探究当前风力发电技术的发展趋势

陈坚

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

0 引言

风力发电可以最大限度地减少耕地占用，不需要燃料，无污染，成本低，无大气污染和辐射，最重要的是我国风能资源非常丰富，属于非常环保的可再生的能源。因此，我国风能具有非常广阔的发展前景。然而，由于这些优点，风力发电的效率较低且非常昂贵，针对于风力发电的技术也需要逐步改变、加强和完善。

1 风力发电原理与发展现状分析

1.1 风能发电原理

风力发电的基本原理是利用风产生的动能使风车的叶片旋转，然后用增速器提高风车的转速，最后风车通过电磁效应转化为电能。根据现代风能技术，发电仅需每秒三米的风速就能产生电能，将风能转化为电能是现代风能的一种比较简单的利用方式，一般的风能发电机主要包括风轮、发电机等。风中的能量是巨大的，根据研究，在风速为10m/s 时作用到物体表面的力约为10kg。在风速为20m/s 时，它对物体表面的作用力约为50kg。如果风速超过50m/s，相当于飓风或台风，它对物体表面的作用力至少200kg，能量远远大于我们目前能够管理和使用的能源。如果能够合理地开发利用风能，将会给社会的发展和人民的生活带来很多好处[1]。

1.2 当下风力发电的现状

随着国家科技的飞速发展，风能生产逐渐提上日程，并在近几年加速发展，但由于各种因素的限制，我国风能发电仍处于发展初期，还有很多问题没有解决。

（1）我国风能资源丰富，面积辽阔，陆上国界线总长度约2.2 万km，大陆海岸线总长约为1.8 万km。根据气象局的一项研究，我国风能资源和陆地风能资源仅开发利用就达253GW，海洋风能资源是陆地风能资源的3 倍。可以说，从东南沿海到西北的川藏高原和青藏高原具有丰富的风能资源。据统计，年平均风速超过6m/s 的地区占我国陆地总面积的1%，风能资源十分丰富，居世界第三位。

（2）我国风能发电加速扩张，早在2009 年，我国已成为世界上第一个新建风力发电项目的国家。近年来，它一直保持高速发展。2010—2012 年，我国新增20 个风力电场，单个风力涡轮机的装机容量超过100MW。据统计，到2020 年，我国风力发电装机容量已达到2.81 亿kW。

（3）风能发电受体质的限制，目前，我国风能开发投资制度、风能公共采购政策和国内风能开发激励制度等风能产业政策法规对风能项目的发展起到了推动作用，风能产业发展受限，导致风能产业发展不平衡、不合理，这种情况显著限制了风能在国内的快速发展。

2 我国发展风力发电技术存在的主要问题

2.1 风力发电系统管理不灵敏

风能发电时，技术人员需要关注大量数据，而传统的风能管理系统灵敏度较低，难以有效控制风能技术的高效利用，对整个电力的控制效果较差。近年来，由于风力发电管理制度失误，技术水平不足，导致近几年发生了多起电气事故，十分不便，不利于风能项目的顺利实施。

2.2 机组的安全性不高

安全是发电技术使用中的关键问题，由于我国风能技术研究起步较晚，风能技术寿命短，风能技术的安全性不高，尤其是在并网、输电方面另一方面，风能生产存在事故多发的问题，导致安全隐患多，技术员的人身安全健康难以保障[2]。

2.3 发电设备国产化水平较低

虽然电力部在1995 年就提出发展壮大风力发电，但近十年来风力发电并没有得到足够的重视和支持，所以发展非常缓慢，这也是我国在风力发电方面落后于发达国家的原因。产业落后限制了我国风电设备技术的研究潜力，导致国内风电场设备市场垄断。我国是从国外进口的，这会大大增加我国风电建设项目的成本。总的来说，我国风力发电机组的技术水平和绝缘水平都比较低，限制了国内风力发电产业的发展。图1 为风力发电设备。

图1 风力发电设备

3 风力发电技术发展趋势

3.1 中压变流器拓扑性能不断提升

根据近年来的不断研究，为降低风资源成本、改造风资源效率，风力发电量迅速增加。器件的额定功率在不断提高，电路和吞吐量也在逐步提高，所以多级转换器的优势在于人们不断挖掘。风力发电机的优劣是由电导损耗和开关损耗系数决定的。风电机组发电市场将逐步将风电机组的额定容量提高到电压和电流的额定值。在标称电压不断升高的过程中，多电平变流器可以将风电场中变流器与风机之间的功率分配并网，从而使用处低的表压器逐步淘汰[3]。

3.2 风力电厂的储能技术

风力电场可以让风力发电在技术和经济上都极具吸引力，储能在维持电压和频率方面发挥着重要作用，不仅可以在15min 内储存大量能量，而且还可以吸收和泵送一定量的能量，在很短的时间内产生的能量。整个风力发电系统的储能系统种类很多，最常见的就是铅酸电池、镍电池和锂电池的储能系统。蓄电池的缺点是其放电速率在化学反应和放电过程中受电池类型的影响，优点是其放电速率非常快。蓄电池储能系统的主要发展趋势是其他类型的储能系统和多种能源的集成。此外，许多研究人员都在不断研究电芯优化，以降低电池维护成本，提高使用过程中的电池寿命。液体储能是风力发电技术的电池储能系统中最好的储能系统，因为与以往的储能系统相比，它可以提供储能单元的最佳状态和交付点的成本。液态电池系统的优势在于溴和锌这两种化学材料之间的化学反应结合良好，与铅酸电池系统相比，这种电池可以提高能量密度，并且在一定程度上保留了体积和重量。重要的是，它的性能特征可以通过各种效果不同地改变性能。因此，液态溴化锌电池体系具有良好的再生资源开发前景[4]。

3.3 海上风力发电

海上风力发电机组的发电技术会不断发展，因为海上风能资源非常丰富，风力发电机可以安装在浅海水中发电，最重要的是海上发电机组的发电量非常大，涡轮发电机将几乎翻倍。通过使用传统的循环热能，可以更好地控制输电网络，从而解除电阀与风电场之间的连接。

高压直流输电引入电网技术时，具备一定的特点：①发射器和接收器的频率不互斥，效果相对独立；②电缆功率的损耗较低；③控制箱可有效确定系统的功率流向；④运输距离不受电流影响。图2 为海上风力发电。

图2 海上风力发电

4 国内风力发电技术未来发展趋势

4.1 市场发展趋势

目前，国家对新能源发展的支持力度不断加大，对风能发展给予一定的政策引导、财税补贴，这也是国内风能发展非常活跃的原因。当前，风力发电发展步伐加快，发展范围不断扩大，发展前景非常好。此外，鉴于建设小型风电场和开发低速风资源的重要性，海上发电已成为当前风力发电的生力军，将决定我国风能未来的发展方向。到2020 年，我国海上风电装机容量计划达到3280 万kW。

4.2 增加风力发电机的容量

随着我国科技水平的不断发展，近年来风力发电的最大容量可达50MW，提高风力发电机组容量可以保证风能更好的转换和储存，有助于风能技术的发展，全面提高我国风能利用速度，大大提高风能项目的经济效益。

4.3 变浆距长成为发展的主流

提高风力发电技术水平的关键在于改进风力发电设备，在风力发电的实际过程中，当电网因风电不稳定而出现故障，需要紧急停机时，风机必须能够通过改变浆距角来最佳地保持转速比，为提高风力发电的安全性，优化停机策略，有效管理风力发电过程中的低电压。图3 为自动变浆距。

图3 自动变浆距

4.4 提高风力资源利用率

由于海上风能资源远大于陆上风能，当今世界风能技术先进的国家通常利用陆上风能资源以海上风能替代陆上风能。还可以有效减少土地消耗，提高风资源利用率，促进能源效率和减排，海上风力涡轮机可以定期接管发电任务。

4.5 明确基于区域风况的技术设计

在技术设计方面，风力发电机组将向高输出、低风速、高效方向发展，在生产技术上，关键部件和生产材料将进一步取得突破，国产风力发电设备也逐渐取代进口设备，并发展成为国内市场的主流。在未来风能技术的发展中，相关技术研究人员将根据不同地区的气候条件，进行详细的技术设计。例如，我国新疆、甘肃、内蒙古等地属于干旱高原，风速低、风时短、空气密度低，进口时盲目求助于大风速和强力电风扇，发电效率会显著降低。因此，地方风电技术和装备应立足于低风速、低空气密度，提高风力发电速度，避免浪费风电资源，积极开发新型高效风力发电机组，根据各地区风能，设置不同的技术安排。

4.6 现代信息技术的引入

随着现代信息技术和科学技术的不断发展，为提高风力发电的可靠性和安全性，我国的风力发电管理技术正逐步向现代计算机化进程发展。其中，自适应控制技术是现代信息技术的产物，在风力发电中应用自适应控制技术，使控制系统能够有效地管理发电设备的变化、自动报警和有效的控制措施。这不仅有效保证了风力发电的可持续性，而且提高了风力发电管理系统的灵敏度，保证了风力发电的安全性，填补了系统中相关控制技术的空白，增加了科学性，风能技术的普遍部署和风能生产效率的提高对风能项目的发展起到了积极的推动作用[4]。图4 为风电场集群控制技术与信息系统。

图4 风电场集群控制技术与信息系统

5 结语

风能是环保的可再生能源，对风能的合理利用能够使得减少传统能源和不可再生能源的过度消耗成为可能，因此，风力发电技术的快速发展对我国节能减排意义重大。在风电技术的实际应用中，工作人员要注重根据特定区域的风况进行具体设计，积极引进先进的信息技术，提高风力发电的科学性，充分利用我国的网络资源，推广我国的风力发电技术，采取更佳的举措。