谈风力发电的技术

刘俊

在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2。74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。

长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源短缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。事实上，风电作为一项高新技术，具有着巨大的产业前景。而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大的作用。在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的利用问题。

首先，风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降。截止到目前，风电电价正在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现。数据显示，风力发电能力每增加一倍，其成本就下降15%。纵观近几年，风电增长一直保持在30%以上，因而成本也正随之不断下降。目前，中国风电成本约在0。5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。据初步测算，如果将内部成本和外部成本同时计入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。

其次，风电的潜力体现于风能资源的丰富性。据初步统计、中国陆地10米和海面15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3。9亿千瓦）的2。5倍。而50米风力资源还会增大一倍。根据现有技术，地面 50-100米的風力资源都可开发利用。2003年，我国发电装机容量为3。85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发电就能将现有的电力生产翻一番。此外，风电技术正日臻成熟。随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。更大型、性能更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。

风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。

首先，需建立以企业为主体、市场为导向、产学研技术结合的创新体系。对开展试点的企业应对其研发机构，研发人员，研发资金，研发项目，专利申请，产品品牌，能力建设等方面提出具体要求和量化的指标。

第二，正确处理技术引进和技术创新的关系。采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。

第三，加强风电创新能力建设，建立风电公共技术服务平台，共同对资源进行整合、共享、完善和提高，通过建立共享机制和管理程序逐步做到资源有效利用。

其次就是风力发电机的要求了。

恒速风力发电机， 采用了笼型异步发电机， 发电机通过变压器直接接入电网。 因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内， 所以通常称之为恒速风力发电机。 并网运行时， 异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场， 这恶化了电网的功率因数， 易使电网无功容量不足， 影响电压的稳定性。 为此， 一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。 由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高， 比较适合风力发电这种特殊场合， 在风力发电发展的初期， 笼型异步发电机得到了广泛的应用， 有效地促进了风电产业的兴起。 随着风力发电应用的深入， 恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来， 主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1% ～ 5% 内运行， 输入的风功率不能过大或过小， 若发电机超过转速上限， 将进入不稳定运行区。 因此， 在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用， 以充分利用中低风速的风能资源。 另外， 风速的波动使风力机的气动转矩随之波动， 因为发电机转速不变， 风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。 而且， 由于风力机的速度不能调节， 不能从空气中捕获最大风能， 效率较低。 齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性， 影响了系统效率， 增加了噪声。

有限变速风力发电机， 发电机采用绕线式异步发电机。 绕线式异步发电机转子外接可变电阻， 其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻， 从而调节发电机的转差率， 使发电机的转差率可增大至10% ， 实现有限变速运行， 提高输出功率。 同时， 采用变桨距调节及转子电流控制， 以提高动态性能， 维持输出功率稳定， 减小阵风对电网的扰动。 然而， 由于外接电阻消耗了大量能量， 电机效率降低了。 有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。

但通过以上综合比较可以看出， 永磁直驱发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流， 并与DFIG风力发电机组竞争。 尤其是针对海上风电场来说， 体积巨大的直接驱动风力发电机并不会明显增加运输和吊装方面的难度。 基于全功率变换器的变速风力发电系统能够更有效地处理例如低电压穿越等问题，另外， 海上风电场对风力发电机组的可靠性和可维护性要求更高， 因此直接驱动概念或将首先在海上风电场获得大规模的应用。