风电技术现状及发展趋势

风电技术现状及发展趋势

Current Situation and Developing Trend of Wind Power Technique The paper mainly discusses the current situation and developing trend of wind power technique.

Abstract:

Key words: anemo-electric generator ； current situation ； developing trend

0 引言

风电古老而现代，但之所以到近代才得以发展，是因为在这方面存在许多实际困难。主要表现在：（1）风本身随机性大且不稳定，对其资源的准确测量与评估存在误差；（2）风速大小、风力强弱、风的方向都随时间在变化，设计制造在不同风况下都能保持稳定运行的风电系统，并使其风电输出功率效率高且理想平滑十分困难；（3）风为间歇式能源，有功功率与无功功率都将随风速的变化而变化，在与电网连接时，需要考虑输出功率的波动对地区电网的影响。此外，在降低制造成本和运行维护费用的前提下如何提高系统运行的安全性与可靠性、如何延长的寿命以及改善系统储能措施使其容量更大、体积更小、效率更高且寿命更长等问题上尚有待于得到更完善的解决。

1 风力发电技术发展现状

现代风力发电系统由风能资源、组、控制装置及检测显示装置等组成。组是风电系统的关键设备，通常包括风轮机、发电机、变速器及相应控制装置，用来实现能量的转换。完整的并网风力发电系统结构示意图见图1。

率曲线比较

长期以来风力发电系统主要采用恒速恒频发电方式（ Constant Speed Constant Frequency 简称CSCF）和变速恒频发电方式（Variable Speed Constant Frequency 简称VSCF）两种。

恒速恒频发电方式，概念模型通常为“恒速风力机 +感应发电机”，常采用定桨距失速或主动失速调节实现功率控制。在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。由于风速经常变化，功率系数C p不可能保持在最佳值，不能最大限度地捕获风能，效率低。

变速恒频发电方式, 概念模型通常为“变速风力机+变速发电机（双馈异步发电机或低速永磁同步发电机）”，采用变桨距结构，启动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后，在额定风速以下，调节发电机反转矩使转速跟随风速变化以保持最佳叶尖速比从而获得最大风能；在额定转速以上，采用变速与桨叶节距的双重调节限制风力机获取的能量以保证发电机功率输出的稳定性。

前者结构简单、运行可靠，但其发电效率较低，而且由于机械承受应力较大，相应的装置成本较高。后者可以实现不同风速下高效发电从而使得系统的机械应力和装置成本都大大降低。两者运行功率曲线比较如图 3所示。可以看出，采用变速恒频发电方式, 能在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终在最佳转速上运行，捕获最大风能[2]。

2 风力发电技术发展趋势

新型材料的运用，设计水平的提高以及控制技术的改进都将使得风电机组功率曲线不断改善，运行可靠性不断提高，自动化程度不断加深。结构简单、容量大、稳定性和适应性好、发电效率高、寿命长、智能化程度高及发电成本低皆是未来的风电机组不断的追求。

德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国进行了大量的投资，对风电系统中各项技术展开研究。总的来说发展趋势具体呈现如下几个方面。

2.1 风电场的选址

风力大小与地形、地理位置及风轮机安装的高度等因素有关。所以，风电场的选址将直接影响对风能资源的评估利用。由于风电技术日趋成熟，现今的风电场选址也将逐步呈现如下的几个趋势。

（１）由强风带向弱风带过渡

启动风速低，轻风启动、微风发电，能够实现对广大的低风速资源的开发，增加的年发电时间，从而最大限度地捕获风能，最大限度地挖掘风能资源。

（２）由平坦地形向复杂地形扩展

不同的地形、地貌会影响风的正常流动，有的使风加速、有的则使风减速，有利地势与地形的选择将会增加风电的产出。

（３）由陆地向海上迁移

与陆地上风电场相比，海平面十分光滑，因此，风速较大，且具有稳定的主导风向，允许安装单机容量更大的，可实现高产出[3-4]。

2.2 风电机组技术

当前风电机组的主要发展方向是质量更轻，结构更具有柔性，直接驱动和变速恒频等。从目前的发展趋势来看，以水平轴、上风向、三叶片的升力型机组为主流的风电机组中，具有如下特点。

（1）变桨距调节方式将会逐步取代定桨距失速调节方式

变桨距调节能够按最佳参数运行，额定风速以下具有较高的风能利用系数，功率曲线饱满；额定风速以上功率输出稳定，不会造成发电机超负荷；较定距失速式整机受力状况得到改善，而且年发电量大。

（2）变速运行方式将会取代恒速运行方式

变速运行，在低风速时能够调节发电机反转矩以使转速跟随风速变化，从而保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时能够利用风轮转速的变化存储或释放部

分能量，从而提高传动系统的柔性，使得功率输出更加平稳，以获得最大功率产出。

（3）直驱式的市场份额会越来越大

直接驱动可省去齿轮箱，减少传动链能量损失，减少停机时间、发电成本和噪声，降低了维护费用，提高了风电转换效率和可靠性。

（4）无刷化

无刷化可提高系统的运行可靠性，实现免维护，提高发电效率。

（5）大型系统和小型系统并列发展

在开发大型机的同时还重视小型机。用于海洋时 ,在景观、噪声等方面的问题不突出, 适于采用数MW的大型机组；当受地形、系统等外部条件限制时,应用小型机较有利。

（6）并网大型化与离网分散化互补运行

发展中国家，雪原、孤岛、偏僻地区等电网较小 ,仍旧适用于离网分散型电力系统[3，5]。

2.3 风电机组的并网

用同步发电机发电是今天最普遍的发电方式，变频器的使用解决了转速和电网频率间的耦合问题。通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，从而控制风力机的转速，使之运行在最佳状态。相同条件下，同步电机比异步电机调速范围更宽。异步电机的并网技术主要有：直接并网、准同期并网、降压并网、捕捉式准同步快速并网、软并网方式等[2]。

3 风电前沿

据《连线》杂志2006年10月11日报道，意大利科学家对一种新型的风筝寄予厚望，它看上去就像一晾衣架如图4，但却具有成本低，发电量大的优点，其发电能力有可能与传统核电站相媲美。