談風力發(fā)電的技術(shù)

劉俊

在不斷持續(xù)的能源緊張中，不少人想到了新能源利用。利用潔凈的能源（可再生能源）是人類社會文明進步的表現(xiàn)、是科學技術(shù)的發(fā)展、是環(huán)保理念的體現(xiàn)。潔凈能源指太陽能、風能、潮汐能、生物能等，這都是可再生取之不盡的能源，特別是風能技術(shù)最為成熟，經(jīng)濟可行性較高，是一種較理想的發(fā)展能源。風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2。74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。

我國風能資源總量約42億千瓦，技術(shù)可開發(fā)量約3億千瓦。目前東南沿海是最大風能資源區(qū)，風能密度為200W/M2～300W/M2，大于6m/s的風速時間全年3000h以上就可取得較大經(jīng)濟效益。

長期以來，由于風電電價高于火電電價，作為清潔能源的風電對于解決能源短缺和環(huán)境保護問題的意義長期得不到應有的重視。事實上，風電作為一項高新技術(shù)，具有著巨大的產(chǎn)業(yè)前景。而它作為新興能源，更對促進邊遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有著巨大的作用。在電力緊張、能源緊缺的情況接踵而至的今天，我國應該重新認識風能的利用問題。

首先，風力發(fā)電的潛力體現(xiàn)為風電電價的快速下降。截止到目前，風電電價正在快速下降，甚至已日趨接近燃煤發(fā)電的成本，經(jīng)濟效益開始凸現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，風力發(fā)電能力每增加一倍，其成本就下降15%?？v觀近幾年，風電增長一直保持在30%以上，因而成本也正隨之不斷下降。目前，中國風電成本約在0。5元以上，隨著中國風力發(fā)電裝機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；?，風電成本可望再降。此外，風電外部成本幾乎為零，甚至低于核電成本。據(jù)初步測算，如果將內(nèi)部成本和外部成本同時計入成本，風電將是當前世界上最經(jīng)濟、最潔凈的能源。

其次，風電的潛力體現(xiàn)于風能資源的豐富性。據(jù)初步統(tǒng)計、中國陸地10米和海面15米可供開發(fā)的風力資源在幾億千瓦以上，相當于可開發(fā)水能資源（3。9億千瓦）的2。5倍。而50米風力資源還會增大一倍。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，地面 50-100米的風力資源都可開發(fā)利用。2003年，我國發(fā)電裝機容量為3。85億千瓦，專家認為，中國單靠風力發(fā)電就能將現(xiàn)有的電力生產(chǎn)翻一番。此外，風電技術(shù)正日臻成熟。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，風電技術(shù)已經(jīng)相當成熟。更大型、性能更好的機組的已開發(fā)并投人生產(chǎn)試運行，可利用的風速要求還會降低。

風電產(chǎn)業(yè)要全面健康可持續(xù)發(fā)展，需要解決的問題很多，但依靠科技進步來推動風電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實課題。

首先，需建立以企業(yè)為主體、市場為導向、產(chǎn)學研技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新體系。對開展試點的企業(yè)應對其研發(fā)機構(gòu)，研發(fā)人員，研發(fā)資金，研發(fā)項目，專利申請，產(chǎn)品品牌，能力建設等方面提出具體要求和量化的指標。

第二，正確處理技術(shù)引進和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系。采用自主研究開發(fā)和引進消化國外技術(shù)相結(jié)合的方式，是實現(xiàn)提高競爭能力的較好途徑。

第三，加強風電創(chuàng)新能力建設，建立風電公共技術(shù)服務平臺，共同對資源進行整合、共享、完善和提高，通過建立共享機制和管理程序逐步做到資源有效利用。

其次就是風力發(fā)電機的要求了。

恒速風力發(fā)電機， 采用了籠型異步發(fā)電機， 發(fā)電機通過變壓器直接接入電網(wǎng)。 因為籠型異步發(fā)電機只能工作在額定轉(zhuǎn)速之上很窄的范圍內(nèi)， 所以通常稱之為恒速風力發(fā)電機。 并網(wǎng)運行時， 異步發(fā)電機需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場， 這惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù)， 易使電網(wǎng)無功容量不足， 影響電壓的穩(wěn)定性。 為此， 一般在發(fā)電機組和電網(wǎng)之間配備適當容量的并聯(lián)補償電容器組以補償無功。 由于籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低且可靠性高， 比較適合風力發(fā)電這種特殊場合， 在風力發(fā)電發(fā)展的初期， 籠型異步發(fā)電機得到了廣泛的應用， 有效地促進了風電產(chǎn)業(yè)的興起。 隨著風力發(fā)電應用的深入， 恒速籠型異步發(fā)電機具有的一些固有缺點逐步顯現(xiàn)出來， 主要是籠型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速之上1% ～ 5% 內(nèi)運行， 輸入的風功率不能過大或過小， 若發(fā)電機超過轉(zhuǎn)速上限， 將進入不穩(wěn)定運行區(qū)。 因此， 在多數(shù)場合需將2臺分別為高速和低速的籠型異步發(fā)電機組合使用， 以充分利用中低風速的風能資源。 另外， 風速的波動使風力機的氣動轉(zhuǎn)矩隨之波動， 因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變， 風力機和發(fā)電機之間的軸承、齒輪箱將會承受巨大的機械摩擦和疲勞應力。 而且， 由于風力機的速度不能調(diào)節(jié)， 不能從空氣中捕獲最大風能， 效率較低。 齒輪箱的存在增加了風力機的重量和系統(tǒng)的維護性， 影響了系統(tǒng)效率， 增加了噪聲。

有限變速風力發(fā)電機， 發(fā)電機采用繞線式異步發(fā)電機。 繞線式異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子外接可變電阻， 其工作原理是通過電力電子裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻， 從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率， 使發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率可增大至10% ， 實現(xiàn)有限變速運行， 提高輸出功率。 同時， 采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制， 以提高動態(tài)性能， 維持輸出功率穩(wěn)定， 減小陣風對電網(wǎng)的擾動。 然而， 由于外接電阻消耗了大量能量， 電機效率降低了。 有些文獻也把這種發(fā)電系統(tǒng)稱為高轉(zhuǎn)差率異步發(fā)電機系統(tǒng)。

但通過以上綜合比較可以看出， 永磁直驅(qū)發(fā)電機有望逐漸成為大型風力發(fā)電機組的主流， 并與DFIG風力發(fā)電機組競爭。 尤其是針對海上風電場來說， 體積巨大的直接驅(qū)動風力發(fā)電機并不會明顯增加運輸和吊裝方面的難度。 基于全功率變換器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地處理例如低電壓穿越等問題，另外， 海上風電場對風力發(fā)電機組的可靠性和可維護性要求更高， 因此直接驅(qū)動概念或?qū)⑹紫仍诤Ｉ巷L電場獲得大規(guī)模的應用。