风力发电技术与应用前景分析

摘 要

社会的发展和生产力的进步使人类对化石能源的依赖越来越大，环境污染、全球气候变暖等问题随之出现。随着化石能源的大量开采，人类还面临着能源危机的挑战，为了保护环境、遏制全球气候变暖、保障能源安全、维护人类社会的可持续发展，世界各国越来越重视对可再生能源的开发利用。风能是一种绿色能源，随着能源危机和环境保护的双重压力，风力发电技术的不断发展，设备成本的不断降低，风能已成为除水能外最具经济利用和产业化开发价值的可再生能源，其发电成本已接近常规能源。目前，可再生能源法的实施和政府的支持，国内的一大批企业纷纷介入风电行业，特别是兆瓦级大型风力发电技术引进和研制快速发展，风电产业已成为国内迅速发展的新型产业。最后，就大型陆上风力发电技术的国内外发展状况和关键技术进行综述。

引言

世界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，又不危机子孙后代前途的社会。因此节约能源提高能源利用率尽可能多地利用洁净能源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在减轻环境污染、调整电网中的电网结构、解决偏远地区居民用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。

随着风力发电在技术上的日益成熟，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”单机功率为7.3WM。目前国际商品化的大型风力机功率也已经达到2MW以上，我国目前运行最大的风力发电机为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场。

随着制造和运行成本不断降低，大型风力发电机单位电价已经接近传统火电发电水平;商业化机组已有十余年良好运行的记录，运行可靠性达到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经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。

第一章 风电机组的关键技术

风力发电系统一般由风轮、传动装置、风力发电机组成。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，需要将风机的转速升高到发电机的额定转速度附近，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化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，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桨距角实现，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。

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关键核心技术。

1.1 常用风电机组的类型 常用风电机组主要分为异步风电机组、双馈式异步风电机组和永磁直驱风电机组。

1.1.1 异步风电机组

异步发电机组是较早的发电机组，在双馈异步发电组大规模安装前，市场上的风电机组主要是普通异步风电机组，直到现在，普通异步风电机组仍然在风电装机容量中占很大的比重。普通异步风电机组是恒速恒频风电机组，随着变频恒速技术的发展，逐渐被双馈式异步风电机组和永磁直驱风电机组取代，目前，新建的风电场基本不再安装普通异步风电机组。

1.1.2 双馈式异步风电机组

双馈式异步风电机组是目前应用最广泛的变速恒频风电机组，也是目前市场份额最大的风电机组。双馈异步风电机组采用双馈式感应发电机和部分容量的变频器，一般变频器容量仅为发电机容量的25%～30%，使得这种机组具有很好的经济性。当前商业运行的双馈式异步风电机组最大容量已超过5MW。

双馈式风力发电系统是一种较经济成熟的变速恒频方案，起发电机的定子绕组接人工频电网，通过改变转子绕组供电电源的频率、幅值、相位、相许来实现变速恒频控制。改方案的变频器只传递转差功率，所以其容量可以大大降低，从而降低机组的成本。

相对于传统异步机组，双馈式变速恒频发电机组具有如下的优点：运行区间高，效率高，能充分利用风能;能参与系统的无功功率调节，提高系统稳定性;在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电;可实现发电机安全、便捷的并网;具有一定的低电压穿越能力;对于无刷双馈式感应发电机，省去了电刷，降低了故障维护成本。

双馈式变速恒频发电机组具有以下缺点：部分容量的变频增加了成本;系统控制策略较为复杂;传统的齿轮箱噪声大、故障率高等;低电压穿越能力有待进一步提高。

1.1.3 永磁直驱风电机组

永磁直驱风电机组也是一种目前应用比较广泛的变速恒频风电机组。基于变速运行、变桨距调节、低转速、高效率、高功率因数直驱永磁同步风电机组已成为研究开发的热点之一。该类型发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化;并且运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数;采用风力机对发电机的直接驱动方式，取消了齿轮箱，提高了风电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量，减少了噪声污染。

由于采用永磁体励磁，发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无功功率;中间直流环节的存在，发电机与电力系统没有无功能量的交换;根据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出功率;网侧变流器可以改善功率因数，并在一定范围调节输出电压。

永磁直驱发电机组的优点：传统系统部件减少，提高了风电机组的可靠性和可利用率;永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率;机械传动部件的减少降低了风电机组的噪声;可靠性的提高降低了风电机组的运行维护成本;机械传动部件的减少降低了机械损失，调高了整机效率;利用变速恒频技术，可以进行无功补偿;电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好;由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

永磁直驱发电机组也有如下的缺点：永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载的变化;永磁发电机需要相应的全容量变流器，带来了高成本;永磁发电机存在定位转矩，给机组启动造成困难;容量的提高受到永磁发电技术的限制。 1.2 现有的风电机组关键技术

现有的风电机组关键技术主要包括变速恒频技术、叶片设计技术、功率调节技术、传动技术和低电压穿越技术。

1.2.1 变速恒频技术

在风力发电中，风电机组并网时，风电的频率必须与电网的频率保持一致，即保持速率恒定。并网型的发电方案主要包括恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。

虽然传统的风力发电机组多采用使用异步发电机的恒速恒频发电系统，但是变速恒频发电系统可以使风电机组在很大风速范围内按最佳效率运行的优点越来越引起人们的重视。从风电机组的原理可知，使风力机的转速正比于风速保持一个最佳的叶尖速比，从而使风电机组的风能利用系数保持最大值不变，风电机组输出最大的功率，可以最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。

可用于风力发电的变速恒频系统有多种：若交—直—交变频系统，交流励磁双馈发电系统，无刷双馈发电系统，开关磁阻发电机系统，磁场调制发电机系统，爪极式发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通过该在发电机本身结构而实现变速恒频的;有的则是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各自有其特点，适用场合也不一样。

1.交—直—交风力发电系统

这种系统的变速恒频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项桥式整流器整流成直流电，再通过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。在此系统中采用的发电机有同步发电机、鼠笼异步发电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步发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发电机不需要外部励磁。

2.磁场调制式发电机系统

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的旋转频率fr，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fm低频交流电励磁(fm即为所要求的输出频率，一般为50Hz)，当频率fm远低于频率fr时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为(fr+fm)和(fr-fm)的两个分量组成的调幅波，这种调幅波的包络线的频率是fm,包络线所包含的高频波的频率是fr。将三个相绕接到一组并联桥式整流器,得到基本频率为fm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fm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与并网风力发电系统。与交—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，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。③磁场调制发电系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。④发电机要经过特殊设计，不能利用通常形式的发电机。这种发电机系统的主要缺点与交—直—交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。

3.交流励磁双馈发电机系统

该系统采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。

当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网;当发电机的转速大于定子旋转磁场的转速时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向;当发电机的转速等于定子旋转磁场的转速时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。

因此，当发电机的转速变化时，若控制变流器励磁相应变化，既可以使定子电流频率保持恒定不变，又与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。

由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为额定功率的一部分，这样变频器的成本将会大大降低。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案出了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

4.无刷双馈发电机系统

该系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子由两套级数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网;另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子为鼠笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的级数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。

尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。

同样，这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可在矢量控制策略下实现有功、无功的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。这种变速恒频风电系统现在已被工业界普遍采用。

5.开关阻磁发电机系统

开关阻磁式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心开关磁阻发电机为双凸极电机，定子转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性风力机的功率特性有其自身特点为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身也具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合启动与发电容易、适合高温(>250℃)和高速(大于30000r/min)环境运行以及大容量、高效率、高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作特点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间无电耦合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。

总之，通过以上的对比分析，可知：①如果将风力机和发电机直接耦合，省去变速箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免齿轮箱漏油的问题。②风力发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件差，而电机大多是密封结构，靠外壳故热，因而要求发电机耐高温性能好，开关磁阻发电机在这发面具有得天独厚的优势。③交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电系统的变频器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中型风力发电系统，其他方案适用于小容量的风力发电系统。④交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统可在亚同步和超同步状态下运行，因而具有更宽的风速运行范围。⑤无刷双馈电机省去了滑环和电刷，结构简单，坚固可靠。在转子转速变化的条件下，通过控制励磁绕组和励磁电流频率来确保发电机输出电流和频率保持在50Hz不变，非常适用于风力发电系统，是当今世界风力发电的发展趋势。

目前，双馈式变速恒频风力发电系统和永磁直驱变速恒频发电系统已经较为成熟，得到了广泛应用。