風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述

李軍軍，吳政球，譚勛瓊，陳波

(1．湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省株洲市，412007;2．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410082;3．長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410004)

0 引言

在全球生態(tài)環(huán)境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下，對(duì)新能源的研究和利用已成為全球各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。除水力發(fā)電技術(shù)外，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)和最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。由于在改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面的突出作用，目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展和研究風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景

1．1 全球風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

2009年，雖然金融危機(jī)引起的全球經(jīng)濟(jì)秩序的動(dòng)蕩仍在持續(xù)，但風(fēng)電行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，全球年度市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)41%，行業(yè)市場(chǎng)格局基本沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變，美國(guó)、歐盟和亞洲仍處于全球風(fēng)電發(fā)展的主要領(lǐng)導(dǎo)地位，明顯的變化是中國(guó)超越美國(guó)，成為了2009年新增裝機(jī)容量全球第1的國(guó)家［1］。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)GWEC統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，截止2009年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量累計(jì)已達(dá)1.58億kW，增長(zhǎng)率累計(jì)達(dá)31.9%，產(chǎn)出總值為450億歐元，從業(yè)人數(shù)約50萬(wàn)，該產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界能源市場(chǎng)的重要組成部分。到2009年底，全球已有100多個(gè)國(guó)家涉足風(fēng)電領(lǐng)域，目前17國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)百萬(wàn)kW，2009年累計(jì)裝機(jī)容量排名前10位和新增裝機(jī)前10位的國(guó)家如圖1 和圖2 所示［1］。

1．2 中國(guó)風(fēng)電發(fā)展情況

圖1 2009 年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量前10 名的國(guó)家Fig. 1 Top ten countries about accumulated installed capacity of global wind power in 2009

根據(jù)2004—2006年第3次風(fēng)能資源普查結(jié)果顯示，中國(guó)陸地、海上10 m以上高度的風(fēng)能可開(kāi)發(fā)量為7億～12億kW，但隨著風(fēng)機(jī)高度的逐步提高，由過(guò)去的幾十米達(dá)到如今的百米以上，這一數(shù)據(jù)發(fā)生了很大的變化。2007年中國(guó)氣象局實(shí)施了中國(guó)風(fēng)能資源詳查與評(píng)價(jià)工程，并于2010年首次公布了中國(guó)風(fēng)能資源研究的重要成果:中國(guó)海、陸距地50 m以上的高度，風(fēng)速達(dá)3級(jí)以上風(fēng)力資源的潛在可開(kāi)發(fā)量約為25億kW，在風(fēng)電五大國(guó)中，中國(guó)風(fēng)電資源與美國(guó)接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印度、德國(guó)和西班牙［1］。

圖2 2009年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量前10名的國(guó)家Fig.2 Top ten countries about adding installed capacity of global wind power in 2009

中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，其近年累計(jì)及新增裝機(jī)容量如圖3所示［1］。2009年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量1 380萬(wàn)kW，居全球第1;中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量2 580萬(wàn)kW，僅次于美國(guó)的3 506萬(wàn)kW;風(fēng)電機(jī)組裝備與制造能力居全球第1。2010年，全球每新安裝3臺(tái)機(jī)組，就有1臺(tái)在中國(guó);僅隔1年，2010年新增和累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量雙居全球第1位;2020年的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可達(dá)2.3億kW，相當(dāng)于13個(gè)三峽水電站的規(guī)模，年總發(fā)電量約4 649億kW·h，風(fēng)電總裝機(jī)容量占15%左右，可取代200個(gè)火電廠，減少CO2排放量4.1億t/a，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近1.5億t/a，屆時(shí)風(fēng)電將成為中國(guó)主要能源來(lái)源之一，在節(jié)約資源、改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和諧可持續(xù)發(fā)展中將做出巨大貢獻(xiàn)。截止2010年年底，中國(guó)累計(jì)裝機(jī)超過(guò)100萬(wàn)kW的省份超過(guò)10個(gè)，超過(guò)200萬(wàn)kW 的7個(gè)，內(nèi)蒙古無(wú)論新增還是累計(jì)裝機(jī)容量均位居全國(guó)第1，如表1所示［1］;目前，中國(guó)正大力投資在甘肅、新疆、河北、蒙東、蒙西、吉林和江蘇沿海建設(shè)七大“千萬(wàn)千瓦級(jí)”風(fēng)電基地;2010年6月，中國(guó)第1座千萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地在甘肅酒泉正式竣工并投入運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)年上網(wǎng)達(dá)8.58億kW，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤30萬(wàn)t/a，減少CO2排放量81萬(wàn)t/a;2010年7月，亞洲首座大型海上風(fēng)電場(chǎng)——上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)竣工投產(chǎn)，成為至今歐洲之外的第1個(gè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)。

圖3 近年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩rFig.3 Wind power development of China in recent years

表1 2010年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量前10名的省(自治區(qū))Tab.1 Top ten provinces/autonomous region about installed capacity of China wind power in 2010 MW

1．3 風(fēng)電發(fā)展的前景

風(fēng)電作為一種環(huán)保潔凈的綠色能源，有著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)和諧發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)電力能源發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。在今后的30年間，風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的比重會(huì)不斷擴(kuò)大，成為未來(lái)滿足電力需求的一個(gè)重要能源。表2、3顯示了未來(lái)幾十年全球和中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。

表2 未來(lái)全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量和發(fā)電量Tab.2 Accumulated installed capacity and generated energy of global wind power in future

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的類型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組種類繁多，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下幾種類型。

(1)按機(jī)組容量劃分為:

機(jī)組容量為0.1～1 kW的為小型機(jī)組，1～1 000 kW為中型機(jī)組，1～10 MW 為大型機(jī)組，10 MW以上的為特大或巨型機(jī)組。

表3 GWEC對(duì)中國(guó)未來(lái)風(fēng)電發(fā)展情景的預(yù)測(cè)Tab.3 Prediction for development scenario of China future wind power by GWEC

(2)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制方式分為:

1)恒速恒頻(constant speed constant frequency，CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這是20世紀(jì)80、90年代常見(jiàn)的一種類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，機(jī)組容量已發(fā)展到MW級(jí)，具有性能可靠、控制與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但這種風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)力機(jī)必偏離最佳轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率Cp值也會(huì)偏離最大值，導(dǎo)致輸出功率下降，浪費(fèi)了風(fēng)力資源，發(fā)電效率大大降低。

2)變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。VSCF風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變化，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，可適時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp接近或達(dá)到最佳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能最大限度地捕獲，由此優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高［5］。相對(duì)CSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍較寬，可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功。目前，國(guó)內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組多采用這種運(yùn)行方式，尤其是MW級(jí)的大容量風(fēng)電系統(tǒng)已成為主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

(3)根據(jù)運(yùn)行方式分為:

1)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這是一種以單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行為主的小型風(fēng)電系統(tǒng)，系統(tǒng)的三相交流輸出經(jīng)整流穩(wěn)壓后，再提供給負(fù)載或用戶使用，離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的主要服務(wù)對(duì)象是以風(fēng)電為主或缺電地區(qū)的廣大農(nóng)戶，我國(guó)的內(nèi)蒙古是應(yīng)用和推廣小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電最主要和最好的地區(qū)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量相對(duì)較小，較為常見(jiàn)的一般為百瓦級(jí)和千瓦級(jí)。目前，獨(dú)立的風(fēng)電或風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)在城鄉(xiāng)公路供電中發(fā)展迅速，已被廣泛地應(yīng)用。

2)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與常規(guī)發(fā)電模式相同，與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行是大規(guī)模利用風(fēng)能的最有效、最經(jīng)濟(jì)方式。目前，國(guó)內(nèi)外建成或新建的大型風(fēng)電場(chǎng)都采用這種運(yùn)行方式，成為利用風(fēng)能發(fā)電的主要方式。

(4)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸的位置分為:

1)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)直到20世紀(jì)30年代才開(kāi)始出現(xiàn)，比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)晚(1924年的Savonius式風(fēng)輪，1931年的Darrieus式風(fēng)輪)。與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，單位kW能力投資可節(jié)省近50%，具有機(jī)組使用壽命長(zhǎng)、易檢修、地面維護(hù)簡(jiǎn)單、不存在“對(duì)風(fēng)損失”等特點(diǎn)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)又分為2類，阻力型風(fēng)輪機(jī)(Savonius式風(fēng)輪)，葉尖速比低于1;升力型風(fēng)輪機(jī)(Darrieus式風(fēng)輪)葉尖速比可達(dá)6，風(fēng)能利用率甚至與水平軸的不相上下。近年，中國(guó)在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制方面也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。2006年，在內(nèi)蒙古自治區(qū)化德縣建成了中國(guó)垂直軸風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)基地，50 kW小樣機(jī)組已建成并投入發(fā)電運(yùn)行;2007年底，1.5 MW實(shí)用型樣機(jī)也在該基地開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行。

2)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

(5)按輸出功率調(diào)節(jié)方式分為:

1)變槳距調(diào)節(jié)型。這種類型風(fēng)力機(jī)組加裝了葉片槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可使槳距角隨風(fēng)速改變而變化，改善了機(jī)組的功率輸出特性及啟動(dòng)性能。運(yùn)行時(shí)，改變槳距角對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。若機(jī)組輸出功率低于額定功率，槳距角通常維持為0，不進(jìn)行任何控制;當(dāng)高于額定功率時(shí)，變槳距調(diào)節(jié)改變槳距角，使輸出功率維持恒定，避免風(fēng)速過(guò)大影響機(jī)組的安全運(yùn)行。變槳距調(diào)節(jié)可減小槳葉承受的應(yīng)力，節(jié)約葉片制造材料，有效降低機(jī)組的重量，延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，提高了系統(tǒng)運(yùn)行性能，但使機(jī)組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有所增加。

2)定槳距失速調(diào)節(jié)型。定槳距失速調(diào)節(jié)通常用于恒速運(yùn)行情況，是傳統(tǒng)丹麥風(fēng)電技術(shù)的典型代表，這類風(fēng)電系統(tǒng)將輪轂和槳葉固定相連，槳距角保持不變。額定風(fēng)速以上時(shí)，利用槳葉翼型失速特性，當(dāng)氣流功角達(dá)到失速條件，在槳葉表面紊流的影響下，降低機(jī)組的發(fā)電效率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的限制。該方式功率調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，但葉片過(guò)于沉重，致使其結(jié)構(gòu)及成型工藝復(fù)雜，機(jī)組受力較大且發(fā)電效率較低。

(6)按變換器功率變流技術(shù)分為:

1)交—交變換系統(tǒng)。交—交變換器無(wú)中間直流濾波環(huán)節(jié)，為四象限變換器，能與電源間進(jìn)行能量的交換，工作可靠，效率高，在風(fēng)電系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用。但這類變換器中的功率開(kāi)關(guān)器件一般采用自然換流的工作方式，電流諧波含量較大;變換器要吸收大量的無(wú)功，導(dǎo)致功率因數(shù)較低;元器件數(shù)量較多，并且變換器輸出側(cè)還需隔離變壓器，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些因素制約了其廣泛的應(yīng)用。

2)交—直—交變換系統(tǒng)。交—直—交電壓源型變換器，也稱“背靠背”變換器，是當(dāng)前各類工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的變換器，該類型變換器也可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，并且直流濾波環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電系統(tǒng)和電網(wǎng)間的電磁解耦;該類型變換器通常采用雙脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)的工作方式，輸出電流諧波含量小，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率因數(shù)可調(diào)，網(wǎng)側(cè)易于實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制等優(yōu)點(diǎn)，目前這類變換器已廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

3)混合式變換系統(tǒng)。該類型變換系統(tǒng)共含4個(gè)可控變換器——將電壓型和電流型2個(gè)變換系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行。電流源變換器為主變換器，電壓源變換器為副變換器，具有控制方式靈活，輸出電能質(zhì)量高，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)矢量調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn);但該類型變換器所需的功率器件數(shù)量多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致硬件成本過(guò)高，且控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難。

4)矩陣式變換系統(tǒng)。該類型變換器也屬于一種交—交變換器，采用四象限開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)功率雙向傳送。與傳統(tǒng)變換器相比，它的輸出電壓、頻率和功率因素均可調(diào)，具有控制自由度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕且效率高等優(yōu)點(diǎn)。但換流過(guò)程中禁止同一橋臂的2個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)處于導(dǎo)通或關(guān)閉的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很難;同時(shí)由于無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，在變換器的輸入和輸出側(cè)具有比較強(qiáng)的耦合作用，在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)研究階段。

公主:君主的女兒。周代時(shí),君主的女兒出嫁,君主自己不主婚,而讓同姓者主之,故稱為公主。秦漢以后,君主嫁女兒,讓三公(司馬、司徒、司空)主婚。也稱為公主。

5)多電平變換和諧振變換系統(tǒng)。上述變換器輸出電壓的等級(jí)較高，開(kāi)關(guān)損耗明顯降低，但變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，成本也高，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域尚無(wú)法廣泛應(yīng)用。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)類型

根據(jù)基本結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，發(fā)電機(jī)通?？煞譃橹绷麟姍C(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)和同步電機(jī)幾大類。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)類型繁多，包括以下類型。

在CSCF風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)包括異步機(jī)感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步機(jī)。異步機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)，適用于各種惡劣的工況條件，但轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄。電機(jī)定子一般通過(guò)變換器或軟啟動(dòng)器與電網(wǎng)相連，如圖4～5所示，通常還需并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償器，提供足夠的無(wú)功補(bǔ)償以維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。軟啟動(dòng)器的主要作用是限制并網(wǎng)時(shí)過(guò)大的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的不利影響。

電勵(lì)磁同步電機(jī)，帶有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，是同步電機(jī)必不可缺的組成部分，必須通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的激磁才能建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式可分為直流勵(lì)磁、靜止交流整流勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁無(wú)需電刷及滑環(huán)，可靠性大為提高。調(diào)節(jié)勵(lì)磁可以改變電機(jī)無(wú)功功率以及功率因素，且并網(wǎng)運(yùn)行供電可靠性高，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量好，這是同步機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)。電勵(lì)磁同步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 電勵(lì)磁同步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)Fig.6 CSCF wind power system of electricity excitation synchronous machine

在VSCF風(fēng)電系統(tǒng)中所采用的電機(jī)種類比較多，常見(jiàn)的有以下幾種。

(1)籠型異步電機(jī)。

因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)像鼠籠而得名，風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟隨調(diào)整，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率不是恒定的，利用電機(jī)定子和電網(wǎng)間的變換器，將頻率轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相同的恒定頻率，可見(jiàn)變速恒頻控制是在定子側(cè)實(shí)現(xiàn)的［4］。由于電機(jī)定子與變換器相連，變換器容量與發(fā)電機(jī)的相同，特別在大容量風(fēng)電系統(tǒng)中將導(dǎo)致變換器成本、體積以及重量都明顯增加，一般多應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)。

(2)繞線式異步電機(jī)。

1)普通繞線式異步發(fā)電機(jī)。這類發(fā)電機(jī)的滑差變化小，調(diào)速范圍較窄，通常不超過(guò)5%。利用改變轉(zhuǎn)子回路外串電阻阻值大小的方式，就能改變轉(zhuǎn)子回路中外串電阻所消耗的轉(zhuǎn)差功率，以此達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但在轉(zhuǎn)子回路串入電阻，使系統(tǒng)損耗加大。

2)雙速異步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)具有2種不同的同步轉(zhuǎn)速，即低同步轉(zhuǎn)速和高同步轉(zhuǎn)速。風(fēng)速較低時(shí)采用低同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，維持低功率輸出;風(fēng)速較高時(shí)采用高同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，與之對(duì)應(yīng)則是高功率輸出。根據(jù)異步電機(jī)理論，在電網(wǎng)頻率恒定的情況下，只需改變極對(duì)數(shù)p，就能改變同步轉(zhuǎn)速。通常通過(guò)安裝2套不同繞組或改變定子繞組的接線方式就可改變極對(duì)數(shù)p。

3)滑差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變，風(fēng)能利用效率Cp必將偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率將明顯降低。若風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也可跟隨變化，此時(shí)利用電力電子元件構(gòu)成的控制機(jī)構(gòu)，調(diào)整滑差可調(diào)繞線式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻值的大小就可保持轉(zhuǎn)子電流恒定，不需要進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)便可保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，避免了風(fēng)速頻繁變化引起輸出功率的波動(dòng)，供電質(zhì)量明顯改善;變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也無(wú)須頻繁操縱、控制，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有效地延長(zhǎng)了機(jī)組的使用年限。

4)交流勵(lì)磁雙饋異步發(fā)電機(jī)。這類發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接與電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變換器與電網(wǎng)相連，定子、轉(zhuǎn)子均可與電網(wǎng)雙向傳遞功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相角及幅值實(shí)現(xiàn)恒頻輸出。這種電機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，也可發(fā)電運(yùn)行，調(diào)速范圍較寬，而定子側(cè)輸出電壓與頻率均可保持恒定;對(duì)輸出有功和無(wú)功可分別獨(dú)立控制;對(duì)網(wǎng)側(cè)有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?，可有效提高電網(wǎng)的功率因素，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變換器只提供轉(zhuǎn)差功率，其容量?jī)H僅相當(dāng)電機(jī)的20%～30%，可顯著降低變換器的成本，是一種較為優(yōu)化的變速恒頻運(yùn)行方案，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，如圖7所示。

圖7 雙饋型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)Fig.7 Doubly-fed VSCF wind power system

5)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)。無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)定子包含2套極數(shù)不同的繞組:功率繞組，相當(dāng)于雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組，與電網(wǎng)直接相連;控制繞組，相當(dāng)于雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，通過(guò)變換器連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子采用磁阻式或者籠型結(jié)構(gòu)形式;雖然這種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與雙饋發(fā)電機(jī)的存在本質(zhì)的不同，但都能利用相同的控制策略進(jìn)行變速恒頻調(diào)節(jié)［4］。因發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有滑環(huán)和電刷，既降低了成本，又提高了運(yùn)行的可靠性，如圖8所示。

圖8 無(wú)刷雙饋型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)Fig.8 Brushless doubly-fed VSCF wind power system

(3)永磁同步發(fā)電機(jī)。

永磁式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用永磁材料(稀土中的釹鐵硼永磁)制成，無(wú)需獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，因此勵(lì)磁損耗低，同時(shí)它無(wú)需換向裝置，具有效率高且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

永磁同發(fā)電機(jī)定子通過(guò)變換器與電網(wǎng)相連，因此變換器的容量與電機(jī)的相同，變速恒頻運(yùn)行是在定子側(cè)實(shí)現(xiàn)的。若省去系統(tǒng)的齒輪箱部件，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接耦合，即為直驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖9所示，否則為半驅(qū)式結(jié)構(gòu)。直接耦合后無(wú)需傳動(dòng)裝置，噪聲大為降低，但發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速比較低，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)體體積相對(duì)較大，成本有所提高，但考慮省去了造價(jià)昂貴且易磨損的齒輪箱部件，整個(gè)機(jī)組的制造成本還是下降了，可靠性也大為提高，系統(tǒng)也更便于維護(hù)［4］。

圖9 直驅(qū)式永磁同步機(jī)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)Fig.9 VSCF wind power system of direct-drive permanent magnet synchronous machine

此外，直驅(qū)式結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型與外轉(zhuǎn)子型2種類型［10］。內(nèi)轉(zhuǎn)子型是一種常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，定子在外靜止固定，轉(zhuǎn)子在內(nèi)與風(fēng)力機(jī)同軸安裝，這樣電機(jī)定子繞組與電樞鐵心的通風(fēng)條件好，有利于散熱，防止溫度過(guò)高，電機(jī)體積也相對(duì)小;而外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在外和風(fēng)力機(jī)直接耦合，定子在內(nèi)固定于靜止軸上，使得永磁體外轉(zhuǎn)子安裝固定更為方便，但定子繞組和電樞鐵心通風(fēng)條件相對(duì)較差，密封防護(hù)較困難，同時(shí)電機(jī)體積相對(duì)過(guò)大。根據(jù)發(fā)電機(jī)中主磁通方向的不同，又可以分為徑向磁通電機(jī)、軸向磁通電機(jī)和橫向磁通電3類。2010年10月，首臺(tái)中國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的單機(jī)最大容量5 MW直驅(qū)永磁海上風(fēng)電機(jī)組在湘潭電機(jī)股份有限公司下線，標(biāo)志中國(guó)的大型風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)已躋身世界先進(jìn)行列。

(4)混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)。

這種發(fā)電機(jī)是在永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改良而來(lái)，既含有永磁體，又帶有自身的勵(lì)磁系統(tǒng)。電機(jī)氣隙磁場(chǎng)由2部分合成:一部分是由電勵(lì)磁系統(tǒng)激勵(lì)生成，這部分磁場(chǎng)強(qiáng)弱可調(diào)節(jié);另一部分則由電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生，是構(gòu)成磁場(chǎng)的主體部分。它同時(shí)具有永磁同步電機(jī)及電勵(lì)磁同步電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn):磁場(chǎng)既可調(diào)，勵(lì)磁損耗又低，且效率高，又解決了永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)的不足，有較好的發(fā)展應(yīng)用前景［12］。

(5)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，電機(jī)定子上有集中繞組，利用控制器分時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電和勵(lì)磁，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高;開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)低速性能良好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力強(qiáng)，可應(yīng)用各種高低速驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也有一定的應(yīng)用(小于 30 kW)［5，9］。

(6)高壓發(fā)電機(jī)。

普通發(fā)電機(jī)通常只能在低壓條件下運(yùn)行，發(fā)電后必須通過(guò)升壓變壓器才能在電網(wǎng)上輸送電能，這表明通過(guò)變壓器輸電時(shí)存在較大的功率損耗;高壓發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與普通發(fā)電機(jī)并無(wú)特別之處，但高壓發(fā)電機(jī)定子繞組采用高壓電纜繞制，使得發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行于高壓條件下(最高可達(dá)400 kV)，電機(jī)銅耗明顯降低，提高了功率變換器輸出電壓的等級(jí)，風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓就可向電網(wǎng)輸電［13］。因省去了變壓器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁損耗較低，可靠性高。瑞士ABB公司就從事這方面的研究，并于1998年基于Powerformer技術(shù)研制了世界上臺(tái)高壓發(fā)電機(jī)。目前只有為數(shù)不多的風(fēng)電系統(tǒng)采用這種發(fā)電機(jī)，如 ABB公司以Windformer技術(shù)開(kāi)發(fā)的風(fēng)電系統(tǒng)。

(7)儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)。

對(duì)于風(fēng)電功率波動(dòng)的問(wèn)題，輸出功率較小的情況下，通過(guò)加設(shè)濾波電容(或儲(chǔ)能裝置)，利用濾波電容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波動(dòng);若輸出功率很大，波動(dòng)明顯，電容器容量必須很大，導(dǎo)致電容體積、成本大幅增加，這對(duì)電容器的性能、穩(wěn)定和可靠性要求很高，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)不容易。利用儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)，其輸出功率的波動(dòng)性將極大得到平緩控制，這就意味著風(fēng)電功率波動(dòng)導(dǎo)致大規(guī)模上網(wǎng)難這一技術(shù)難題能夠克服。這種電機(jī)容量很小，通常應(yīng)用于各種高低壓斷路器中，目前湘電對(duì)船舶用大功率儲(chǔ)能電機(jī)的研制正在進(jìn)行中，而在風(fēng)力發(fā)電中的研究多處于理論階段，尚無(wú)法投入使用。常見(jiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能比較如表4所示。

4 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景

2010年《可再生能源法》的頒布實(shí)施，以及“十二五”規(guī)劃綱要中節(jié)能減排政策及制度的確立，為我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展提供了難得的契機(jī)，風(fēng)電步入了快速發(fā)展時(shí)期。為了更有效、更大規(guī)模地利用風(fēng)電，將來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展態(tài)勢(shì)。

表4 風(fēng)力發(fā)電中常見(jiàn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能比較Tab.4 Comparision of structure and performance of common generators in wind power generation system

(1)單機(jī)容量向大容量發(fā)展。

目前商業(yè)化主流機(jī)型都以MW級(jí)為主，單機(jī)容量可達(dá)5 MW以上。美國(guó)、英國(guó)和丹麥等國(guó)正在研制10 MW的巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。預(yù)計(jì)未來(lái)10年，將會(huì)有容量更大的巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)面世。

(2)海上發(fā)電發(fā)展迅速。

相對(duì)于陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)更為明顯:發(fā)展空間幾乎沒(méi)有限制，可節(jié)約大量的土地資源;海上的風(fēng)能資源遠(yuǎn)比陸上豐富，風(fēng)速更高，發(fā)電量將顯著提升;風(fēng)切度小，可有效降低機(jī)組塔架高度，海上風(fēng)電建設(shè)成本更低;海平面摩擦力小，作用在機(jī)組上的荷載小，機(jī)組使用壽命可長(zhǎng)達(dá)50年;噪聲、鳥(niǎo)類、景觀以及電磁干擾等問(wèn)題對(duì)海上風(fēng)電影響小;對(duì)生態(tài)環(huán)境基本無(wú)影響，綠色環(huán)保。目前許多國(guó)家都制訂了大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用海上風(fēng)能計(jì)劃，歐盟在該領(lǐng)域處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，占全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量的90%;中國(guó)華能集團(tuán)新能源公司擬2011年下半年投資60億元在江蘇大豐C4國(guó)家潮間帶建立300 MW風(fēng)能項(xiàng)目，屆時(shí)將成為世界上裝機(jī)規(guī)模最大的海上風(fēng)電場(chǎng)，每年將產(chǎn)生約7.4億kW·h的清潔能源。

(3)定槳矩、恒速恒頻向變槳距、變速恒頻發(fā)展。

高風(fēng)速下，變槳距調(diào)節(jié)可維持輸出功率穩(wěn)定，有效減小機(jī)組承受的荷載，確保機(jī)組安全運(yùn)行，延長(zhǎng)機(jī)組使用年限;變速運(yùn)行可使機(jī)組在風(fēng)速改變時(shí)適時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速并保持最佳，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用率最大，具有適應(yīng)能力強(qiáng)、發(fā)電效率高以及運(yùn)行費(fèi)用低等諸多特點(diǎn)。

(4)雙饋風(fēng)電占主導(dǎo)，直驅(qū)式發(fā)展迅速。

雙饋風(fēng)力發(fā)電由于技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，仍是目前主流應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組類型，2009年全球新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋型風(fēng)電機(jī)組占80%以上，以丹麥Vestas公司的V80，V90為代表的雙饋型風(fēng)電機(jī)組，在全球風(fēng)電市場(chǎng)中所占的份額最大。

無(wú)齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)省去了齒輪箱、傳動(dòng)裝置等部件，降低了系統(tǒng)的成本，大大減小了系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，可靠性高，更便于維護(hù)。近些年直驅(qū)式風(fēng)電發(fā)展迅速，2009年新增大型風(fēng)電機(jī)組中，直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組已超過(guò)17%。

(5)采用新的葉片技術(shù)。

要提高風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量，通常采用延長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度和提高塔架高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于巨型機(jī)而言，運(yùn)輸和安裝的難度及成本將大幅增加，使風(fēng)電機(jī)組容量進(jìn)一步增大受到限制。因此，特殊葉片的開(kāi)發(fā)和研制日益引起重視，分段式葉片技術(shù)是很好的選擇，能較好地解決運(yùn)輸和安裝的問(wèn)題，如德國(guó)Enercon公司的E-126型世界上功率最大的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑126 m，塔高135 m，采用了兩段式葉片技術(shù)，但分段式葉片連接處的剛性斷裂問(wèn)題則成為該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。葉片制造材料也至關(guān)重要，目前長(zhǎng)度大于50 m的葉片一般采用強(qiáng)化碳纖維材料以增強(qiáng)葉片剛度;為了使葉片的氣動(dòng)外形能夠快速變化，可采用智力材料如壓電材料;采用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制造葉片，可使葉片生產(chǎn)時(shí)間縮短50%。

(6)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)和研制。

前面提及的無(wú)刷交流雙饋異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和高壓發(fā)電機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，從降低成本、提高可靠性以及便于維護(hù)而言，大力研制新型發(fā)電機(jī)也勢(shì)在必行。

(7)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高可靠性。

從商業(yè)化運(yùn)行角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用壽命偏低，為了最大限度產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，有必要使用更好的工藝、更先進(jìn)的技術(shù)、更好的材料對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)及有關(guān)部件，如槳葉、發(fā)電機(jī)以及先進(jìn)控制器等裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，如德國(guó)ENERCON公司在改進(jìn)槳葉后，葉片的Cp值可達(dá)0.5以上，不僅降低了機(jī)組的重量和制造成本，系統(tǒng)的可靠性、發(fā)電效率與機(jī)組的使用壽命也提高了。

(8)新型電力電子技術(shù)的廣泛使用。

1)電壓源換流器高壓直流輸電(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)。采用VSC-HVDC技術(shù)聯(lián)網(wǎng)具有眾多優(yōu)勢(shì):各VSC可同時(shí)對(duì)有功和無(wú)功分別獨(dú)立控制，控制方式靈活多變;采用該技術(shù)并網(wǎng)，電網(wǎng)間互不干擾，發(fā)送端的頻率與接收端的相互獨(dú)立，可靠性高;輸電距離遠(yuǎn);功率輸送容量大且損耗低;黑暗啟動(dòng)能力強(qiáng);VSC-HVDC采用全控型器件，可工作于無(wú)源逆變方式，VSC無(wú)需交流側(cè)提供無(wú)功功率，甚至能夠起到STATCOM的作用，增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。瑞典是最早利用該技術(shù)的國(guó)家，目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的直流輸電工程為2010年投入運(yùn)營(yíng)的中國(guó)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)的向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電示范工程?，F(xiàn)在丹麥、德國(guó)、美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家采用了VSC-HVDC風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)。中國(guó)還處于可行性研究階段，2010年，上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電示范工程建設(shè)已臨近尾聲，表明中國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的該項(xiàng)技術(shù)即將成功應(yīng)用。

2)新型大功率變換器的研究及應(yīng)用。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷提高，對(duì)功率變換器也提出了更高的要求。多電平變換器相對(duì)兩電平變換器具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具有諧波含量低、電磁干擾小、對(duì)輸入濾波器要求低等特點(diǎn);相對(duì)于兩電平變換器，其開(kāi)關(guān)頻率能降低約25%，顯著降低了功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，大大提高了轉(zhuǎn)換效率，如高壓三電平變換器轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%以上。

3)新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)也能起到維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的作用，目前常見(jiàn)的儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池(如鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳電池以及鋅溴蓄電池)、飛輪、超級(jí)電容器、超導(dǎo)以及壓縮空氣等多種形式。新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)日益受到人們的關(guān)注，將來(lái)在電力系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

(9)聯(lián)網(wǎng)集中控制與管理。

風(fēng)電一般大規(guī)模并列運(yùn)行，對(duì)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)電場(chǎng)中多個(gè)機(jī)組集中管理與聯(lián)網(wǎng)控制勢(shì)在必行。采用有線網(wǎng)絡(luò)，布線鋪設(shè)困難、成本高、占用空間，尤其當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大或改建時(shí)更為突出。風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)基于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，能方便實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)管理，大大降低維護(hù)的難度和運(yùn)行成本。

(10)智能化。

風(fēng)電系統(tǒng)的智能化對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制與檢測(cè)技術(shù)、建模與仿真研究、風(fēng)功率預(yù)測(cè)和管理技術(shù)、故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)、風(fēng)電資源的優(yōu)化配置與調(diào)度等諸多技術(shù)指標(biāo)均提出了新的高要求，是未來(lái)風(fēng)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。將先進(jìn)傳感器、傳動(dòng)系統(tǒng)與智能控制技術(shù)相結(jié)合的智能葉片技術(shù)，可快速適應(yīng)風(fēng)速變化，顯著提高發(fā)電效率，有效減小葉片荷載，降低機(jī)組制造成本，提高了機(jī)組的可靠性和使用壽命;智能偏導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)速及時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)測(cè)，使風(fēng)輪迎風(fēng)面始終與風(fēng)向保持一致，風(fēng)能利用率達(dá)到最大;風(fēng)電智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電資源的智能調(diào)度和優(yōu)化配置，可對(duì)電網(wǎng)吸納風(fēng)電的能力進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，以此確定風(fēng)電最大發(fā)電出力，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。2010年，中國(guó)首座大型集群風(fēng)電有功智能控制系統(tǒng)在甘肅酒泉成功投入運(yùn)營(yíng)，風(fēng)電的綜合利用效率大大提高。

(11)惡劣氣候環(huán)境下安全性的提高。

中國(guó)北方的沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海的臺(tái)風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)的高海拔等惡劣氣候環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成很大的影響，縮短了機(jī)組使用壽命。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。

(12)低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用。

隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響日益加深，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，要求風(fēng)電發(fā)機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行(即低電壓穿越)。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增大，很多國(guó)家的電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力做出了規(guī)定，如美國(guó)規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)必須具有在電壓跌至15%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低壓穿越能力，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)電壓發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行，中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)略有不同，為20%的額定電壓。中國(guó)企業(yè)的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品也正按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試，2011年3月，中國(guó)廣西銀河集團(tuán)自主研發(fā)的2.5 MW直驅(qū)永磁機(jī)組成功通過(guò)了低電壓穿越測(cè)試，成為國(guó)內(nèi)第1家按照即將出臺(tái)的“新國(guó)標(biāo)”完成該測(cè)試的企業(yè)。

(13)風(fēng)電輸出預(yù)報(bào)技術(shù)提高。

國(guó)外對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的短期及長(zhǎng)期發(fā)電預(yù)測(cè)做了很多研究，取得了重大進(jìn)步，預(yù)測(cè)精確度可達(dá)90%以上。中國(guó)可借鑒歐洲國(guó)家風(fēng)能功率預(yù)測(cè)在推動(dòng)風(fēng)電大規(guī)模利用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，大力開(kāi)展有關(guān)研究工作，不斷提升預(yù)測(cè)技術(shù)水平和精度，大力提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力以及電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)中國(guó)“十二五”能源發(fā)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，風(fēng)電作為我國(guó)今后大力重點(diǎn)發(fā)展的3類新能源之一，在今后將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，風(fēng)力發(fā)電在擺脫對(duì)化石能源的過(guò)度依賴、緩解中國(guó)能源緊缺、改善生態(tài)環(huán)境和擴(kuò)大社會(huì)效益等方面將做出較大的貢獻(xiàn)。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r，如風(fēng)電系統(tǒng)的類型、風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)以及相關(guān)技術(shù)，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、低電壓穿越、新型并網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行了探討，希望以此為我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的健康穩(wěn)步發(fā)展提供參考。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷變革以及機(jī)組制造工藝的持續(xù)改進(jìn)，將來(lái)風(fēng)力發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力必定逐漸提升，其發(fā)展前景廣闊。

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