风力发电的技术综述

风力发电的技术综述
随着社会经济的全面发展，在当今社会能源中，煤炭、天然气等一些传统的能源正在大量的减少，这些都属于不可再生能源。

人们开始逐步探索新型能源物质，找出可以去到这些传统能源的新能源。

就风能来说，属于一种潜力比较大的新能源。

到目前为止，很多国家都对风力发电有了一個比较清醒的认识。

本文主要对风力发电的技术进行了简要分析。

标签：风力发电;原理;技术
引言：
近年来，我国经济飞速的发展，在整体经济发展的同时，能源也在不断地快速消耗，随着我国对能源需求不断提高，特别是对于电力需求的增长，使我国电力事业需要不断的加强供电工作，提高供电能力，保证我国发展的基础能源需求。

风力发电技术目前较为成熟，具有很好的商业化前景，在目前传统能源紧缺的情况下，风力发电受到了极大关注。

一、风力发电的原理
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，驱动发电机发电。

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成。

空气流动的动能作用在叶轮上，推动叶轮旋转，将动能转换成功、机械能，叶轮的转轴与发电机的转轴相连，带动发电机发电。

20世纪，现代风机增加了齿轮箱、偏转系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。

齿轮箱可以将很低的风轮转速变为很高的发电机转速，同时也使得发电机易于控制，实现很稳定的频率和电压输出。

偏航系统可以使风轮扫掠面总是垂直于主风向，风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。

在变桨距风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心旋转，以便适应不同的风况。

在停机时，叶片尖部甩出，以便形成阻尼，液压系统就是在调节叶片桨距、阻尼、停机、刹车等状态下使用。

控制系统是现代风力发电机的神经中枢，现代风机是无人值守的：风机的控制系统根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，对出现的任何异常进行报警，必要时停机。

从风力发电的原理中不难看出，风力发电与风能是密切相关的，因此只有对风能的深入理解，才能更好地理解风力发电技术，在风力发电投入运行之前及运行过程中，不得不考虑风速、风能、风速等级与风速频率、风向等等关于风的因素，因为风具有一定的多变性和不定性，随时都发生着变化，但也不是没有规律可循，因此对风的环境的关注分析是必不可少的。

我国风能资源主要分布在东部沿海与岛屿地区、三北（华北、西北、东北）地区、内陆局部地区和海上风能区，从相关统计中可以看出，我国利用风能资源可生产电能陆上年电量为5000亿千瓦时，海上年电量约为7.5亿千瓦时。

一般来说，风速会随着高度的增加而提高，风速沿高度的相对提高因地而异，另外，风速还会随着季节的变化、昼夜变化及地形变化而不同。

风速的计算可看考以下公式：
Vn=V1（Zn+Z1）a
其中：Vn——Zn高度处的风速（m/s）
V1——Z1高度处的风速（m/s）
a——风切变指数
测定计算了风速，下一步便能确定出风能，风能是空气运动产生的动能，它的计算公式为：
其中：E——风能（W）
——空气密度（kg/m3）
S——气流截面积（m2）
V——风速（m/s）
风速频率是指一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比，风速频率的计算主要是确定某一地区单位面积上全年的风能。

确定了一系列风的参数后，最后要做的工作任务是对风进行测量，测风的目的是为了正确准确估计该地区可被利用的风能的大小，为风力机的安装等提供良好的依据。

二、关于我国风力发电情况的分析
随着风力发电技术的不断进步，我国风电企业的发电体系也在不断健全，实现了不同种策略的应用，其通过一系列的手段实现了发展策略的优化，比如进行了技术进口、吸收技术、自主创新技术模块等的开展，保证了我国风力发电工作的正常开展，实现了一系列的优秀风电设备的普及，这一定程度说明我国这些年的风力发电技术的良好应用趋势。

随着科技发展，风电装备制造体系不断健全，也实现了产业的日益集中化，这保证了国产机组技术含量的提升。

通过对我国风电机组整机应用模块的分析，可以得知我国的发展现阶段已经基本满足风电发展的需要，但是依然有一些主要设备要依赖进口。

这就需要展开风电装备制造业体系的健全，保证其技术的自主创新，进行风电核心技术的积极应用，保证风电关键设备体系的优化。

通过对风力发电技术的探讨可以得知，其是一种综合性的高技术系统工程，
涉及的学科范围比较广泛，比如自动控制领域、空气动力学领域、力学领域等，这些模块都影响了风电组的正常开展。

目前来说，我国的风力发电控制技术体系是不健全的，这涉及到风力发电机组的核心技术、体积改进技术等模块，尤其是控制技术的应用影响了风力发电机组的整体效益。

受到内外环境的影响，比如大气气压、湿度、气温等情况的改变，其自然风速是不断变化的，这也与风电场地的综合环境是密切相关的，这就使风力机具备不可控性及其随机性。

为了有效优化风能的利用率，进行风力发电机组叶片直径的控制是必要的，保证其风轮良好的转动惯量的控制，从而满足当下风力发电机组的并网及其脱网工作的需要，实现其输入功率的积极控制及其优化。

三、几种常见的风力发电系统及其技术特性
风力发电的主要技术原理是将风能通过转换装置转变成电能，然后输送出去的过程，因此风能输出功率成为了一个很重要的技术参数，风能转换功率的计算公式可参照如下：
其中：P——功率
A——扫风面积，（R为风叶长度）
V——风速
Cp——风能利用系数
另外，在风力发电中，一般风力机的功率越大，风轮直径越大，高速发电风力机叶片数为2-4片，低速风力机为大干4片，风能利用系数一般在0.15-1.5之间，启动风速一般为3-5m/s，额定风速一般为8-20m/s，停机风速一般为15-35m/s，现代风机输出功率一般为几百千瓦到几兆瓦不等。

以风力机转速作为分类标准，可以将风力发电机组分为恒速运行风力机和变速运行风力机，以下便对风力发电机组及其控制技术进行分析。

1、恒速风力机和感应发电机构成的风力发电机组
此种风力发电机组的组成部分包括风力机、感应发电机、齿轮箱、电容组、软起动装置、变压器等，在我国现发展阶段的应用最为广泛。

在风能发电机正常运行的情况下，风力机的运行速度保持恒定，发电机的极数及齿轮箱决定了其转速的大小。

双速发电机可以使风力机以两种不同的速度运行，从而有效提高发电机的输出功率;电容器组能够为发电机提供充足的无功补偿;软起动装置使得风力发电机在切入和切出的运行过程中不产生太大的冲击电流。

通常运用定桨距控制技术来控制发电机的功率。

此机组具备结构简单、便于控制、维护方便、造价低等优势。

但是其也存在一定的局限性，例如，在风速极为不稳定时容易增大机械负载量，引发齿轮箱的故障问题;输出功率不稳定性大;由于叶片特殊的钢连接结构，其对叶片的要求较高等。

2、变速恒频双馈式风力发电
双馈式发电技术是指风力机变速运行，这种风力发电机组的结构包括风力机、齿轮箱、变频器、直流侧电容器、感应机等部分。

双馈机的转子由两个变频器与电网相连，定子与电网的连接方式是直接的，此时，机组运行的速度变化范围较大，能够实现机组与电网的能量传输，这种双向传输的方式也大大提高了电力运输的效率。

直流侧电容器能够使得直流侧电压值保持在稳定值。

变速风力机控制功率的方式不同于恒速风力机，其利用的是变桨距控制技术，桨距角随风速发生相应的改变，保证了风力机能够在足够大的范围内以最佳参数运转，从而有效地提高了风能利用率。

与传统的恒速风力机相比，双馈式风力发电机具有更加显著的优势，例如，安全系数高，无需无功补偿，能够自动利用最大风能，风能利用率大，变频器损耗小等，其局限性在于造价较高、控制技术较为复杂，但是由于其突破性优势显著高于局限性，从而在世界范围内获得了广泛的应用。

3、变速风力机和同步发电机构成的风力机组
此种机组也是以变速方式运行，其结构包括同步发电机、全功率变频器、齿轮箱、直流侧电容器等部分。

此风力机系统输出功率的方式和双馈式风力发电机存在很大的差异，其是通过两个全功率变频器与电网连接的方式来进行功率输出，实现了与电网的全面隔绝，从而使机组得以顺利的以不同的频率高效运行。

此机组采用变桨距控制技术，提高了风能利用率，无需无功补偿支持，采用轻型直流输电技术，便于向偏远地区输送电力。

但是由于全功率變频器造价高、投入成本高、损耗大且技术要求高，所以还未能得到广泛应用。

但是在今后的发展中，变速风力机和同步发电机组必将成为最新的趋势。

4、海上风力发电
涡轮发电机技术的一个重要的发展趋势就是离岸安装，海上的风能资源比较风度，可选择在一个比较浅的水域内安装风力涡轮发电机，离岸涡轮发电机系统产生的能量比较大，是在附近岸上发电的一倍左右。

要想横好的解决电阀跟风电场相连的问题，简单的方法就是利用热量流通空气调节输电系统，能够把电量很好的输送到负载中心。

高压直流输电接入电网技术具备的有点包括以下几个方面：
（1）离岸安装涡轮发电机跟大陆的扰动互相隔离;
（2）在电缆上出现功率损耗的情况相对较少;
（3）发送端跟接受端的频率是彼此独立的;
（4）每一根电缆输送的电量都是比较高的;
（5）系统功率流属于可以控制的，也是比较稳定的;
（6）电流经电缆符合影响不到直流输电的距离。

四、结束语
风电正在成为世界性的主流能源之一，其发展潜力是巨大的，随着环境问题的日益突出和能源供应的日趋紧张，可再生能源越来越被人们所重视。

我国在风力发电方面虽然起步晚，但是发展迅速而且备受重视。

参考文献：
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[3]刘春鸽，陈戈.我国风力发电的现状与发展思考[J].农业工程技术（新能源产业），2009，（2）.。