风力发电技术发展综述

汪旭旭，刘毅，江娜，段延芳

(三峡大学，湖北 宜昌 443000)

风力发电技术发展综述

汪旭旭，刘毅，江娜，段延芳

(三峡大学，湖北 宜昌 443000)

风力发电作为可再生能源之一，各大机构、高校等均投入大量人力、资金、技术研发风力发电技术及产业。首先介绍了风能及风能利用历史，较详细的综述了风力发电系统及风力发电机类型等内容，并对当前我国风力发电面临的难点进行了分析，最后展望了风力发电的前景，能够为相关风力发电的研究提供一定依据。

风能;风力发电;发电机;发电系统

1 引言

从能源的分布和利用来看，随着不可再生能源的逐渐枯竭，水力发电容量有限，核能发电存在诸多不安全因素，那么寻求新形势的发电方式将是摆在当今电力行业面前的首要难题。风能发电在目前的可再生能源中，起步早，发展较成熟，产业化较好，并有望成为火电、水电之后的第三大发电电源［1］。利用风能发电将在我国的新能源发电领域占据很重要的位置。本文较全面地介绍了风能、风力发电系统及风力电机型式，分析了风力发电发展面临的技术难点，并展望了风力发电的发展前景。

2 风力发电概况

2.1 风能概述［2，3］

由空气运动产生的能量称之为风能。单位面积上单位时间通过的风能称为风能密度。我国风能资源丰富，可开发的装机容量2.53亿千瓦，居于世界首位，与可开发的水电装机容量的量级基本相同，主要分布在新疆、内蒙古以及沿海一带。

风能发电的优缺点主要为:有安全可靠、节约资源、无污染、建设周期短、安装灵活、运行简单、占地少、环境要求低、发电方式多种多样的优点，但也存在频率控制技术困难、对电网冲击大、波形不标准、电力设备大而运输难等缺点。

2.2 风力发电的发展历史［3］

人类数千年前就已经在利用风能。最早的利用方式是帆船。后又利用其提水、碾米等。虽然风能利用历史悠久，但是风力发电却只有一百多年的历史。

丹麦人于19世纪末发明了第一台风力发电机，并得到很好的推广，到1930年小容量的风力发电机技术基本成熟。20世纪30年代至60年代，美国、丹麦等欧美国家开始研发大、中型发电机组。70年代至80年代，各国开始研制1000kW以上的发电机组，但均未能获得正常运行。丹麦在90年代利用大小两种风机研制出现代风力发电机的雏形。

3 风力发电系统及风力电机型式

3.1 风力发电系统的类型

3.1.1 按发电机的运行方式划分

(1)恒速恒频风力发电系统［4，5］

目前风力发电系统应用最多的异步发电机基本上是恒速恒频型式的，结构图如图1所示。其基本原理为:由控制系统对风速进行实时监测，当平均风速大于起动风速时，控制系统开始启动风机进行发电。这种发电方式具有性能可靠、控制技术简单的优点，但风能资源利用率较低。

图1 恒速恒频风力发电系统结构图

目前风力发电系统为了增大风能利用率，一般采用大小两套配合发电，风速低时小容量风机可以进行发电，风速大时均能并网发电。

(2)变速恒频风力发电系统［6］

不干涉风车的转速，让其随风速的变化而变化，再通过其他方式来调频的方法称为变速恒频风力发电。风机和电机的转速有很大的变化范围，当风速改变时，实时的调整风机转速，最大限度的对风能进行利用，优化了机组的运行条件，系统的发电效率也大大地提高了。目前国内外主流的风力发电系统如建成或者在建的机组均采用这种方式。这种发电系统方式较多，仅仅列举其中几种形式，如图2～4所示。

图2 笼形一步异步电机变速恒频系统

图3 无齿轮箱变速恒频系统

图4 无刷双馈发电机变速恒频系统

3.1.2 按变换器技术划分

(1)交 － 交系统［7，8］

相对于交－直－交系统，交－交交换系统没有中间的直流环节，传统的交－交系统由三套可逆整流电路组成，是一种四象限交换器，能够和电源之间进行能量交换。这种交换系统工作可靠性好，效率较高。但由于含有较大的谐波电流，且在运行中交换器要吸收大量的无功，因而功率因数也较低;其次由于系统的结构复杂，导致元件的数量较大，在风力发电的系统中应用有限。

(2)交 － 直 － 交系统［9，10］

交－直－交系统采用电压源型通用变频器，输入侧并不控制电流而直接整流得到直流电压，输出侧则对直流电压调压调频来达到负荷要求。由于输入电流是非正弦波形电流，功率因数较低，对电网造成谐波影响。相对于交－交交换系统，该系统不具备四象限特性，设备较多且庞杂，造价高容易损坏，导致系统的可靠性较差。

(3)混合系统

将电压型和电流型两个变换系统并联运行，称之为混合式交换系统。这种系统一共含有4个可控变换器。该系统主变换器为电流源变换器，副变换器为电压源变换器。具有控制方式灵活，输出电能质量高，便于实现电机矢量调节等优点;但该类型变换器所需的功率器件数量多，拓扑结构复杂，导致硬件成本过高，且控制系统设计困难［11］。

3.2 风力发电机的类型

3.2.1 按发电容量划分

风力发电机组容量划分一般为:小型机组范围为0.1～1000W，中型机组范围为1～1000kW，大型机组范围为1～10MW，巨型机组范围一般在10MW以上，也成为特大机组。

3.2.2 按风轮轴的安装方式划分

(1)垂直式风力发电机［12］

按风轮轴的安装方式，可以将风力发电机分为垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机出现于20世纪30年代，比水平轴风力发电机要晚。垂直式风力发电机的能量驱动链是成垂直方向的，主要包含两种类型:第一类就是利用空气阻力做功，第二类就是利用翼型的升力做功。第一类代表型风力发电机为S型风轮，由两个轴线错开的半圆柱形组成，起动时转矩较大是其主要优点。Darrieus型风力机是第二类风机的典型结构，常见有菱形、Y型、Φ型、H型等多种类型，其中一些的结构图如图5所示。

图5 各种形式的垂直轴风力发电机

(2)水平式风力发电机［13］

目前应用最广且技术最纯熟的风力机是水平轴风力机。水平轴风力机包括塔身和塔身顶端的翼舱。在翼舱里安装有发电机、变速箱和转子等。其风轮叶片数一般为2～3叶，叶片形状一般为翼形，该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。为了使风机的页面(扫风面)能够处于最佳迎风位置，一般在水平式风力发电机上还需安装调向装置。

3.2.3 按输出功率调节形式不同划分

(1)变桨距型［14－15］

变桨距风力发电机是在定桨距风力机上发展过来的。变桨距风力发电机的叶片与轮毂不再是刚性连接，此时采用的是联轴器或是推动轴承连接，目的是为了根据风速的大小变化来控制桨距角，保证功率输出在额定值附近。大型变桨距风力发电机组除了进行桨距控制以外，还通过控制发电机转子电流来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出功率曲线更加平稳。

(2)定桨距型［16］

定桨距风力发电机的桨距角和转速都是不变的，而且其桨叶和轮毂是固定的，采用叶尖扰流器实现桨叶的制动，再结合桨叶自身的气动特性实现定桨距风力机的调速功能。桨距角和转速的固定不变性导致了桨距角不能随风速的变化而变化，一旦风速高于额定风速，桨叶就会失速而引起输出功率随之下降。利用自身气动性和叶尖扰流器实现控制性能，能够简化结构、增加可靠性，但又存在其部件较大，功率系数较低且不易启动的缺点。

4 风力发电发展面临的技术难点［17－19］

4.1 设计方案的中国化

虽然风力发电技术已经活跃了近百年，但是占据世界主流风力发电机市场的仍然是欧美等发达国家。国内的风力发电机厂基本采用引进先进国外技术，所以在确定设计方案的时候，基本沿用的是国外保留的方式，虽充分保留了国际先进水平，但是没有注意到与现实中国的发展水平以及具体的国内运行环境。

首先我国的工业发展水平在体系上和国外有一定差异和距离，甚至有些行业还存在代差。其次，国外风力发电机设计、试验、运行的环境和国内的环境存在很大差异。我国风力资源丰富及开发较好的地区在北方地区，这里风沙大、温度低，环境条件苛刻，远低于国际标准。

4.2 风力发电技术的自主开发

由于在风力发电技术上的相对落后，致使国内风力发电市场受到国外技术的制约。在关键技术上和产品研发上依赖国外技术，产品费用较大，风力发电的成本较高，不利于我国风力发电产业的推广发展。所以，研究和设计拥有自主知识产权的风力发电技术是国内风电产业的当务之急。

4．3 风力发电机的载荷准确计算和优化设计

风力发电机一般露置大气环境之中，而自然环境的各个要素如气温、风速、雨雪等，其随机性差异很大，往往造成风力发电机的受力情况比较复杂，各种气象条件下的应力控制点也各不相同。由此看来，准确计算不同运行工况下的风力机各部件的载荷特性，可以优化产品的性能，提高风力电机的可靠性、安全性，同时根据各部位应力分布情况，采取只针对应力薄弱环节加强的措施，能够减少材料浪费和降低成本。

5 结论

我国的风力发电产业经过多年的发展，已经有了长足的进步，相关法规如《可再生能源法》的颁布，更加促进了风电的推广。同时国家也出台了一系列政策来扶持风电产业。总体来说，国内的环境给风电的发展提供了有利的成长空间。这是当前我国风力发电的机遇。

但是我国风力发电依然处于初级层次，与国外在技术层面、市场规模、建设等方面相比，还是存在相当大的差距。

［1］ 李俊峰，高虎，马玲娟，等．我国风力发电现状与展望［J］．中国科技投资，2007(11)．

［2］ 蒋宏春．风力发电技术综述［J］．机械设计与制造，2010(9)．

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［6］ 吴聂根，陈小华．变速恒频风力发电技术综述［J］．微电机，2009．

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Summary of W ind Power Technology Development

WANG Xu-xu，LIU Yi，JIANGNa，DUAN Yan-fang
(China Three Gorges University，Yichang，443000，China)

As one of the renewable energy，major institutions，colleges and universities have put substantialmanpower，capital，and techniques into the research and development of wind power technology and industry．Firstly，this paper introduces the history ofwind energy and wind energy utilization，and then has explicitly overview of wind power systems and type ofwind turbines．It also analyzes the current difficulties for China＇s wind power generation．Finally it gives an outlook for wind power，intending to provide a basis for the relevant research on wind power．

wind energy;wind power;wind turbines;power generation systems

TM614

B

1004－289X(2013)03－0016－04

2013－05－06

汪旭旭(1988－)，男，三峡大学与新能源学院，硕士研究生，研究方向为电气工程;

刘毅(1980－)，男，汉族，安徽省岳西县人，助理工程师，三峡大学电气与新能源学院2011级工程硕士研究生。主要研究方向为输电线路施工技术。