电气学院  自动化0801 钱成功 3080502020

摘要：论述了风力发电技术在提高机组容量、改进功率调节、变速运行、发电机和电力电子技术等方面获得的巨大进展, 指出风力发电仍然存在许多需要解决和完善的技术问题, 包括风电质量、机械结构、空气动力学、机组控制技术和风电场建设等, 这些技术的成熟和完善, 必然会促进风力发电的更快发展并带来更好的效益。

关键词：风能; 风力发电; 发展; 技术问题

正文：能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。能源的发展按照可持续发展战略原则,在开发利用常规能源的同时,应更加注重开发利用对生态有利的新型能源,如风能、太阳能、潮汐能、水能等。风力发电由于清洁无污染, 施工周期短, 投资灵活,占地少, 具有较好的经济效益和社会效益,已受到世界各国的高度重视。

19世纪末丹麦开始研究风力发电技术。1973年出现世界石油危机后,煤和石油等化石燃料日益枯竭,空气污染等环境问题也日趋严重,风力发电作为可再生的清洁能源受到越来越多的重视。随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展,风力发电技术的发展极为迅速,单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组;功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50% ,提高到98%以上,并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔,从内陆移到海上。2001年10月,全世界风力发电装机容量突破了2万MW ,其中当年新增容量达到5000 MW ,风能已成为一种重要的可再生能源。

一、 世界风力发电发展现状

2007年,全球风力发电能力较2006 年又增长24% ,达到94 112MW,比10年前的不足5 000MW增长了12倍。风能是世界上增长最快的能源,过去10年间年平均增长率为29% ,与之形成反差的是,同一期间每年煤电增长2.5%,核电增长1.8% ,天然气发电增长2.5% ,油发电增长1.7%。

表1　2007年全球新增风电装机容量 （1）   MW

欧洲的风力发电持续引领世界,总装机容量超过40 500MW。欧洲电力的将近3%由这些风电设施提供,其发电量足够满足4000多万人的需要。欧洲风能协会( EWEA )确定的目标是, 到2030年风力发电要能满足欧洲电力需求的23%。

表2　2007年底全球累计风电装机容量1) MW

德国是风电装机容量最大的国家,风力发电量22 247 MW,其电力的6%来自风电。西班牙和美国风电容量均超过10 000 MW,其电力的8%来自风电。丹麦的风电容量为3 125 MW,位居世界第六,可以满足其电力需求的20% ,是世界上风电份额最大的国家。丹麦的海上风电装置居世界领先地位,现有的装机容量为400 MW。全球范围内, 2006年年底之前海上风电装机容量将超过900MW,全部在欧洲。

2005年年底加拿大风电容量为680 MW,2006年年底增加到1 200 MW。加拿大计划到2010年将风电装机容量增加到4 000MW。世界风力发电场的发电成本自20世纪80年代以来下降了将近90% ,现在已下降到4美分/( kW·h) ,甚至更低。在有些市场,风力发电已经比传统能源发电便宜。欧洲风能协会预测,到2020年风力发电成本将下降到3美分/( kW ·h) 。风力发电成本下降,主要原因是技术的进步,风电项目融资成本下降,以及涡轮机和零部件的制造和建设已形成经济规模。

二、 我国风电发展现状

受原国家电力公司的委托2001-03到2002-06，中国电力科学研究院对中国风电场建设和运行情况进行了全面调查和评估，对中国自1986 年以来建成的风电场进行了实地调查，收集了有关风电场建设与运行的翔实数据和资料；从不同角度全面分析了中国风电场建设情况，包括装机容量、建设资金来源、投资构成和机组价格等；对全国风电场的上网电价、发电量、故障率和故障类型进行了统计分析，并对国产风电机的制造和运行情况进行了调查与分析。此后一直对中国风电场建设情况进行跟踪统计。到2003年底,中国已经在14个省、自治区建立了)40个风电场，累计安装风电机组1061台，总装机容量达到568.41 MW。除去已经拆除和不能运行的机组，2003年底实际装机1017台，5.45 MW，约占中国电力总装机容量的0.15%，约占世界风电总装机容量的1.4%。辽宁、、内蒙古和广东是中国风电发展最快的4个省份，它们占全国风电总装机容量的71.4%。在已建的40个风电场中，装机容量居前3位的风电场依次为达坂城二场（82.8 MW）、广东南澳风电场（56.78 MW）和内蒙古辉腾锡勒风电场（42.7 MW），它们的装机容量占全国风电总装机容量的32.1%。

截至2007年中国(除省)累计风电机组6 469台,装机容量6 050 MW,风电场158个,中国2007年年底总发电能力是3. 561亿kW,新增风电机组3 155台,新增装机容量3 449 MW,超过丹麦成为世界第五风电大国,当年装机容量仅次于美国和西班牙,超过德国和印度,成为世界上最主要的风电市场之一。风电分布在21 个省(市、区、特别行政区) ,比2006年增加了北京、山西、河南等6个省市。与2006年累计装机2 599MW相比, 2007年累计装机增长率为133% 。《可再生能源法》的出台使风电飞速增长。中国风电业内专家预言,到2050年中国风电生产能力能够达到4亿kW。

根据最新风能资源评价,全国陆地可利用风能资源3亿kW,加上近岸海域可利用风能资源,共计约10 亿kW。主要分布在两大风带: 一是“三北地区”(东北、华北北部和西北地区) ;二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外,内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。

三、 风力发电技术的发展

（一）机组容量不断增大

20 世纪80 年代初, 商品化风电机组的单机容量以55kW 为主,80 年代中期到90 年代初发展到以100～450kW 为主,90 年代中后期以500kW～1MW 为主。目前,大中型机组并网发电,已成为风能利用的主要形式。为降低单位千瓦造价,节省风电场使用面积,加快风电场建设速度,提高风电的经济效益,许多风电厂商致力于提高单机容量,制造出容量大1MW 的商品机组,见表1。

表1 　投入商业运行的MW级风力发电机组

生产商/ 风力

功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速(一般为12～16m/ s)以后,由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的,必须降低风轮的能量捕获,使功率输出保持在额定值附近,同时减少叶片承受负荷和整个风力机受到的冲击, 保证风力机不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节3 种方式。

①定桨距失速调节

定桨距是指风轮的桨叶与轮毂刚性联接。当气流流经上下翼面形状不同的叶片时,因突面的弯曲而使气流加速,压力较低,凹面较平缓面使气流速度减缓,压力较高,因而产生升力定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距执行机构,因而整机结构简单,部件少,造价低, 并具有较高的安全系数。但失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构,叶片本身结构较复杂, 成型工艺难度也较大,随着功率增大,叶片加长,所承受的气动推力大,使得叶片的刚度减弱, 失速动态特性不易控制,所以很少应用在MW 级以上的大型风力发电机组控制上。

②变桨距调节

变桨距型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化,变桨距机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。变距调节的风力发电机在阵风时,塔架、叶片、基础受到的冲击较之失速调节型风力发电机组要小得多,可减少材料使用率,降低整机重量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距调节机构,要求风力机的变桨距系统对阵风的响应速度足够快,才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。

③主动失速

这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度,执行机构的功率相对较小。

（三）变速运行

风力发电机组的输出功率主要受3 个因素的影响: 可利用的风能,发电机的功率曲线和发电机对变化风速的响应能力。

变速控制使风轮跟随风速的变化改变其旋转速度,保持基本恒定的最佳叶尖速比λopt 。相对于恒速运行,变速运行有以下优点。

①具有较好的效率,可使桨距调节简单化。变速运行放宽对桨距控制响应速度的要求, 降低桨距控制系统的复杂性,减小峰值功率要求。低风速时,桨距角固定,高风速时,调节桨距角最大输出功率。

②能吸收阵风能量,把能量存储在风轮机械转动惯量中,减少阵风冲击对风力发电机组带来的疲劳损坏,减少机械应力和转矩脉动,延长机组寿命。当风速下降时,高速运转的风轮动能便释放出来变为电能送给电网。

③系统效率高。变速运行风机以最佳叶尖速比、最大功率点运行,提高了风力机的运行效率,与恒速频风电系统相比,年发电量一般可提高10 %以上。

④改善功率质量。由于风轮系统的柔性减少了转矩脉动,从而减少了输出功率的波动。

⑤减小运行噪声。低风速时,风轮处于低速运行状态,使噪声降低。

（四）发电机与电力电子装置

风力发电机组并网运行时,要求发电机的输出频率与电网频率一致。保持发电机输出频率恒定的方法有两种: ①恒速恒频,采取失速调节或者主动失速调节的风力发电机,以恒速运行时,主要采用异步感应发电机。②变速恒频,采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

(a) 异步感应发电机,通过晶闸管控制的软并网装置接入电网。在同步速附近合闸并网, 冲击电流较大,另外需要电容无功补偿装置。这种机型比较普遍,各大风力发电制造商如Vestas , NEG Mi2con , Nordex 都有此类产品。

(b) 绕线转子异步发电机,外接可变转子电阻,使发电机的转差率增大至10 % ,通过一组电力电子器件来调整转子回路的电阻,从而调节发电机的转差率。如Vestas 公司的V47 机组。

(c) 双馈感应发电机,转子通过双向变频器与电网连接,可实现功率的双向流动。根据风速的变化和发电机转速的变化,调整转子电流频率的变化,实现恒频控制。流过转子电路的功率仅为额定功率的10～25 % ,只需要较小容量的变频器,并且可实现有功、无功的灵活控制。如DeWind 公司的D6 机组。

(d) 显著特点是取消增速齿轮箱,采用风力机对同步发电机的直接驱动方式。齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声,是造成系统机械故障的主要原因,而且为了减少机械磨损还需要润滑清洗等定期维护。如Enercon 公司的E266 机组。

四、 风力发电技术的关键问题

（一）风电质量

自然风速的大小和方向是随机变化的,风能具有不稳定性。如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要的问题。迄今为止研究人员已提出了多种改善风电质量的方法。如上所述,采用变速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。但是由于变速风力发电机组采用电力电子装置,当它将电能输送给电网时会产生电力谐波并使功率因素恶化。因此,为了满足在变速控制过程中良好的动态特性,并能使发电机向电网提供高品质的电能,发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能:①在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流;②具有单位功率因素或可控制的功率因素;③使发电机输出电压适应电网电压的变化;④向电网输出稳定的功率;⑤发电机电磁转矩可控。

此外,当电网中并入的风力发电容量达到一定程度,会引起电压不稳定,特别当电网发生短时故障时,电压突降,风力发电机组无法向电网输送能量,最终由于保护动作切出电网。在风能占较大比重的电网中,风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。因此,用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以运用储能技术来改善。

（二）结构和空气动力学

在机械方面,通过结构动力学的研究,改进设计,避免或减少由于风的波动而引起的有害机械负荷,减少部件所受的应力,从而减轻有关部件及机组整体的重量,进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统,集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体,这样就减少了零部件数目,同时增强了传动系统的刚性和强度,降低了安装、维护和保养的费用。

目前,风力机的桨叶叶型多采用美国空军的标准系列叶型NACA 系列或63 系列,此种叶型具有较好的动力性能,但是,由于风轮的工况与飞机机翼的工况不同,风轮上的风速分布不均匀,造成风轮的径向受力不均。风轮在旋转过程中,当转到上方与下方时,受力不同,交复变化,以及风速风况的不稳定等,是引起风力机振动的主要原因;而叶尖处的空气扰动是产生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影响将是风电界技术人员深入探讨的课题。

在空气动力方面最重要的发展是进行新型叶片的翼型设计,以捕获更多的风能。如美国国家可再生能源实验室(NREL) 开发了一种新型叶片,试验表明:新型叶片比早期的风力机叶片捕获的风能要大20 %以上。目前,叶片的最大风能利用系数约为0.45左右,在叶片翼型的改进上还有较大的发展空间。采用柔性叶片也是一个发展动向,利用新型材料(如新型工程塑料等) 进行设计制造,使其对于风况的变化能够改变它们的空气动力型面,从而改善空气动力响应和叶片受力状况,增加可靠性和对风能的捕获量。另外,还在开发新的空气动力控制装置,如叶片上的副翼,它能够简单、有效地转子的旋转速度,比机械刹车更可靠,并且费用低。

（三）风力发电机组的控制技术

由于空气动力学的不确定性和发电机、电力电子装置模型的复杂性,风力发电系统模型的确定很困难。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因素中,由于雷诺数的变化会引起5 %的功率误差,由于叶片上的沉积物和下雨可造成20 %的功率变化,其他诸如老化、大气条件和电网等因素,在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此,风力发电系统具有很强的非线性和不确定性,以及多干扰等特点,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。另外,风力发电机组通常布置在风力资源丰富的地区,如海岛和边远地区甚至海上,要求能够无人值班运行和远程监控,这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。

（四）　风电场建设

风电场建设应注意解决的主要问题包括: ①加强风能资源的区域勘察及重点风能调查。风力资源的优劣直接影响风力发电量,从而影响发电成本。在同样条件下年均风速6m/s的风电场发电成本比615m/s的下降8%左右,715m/s的下降14%左右,8m/s的下降近30%。因此,认真作好风能资源的勘察非常重要。②风电场场址选择。一般需要综合考虑建设区内风资源类别、交通路况、建设区内有否鸟类迁徙路线或者鸟类迁徙目的地、周边建筑物分布及电网构成等因素。③复杂地形条件下,风流风向的分布分析及风机的选点和选型。④风电场建设的工程设计和施工。

五、 我国风电发展所需的技术服务

风电领域的技术服务主要涉及风电机组研发与制造、风能资源测量与评估、风电场选址与风电机组的排布、风电场电气部分与接入系统、风电设备认证试验和检测以及风电场运行与维护等方面。据统计，我国现有40个风电场大约包含100期建设项目,为此，许多设计院、研究机构、咨询公司在项目建议书和可行性研究报告编制、风电场设计、风电场接入系统设计、风电场运行和维护等方面做了大量的工作。在风电机组制造方面，我国也取得了长足的进步。2003年投运的国产风电机组总容量约为75 MW。但在风电技术服务方面，我国还有许多需要改进的地方。

（一）风资源的测量和评估

风资源测量和评估水平直接影响风电场选址以及发电量预测，最终反映为风电场建成后的实际发电量。调查结果表明，我国大部分风电场的年平均容量系数仅在0.21-0.24，有些风电场的单机年平均容量系数仅在0.16-0.18。除个别地区是因为收购电量或水电-风电互补的情况外，影响发电量的主要因素是场址上的风资源较差。而且据调查，目前许多风电场建成投产后实际的年平均发电量比预测值要低20%-30%，还有极少数风电场甚至低达40%，导致该结果的一个重要原因就是风资源的测量和评估存在问题。

一方面，在早期的某些风电场开发时对测风重视不够，有的测风时间不满1a,有的存在很多缺测和错误数据,使有效数据的完整率小于90%，也有的测风塔的位置、数量和高度不满足要求，无法保证测风数据满足代表性、准确性和完整性的要求，从而导致最终的预测值与实际情况有较大偏差。近年来，这一状况有所改善，但仍要引起注意，因为测风数据是后续分析预测工作的基础，将直接影响风能资源评估、风电场选址和发电量预测，进而影响风电场的投资决策。

另一方面，对数据进行分析和处理时经验不足，考虑不够全面，导致结果有较大偏差。特别是目前使用国外分析软件，这些软件的设计主要是以国外的地形和气候条件为对象，而我国与风电大国丹麦和德国相比，幅员辽阔，地形比较复杂，各地区气候条件变化也较大，使用国外的软件处理这些复杂问题需要更多的经验和技巧，同时还要考虑到软件的某些局限性，对所得结果作进一步的分析,最好采用多个软件进行对比。

（二）风电场微观选址

风电场微观选址是确定各台风电机组的位置，它不仅需要根据风资源的情况，考虑场址的地形、地表粗糙度和周围障碍物影响，同时还要综合考虑尾流效应、湍流的影响、土地利用率和安装运输条件等因素。这并不仅仅是借助于相关软件，输入基本参数就能得到满意的结果，它需要丰富的经验和技巧。国内曾有多个风电场，因选址不当，使某些风电机组的发电量明显低于其它风电机组，最终不得不移机。

（三）风电接入电力系统

我国正在运行的个别风电场所接电网的接受能力达不到风电场的额定出力，有些风电场所接电网不能保证风电机组的运行条件，引起风电机组停机。这都直接影响了风电机组的实际发电量，最终影响了风电场投资者的经济效益。这些问题的出现，主要由于风电场与常规火电、水电和核电站相比有诸多不同之处。因此风电接入电力系统时，需要考虑以下问题：

1中国目前已建的风电场的装机容量都比较小，通常接入附近的地区配电网。由于配电网中缺少电源支撑，而原有的无功/电压控制装置都没有考虑风电场的影响。当风电场并网运行后，风电功率的变化将引起局部系统的母线电压和线路潮流发生改变。

2风能为间歇性能源。风电场的有功功率和无功功率将随风速的变化而变化。在分析风电场接入电力系统时，需要考虑风电场输出功率波动范围大的特点，对于一些风能资源比较丰富的地区，随着风电场建设规模的扩大，风电场装机容量在当地负荷中所占的比例增加。风电场的功率波动会对地区电网运行产生一些影响，主要是功率波动引起的电压变化问题。

3目前850kW以下的风电机组绝大多数是异步发电机组,输出有功功率的同时还要从电网中吸收一定的无功功率，它不具有维持和调节机端电压水平的能力。对于兆瓦级风电机组，目前国际上的主流机型多采用变速恒频技术，发电机为双馈感应电机，需要指出的是，虽然变速恒频风电机组从原理上讲可以在线连续调节功率因数，但目前普遍采用的是恒功率因数控制模式。当风电机组并入弱电网时，风电场引起的电压偏差将可能是一个问题，有一些风电机组具有向电网提供无功功率的能力，但这些无功优化装置是选件，需要另外付费购买。

随着风电场装机容量在电网中所占比例的增加，风力发电和电力系统的相互影响将成为制约风电场建设规模的因素，这就迫切需要研究风能资源丰富区域电网接受风电的能力及需要的条件，制定风电场并网的技术规程。

（四）其它所需的相关技术服务

随着中国风电市场的扩大，有越来越多的风电机组的制造将实现本土化，而且国产的风电机组会占据越来越大的市场份额。这就迫切需要在中国建立风电机组认证和测试机构，确定风电机组功率特性、电能质量特性、风电场接入电力系统的能力以及风电机组的寿命等性能。同时随着风电机组运行时间的增长，将有越来越多的风电机组进入维修期，专门的风电机组的维修行业也将成为一个很有前途的领域。

六、 前景展望

随着可再生能源法的实施,我国风电进入了快速发展时期,世界风电设备制造商和开发商都十分看好我国的风电市场。无论从我国风能资源和能源需求来看,还是从保护环境角度出发,我国都应加快风电技术和产业的发展。通过大规模的风电开发和建设,促进风电技术进步和产业发展,实现风电设备制造自主化,尽快使风电具有市场竞争力。在经济发达的沿海地区,发挥其经济优势,在“三北”(西北、华北北部和东北)地区发挥其资源优势,建设大型和特大型风电场,在其他地区,因地制宜地发展中小型风电场,充分利用各地的风能资源。

风电发展到目前阶段,其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于:能力每增加一倍,成本就下降15% ,综合风电场的风力资源、规模、运行维护成本和融资因素(如贷款利率、偿还期等) ,目前在较好的风场,风力发电的成本约为5美分/( kW·h)左右,已具备与火电竞争的能力。近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化,风电成本可望再降,我国风力发电事业将持续高速发展。

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