探讨风力发电发展现状

引言

1 风力发电国内外发展现状

1.1 国外风力发电发展现状 根据世界风能协会的统计，2012 年全世界风电装机容量新增约2726 万kW，增长率约为29%。累计达到1.21 亿kW，增长率为42%，突破1 亿kW 大关。风电总量为2600 亿kWh，占全世界总电量的比例从2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。 我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一，同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10 m 高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20 世纪80 年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW 级风电场[5]。 中国政府为了推动并网风电的商业化发展，国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：2005 年全国风电装机总量达到100 万千瓦，2012 年全国风电装机总量达到400 万千瓦，2015 年全国风电装机总量达到1000 万千瓦，2020 年全国风电装机总量达到2000 万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。可以预计，中国即将成为世界风电发展令人瞩目的国家之一。

2 风力发电机的研究现状

发电机是风电系统实现风能转换的核心部件之一，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和装置的结构。风力发电机按风轮主轴的方向可分为水平轴和垂直轴风机；按风向可分为上风向和下风向风机；按偏航形式可分为被动偏航与主动偏航风机；按风轮桨叶可分为定浆距和变浆距风机；按传动方式可分为有齿轮箱传动和直驱型风机；按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机[6]。目前，用于风电系统中的发电机主要有以下几种[7-8]：

（1）异步发电机

异步风力发电机以恒速运行，采取失速调节或主动失速调节，主要采用异步感应电机。发电机通常直接联入电网，当容量过大时也可以通过晶闸管控制的软投入法接入电网。在同步转速附近合闸并网，冲击电流比较大，另外需要电容无功补偿；变速运行时，定子侧变频器的容量与发电机容量相当，约为发电机容量的125%。这种机型比较普遍，各大风力发电机制造商如Vestas Bonous，NEG Micon，Fuhrlander，Nordex 都有此类产品。

（2）双馈发电机

为了降低发电系统中变换器的功率，双馈发电机开始应用于风力发电系统中。双馈发电机起源于绕线式转子异步发电机，是一种通过对转差率的控制，来实现双馈调速发电机，故所需变换器的功率较小。相对于绕线式发电机来说，双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通，变换器起到提供无功补偿，平滑并网电流的作用。但它是一种有刷结构的电机，运行可靠性差，需要经常维护，而且这种结构的电机不适合在环境比较恶劣的风电系统中运行。无刷双馈电机的出现弥补了原双馈电机的不足，其定子上有两套极数不同的绕组，分别为控制绕组和功率绕组。发电机的定子绕组直接与电网相连，转子与功率变换器相连，变换器的另一端与电网相连，通过特殊的控制方式，该发电机可实现发电机有功功率和无功功率的独立控制。

（3）同步发电机

风电系统中同步发电机的应用也是比较广泛的，所用同步发电机绝大部分是三相电机，其输出联接到邻近的电网或输配电线。同步发电机有永磁同步发电机和电励磁同步发电机两种。永磁同步发电机不需要直流励磁电源和励磁绕组，取消了容易出故障的集电环和电刷等装置，是一种无刷结构的电机。同时不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁发电机效率高，运行可靠，结构简单。同步发电机并网合闸前，为避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并网条件，即端电压、频率与电网必须相同。结合风电系统的特点，要求发电机具有：高质量地将风能转化为电压、频率恒定的交流电；高效率地实现机电能量转换；稳定、可靠地同电网等其他发电装置联合运行。风力发电机正向着高可靠性，低维护量，少组件，低成本，高效率，高集成度的方向发展。

除了前述的笼型异步发电机、双馈异步发电机、同步发电机，各国研究人员还在不断地提出一些新型风力发电机，如开关磁阻发电机、爪极发电机、定子双馈电双凸极发电机、横向磁通发电机、复合励磁永磁同步发电机、高压发电机等[9-12]。

（1）横向磁通发电机

常规电机一般为径向磁通电机，其磁路方向一般为沿转子的半径方向，横向磁通发电机（Transverse Flux Generator）与常规的电机磁通回路方向不同，磁路方向为转子的轴向方向。与同容量的一般发电机相比，横向磁通发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3 或1/5。用于风电机组时，可以做成多极对数的电机，且可以同时具有同步电机和永磁电机的特点。因此，适用于直驱式无传动机构的并网形式。但横向磁通发电机的控制非常复杂，而且气隙磁通是非正弦的。当发电机转子转动时，磁路的变化是连续的、非线性的。这就加大了对电机设计和分析的难度，给机组制造带来了很大的困难。故这种电机是否满足在风电系统中运行，还要继续深入的研究。

（2）复合励磁永磁同步发电机

复合励磁永磁同步发电机采用稀土永磁和辅助电励磁相结合励磁结构，同时具有稀土永磁发电机和电励磁发电机的优点，解决了稀土永磁发电机的调压难题。湖南大学研究的具有高效率的兆瓦级自调压永磁风力发电装置中采用了复合励磁稀土永磁同步发电机，简化了发电系统结构，提高了系统的可靠性[8]。

（3）高压发电机

高压发电机是在发电机定子线圈的上采用一整条高压电缆，其余的结构与常规电机基本相同。高压发电机的使用可以降低发电机的铜耗，并使功率变换器的输出电压足够高，不需要变压器就可以与当地电网相连。目前，只有少数的风力发电机组采用了高压发电机，如ABB 公司研制的Windformer 型风力发电机。高压发电机对风电场的其他方面也有较高的要求。

3 风力发电机的发展趋势

随着风电技术的发展，适用于变速恒频和直驱系统的发电机将成为发展主流。为提高风电系统的效率、实现稳定可靠运行、降低成本、改善电能质量、减少噪声，风力发电机将向着以下几个方向发展[13]：

（2）风力发电机直驱式。目前绝大多风电系统中的发电机与风轮是通过变速齿轮相连而不是直接相连。这种机械结构不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本，而且很容易出现故障。直驱式风力发电机的出现，省去变速齿轮箱，减少了能量损失、降低了发电成本和噪声。它不仅增加了系统的稳定性，提高了系统的效率和可靠性，而且特别适合于变速恒频的风电控制系统，因此直驱式也成为风力发电系统中发电机的主流发展方向。

（3）风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的可靠性，实现免维护，从而提高发电效率。

（4）风力发电机永磁化。采用永磁风力发电机，不仅可以提高发电机的效率，而且能在增大电机容量的同时，减少体积，也是风力发电机的发展趋势之一。 由可见，大部分制造商采用了齿轮箱增速的风力机类型。Vestas，Gamesa，GE wind，Repower，Nordex，Ecotecnia 等公司制造的风力机采用了双馈感应发电机和多级增速齿轮箱的配合。故在当前的风力发电的商业市场上占统治地位的是双馈感应发电机和多级增速齿轮，而最常用的发电机为感应电机，包括双馈感应电机和鼠笼感应电机两种。Multibrid 和Win Wind 公司采用的是单级齿轮增速的永磁同步发电机，而Enercon 和Zephyros 公司生产的直接驱动风力机则分别采用了电励磁同步发电机和永磁同步发电机[16]。

风电系统中的机电能量转换正由恒速恒频向变速恒频系统过渡，变速恒频系统优点是在不同风速下都可获得最大得能量转换，延长风力发电机组的寿命[17]。 目前，变速恒频控制技术是一种较为先进、理想的发电技术。交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电方案是通过在双馈电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出恒频电压；由于采用了矢量控制技术，实现了有功、无功功率的独立调节，从而改善风力发电机组和电网的动态和静态特性[23-27]。

4 结论

风能作为一种纯净的可再生能源，不存在常规能源所造成的环境污染问题，并且随着时代的发展，科技的进步技术越来越成熟、安全可靠、单机容量大、建设周期短，被世界各国所普遍关注与优先发展。

我国具有广阔的草原和漫长的海岸线，风能资源储备非常丰富，同时风能的发展对于解决当前较为突出的二氧化碳排放、酸雨等环境问题、缓解能源短缺的紧迫压力、实现和谐社会的建设目标将发挥关键作用。风力发电一定会成为未来的发展趋势。

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