风力发电技术发展概述

风力发电技术发展概述

　　风能勘查技术与工程专业,风能发电技术特征,风能的前沿技术20 世纪80～90年代，风力发电技术得到了飞速的发展并且逐渐成熟。风力发电凭借它自身的优点，已经延伸到了电网难以达到的地方，给他们带来了很多方便。据全球风能理事(GWEC)发布的全球风电市场装机数据显示，全球风电产业 2011年新增风电装机容量达四万一千兆瓦。这一新增容量使全球累计风电装机达到二十三万八千兆瓦。这一数据表明全球累计装机实现了两成多的年增长， 新增装机增长达到6%。到目前为止， 全球七十多个国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的装机容量超过 1GW。据估计到 2030 年，欧洲风电装机可达三百亿瓦，可满足欧洲百分之二十的电力需求。

　　我国风力资源储量丰富，分布广泛。陆上可开发的储量为2.53亿kW，海上可开发的储量为7.5亿kW。大规模、高集中开发，远距离和高电压输送是我国风电发展的重要特征。近年来，我国风电发展迅猛，2006-2010 年风电总装机容量从260万kW增长到4182.7万kW，2010年新增风电装机1600万kW，累计装机容量和新增装机容量均居世界第一。预计2020年我国风电累计装机可以达到2.3亿kW。这意味着未来十年中，风电总装机容量平均每年需新增1800万kW。预计每年需新增机组及其配套变流器约9000台。

　　风力发电系统的运行方式有三种：独立型、并网型和联合型。并网型风力发电系统由风力机控制器、风力机、传动装置、励磁调节器、发动机、变频器和变压器等组成。

　　风力发电机组包括风力机、 发电机、变速传动装置及相应的控制器等，用来实现风能与电能的能量转换。风力发电的关键问题是风力机和发电机的功率和速度控制。

　　风电机组中将风能转换成机械能的能量转换装置是风力机，它由风轮、迎风装置和塔架等组成。按结构不同，风力机可分为水平轴式和立轴式两种；按功率调节方式不同，风力机可分为定桨距失速、变桨距和主动失速 3 种。

　　风电机组中的发电机将机械能转化为电能，发电机在并入电网时必须输出恒定频率(一般为50Hz)的电能。按照发电机转速的不同，发电机可分为恒速和变速两类，其中变速需要通过变频器来实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术，将发电机发出的频率变化交流电转换为与电网频率相同、能与电网柔性连接的交流电，并且能实现最大风能跟踪控制。按照拓扑结构的不同，变频器可分为交-交型、交-直-交型和矩阵型三种；按照变频器容量的不同可将变频器分为部分容量和全部容量(全额)两种。变速传动装置可将风轮的低转速转换为发电机的较高转速，按传动链类型将其分为齿轮箱驱动和直接驱动两种，其中前者包括单级和多级两种齿轮箱驱动。

　　实现恒速或变速风力发电系统有许多种方案，所选发电机的类型主要取决于风电系统的形式。传统的恒速/变速风电系统共有四种：基于SCIG 的恒速风电系统、基于WRIG 的受限变速风电系统、基于ESC-SCIG 的变速风电系统和基于MMG的变速风电系统。

　　现代风电系统一般采用变速恒频技术，这种技术通过变流装置或改造发电机结构来实现。现代变速恒频风电系统共有六种：基于SCIG的风电系统、基于DFIG的风电系统、基于直驱式EESG的风电系统、基于直驱式PMSG的风电系统、基于半直驱PMSG的风电系统和基于PMBDCG的风电系统。

　　近年来，一些具有商业化潜力的新型风力发电机及其风力发电系统不断涌现。新型变速恒频风电系统主要有以下八种：基于 SRG的风电系统、基于BDFIG的风电系统、基于CPG的风电系统、基于HVG的风电系统、基于DWIG的风电系统、基于TFPMG的风电系统、基于DSPMG的风电系统和基于EVT的风电系统。

　　并网技术是通过对全功率电力变换器的控制算法来实现控制目的。并网控制方面，部分文献提出了直流侧并网的新方法。在直流电容与DC/AC之间安装并网开关。并网前并网开关断开，DC/AC通过限流电阻对电容进行充电，此时发电机在风力机的带动下转速从0上升。当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关，同步风力发电机并网。正常情况下，发电机转速从低到高逐渐上升，并在某一转速下并入电网。当由于某种原因，发电机在高转速下脱网需要重新并网， 由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值， 因此只要将并网开关闭合就可实现并网。直驱式永磁同步风力发电机经电力电子变换器并入电网以后的控制目标是风速小于额定风速时实现最大风能捕获， 风速超过额定风速时使系统以额定功率输出。

　　最大风能捕获的目的就是通过适当的控制，使风力机转速随风速变化，始终沿着最佳功率曲线运行，从而使风能转化最大化。最大风能追踪可以有变桨距调节，也可以通过调节发电机功率来调节转速以保持最佳叶尖速比实现。出于可行性、经济性和可靠性的考虑，当前使用的主要是通过控制发电机输出功率以调节其电磁功率，进而调节发电机转速。

　　电网电压跌落时，由于受变流器通流能力的限制，网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变，造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定，则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏，为了保护变流器不被损坏，风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时，风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。

　　然而，随着风力发电规模的不断扩大，若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网，则会增加整个系统的恢复难度，甚至使故障更加严重，最终导致系统其他机组全部解列。目前在风力发电技术发展领先的一些国家，如丹麦、德国等已相继制定了新的电网运行准则, 定量给出了风电系统离网的条件（如最低电压跌落深度和跌落持续时间），只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网，当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力，能方便地为电网提供无功支持。因此必须研究低电压穿越的措施， 实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。

　　风电作为我国今后大力重点发展的3类新能源之一，在今后将具有广阔的发展和应用前景，风力发电在摆脱对化石能源的过度依赖、缓解中国能源紧缺、改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。本文对风力发电的发展状况，如传统的恒速/变速风电系统、现代变速恒频风电系统和新型变速恒频风电系统进行了简单介绍。随着风电技术的不断变革以及机组制造工艺的持续改进，将来风力发电的竞争力必定逐渐提升，其发展前景广阔。