风力发电技术的发展现状和关键问题

风力发电技术的发展现状和关键问题电气学院自动化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,已受到世界各国政府的高度重视。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5000MW,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94112MW,比10年前的不足5000MW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12007年全球新增风电装机容量（1）MW国家装机容量国家装机容量美国5244西班牙3522中国3449印度1730德国1667法国888意大利603葡萄牙434英国427加拿大386注:（1）总计20073MW。欧洲的风力发电持续引领世界,总装机容量超过40500MW。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22007年底全球累计风电装机容量1)MW国家装机容量国家装机容量德国22247美国16818西班牙15145印度8000中国6050丹麦3125意大利2726法国2454英国2389葡萄牙2150注:1)总计94112MW。德国是风电装机容量最大的国家,风力发电量22247MW,其电力的6%来自风电。西班牙和美国风电容量均超过10000MW,其电力的8%来自风电。丹麦的风电容量为3125MW,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400MW。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680MW,2006年年底增加到1200MW。加拿大政府计划到2010年将风电装机容量增加到4000MW。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568.41MW。除去已经拆除和不能运行的机组，2003年底实际装机1017台，564.45MW，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、新疆、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位的风电场依次为新疆达坂城二场（82.8MW）、广东南澳风电场（56.78MW）和内蒙古辉腾锡勒风电场（42.7MW），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(除台湾省)累计风电机组6469台,装机容量6050MW,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3155台,新增装机容量3449MW,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2599MW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/风力发电机型号额定功率/kW风轮控制转速控制转子直径/mDeWindD61250变桨距变速64ANBONUS2000主动失速恒速76NordexN802500变桨距变速80EnronEW115s1500变桨距变速70EnerconE2661800变桨距变速70EnronEW3163600变桨距变速100Pro&ProMD701500变桨距变速70VestasV802000变桨距变速80（二）功率调节方式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限制,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,调节桨距角限制最大输出功率。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,NEGMi2con,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