大規模可再生風力發電技術發展綜述

陳永明，周小磊，韓立洋，林 萍，顧春雷

鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224051

大規模可再生風力發電技術發展綜述

陳永明，周小磊，韓立洋，林 萍，顧春雷

鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224051

在目前的可再生能源中，大規模風力發電已經占據主導地位，各個國家都投入大量的經費來支持研發風力發電新技術和新產品。文章首先介紹我國風力發電的歷史以及研發狀況，接著論述了風力發電機組及其發電技術相關內容，最后對我國風力發電技術發展前景做出了展望。

大規模風力發電；可再生能源；發電機組

風能是具有非常大潛力的可再生能源，我國是使用風能最早的國家之一，其中使用帆式風車已經有1700多年的歷史。風力發電機的結構主要包括有風輪轉子、發電機機艙、安全限速裝置、風機機架、風能蓄電裝置、液壓系統、傳動機構等七部分構成。目前普遍采用的風力發電機包括同步交流發電機、異步交流發電機和直流發電機三種。采用發展風力發電其中可以減少對石化能源的依賴，減少化學物質的排放量可以保護我們地球的環境。隨著大規模可再生風力發電技術不斷進步，在不久的將來清潔可再生風能將會變成我們生活中不可缺少的資源。因此，國內外許多國家都十分重視發展這一新型的可再生發電技術—風力發電技術。加快我國風電項目建設，對于促進我國沿海地區治理大氣霧霾、調整能源結構和轉變經濟發展方式具有重要意義[1]。

1 我國風力發電的歷史及現狀

1.1 我國風力發電的歷史

20世紀50年代，我國在現有的風車技術水平上開始有摸索的研制風力發電機組，從而初步建立對風力發電機組的認知；60年代，我國將風力提水機組作為重點項目來發展，并且取得非常好的效果。70年代開始，我國建立新能源研發中心，開始組織并投入大量的人力、物力和財力來研發小型風力發電機組，并取得了較快的進展，生產出我國自主研發的小型風力發電機組，并在風力資源豐富的草原地區研發使用。但是在很長一段時間內，風力發電機組的受到技術水平的限制，僅僅在小規模的風力發電機組上研發和使用，并沒有形成大規模并網發電的。

1.2 風力發電的現狀

據中國產業調研網發布的中國風力發電報告顯示：在2013年，我國新增的風力發電并網容量達到1448萬千瓦，累計并網容量達到7715萬千瓦，與往年相比增加了23%。目前我國中央政府和地方政府部門都開始制定相關風力發電發展計劃，通過增加風電發電基地建設，增加風電發電研究經費投入等措施來促進風電產業的發展。從2014年風電發電相關數據可以發現，我國在風能利用率水平上有所提升，我國風力發電平均利用風能率高達92%，同比往年上升4個百分點，風能利用率達近年來最高值。隨著我國一系列的政策落實以及對電網投入大量資金重新建設，風力發電的裝機數量在未來幾年將會有大幅度的突破[2]。

2 我國風力發電機類型

2.1 按儲能容量劃分

風速的大小影響著發電機輸出功率的大小，風速的穩定性直接影響著發電機輸出功率的穩定性。目前我國采用儲能電池通常為鉛酸蓄電池，根據風力發電產生的儲能容量風力發電機組被劃分為如下4種種類：容量在0.1到1千瓦之間的為小型風力發電機組，容量在1到1000千瓦之間的為中型風力發電機組，容量在1000到10000千瓦之間的為大型風力發電機組，容量在10000千瓦以上被視為巨型風力發電機組。

2.2 根據輪軸的安裝方式

現階段使用的風力發電機的風輪是由兩個或三個風葉片組合而成。調向器主要控制風力發電機中風輪的方向，使風輪能夠獲得最好的風能。風力發電機組的安全限速裝置機構可以讓風力發電機組安全和平穩地運行，風機的支撐塔基被用于將風力發電機組提升到更高的高度，從而可以獲得更多的風能來驅動風力發電機組，塔基的結構也將決定發電機組的容量和輪軸的安裝方式，目前普遍采用的安裝方式有垂直軸安裝風力發電機和水平軸安裝的風力發電機組。

1）水平軸式安裝的風力發電機。水平軸式安裝的風力發電機一般由塔基和塔基上部搭載的工作翼艙構成。工作翼艙里一般會布置有齒輪調速系統、液壓系統、發電機系統等機構。一般的風機上安裝的翼片數有3到6個。水平軸式安裝的風力發電機上安裝調向裝置是為了讓風機上安裝的翼片最優的迎風角度，從而使得風機產生更大的響應容量。目前水平軸式安裝的風力發電機技術比較成熟，許多風電站都采用水平軸式安裝的風力發電機來產生電能。

2）垂直軸式安裝的風力發電機。20世紀30年代研制出了垂直軸式安裝的風力發電機。垂直軸式安裝的風力發電機可以分別利用翼型升力和空氣阻力做功來輸出電能。Darrieus 型風機為其中一類具有典型代表性的風力發電機，常見有Y 型、H 型、菱形等多種類型。S型風輪是第二類風機的典型結構，它由兩個軸線錯開的半圓柱形組成，其主要優點是起動時轉矩較大[3]。

2.3 按調節輸出功率的形式不同劃分

1）定槳距型。固定輪轂和槳葉而且轉速和槳距角不變的風力發電機被稱為定槳距風力發電機。槳距角度不能根據外界的風速進行相應的變化而調整，如果風機的額定轉速低于額定外界的風速，葉片就會失速，從而造成的輸出功率降低。目前使用的定槳距型風力發電機的體積相對較大、功率系數較低且停止后不易啟動[4]。

2）變槳距型。目前使用的大型變槳距風力發電機組除了進行槳距控制以外，還有根據發電機轉差率控制發電機轉子電流來控制發電機轉的速度在一定范圍內迅速響應風速的變化類吸收變化的風能，讓輸出功率的曲線更加穩定[5]。

3 結語

我國目前應加強大規模可再生風力發電核心技術的研究，改進風力發電機的結構和性能，通過動態無功調節能力和主動調控的能提升大規模可再生風力發電有功功率輸出，使其能夠滿足電力系統電網并聯運行要求，進而使得我國大規模可再生風力發電技術達到世界領先水平。

[1]蔣宏春.風力發電技術綜述[J].機械設計與制造，2010（9）：250-251.

[2]高坤，李春，高偉，等.新型海上風力發電及其關鍵技術研究[J].能源研究與信息，2010（2）：110-116.

[3]Hilloowala R M，Sharaf A M. A rule-based fuzzy logic controller for a PWM inverter in a stand alone wind energy conversion scheme[J].Industry Applications IEEE Transactions on，1996，32：57-65.

[4]李國慶.變速恒頻風力發電關鍵技術分析[J].中國科技縱橫，2014（14）：207-207.

[5]侯喆瑞，張鑫，張嵩.風力發電的發展現狀與關鍵技術研究綜述[J].智能電網，2014（2）：12-14.

TM6

A

1674-6708（2015）150-0033-02

國家自然科學基金項目 (31501221)；江蘇省自然科學基金資助項目（BK20140467）；江蘇省高校自然科學研究面上項目（13KJB210006）；鹽城市農業科技指導性計劃項目(YKN2014009, YKN2014010)；鹽城工學人才引進項目（KJC2014007，KJC2014006）；鹽城工學院校級培育項目（XKY2013013，XKY2014056，XKY2014055），鹽城工學院實驗室開放項目聯合資助