风力发电调研报告

摘要: 风力发电是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学、等十几个专业学科，是一项系统技术。风力发电作为现在新能源利用的重要技术之一，电气工程和它是息息相关，密不可分的。

关键词：风力发电、装机容量、发电机、发电技术。

一．发展风力发电的意义、重要性及其必要性。

在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。

风能很早就被利用，主要用来风车抽水、风车磨面等，风能是一种清洁的可再生能源，其蕴藏的能量巨大，全球的风能约为2.74亿MW，其中可利用的部分约为2百万MW，它比地球上可开发利用的水能总量要大十倍，是每年全世界燃烧煤获得能量的三倍；我国每年依靠煤发电占了80%，产生了大量的温室气体，大力发展风力发电实现了低碳环保；风能不需要成本，也不造成辐射或空气污染，可带来巨大的经济效益；还有我国的风力资源是相当雄厚的，也为风能来源提供充足的保障。

二．国内外的研究现状

就全球外风力发电的情况来看，其未来各方面的效益是相当可观的。全球风力能源在2008年增长28.8%，美国2008年新建了8.35GW的风力发电产能，总产能为25.1GW占全球风力发电的五分之一；欧盟在2008年末，风力发电总装机容量为64.94GW；2009年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风电行业发展势头迅猛，全球年度市场增长率达41%，行业市场格局基本没有发生实质性的改变，美国、欧盟和亚洲仍处于全球风电发展的主要领导地位，明显的变化是中国超越美国，成为了2009年新增装机容量全球第一的国家。根据全球风能理事会GWEC统计报告显示，截止2009年，全球风电装机容量累计已达1.58亿kW，增长率累计达31.9%，产出总值为450亿欧元，从业人数约50万，该产业已经成为世界能源市场的重要组成部分。到2009年底，全球已有100多个国家涉足风电领域，目前17国累计装机容量超过百万千瓦[1]。

对于中国，我国在2009年风能装机容量为25GW，与美国相差了1000万kW；2009年中国风电新增装机容量1380万kW，居全球第一；中国风电累计装机容量2580万kW，仅次于美国的3506万kW；风电机组装备与制造能力居全球第一。2010年新增和累计风电装机容量双居全球第一位；2020年的风电累计装机可达2.3亿kW，相当于13个三峡水电站的规模，年总发电量约4649亿kW·h，风电总装机容量占15%左右，可取代200个火电厂，减少二氧化碳排放量4.1亿t/a，节约标准煤近1.5亿t/a[1]。

三．风力发电机的分类

根据基本结构以及运行原理，发电机通常可分为直流电机、感应异步电机和同步电机几大类。风力发电系统中电机类型繁多，包括以下类型。

（一）在CSCF 风电系统中常用的发电机包括异步机感应电机和电励磁同步机。

1.异步机感应电机。异步机运行稳定可靠、坚固耐用、结构简单便于维护，适用于各种恶劣的工况条件，但转速运行范围窄。电机定子一般通过变换器或软启动器与电网相连，通常还需并联无功补偿器，提供足够的无功补偿以维持机端电压稳定。软启动器的主要作用是限制并网时过大的冲击电流对电网的不利影响。

2.电励磁同步电机。它带有独立的励磁系统，是同步电机必不可缺的组成部分，必须通过励磁系统的激磁才能建立旋转磁场，旋转磁场以同步转速旋转运行。根据励磁系统的励磁方式可分为直流励磁、静止交流整流励磁和旋转交流整流励磁。旋转交流整流励磁无需电刷及滑环，可靠性大为提高。调节励磁可以改变电机无功功率以及功率因素，且并网运行供电可靠性高，频率稳定，电能质量好，这是同步机的显著优点[2]。

（二）在VSCF 风电系统中所采用的电机种类比较多，常见的有以下几种。

1.笼型异步电机。因转子结构像鼠笼而得名，风速改变时，风力机和发电机的转速也跟随调整，因此发电机输出的电压频率不是恒定的，利用电机定子和电网间的变换器，将频率转变成与电网相同的恒定频率，可见变速恒频控制是在定子侧实现的[3]。由于电机定子与变换器相连，变换器容量与发电机的相同，特别在大容量风电系统中将导致变换器成本、体积以及重量都明显增加，一般多应用于离网型风电系统。

2．绕线式异步电机。普通绕线式异步发电机。这类发电机的滑差变化小，调速范围较窄，通常不超过5%。利用改变转子回路外串电阻阻值大小的方式，就能改变转子回路中外串电阻所消耗的转差功率，以此达到改变电机转速的目的，但在转子回路串入电阻，使系统损耗加大。

3．双速异步发电机。这种发电机具有两种不同的同步转速，即低同步转速和高同步转速。风速较低时采用低同步转速运行方式，维持低功率输出；风速较高时采用高同步转速运行方式，与之对应则是高功率输出。根据异步电机理论，在电网频率恒定的情况下，只需改变极对数，就能改变同步转速。通常通过安装两套不同绕组或改变定子绕组的接线方式就可改变极对数[2]。

4.滑差可调异步发电机。根据风力机特性，当风速改变时，而风力机转速维持不变，风能利用效率必将偏离最佳值，风力机发电效率将明显降低。若风速在一定范围内变化时，风力机的转速也可跟随变化，此时利用电力电子元件构成的控制机构，调整滑差可调绕线式异步发电机转子绕组中串接电阻值的大小就可保持转子电流恒定，不需要进行变桨距调节便可保持发电机输出功率恒定，避免了风速频繁变化引起输出功率的波动，供电质量明显改善; 变桨距调节机构也无须频繁操纵、控制，大大提高了系统运行的可靠性，有效地延长了机组的使用年限。

5.交流励磁双馈异步发电机。这类发电机定子侧直接与电网相接，转子侧通过变换器与电网相连，定子、转子均可与电网双向传递功率，通过转子侧变换器可改变转子电流的频率、相角及幅值实现恒频输出。这种电机既可电动运行，也可发电运行，调速范围较宽，而定子侧输出电压与频率均可保持恒定; 对输出有功和无功可分别独立控制；对网侧有无功补偿的作用，可有效提高电网的功率因素，大大增强系统的稳定性。变换器只提供转差功率，其容量仅仅相当电机的20%—30%，可显著降低变换器的成本，是一种较为优化的变速恒频运行方案，在风力发电系统中得到了日益广泛的应用[2]。

6.无刷双馈异步发电机。无刷双馈异步发电机定子包含两套极数不同的绕组:功率绕组，相当于双馈发电机的定子绕组，与电网直接相连；控制组，相当于双馈发电机的转子绕组，通过变换器连接电网，转子采用磁阻式或者笼型结构形式; 虽然这种发电机的运行原理与双馈发电机的存在本质的不同，但都能利用相同的控制策略进行变速恒频调节[3]。因发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又提高了运行的可靠性。

7.永磁同步发电机。永磁同发电机定子通过变换器与电网相连(如图二)，因此变换器的容量与电机的相同，变速恒频运行是在定子侧实现的。若省去系统的齿轮箱部件，风力机与发电机直接耦合，即为直驱动式结构，否则为半驱式结构。直接耦合后无需传动装置，噪声大为降低，但发电机运行时转速比较低，导致电机机体体积相对较大，成本有所提高，但考虑省去了造价昂贵且易磨损的齿轮箱部件，整个机组的制造成本还是下降了，可靠性也大为提高，系统也更便于维护[3]。

图一.直驱式永磁同步电机变速恒频风电系统

8.混合励磁永磁同步发电机。这种发电机是在永磁同步电机结构基础上改良而来，既含有永磁体，又带有自身的励磁系统。电机气隙磁场由两部分合成:一部分是由电励磁系统激励生成，这部分磁场强弱可调节；另一部分则由电机的转子永磁体产生，是构成磁场的主体部分。它同时具有永磁同步电机及电励磁同步电机两者的优点:磁场既可调，励磁损耗又低，且效率高，又解决了永磁同步电机磁场难以调节的不足，有较好的发展应用前景[6]。

9.开关磁阻发电机。开关磁阻发电机转子上既无绕组也无永磁体，电机定子上有集中绕组，利用控制器分时实现发电和励磁，因此结构简单，成本低，可靠性高；开关磁阻电机低速性能良好、启动转矩大、调速范围宽、过载能力强，可应用各种高低速驱动调速系统。目前，在风力发电系统也有一定的应用[4][5]。

10.高压发电机。普通发电机通常只能在低压条件下运行，发电后必须通过升压变压器才能在电网上输送电能，这表明通过变压器输电时存在较大的功率损耗; 高压发电机在结构上与普通发电机并无特别之处，但高压发电机定子绕组采用高压电缆绕制，使得发电机可以运行于高压条件下，电机铜耗明显降低，提高了功率变换器输出电压的等级，风电系统经变压器升压就可向电网输电[7]。因省去了变压器和传动机构，电磁损耗较低，可靠性高。

11.储能式发电机。对于风电功率波动的问题，输出功率较小的情况下，通过加设滤波电容，利用滤波电容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波动；若输出功率很大，波动明显，电容器容量必须很大，导致电容体积、成本大幅增加，这对电容器的性能、稳定和可靠性要求很高，技术上实现不容易。利用储能式发电机，其输出功率的波动性将极大得到平缓控制，这就意味着风电功率波动导致大规模上网难这一技术难题能够克服。这种电机容量很小，通常应用于各种高低压断路器中，目前湘电对船舶用大功率储能电机的研制正在进行中，而在风力发电中的研究多处于理论阶段，尚无法投入使用。

几种现代风电技术中所用电机之间的比较：

表二.电机之间的比较

现代的风力发电机组大部分都还有增速装置齿轮箱，降低了风力发电机的整体工作效率。由表二中，可以看出永磁式发电机的各方面都由于其它电机，因此永磁式电机是未来风力发电机所使用电机发展的趋势。

四．风力发电机的发电原理和其构

（一）风力发电机的原理

现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变成机械转距，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网；如果超过了发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。由于风力不可控而且不稳定，一般的小型风力发电机产生电能以后先向蓄电瓶充电，转化为化学能，然后由逆变电源向外输出稳定的电压。

（二）风电机的构造

图三.风力发电机内部结构

小型风力发电系统效率很高，但它不是仅由一个发电机头组成，而是一个小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成（如图一）。叶片用来接受风力并通过机头转换为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向，从而获得最大的风能；转体能使机头灵活的转动，以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。现代的大型风力发电机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统。

机舱：机舱包含着风力发电的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可通过风力发电塔进入机舱，机舱左端是风力发电机转子叶片及轴。

转子叶片：捕获风能，并送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为二十米。

轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心和齿轮箱连接在一起。在现有的600千瓦电机上，转子转速相当慢，大约为19—30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍，也就是将很低的风速变为很高的发电机转速，同时也使发电机易于控制，输出稳定的频率和电压。

高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效或电机维修时。

发电机:恒速恒频风力发电机系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄；变速系统主要分为同步发电机系统和异步发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统;异步发电机系统主要是绕线异步发电机系统。永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机变速恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风，风轮扫过的面积总是垂直于风向。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器通过风向标感应风向。通常，在风改变风向时，风力发电机一次只会偏转几度。

液压系统：用于调节叶片桨距，同时用作阻尼、停机、刹车等状态。现在电变距逐渐取代液压变距。

电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止齿轮箱或发电机过热而引起的故障，该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

冷却元件：包含一个风扇，冷却发电机；油冷元件，用于冷却齿轮箱中的油。

塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常塔越高越有优势，离地面越高，风力越大。现代600千瓦风轮机的塔高40—60米，分为管状和格子状。

风速计及风向标：用于测量风速和风向。

五．风力发电的关键技术

（一）功率调节是风电机组的关键技术之一。

传统的功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距节、主动失速调节和变速调节等。控制系统通过若干传感器及时收集风向、风速、风力等信息,经计算机处理、调整,使风机能够适应风力的变化,在较佳状态下运行。定桨距调节于20世纪80年代中期进入风电市场,采用软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术,解决了风电机组的并网问题和运行的安全性和可靠性问题,但发电效率较差。变桨距风机于20世纪90年代进入风电市场,机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风机的起动性能和功率输出特性都有了显著改善。主动失速控制是定桨距失速调节和变桨距调节方式的组合。低风速时采用变桨距调节,可达到更好的气动效率;达到额定功率后,桨距角减小,攻角增大,叶片失速效应加大,从而降低了风轮的旋转速度,限制风能捕获。变速风机于20世纪90年代中期进入风电市场,其特点是:低于额定风速时,能跟踪最佳功率曲线,使风机具有最佳的风能转换效率;高于额定风速时,增加了传动系统柔性,使功率输出更稳定。

21世纪初,效率更高的变桨变速双馈风电机组逐渐成为主力机型。对于2000kW以上的大容量机组,随着单机容量增加,桨叶增大增长,在同一地区,风资源在不同高度的分布差别大,因此,当浆叶处于高处和低处时,风力、桨叶的大小和分布都有很大的差别。智能变桨是随着风机单击容量增大而出现的技术特点之一,是控制系统对3个桨叶分别单独控制来转换角度和方向,以更好地调整电能输出,更有效地利用风能,但同时也对桨叶控制、系统可靠性提出了更高要求。

（二）风力发电机的并网。

现代的大型并网发电机都逐渐采用双馈绕线型异步发电机。双馈异步型发电机具有两种同步转速，在并网切换时需要吸收电网的无功补偿。变速风力机驱动交流发电机发出的为频率不断变化的交流电，需要采用大功率高反压的晶闸管整流-逆变装置转化成电网频率后才能送入电网；单台机组自身有较全的保护系统，风力机主电路出口处装有速断过流保护，还设有三相电流不平衡、缺相、过压欠压、高周低周和功率限制等保护；针对异步电机在启动时冲击电流比较大，现代的并网风力发电机都配齐了性能优越的软并网控制电路，并网过程很平稳，最高峰值电流被限制在额定电流之内，整个过程十几个周波到几十个周波[10]。

六．风力发电的发展前景和问题

（一）发展前景

近几年风力发电在我国得到迅速发展，2010年我国总的发电装机容量和新增发电装机容量在全球排在第一位。随着化石能源的不断减少，人们对环境保护的呼声越开越高，对新能源开发的脚步愈来愈快，风能发电无疑成为了人们探索和发展的方向和目标。我觉得以后的发展主要向这几个方面进行：

1.海上风力发电。海上风电由于资源丰富、风速稳定、开发影响相关方面较少和可以大规模开发等优势,受到广泛关注。一项调查表明，同等装机容量,海风电场比陆上风电场年发电量可增加20%—50%[8]。

2.材料。研发新的具有良好性能的新材料。由于风力发电机组处于恶劣的环境，并且风叶常年受强风的影响，受损坏程度大，因此，对高性能材料的研究加大也是未来发展的一个方面。

3.并网技术。在注重大容量机组并网的同时，也不能忽略小容量机组的发展。小容量机组的并网比较难，但可以将它和其他的一些发电方式结合起来。近年有风光互补技术在不断发展，也可以考虑与潮汐能、地热能、火电、水电等结合供电[9]，解决小容量机组并网难的问题。

4.智能化。风电系统的智能化对风电机组的控制与检测技术、建模与仿真研究、风功率预测和管理技术、故障诊断及预警系统、风电资源的优化配置与调度等诸多技术指标均提出了新的高要求，是未来风电技术研究的热点之一。

（二）风力发电技术也存在一部分问题

1.风力发电的技术还不是成熟，仍有一些技术问题尚未解决，设备资金和一些成本较高；

2.相关的政策和法律保护还不是很完善；

3.缺少相关的对各地风力资源的勘探和调查。