风电技术的现状与展望

赵尊立 西北有色地质勘查局七一三总队

风电技术的现状与展望

赵尊立 西北有色地质勘查局七一三总队

综述目前国内外风力发电的背景和现状，阐述风电发展的特点与设备制造技术现状，介绍了几种典型的风电模型，比较了它们的优缺点，展望未来的发展方向，为风电技术的进一步研究提供参考。

风力发电；风电模型；高空风电

随着世界石油资源的日益匮乏,风能作为一种清洁的可再生能源而逐渐被人们重视，开发和利用风能资源不仅可以为21世纪寻找新的替代能源,而且有利于环境保护。

众所周知，风能是一种能量密度低、稳定性差的能源，保证运行的可靠性与安全性，提高风力发电的品质和效率，延长风机的使用时间，是研究风电的根本所在。

1996年国家计委实施了“乘风计划”，引进大型风力发电机建风电场，促进我国大型风力发电机的发展。发展中小型风力发电机可以为偏远地区的生产及生活提供电力。

2010年底，我国风电累计装机容量达到4473万千瓦，超过美国跃居世界第一，与此同时，海上风力发电也开始起步。

1 风力发电原理及模型

1.1 风力发电的原理及系统结构

风力发电是将风能转化为机械能进而机械能再转化为电能的过程，风力吹动叶片旋转，通过增速机构加速后带动发电机转动，产生的电能通过升压器输送到电网中。

图1为风力发电结构图，由风机及其控制器、转轴、换流器、发电机等构成，风速V作为该系统的输入信号，风机控制器将其作为参考值从而进行输出桨距角、定位跟踪等一系列的控制，输出功率P经过换流器送到变压器中，最终并到电网中。

图1 风力发电系统图

1.2 风机传动模型

风力发电机种类繁多，但根据其叶轮在风流中的位置可分为两大类：水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机由于具有风轮扫掠面积大、风能利用率高、风电机组结构紧凑等优点成为目前的主流风机。本文所介绍内容均以水平轴风机为基础。

如图2所示为常见的水平轴风机模型。

图2 水平轴风机模型

2 典型发电机系统

2.1 定速笼型异步发电机系统

如图3所示，系统有风力机、齿轮箱、笼型发电机、启动装置、电容器以及变压器组成。该系统是目前应用最广泛的一种系统。

图3 恒速鼠笼式风力发电机

图4 双馈式风力发电机

该系统在正常工作时，风机恒速运行，发电机的转速由发电机的极数和齿轮箱决定，如果有双速电动机则可以在两个不同的速度下运行。为了防止系统启动和停止时有过大的电流变化，中间加有软启动装置。该系统最常用的控制的控制方式为定桨距控制和失速控制。

该系统的突出优点是：结构简单、控制方便、维修方便、造价低。存在的缺点是：输出功率波动较大、叶片和轮毂刚性连接，速度波动大时易产生较大的机械冲击。

2.2 变速恒频双馈发电机系统

双馈式风力机是变速机的一种，其模型如图4所示。

系统包括风力机、感应机、齿轮箱、PWM变频器和直流侧电容器。

该系统引入转子交流励磁变流器来控制转子的电流。转子的电流频率为转差频率，其跟随转子的变化而变化，通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态。

该系统的优点有：

（1）可以连续变速运行，风能转化率高。

（2）部分功率变换，变流器成本相对较低。

（3）电能质量好（输出功率平滑，功率系数高）

（4）并网简单，无冲击电流。

（5）降低桨距控制的动态响应要求。

其存在的不足主要表现在双向变流器结构和控制较复杂、电刷和滑环间存在机械磨损。

2.3 变速同步发电系统

该系统也属于变速发电系统的一种，其结构图如图5所示。

图5 变速同步发电系统

系统包括风力机、同步发电机、齿轮箱、全功率变频器、直流侧电容等。在该机组在低速多极同步发电时不使用齿轮箱。即“直接驱动”风力系统。

与双馈式风机不同，此系统输出功率可通过全功率变频器输送到电网中，与电网隔绝，因此在不影响电网频率的前提下可以在两个不同频率下运行。

其优势主要体现在：

（1）在系统故障时可以提供无功支持，提高电网动特性。（2）采用变桨距控制，提高风能利用率。（3）可以向边远地区无源网络供电，体现出轻型直流输电的优势。

以上三种系统代表了风电的发展趋势，笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将扮演重要角色；双馈异步发电机具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内成为风电市场上的主流产品；直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。

3 风力发电的趋势

3.1 单机容量逐渐加大

目前，兆瓦级的风电机组以成为风电市场上的主流产品，其市场份额已从1997年的不足10%猛增到2010年的95%。世界上运行的最大风机单机容量已达5MW，6MW的风电机组也已研制成功。

3.2 风电场逐渐从陆地转向近海

据中国风能协会以及世界自然基金会的估算，在离海岸线100千米，中心高度100米的范围内，每秒7米以上的风力持续时间平均是陆地的3～4倍。此外，海上风电靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳，可以减少长距离输电的烦恼。海上发电的诸多优势注定了风电场必定会向近海转移的趋势。

3.3 高空风力发电

现有的风力发电设备存在高度低、风能利用有限、风动机转速低，难以实现对发电机直接驱动的问题。在1000米以上的高空，风功率密度可高达10kw以上，利用高空风力资源将成为风电技术的领域的迫切任务。也是将来风电发展的一大趋势。

4 向聚能型风机发展

所谓聚能型风机就是在风机叶轮前方加上集风装置，集风装置起到风力加速、整流风向的作用。速度的提高使风力发电机的单机功率大大增加，同时在提高风机效率的同时可以有效降低风机塔架高度或者改用框架式整体结构。提高了风力发电机组的稳定性和牢固性。聚能型风机评价其独到的结构创新已越来越受到人们的重视。我国在聚能型风机的研究中处于领先水平，产品已销往国外。

[1]王野平，等.风力风电的现状[J].沈阳：机械设计与制造.2006（3）

[2]芮晓明，柳亦兵，马志勇.风力发电机组设计[M].北京：机械工业出版社. 2010.2

[3]王承煦.风力发电[M].北京：中国电力出版社.2003

[4]李俊峰，高虎，马玲娟，等.2008中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社.2008

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.005