风力发电的发展现状与关键技术研究综述

风力发电的发展现状与关键技术研究综述Abstract:Wind power is one of the most important,emissions-free sources of energy being deployed toprevent climate change and improve energy security.Wind power is also one of the renewable technologies that can be applied in large scale as it is in the stage of near-commercializat- ion.This paper presents the situation of wind power at home and abroad,and analysis the key technology.In the end,this paper puts forward some suggestions accroding to the situation in China.KEY WORDS:situation of wind power;the capacity;development trend;key technology摘要：风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是目前新能源发电中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。积极开发利用风电，对实现可持续发展具有重要意义。本文有风电发展现状和风电关键技术两部分组成，其中在第一部分分析了目前世界风电现状以及中国风电现状；在关键技术里，本文从风场故障入手，分别介绍了风电设备制造技术、风电管理控制技术以及风电并网技术，最后针对我国风电现状提出建议，并作出展望。关键词：风电现状，装机容量，发展趋势，关键技术1 风电发展现状1.1 世界风电发展现状1.1.1 世界风电装机容量现状自上世纪80年代风电技术成功实现产业化开发以来，风电经历了30余年的发展已成为重要的电力能源。根据中国行业咨询网的数据统计，1996年至2009年期间，世界风机累计装机容量的平均增长速度为28.6%，2004年到2009年新增装机容量的平均增长速度为36.1%。2009年，全球风电新增装机容量达3,820.9万 KW，增长高达44.4%。2010年全球风电新增装机容量为3,940万 KW，增长率为3.1%，首次呈现放缓趋势 1。另外由于海上风能资源稳定，不占用土地资源，对生态环境影响小等优点 2，海上风电场正成为全球风电开发领域的新宠。2010年，全球海上风电新增装机144.4万千瓦，同比增长110%，占全球风电新增装机的3.7% 3。全球风电装机容量变化趋势如图一所示。图一 全球风电装机容量发展图Fig.1 Global wind power capacity development figure1.1.2 世界风电分布世界风电发展的支柱地区在欧洲、美洲和亚洲。截止 2010 年底，世界上有 100多个国家开始发展风电，累计装机超过 100万 KW 的国家有 20 个，排位前十名国家的累计装机都超过了 300 万 KW，且均来自于欧洲、美洲和亚洲地区，其装机容量占全球累计总装机容量的 85.8%。2010 年全球3,940.4 万 KW 的新增装机中，新增装机容量前十名的国家均来自于欧洲、美洲和亚洲地区。新增装机容量前十名的国家新增装机容量占 2010 年新增总装机容量的86.8%4，如图二所示。图二 全球风电新增装机容量前 10 名国家Fig.2 Global wind power capacity new top 10 countries由以上图表可知，现阶段美国、中国以及部分欧洲国家现阶段仍然左右着世界风电发展的大局。世界海上风电场 5主要分布在欧洲的英国、丹麦、比利时和德国。其中：英国2010年海上新增装机92.5万千瓦，成为海上风电的全球领跑者，预计在今后几年英国仍将会保持领先地位;德国近两年采用5兆瓦和6兆瓦大型风电机组建设海上风电场，成为海上风电的后起之秀。1.1.3 世界风电未来发展趋势从影响风电发展环境因素来看，各国的能源规划、政策支持力度、风能资源潜力、商业化技术趋势以及电网消纳能力将是影响未来风电发展的主要因素。随着风电技术发展以及风电成本降低，风电已经越来越对投资者具有吸引力。另外海上风力资源条件优于陆地，陆地适于安装风电机组的场址有限，以及在陆地安装风电机组对景观造成影响，产生的噪音可能影响周围的居民。将风电场从陆地向近海发展在欧洲已经成为一种新的趋势。风电发展规划大致可以分为 3 步，陆上风电技术(当前技术)近海风电技术(正研发技术)海上风电技术(未来发展方向)。未来全球风电发展仍将呈现乐观态势。1.2 中国风电现状1.2.1中国风电装机容量现状自2005年可再生能源法颁布后，并在其他激励政策的支持下，我国风电产业发展迅速，到2010年底，中国风电装机容量已经超过美国，位居世界第一，至2010年底，全球风电累计装机容量前十名国家如图三所示。图三 全球风电累计装机容量前 10 名国家Fig.3 10 countries of The worlds total wind power installed capacity1.2.2 中国风电分布现状我国陆地风能资源可开发量23.8亿千瓦，海上风能资源可开发量约2亿千瓦。国内风能资源分布集中，有利于大规模的开发和利用。据考察中国的风能资源主要集中在两个带状地区，一条是“三北（东北、华北、西北）地区丰富带”即西北、华北和东北的草原和戈壁地带；另一条是“沿海及其岛屿地丰富带” ，即东部和东南沿海及岛屿地带。这些地区一般都缺少煤炭等常规能源并且在时间上冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大 6，而风电正好能够弥补火电的缺陷并与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。另外，我国的海上风电资源也相当丰富，根据中国气象局详查初步成果，我国5米到25米水深的海域内、50米高度风电可装机容量约2亿千瓦，5米到50米水深、70米高度风电可装机容量约5亿千瓦 7。1.2.3 中国风电未来发展趋势我国政府在2009年的哥本哈根会议上承诺，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15左右。要完成这一减排目标，风电的需求巨大，现在中国已经规划了八个千万kW级风电基地，针对不同地形中小风场以及对低风速风资源的开发。其中，海上风电的开发将加快推动整个风电产业的发展，并决定了我国未来几年中风场建设的速度。根据沿海各省的规划，预计到2020年我国的海上风电装机容量可达3280万kW。风电将在中国未来的能源结构中起到日益重要的作用，将成为未来满足电力需求中一个重要电源。2 风电关键技术探讨风的波动性决定了风力发电与传统的火电水电有很大的不同。风电和常规发电相比主要是有功功率的波动。水电火电按照调度发电，负荷是很有规律的，负荷预测的精度已经达到了 3%甚至于更低，然而风电的规律就不好掌握了。随着风电装机所占比例不断增长，风电对电网的影响已从局部配电网逐渐扩大到了主网，而一个较小的故障就可能引发电网电压的较大波动，造成大规模的风电机组脱网，导致地区电网瓦解，甚至扩大为大面积的停电事故，风电机组集中脱网，导致电网系统电压、频率大幅度波动，威胁到电力系统安全稳定运行。在 2011 年，中国风电发展最快的两个省份甘肃和内蒙古的一些风电基地不断发生风电机组脱网事故，2011 年 2月 24 日，中电酒泉风电公司桥西第一风电场出现电缆头故障，导致 16 个风电场 598台风电机组脱网，当时概况图如图四所示。图四 甘肃桥西第一风电场事故Fig.4 The wind farm accident in gansu province4月25日，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网 8，大致概括图如图五所示。图五 甘肃嘉峪关变电站Fig.5 Jiayuguan substation为有效减少风电事故，风电技术发展势在必行，此部分从风电设备制造，风电的控制和管理，风电并网三个方面对风电的关键技术与研究热点进行探讨。2.1 风电设备制造技术我国从20世纪70年代开始研制大型并网风电机组，直到1997年在国家“乘风计划”的支持下，才真正从科研走向了市场 9。我国风力发电机组的研发能力严重不足，基本还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段。而且，国产产品大多是“定桨定速技术的。原因主要有以下两方面：一方面，国内风电技术基础薄弱，核心技术缺乏。由于我国风电设备制造起步较晚，未能掌握风电机组总体设计的核心技术。虽然我国对风电机组的测试技术作过一些研究，但不够系统，而且没有风电设备的国家试验风场。另一方面，技术发展滞后，创新能力不足。目前，我国风电产业技术还没有达到国外主流机型的技术水平，正在开发的机型已经是国外相对成熟的技术。近年来风力发电机组技术发展非常迅速，其关键技术主要有以下几个方面。2.1.1单机容量增大单机容量越大，单位千瓦的造价越低。正是基于经济效益的优势，单机容量逐步提高成为国际风电设备发起站的主要趋势之一。20世纪末，风电机组主流规格在欧洲是0.75MW,进入21世纪，主流机型已经达到1.5MW。目前，美国已经研制成7MW 的风机，中国华锐风电科技自主研发的5MW 机组已于2010年10月12日正式出产。2.1.2 新气流技术风轮机在稳流风况下效率是最高的，但在不稳定风速（如阵风、湍流、风切变等）下，效率则会降低。美国雪城大学工程与计算机学院的研究人员正在测试一种基于智能系统的主动气流控制方法。该项目通过明尼苏达大学风能联盟得到了美国能源部的资金支持。这一方法对风机叶片表面的气流情况进行估算，然后通过智能控制器对信息进行处理后实时驱动叶片控制气流，从而提高风机系统的整体效率。这项工作还能够降低因流动分离而导致的多余噪声和振动 10。2.1.3 机组结构日趋多样化目前从风轮到发电机的驱动方式主要有三种。一种是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机，简称为双馈式，是目前市场上的主流产品。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式。直驱式风力机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越来越大的份额。但直驱发电机体积大，较笨重。第三种是单级增速装置加多极发电机技术，简称为混合式。混合式采用单级变速装置以提高发电机转速，但速度低于标准发电机所需要的转速；同时配以类似于直驱发电机的多极电机。该设计介于纯变速装置驱动和直驱之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。双馈式风电机组由于转子励磁电流幅值、相位、频率、有功功率、无功功率均可调，可实现变速恒频运行，以及并网特性优良的特点，现在仍是风电机组的主导机型。而从国际上的趋势看，直驱式风力机由于具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越来越大的份额。哈尔滨哈飞工业有限责任公司申请了并网型混合驱动式变桨变速恒频风力发电机组 11，本实用新型采用一级行星齿轮箱和低速永磁同步发电机，体积小、结构简单，机组维护项目少、维护成本低、无需特殊吊装设备，机组有充裕的空间满足维护和人机工程学要求，所有部件具有最佳的可维护性。若此类型机组运行情况令人满意，则也有可能成为以后的发展趋势。2.2 风电场管理控制技术由于风能的不稳定性、随机性等特点，导致风电机组工作不稳定，发电效率降低，而且风电机组容易出现故障。风力发电控制系统的作用就是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。其控制目标是：使风电机组获取能量最大化，使风电系统运行稳定，保护风电机组的安全运行。控制技术是风力发电的最关键技术之一,是风力发电机组运行的“大脑”,是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。此部分主要从以下几个方面进行论述。2.2.1 风电功率预测系统由于风能的波动性、间歇性、低能量密度及不可控等特点，导致风电功率产生波动性、间歇性。风电场出力不稳，给电网调度、调峰、安全等带来一系列的问题。所以在风电场调度控制系统中，风电场功率预测系统是最基础也是比较关键的技术。目前，人们比较认可用于较长时间风电功率预测的一种较为准确方法是基于NWP的风电功率预测系统 12，基于NWP的风电功率预测方法已较成熟。其大致框架如图六所示。数值天气预报 （ N W P ）预测程序（ p r e d i c t i o n p r o g r a m ）功率预测（ p o w e r p r e d i c t i o n ）物理方法统计方法图六 基于NWP的风电功率预测Fig.6 wind power prediction based NWP不过，基于NWP的预测数学模型复杂，需运行在超级计算机上，其应用有一定的局限性。目前国内大多数风电场都没安装此系统。2011年国家能源局发布风电厂功率预测预报管理暂行办法 。该办法提出，到2012年1月1日，我国所有已并网运行的风电厂必须建立起风电预测预报体系和发电计划申报工作机制，未按要求报送风电预测预报结果的风电厂不得并网运行。随着此办法的提出以及国家对风电的鼓励政策，风电场的调度将更加经济可靠。2.2.2 风电机组的控制系统与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。作为主流机型的变速变距型风电机组，其控制系统可以分成三个子系统 ：变桨距控制、转矩控制和变流控制 13-15。机组主要的控制目标可以归纳为两个方面，一是风电机组在整个运行范围内稳定可靠地按预定轨迹运行，二是优化机组的运行性能，提高机组的发电效率与发电质量，减小机组的机械载荷 16。随着电力电子技术及微型计算机的发展，先进控制方法在风力发电控制系统中的应用研究几乎遍及系统的各个领域，不少有价值的研究论文见诸于国内外学术会议、学术刊物上，取得了一批有价值的成果。目前先进的控制技术主要有专家系统控制、微分几何控制、自适应控制、滑模变结构控制、最优控制、模型预测控制、人工神经网络控制、模糊控制等，其中专家系统控制主要用于风电机组的故障诊断上，微分几何控制、自适应控制、滑模变结构控制、人工神经网络控制以及模糊控制主要应用于转矩和变桨距控制，而最优控制和模型预测控制应用于解决系统的扰动问题，减小载荷 17。风电机组是一类复杂的非线性系统，其精确的数学模型难以建立，采用基于数学模型的传统控制难以使系统在全部运行状态下获得满意的动、静态性能。随着不依赖于数学模型的智能控制技术的发展，模糊控制和人工神经网络在风电机组控制领域应用方兴未艾，并成为研究热点之一。人工神经网络具有映射任意非线性输入 输出关系的能力。可基于 BP 网建立桨距角全范围变化时的风能利用系数模型; 也可建立以风速、风轮角速度、功率为输入，桨距角指令值为输出的 BP 网，构成基于 BP 网的桨距控制器，实现桨距控制的目标18。模糊控制是一种基于语言规则、模糊推理的高级控制策略，是智能控制领域最活跃、最重要的分支之一，模糊控制用于控制风电机组中的感应电机，可以最大限度从风中获取能量，而且使风能到电能的转换系统具有更好的平滑性和稳定性 19-21。目前，风电机组智能控制研究多数停留在仿真阶段，尚缺乏实际工程应用。模糊控制和人工神经网络具有互补性，两者相结合的神经网络模糊控制在风电机组控制领域中的应用研究尚少。随着技术的不断进步，以后的控制技术应该不断向智能化控制方向发展。2.3 风电并网技术造成风电并网难题的原因是多方面的，对于我国来说，主要包括风电产业因素、电力系统因素以及政策因素等方面。从风电产业本身而言，我国风电制造业核心技术缺乏、风电专业人才短缺、风电检测认证机构不完善等因素，是造成风电并网难题的内在因素; 而从电力系统角度而言，我国电网网架结构相对薄弱，电力系统智能化水平相对较低，电网调峰能力不足，储能设施相对滞后等因素，是造成风电并网难题的外在因素。 22此外，我国风电发展政策体系相对滞后，是造成风电并网难题的又一关键因素。目前，针对风电并网问题，在技术方面，世界已经提出了许多，当下的研究热点有发展先进的储能技术、低电压穿越技术等。2.3.1 储能技术目前，欧洲、日本和美国在该领域的研究水平处于国际领先地位，同时国际市场主要被上述三个地区/国家所占领。目前比较有发展前途还有压缩空气储能、超级电容储能等。在美国新罕布什尔州的瑟斯汀 X 公司（SustainX） ，已经获得 2000 万美元的风险资金，用于大规模测试它的压缩空气储能（compressed-air energy storage）技术。这项技术可以更广泛地使用压缩空气存储，这反过来又使可再生能源更具吸引力，因为它可以使风能夜间发电，存储到白天，因为白天需求更大。如果成功，这项技术可以减少需要建立的天然气发电厂，同时供应高峰电力需求。 23而超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。美国俄亥俄州代顿市 Nanotek Instruments 公司新研制的石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量相当于镍氢电池，打破了世界纪录，而且充电或放电只需要短短几分钟、甚至几秒钟，发展前景比较乐观。 24目前尚在研究的储能技术超导/飞轮储能如表一所示表一 超导/飞轮储能研究概况Tab.1 Superconducting/the flywheel storage research situation2.3.2 低电压穿越技术低电压穿越（LVRT）是指当电网发生故障时，风电场需维持一段时间与电网连接而不解列，甚至要求风电场在这一过程中能够提供无功以支持电网电压的恢复即低电压穿越。此部分简单介绍目前低电压穿越技术 25。（1）转子短路保护技术(crowbar 电路) 26这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其在发电机转子侧装有 crowbar 电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路(释储能技术 国家 研究机构 投入金额超导/ 飞轮储能超导储能 美国 能源部克鲁克海文国家实验室、ABB 公司、休斯顿大学、Superpower 公司420 万美元联邦资金、105 万美元的配套资金Stephento-wn（纽约）20MW 新型能量存储概念工程美国 Beacon 电力公司 能源部 4300 万美元担保贷款能电阻)保护装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行(此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行)。（2）引入新型拓扑结构 27这种结构与传统的软启动装置类似，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。 在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率 IGBT 器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。目前低电压存在的难点有：(1)确保故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压都在系统可承 受范围之内；(2)所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性；(3)控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性；(4)工程应用中须在实现目标的前提下尽量少地增加成本。3 结论与建议在过去的五年里，中国风电实现了连续翻倍增长，并坐上了全球首把交椅。但在风电发展的同时也暴露了发展中的许多问题，针对这些问题，本文简单提出以后我国风电发展的几项建议。1.在风电产业发展策略方面：加大研发投入；建立建立以企业为主导、市场为导向、产学研结合完善的风电技术创新体系；加快风电专业人才培养，掌握关键技术。2.在电力系统方面：加大电网投资建设力度，进一步提升电网的智能化；促进储能技术、功率预测、系统调度等技术开发。3.在政策法规建设方面：完善风电发展的法律法规；加大风电发展财税政策支持。4.由于我国海上风电资源丰富以及海上风电优点，我国应加快海上风电的开发。参考文献1 2012 年全球风电装机容量实现增长统计分析/news/message/379521.html2012.3Statistical analysis 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