风力发电的现状及发展趋势

风力发电的现状及发展趋势1.引言(Introduction)世界上越来越多的国家认识到，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会的需要，而又不危及子孙后代前途的社会。因此节约能源(SaveEnergy)，提高能源利用效率(EnergyUsingEfficiency)，尽可能多地利用洁净能源(GreenEnergy)替代高含碳量的矿物燃料，应是各国能源建设遵循的原则。近年来，人们已经逐渐认识到风力发电(WindPowerGeneration)在减轻环境污染、调整电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，无论从调整电网结构，还是从商业化方面都促使人们开始重视发展风力发电。国际上利用风力发电是上个世纪发展壮大起来的。从八十年代中期到九十年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，九十年代以来，世界风力发电容量以平均每年30%的速度增长，已成为世界能源中增长最快的一种，并且风力机的设计、制造技术趋向成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十kW跃升至600kW，并有兆瓦级风力发电机问世，发电成本竞争力越来越强，同时，风电场建设和管理的水平以及规模也上升到崭新的阶段。近十几年来风力发电机产品质量有了显著提高，作为一种新的、安全可靠的、干净的能源而受到国际上风资源丰富国家的关注与大规模开发。图1示出了上世纪九十年代初期到本世纪初的世界风力发电的增长趋势。图1风力发电装机容量的快速增长Fig.1Fastincreaseofwindpowergeneration1.世界风力发电的发展状况(Globalstatusofwindpowergeneration)随着风力发电在技术上日益成熟，已初步具有同燃油、燃煤、核能等发电技术相竞争的技术经济性。风力机的单机容量也越来越大，世界上最大的“超级风力发电机”（Superwindturbine）单机功率为7.3MW，风车直径达到112米。目前国际商品化的大型风力机功率也已经达到两兆瓦以上，我国目前运行的最大风力发电机为4台Nordex公司生产的1.3MW风力发电机，位于辽宁营口仙人岛风力发电厂。随着制造和运行成本不断降低，大型风力发电机组单位电价已经接近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年良好运行的记录，运行的可靠性达到98%以上。对风力机设备的配套技术也日益完善，风力发电机组全部实现集中和远程控制，商业性风力发电场已形成了相当的规模和经济效益。风力发电场逐渐从陆地转移到海上，其发展空间和前景更加广阔。近五年，欧洲市场的年平均增长率为35%。2002年全年，欧洲新增装机容量达到587lMW，表1示出了2002年欧盟主要国家风力机装机情况。德国、西班牙和丹麦占其中的90%，目前德国风电总装机容量已经达到12001MW，占其国家电力总需求的4.7％，丹麦风电总装机容量达到2880MW，占国内电力需求的20%。当今世界风电发展较快的国家还有美国、荷兰等，这些国家也同时开发了大型的商业化风力发电机组。丹麦是世界上大型风力发电机产量最多的国家，出口量也居世界首位。首届世界风能大会2002年4月2日至5日在法国巴黎举行，这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会共同主办的。欧洲风能协会分析指出，与其他地区相比，欧洲的风能发电发展最快，欧洲风能发电的总功率达到1.9万MW，占全世界风能发电能力的70%以上。世界上风能利用最好、发展最快、技术比较先进的国家分别是德国、美国、丹麦、荷兰。表12002年欧盟主要国家风力机装机统计(单位:MW)Tab.1EUcountry’scapacityofwindturbinein20021.我国风力发电的发展状况(Domesticstatusofwindpowergeneration)我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。据专家预测，我国风能储量大，分布广，全国大约有2/3的地区为多风地带。全年平均风速3m/s及以上的时间达3000～5000h.平均风能密度为100W/m2，可开发的风能资源约2.53亿kW。因此我国具备大规模发展风电的资源条件。我国风能资源的分布如表2。表2中国部分省风能储量(单位：GW)Tab.2WindpowerreserveofChineseprovince我国风力发电从20世纪80年代末开始起步，到2002年底，全国累计风电装机总容量达到近47万kW左右，风电场发展到32个，如表3所示。其中新疆达坂城风电场累计安装风力发电机组179台，装机容量达到7.7万kW，广东南澳风电场安装风力发电机组130台，装机容量达到5.7万kW，内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超过4万kW，福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电场，为解决无电地区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。2003年进入施工阶段和可行性研究阶段的分别达到91.6MW和223MW，我国风力发电事业将有一个更大的发展。辽宁、新疆、广东已经成为我国风力发电最多的三个省区，其他各个省区也根据当地的风资源情况大力发展风力发电事业。表32002年我国风电厂装机容量排序Tab.3OrderofChinesewindpowerfactorycapacityin2002我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超过90%；600kW机组样机的国产化率达到80%左右。我国具备了自行研制开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的能力，还开发了一批风/光、风/柴联合发电系统。1.国外的风力发电技术的发展概况(Globalstatusofwindpowergenerationtechnology)风力发电系统的一般组成结构如图2，首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能，电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小系统设计制造的难度。图2风力发电系统组成结构框图Fig.2Diagramofwindpowergenerationsystem现代风力机的发展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机，它的主要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、下风式风力机。自从那时开始，许多新的设想被提出并应用于实践中，尤其1973年的石油危机更加速了这一过程的发展。七十年代末，名为“Riisager”的22kW风力机，开辟了一个新的领域，它是用并不昂贵的汽车标准零件制成的，在很多的私人庄园和农舍得到成功的应用。最近二十年的时间里，风力机的输出功率从20kW发展到2MW。风力发电技术方面也取得了很大发展：一是在风力机本身的控制技术。在过去的十四年里应用了浆距控制技术，最近失速调节技术又得到实际应用；二是在电气技术上。自从1993年开始，有些生产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机。三在风力发电系统中电力电子技术的进步也引出了新的控制思想──变速恒频控制。风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术发展的必然趋势，另外用于变流器系统的电力电子技术直接决定了产生的电能质量，这三项技术同时也是风力发电中的关键核心技术。下面着重介绍一下这三方面技术的研究概况。一、风力机的变桨距功率调节技术a)风力机的特性曲线风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数Cp：式中：——t时间内叶轮吸收的风能；——t时间内通过叶轮旋转面的全部风能；——单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；——单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率的表达式为：式中：——空气密度(kg/m3)；A——叶轮的扫掠面积(m2)；D——叶轮的直径(m)。系数，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数（叶尖速比）曲线来表示，如图3所示。图4异步电机输出功率曲线Fig.4CurveofIMoutputpower恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图4所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点发生改变。当转子速度高于同步转速3%～5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。b）变速恒频发电系统目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。下面将对各种电机系统加以简单介绍。（1）交─直─交风力发电系统这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。（2）磁场调制发电机系统这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频率，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为的低频交流电励磁（即为所要求的输出频率，一般为50Hz），当频率远低于频率时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为和的两个分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是，包络线所包含的高频波的频率是。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率为的恒频正弦波。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。与前而的交─直─交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是：①由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。②晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易