風力發(fā)電技術發(fā)展綜述

汪旭旭，劉毅，江娜，段延芳

(三峽大學，湖北 宜昌 443000)

風力發(fā)電技術發(fā)展綜述

汪旭旭，劉毅，江娜，段延芳

(三峽大學，湖北 宜昌 443000)

風力發(fā)電作為可再生能源之一，各大機構、高校等均投入大量人力、資金、技術研發(fā)風力發(fā)電技術及產業(yè)。首先介紹了風能及風能利用歷史，較詳細的綜述了風力發(fā)電系統(tǒng)及風力發(fā)電機類型等內容，并對當前我國風力發(fā)電面臨的難點進行了分析，最后展望了風力發(fā)電的前景，能夠為相關風力發(fā)電的研究提供一定依據(jù)。

風能;風力發(fā)電;發(fā)電機;發(fā)電系統(tǒng)

1 引言

從能源的分布和利用來看，隨著不可再生能源的逐漸枯竭，水力發(fā)電容量有限，核能發(fā)電存在諸多不安全因素，那么尋求新形勢的發(fā)電方式將是擺在當今電力行業(yè)面前的首要難題。風能發(fā)電在目前的可再生能源中，起步早，發(fā)展較成熟，產業(yè)化較好，并有望成為火電、水電之后的第三大發(fā)電電源［1］。利用風能發(fā)電將在我國的新能源發(fā)電領域占據(jù)很重要的位置。本文較全面地介紹了風能、風力發(fā)電系統(tǒng)及風力電機型式，分析了風力發(fā)電發(fā)展面臨的技術難點，并展望了風力發(fā)電的發(fā)展前景。

2 風力發(fā)電概況

2.1 風能概述［2，3］

由空氣運動產生的能量稱之為風能。單位面積上單位時間通過的風能稱為風能密度。我國風能資源豐富，可開發(fā)的裝機容量2.53億千瓦，居于世界首位，與可開發(fā)的水電裝機容量的量級基本相同，主要分布在新疆、內蒙古以及沿海一帶。

風能發(fā)電的優(yōu)缺點主要為:有安全可靠、節(jié)約資源、無污染、建設周期短、安裝靈活、運行簡單、占地少、環(huán)境要求低、發(fā)電方式多種多樣的優(yōu)點，但也存在頻率控制技術困難、對電網(wǎng)沖擊大、波形不標準、電力設備大而運輸難等缺點。

2.2 風力發(fā)電的發(fā)展歷史［3］

人類數(shù)千年前就已經在利用風能。最早的利用方式是帆船。后又利用其提水、碾米等。雖然風能利用歷史悠久，但是風力發(fā)電卻只有一百多年的歷史。

丹麥人于19世紀末發(fā)明了第一臺風力發(fā)電機，并得到很好的推廣，到1930年小容量的風力發(fā)電機技術基本成熟。20世紀30年代至60年代，美國、丹麥等歐美國家開始研發(fā)大、中型發(fā)電機組。70年代至80年代，各國開始研制1000kW以上的發(fā)電機組，但均未能獲得正常運行。丹麥在90年代利用大小兩種風機研制出現(xiàn)代風力發(fā)電機的雛形。

3 風力發(fā)電系統(tǒng)及風力電機型式

3.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的類型

3.1.1 按發(fā)電機的運行方式劃分

(1)恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)［4，5］

目前風力發(fā)電系統(tǒng)應用最多的異步發(fā)電機基本上是恒速恒頻型式的，結構圖如圖1所示。其基本原理為:由控制系統(tǒng)對風速進行實時監(jiān)測，當平均風速大于起動風速時，控制系統(tǒng)開始啟動風機進行發(fā)電。這種發(fā)電方式具有性能可靠、控制技術簡單的優(yōu)點，但風能資源利用率較低。

圖1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖

目前風力發(fā)電系統(tǒng)為了增大風能利用率，一般采用大小兩套配合發(fā)電，風速低時小容量風機可以進行發(fā)電，風速大時均能并網(wǎng)發(fā)電。

(2)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)［6］

不干涉風車的轉速，讓其隨風速的變化而變化，再通過其他方式來調頻的方法稱為變速恒頻風力發(fā)電。風機和電機的轉速有很大的變化范圍，當風速改變時，實時的調整風機轉速，最大限度的對風能進行利用，優(yōu)化了機組的運行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大大地提高了。目前國內外主流的風力發(fā)電系統(tǒng)如建成或者在建的機組均采用這種方式。這種發(fā)電系統(tǒng)方式較多，僅僅列舉其中幾種形式，如圖2～4所示。

圖2 籠形一步異步電機變速恒頻系統(tǒng)

圖3 無齒輪箱變速恒頻系統(tǒng)

圖4 無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)

3.1.2 按變換器技術劃分

(1)交 － 交系統(tǒng)［7，8］

相對于交－直－交系統(tǒng)，交－交交換系統(tǒng)沒有中間的直流環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的交－交系統(tǒng)由三套可逆整流電路組成，是一種四象限交換器，能夠和電源之間進行能量交換。這種交換系統(tǒng)工作可靠性好，效率較高。但由于含有較大的諧波電流，且在運行中交換器要吸收大量的無功，因而功率因數(shù)也較低;其次由于系統(tǒng)的結構復雜，導致元件的數(shù)量較大，在風力發(fā)電的系統(tǒng)中應用有限。

(2)交 － 直 － 交系統(tǒng)［9，10］

交－直－交系統(tǒng)采用電壓源型通用變頻器，輸入側并不控制電流而直接整流得到直流電壓，輸出側則對直流電壓調壓調頻來達到負荷要求。由于輸入電流是非正弦波形電流，功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)造成諧波影響。相對于交－交交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)不具備四象限特性，設備較多且龐雜，造價高容易損壞，導致系統(tǒng)的可靠性較差。

(3)混合系統(tǒng)

將電壓型和電流型兩個變換系統(tǒng)并聯(lián)運行，稱之為混合式交換系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一共含有4個可控變換器。該系統(tǒng)主變換器為電流源變換器，副變換器為電壓源變換器。具有控制方式靈活，輸出電能質量高，便于實現(xiàn)電機矢量調節(jié)等優(yōu)點;但該類型變換器所需的功率器件數(shù)量多，拓撲結構復雜，導致硬件成本過高，且控制系統(tǒng)設計困難［11］。

3.2 風力發(fā)電機的類型

3.2.1 按發(fā)電容量劃分

風力發(fā)電機組容量劃分一般為:小型機組范圍為0.1～1000W，中型機組范圍為1～1000kW，大型機組范圍為1～10MW，巨型機組范圍一般在10MW以上，也成為特大機組。

3.2.2 按風輪軸的安裝方式劃分

(1)垂直式風力發(fā)電機［12］

按風輪軸的安裝方式，可以將風力發(fā)電機分為垂直軸風力發(fā)電機和水平軸風力發(fā)電機。垂直軸風力發(fā)電機出現(xiàn)于20世紀30年代，比水平軸風力發(fā)電機要晚。垂直式風力發(fā)電機的能量驅動鏈是成垂直方向的，主要包含兩種類型:第一類就是利用空氣阻力做功，第二類就是利用翼型的升力做功。第一類代表型風力發(fā)電機為S型風輪，由兩個軸線錯開的半圓柱形組成，起動時轉矩較大是其主要優(yōu)點。Darrieus型風力機是第二類風機的典型結構，常見有菱形、Y型、Φ型、H型等多種類型，其中一些的結構圖如圖5所示。

圖5 各種形式的垂直軸風力發(fā)電機

(2)水平式風力發(fā)電機［13］

目前應用最廣且技術最純熟的風力機是水平軸風力機。水平軸風力機包括塔身和塔身頂端的翼艙。在翼艙里安裝有發(fā)電機、變速箱和轉子等。其風輪葉片數(shù)一般為2～3葉，葉片形狀一般為翼形，該風輪啟動力矩較大，風能利用系數(shù)高。為了使風機的頁面(掃風面)能夠處于最佳迎風位置，一般在水平式風力發(fā)電機上還需安裝調向裝置。

3.2.3 按輸出功率調節(jié)形式不同劃分

(1)變槳距型［14－15］

變槳距風力發(fā)電機是在定槳距風力機上發(fā)展過來的。變槳距風力發(fā)電機的葉片與輪轂不再是剛性連接，此時采用的是聯(lián)軸器或是推動軸承連接，目的是為了根據(jù)風速的大小變化來控制槳距角，保證功率輸出在額定值附近。大型變槳距風力發(fā)電機組除了進行槳距控制以外，還通過控制發(fā)電機轉子電流來控制發(fā)電機轉差率，使得發(fā)電機轉速在一定范圍內能夠快速響應風速的變化，以吸收瞬變的風能，使輸出功率曲線更加平穩(wěn)。

(2)定槳距型［16］

定槳距風力發(fā)電機的槳距角和轉速都是不變的，而且其槳葉和輪轂是固定的，采用葉尖擾流器實現(xiàn)槳葉的制動，再結合槳葉自身的氣動特性實現(xiàn)定槳距風力機的調速功能。槳距角和轉速的固定不變性導致了槳距角不能隨風速的變化而變化，一旦風速高于額定風速，槳葉就會失速而引起輸出功率隨之下降。利用自身氣動性和葉尖擾流器實現(xiàn)控制性能，能夠簡化結構、增加可靠性，但又存在其部件較大，功率系數(shù)較低且不易啟動的缺點。

4 風力發(fā)電發(fā)展面臨的技術難點［17－19］

4.1 設計方案的中國化

雖然風力發(fā)電技術已經活躍了近百年，但是占據(jù)世界主流風力發(fā)電機市場的仍然是歐美等發(fā)達國家。國內的風力發(fā)電機廠基本采用引進先進國外技術，所以在確定設計方案的時候，基本沿用的是國外保留的方式，雖充分保留了國際先進水平，但是沒有注意到與現(xiàn)實中國的發(fā)展水平以及具體的國內運行環(huán)境。

首先我國的工業(yè)發(fā)展水平在體系上和國外有一定差異和距離，甚至有些行業(yè)還存在代差。其次，國外風力發(fā)電機設計、試驗、運行的環(huán)境和國內的環(huán)境存在很大差異。我國風力資源豐富及開發(fā)較好的地區(qū)在北方地區(qū)，這里風沙大、溫度低，環(huán)境條件苛刻，遠低于國際標準。

4.2 風力發(fā)電技術的自主開發(fā)

由于在風力發(fā)電技術上的相對落后，致使國內風力發(fā)電市場受到國外技術的制約。在關鍵技術上和產品研發(fā)上依賴國外技術，產品費用較大，風力發(fā)電的成本較高，不利于我國風力發(fā)電產業(yè)的推廣發(fā)展。所以，研究和設計擁有自主知識產權的風力發(fā)電技術是國內風電產業(yè)的當務之急。

4．3 風力發(fā)電機的載荷準確計算和優(yōu)化設計

風力發(fā)電機一般露置大氣環(huán)境之中，而自然環(huán)境的各個要素如氣溫、風速、雨雪等，其隨機性差異很大，往往造成風力發(fā)電機的受力情況比較復雜，各種氣象條件下的應力控制點也各不相同。由此看來，準確計算不同運行工況下的風力機各部件的載荷特性，可以優(yōu)化產品的性能，提高風力電機的可靠性、安全性，同時根據(jù)各部位應力分布情況，采取只針對應力薄弱環(huán)節(jié)加強的措施，能夠減少材料浪費和降低成本。

5 結論

我國的風力發(fā)電產業(yè)經過多年的發(fā)展，已經有了長足的進步，相關法規(guī)如《可再生能源法》的頒布，更加促進了風電的推廣。同時國家也出臺了一系列政策來扶持風電產業(yè)?？傮w來說，國內的環(huán)境給風電的發(fā)展提供了有利的成長空間。這是當前我國風力發(fā)電的機遇。

但是我國風力發(fā)電依然處于初級層次，與國外在技術層面、市場規(guī)模、建設等方面相比，還是存在相當大的差距。

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Summary of W ind Power Technology Development

WANG Xu-xu，LIU Yi，JIANGNa，DUAN Yan-fang
(China Three Gorges University，Yichang，443000，China)

As one of the renewable energy，major institutions，colleges and universities have put substantialmanpower，capital，and techniques into the research and development of wind power technology and industry．Firstly，this paper introduces the history ofwind energy and wind energy utilization，and then has explicitly overview of wind power systems and type ofwind turbines．It also analyzes the current difficulties for China＇s wind power generation．Finally it gives an outlook for wind power，intending to provide a basis for the relevant research on wind power．

wind energy;wind power;wind turbines;power generation systems

TM614

B

1004－289X(2013)03－0016－04

2013－05－06

汪旭旭(1988－)，男，三峽大學與新能源學院，碩士研究生，研究方向為電氣工程;

劉毅(1980－)，男，漢族，安徽省岳西縣人，助理工程師，三峽大學電氣與新能源學院2011級工程碩士研究生。主要研究方向為輸電線路施工技術。