风力发电相关问题研究

戴高昕

（华中科技大学 电子与电气工程学院，湖北 武汉430074）

1 引言

随着全球人口数量的上升和经济规模的不断增长，世界范围内对能源需求持续增加，化石能源、生物能源等常规能源使用带来的环境问题日益突出，在此背景下，低碳经济即以低能耗、低污染、低排放为基础的能源经济发展模式应运而生，风力发电作为清洁能源的一种，是适应当前经济下国际能源发展的新型发电技术，有着得天独厚的优势：风能分布广泛，蕴藏量巨大，是一种可再生资源，有利于可持续发展；风力发电无温室气体排放，清洁无污染，完全符合低碳经济低能耗、低污染、低排放的要求；风力发电施工周期短，占地少。

风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力、物力、财力来发展风力发电技术。根据国际新能源网的有关资料显示，迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。目前，风电发展正在不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持着世界增长最快能源的地位。

2 我国风力发电的现状

1986年，在山东荣成建成了我国第一座并网运行的风电场，安装了3台55kW风电机组，随后，我国的风力发展迅速，建设规模不断扩大。我国1989年底的年风电总装机容量仅4 200kW，1993年为1.71万kW，1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，最大单机容量为1 500kW，1998年风电总装机容量增至22.6万kW。到2003年底，中国已经在14个省、自治区建立了40个风电场，安装的风电机组累计1 061台，总装机容量达到568.41MW，约占中国电力总装机量的0.15%。在2005年到2009年的5年期间，每年的增长率都超过了百分之百，风电占全国电力总装机比例在不断提高（表1）。

表1 2005～2009年我国风电增长情况

随着风电规模的快速扩大，技术水平的不断提高，在2008年，我国中小型发电行业得到了快速发展，至2008年底，据不完全统计，我国中小型发电机组开发、研制、生产的单位达到了74家，共有19种风 力 发 电 机 型：1kW、2kW、3kW、4kW、5kW、10kW、15kW、20kW、100kW，150kW、200kW、300kW、400kW、600kW。年生产力为8万台左右。而在大型机组方面，我国已具备批量生产1.5MW级风电机组的能力，2MW和3MW风机也已经投入运行，5MW或者更大功率的风机也正在研发之中。

从2005年开始，我国的风电总装机连续5年实现翻番。截至2010年底，我国新增风电装机1 600万kW，累计装机容量达到4 182.7万kW，均居世界第一，其中3 100万kW装机实现并网发电。

风电的快速发展，与国家政策的支持、市场化运作模式、风电技术水平提高是密不可分的。我国政府非常重视风电能源的开发，不断加大投入的力度支持风力发电技术的开发。很显然，经过多年的技术积累和资本投入，国内风电设备生产水平不断提高，兆瓦级风机、海上风机等科技难关被相继攻克。风电设备的国产化，带动了国内风电技术水平和运营质量的快速提升。目前，我国风力发电采用的是世界主流技术。

3 世界风力发电技术的特点

3.1 水平轴风电机组技术成为主流技术

水平轴风电机组技术，因其具有风电转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到95%以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动停机和变浆困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。

3.2 变桨距调节成为气动功率调节的主流方式

变桨调节技术是根据风速的变化调整风轮叶片的安装角，当风速大于额定风速时，风机组仍可以保持稳定的输出功率。很明显，变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点。目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术。2009年，在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组采用了变桨变速方式，而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中，也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构，通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

3.3 变速恒频发电系统将取代恒频恒速发电系统

风电的特点和常规发电相比主要是有功功率是波动的。有功功率是根据风速变化而变化，不像常规火电、水电，主要是按照电力系统调度的需求来发电的。变速恒频发电机就是根据风速变化来调节发电机转速，以适应风速变化引起的风电机功率的变化，最大限度地利用风能，因而效率比较高，同时有较好的调节系统的有功功率、无功功率。因此变速恒频发电系统迅速取代风能转换效率较低的恒频恒速发电系统。

4 我国风力发电技术存在的问题

4.1 风力发电机组控制系统滞后

控制技术是锋利发电机组安全高效运行的关键。风力发电机组是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标为保证可靠运行，获得最大能量，提供良好电力质量，延长机组寿命。其作用在于实现功率优化、结构动力学稳定、气弹稳定、减缓疲劳载荷等智能控制策略，同时确保风电机组在电力系统中的稳定运行。但是由于风力发电的不稳定性，风电无法像火电，核电等常规能源进行安排控制，增加了电网稳定运行控制和调度的难度。从风电机组电子控制上来讲，当风机处于狂风状态时，可以自动调节风轮叶片自动卸载，使叶片与风向平行，这样叶片受到风的作用力最小，也就抵抗了风的破坏作用。但风电机在台风中损毁，说明风电机的控制系统还不可靠，并存在严重缺陷。我国风电机组控制系统滞后性必然会造成一定的风险。

4.2 并网技术问题凸现

随着风能大规模的开发和并网，风电功率的波动性和随机性对电网的冲击逐步显现出来。风电不像火电、水电，风电时有时无，并是很稳定，风电占总电网不能大于5%，如果超过5%，就会干扰电网质量。电网很强，风力发电很容易被消纳，因此我国风力发电将面临着电网不堪重负的问题，这是一个迫切需要解决的问题。并网的瓶颈将严重影响风电产业的发展。国外发电机主要采用分散入网方式，当处于风速和风向变化很大的强风状态时，风电机不稳定，不能满足并网条件，此时风电机可以随时脱网；风电机稳定后，又可以随时并网，并且电网很强，不会对电网造成太大冲击。而我国的情况却与此相反，风力发电机组大多采用软并网方式。由于风电的不连续性和不稳定性，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内。因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题，影响电能质量。

5 结语

风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力。针对当前风电大规模并网对电网运行的冲击，加大并网技术的研发，探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可靠运行。

随着陆上优质风资源圈占完毕，海上风资源竞争愈见激烈。海上风电既是国际能源开发的潮流，也是中国风电未来的开发重点。海上风电场是风电技术的发展方向之一。

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