fēng)電技術(shù)的領(lǐng)域的迫切任務(wù)。也是將來風(fēng)電發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 向聚能型風(fēng)機(jī)發(fā)展

所謂聚能型風(fēng)機(jī)就是在風(fēng)機(jī)葉輪前方加上集風(fēng)裝置，集風(fēng)裝置起到風(fēng)力加速、整流風(fēng)向的作用。速度的提高使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率大大增加，同時(shí)在提高風(fēng)機(jī)效率的同時(shí)可以有效降低風(fēng)機(jī)塔架高度或者改用框架式整體結(jié)構(gòu)。提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和牢固性。聚能型風(fēng)機(jī)評(píng)價(jià)其獨(dú)到的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新已越來越受到人們的重視。我國(guó)在聚能型風(fēng)機(jī)的研究中處于領(lǐng)先水平，產(chǎn)品已銷往國(guó)外。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.005