风力发电现状及展望

刘志超

摘要：社会进步带动各行业的电力需求量与日俱增，同时大众环保意识不断增强，传统火力发电已经无法满足当下社会需求。新能源开发中，风力发电系统具有广阔的发展前景。本文针对风力发电系统的发展状况进行了分析，并阐明了该技术的前景方向。

关键词：风力发电；系统；发展方向；能源

当代社会能源短缺问题日益严重，风能作为一种可再生的清洁能源，其应用发展优势十分突出。风力发电设备中主要装置包括风力机、发电机，上述两装置可极大程度的影响输出电能质量，对风电转换效率具有一定作用。现阶段，风电技术已经趋于成熟，产品质量具有较高稳定性，是应用前景较高的新型发电技术。

1风力发电技术概述

1.1发展现状

风力发电技术起源于19世纪，近年来相关技术逐渐趋于成熟。国外西方发达国家的风力发电技术已经较为成熟。在技术研发方面投入了大量资金，重点考虑了新材料、新工艺、通信技术等在风力发电系统中的应用，提高了风力发电技术的可行性。尤其是大规模风能的利用方面更具优势，如海上风力发电，成为了传统能源发电模式的补充方法。国内风力发电技术一般是集中在小型风力发电厂。上世纪50年代主要工艺、材料应用方面尚未全面实现自主生产，发电机制造、电力并网等关键技术仍依赖进口。

导致国内大型风力发电设备一般成本高，研发受限。90年代后，风电发展进入新阶段，电厂规模、机组容量大幅增加。自从国家大力发展风能、太阳能等新能源后，风电技术相关研发成果逐渐增多，且技术水平提升较快。成功项目逐渐增多，如“甘肃电网接入大规模风电后的系统稳定及运行控制技术研究”，属于自主产权，部分成果已经达到世界领先水平。

1.2风力发电机组的组成

风力发电机组一般包括两部分：风机部分、发电机部分。根据风力发电机浆叶的功率调节方式，可分为定桨距机组、变桨距机组。前者浆叶、轮毂相连接，外界环境风风速变化时，迎风角不发生改变；后者根据定桨距风机进行了改进，风机叶片可围绕中心轴转动，保证叶片迎风角可调。两种机组相比，后者可在额定功率之外仍维持较高的平稳度，性能更突出，在大型机组中应用较多。根据风力发电机组不同，发电机可分为：异步发电机、同步发电机。确保变流机组的合理性便可保证设备维持稳定的变速运行状态。

2风力发电的技术发展

2.1风力发电机组机型及容量的发展

现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年达到2MW。进入21世纪，兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2004年德国Repower即研制出第一台5MW风电机，Enercon开发出第二代直驱式6MW风电机。从世界范围来看，1.5~2MW的机型占世界机组容量的比例，已从2007年的63.7%飞速上升到80.4%。在我国，2005年风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的21.5%，2009年比例已经上升到86.86%。这表明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。

2.2风力发电机组控制技术的发展

控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术，这是因为:

①自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素相关，这样风力机所获得的风能是随机和不可控的。

②为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径在60~100m，因此风轮具有较大的转动惯量。

③自动控制技术在风力发电机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中起到很好的作用。

④风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，在海岛和边远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组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。将计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。定桨距型风力机指桨叶与轮毂的连接是固定的，即桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。失速型是当风速高于额定风速，利用桨叶翼型本身所具有的失速特性，即气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，将发电机的功率输出限制在一定范围内。失速调节型的优点是简单可靠，当风速变化引起输出功率变化时，只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不做任何控制，使控制系统大为简化。

其缺点是叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低，关键部件更容易疲劳磨损。变速恒频风力发电机组是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，其转速不受发电机输出功率的限制，而其输出电压的频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。与恒速风电机组相比，它的优越性在于:低风速时能够跟踪风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化调节风力机桨距角。在保证风电机组安全稳定运行的同时，变桨距风力发电机组的优点是：输出功率平稳，在额定点具有较高的风能利用系数，具有更好的起动性能与制动性能，能够确保高风速段的额定功率。

3电能传输

风电应用最好的国家应该是丹麦，2013年丹麦的风电可以达到全国总电量的40%，这是一个非常高的数字。对比来看，丹麦的风电站的规模远不及我国千万千瓦级的风场，另外丹麦国土面积较小风电可以就地消费不用经历远距离传输，并且和相邻的北欧电网有非常好的调度配合。我国虽然风能资源十分丰富，但是主要集中在内蒙古、甘肃、新疆、河北、江苏等地区，而这些地区却又不是主要的负荷消耗低，所以这些千万千瓦级规模的风力发电站发出的电能并不能很好的就地消化。我国主要的能源消耗地区集中在“三华”也就是华中、华北、华东地区，图中可以看到风电要想输送到这些地区需要通过几百公里甚至几千公里的距离。

由于风力强弱会造成风电出力的随机波动，进而会导致与之相连的电网内的无功功率的大小和方向随机变化，这会对整个电网的安全造成很大的隐患。我国在这方面也正做着积极的努力，2013年底世界上首个多端柔性直流输电工程———南方电网南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程正式投运。该工程为远距离大容量输电、大规模间歇性清洁电源接入、构建直流输电网络等提供了安全高效的解决方案。

4存在的问题及展望

首先，我国尚未完全掌握风电机组的核心设计及制造技术。在设计技术方面，我国不仅每年需支付大量的专利、生产许可及技术咨询费用，在一些具有自主研发能力的风电企业中，其设计所需的应用软件、数据库和源代码都需要从国外购买。在风机制造方面，风机控制系统、逆变系统需要大量进口，一些核心零部件如轴承、叶片和齿轮箱等与国外同类产品相比其质量、寿命及可靠性尚有很大差距。其次,我国风电发展规划与电网规划不相协调，上网容量远小于装机容量。风电发展侧重于资源规划，风电场的建设往往没有考虑当地电网的消纳能力，从而造成装机容量大。并网发电少的现状。

结语

风电技术涉及专业较广，包括计算机学、空气动力学、材料学等。国内风能资源较为丰富，带动了风电行业的发展，风能利用对国家环境结构的调整具有极大影响，可有效调整能源结构，降低进口能源的依赖，对国家经济效益具有重大作用。

参考文献

[1]魏超.浅谈风力发电技术发展现状及趋势[J].科技创新与应用,2012，9(8).

[2]杜学忠.风力发电技术发展现状及关键问题分析[J].电气制造,2012，6(25).