風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)進步

風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)進步

0風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全球生態(tài)環(huán)境惡化和巖漿巖能源逐漸萎縮的雙重壓力下，新能源的研究和應(yīng)用已成為全世界的中心。除水力發(fā)電技術(shù)外,風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。由于在改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面的突出作用,目前世界各國都在大力發(fā)展和研究風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)。1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景1.1全球風(fēng)電企業(yè)地位2009年,雖然金融危機引起的全球經(jīng)濟秩序的動蕩仍在持續(xù),但風(fēng)電行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,全球年度市場增長率達41%,行業(yè)市場格局基本沒有發(fā)生實質(zhì)性的改變,美國、歐盟和亞洲仍處于全球風(fēng)電發(fā)展的主要領(lǐng)導(dǎo)地位,明顯的變化是中國超越美國,成為了2009年新增裝機容量全球第1的國家。根據(jù)全球風(fēng)能理事會GWEC統(tǒng)計報告顯示,截止2009年,全球風(fēng)電裝機容量累計已達1.58億kW,增長率累計達31.9%,產(chǎn)出總值為450億歐元,從業(yè)人數(shù)約50萬,該產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界能源市場的重要組成部分。到2009年底,全球已有100多個國家涉足風(fēng)電領(lǐng)域,目前17國累計裝機容量超過百萬kW,2009年累計裝機容量排名前10位和新增裝機前10位的國家如圖1和圖2所示。1.2風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)2004—2006年第3次風(fēng)能資源普查結(jié)果顯示,中國陸地、海上10m以上高度的風(fēng)能可開發(fā)量為7億～12億kW,但隨著風(fēng)機高度的逐步提高,由過去的幾十米達到如今的百米以上,這一數(shù)據(jù)發(fā)生了很大的變化。2007年中國氣象局實施了中國風(fēng)能資源詳查與評價工程,并于2010年首次公布了中國風(fēng)能資源研究的重要成果:中國海、陸距地50m以上的高度,風(fēng)速達3級以上風(fēng)力資源的潛在可開發(fā)量約為25億kW,在風(fēng)電五大國中,中國風(fēng)電資源與美國接近,遠遠高于印度、德國和西班牙。中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁,其近年累計及新增裝機容量如圖3所示。2009年中國風(fēng)電新增裝機容量1380萬kW,居全球第1;中國風(fēng)電累計裝機容量2580萬kW,僅次于美國的3506萬kW;風(fēng)電機組裝備與制造能力居全球第1。2010年,全球每新安裝3臺機組,就有1臺在中國;僅隔1年,2010年新增和累計風(fēng)電裝機容量雙居全球第1位;2020年的風(fēng)電累計裝機可達2.3億kW,相當(dāng)于13個三峽水電站的規(guī)模,年總發(fā)電量約4649億kW·h,風(fēng)電總裝機容量占15%左右,可取代200個火電廠,減少CO2排放量4.1億t/a,節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近1.5億t/a,屆時風(fēng)電將成為中國主要能源來源之一,在節(jié)約資源、改善生態(tài)環(huán)境,促進社會、經(jīng)濟和諧可持續(xù)發(fā)展中將做出巨大貢獻。截止2010年年底,中國累計裝機超過100萬kW的省份超過10個,超過200萬kW的7個,內(nèi)蒙古無論新增還是累計裝機容量均位居全國第1,如表1所示;目前,中國正大力投資在甘肅、新疆、河北、蒙東、蒙西、吉林和江蘇沿海建設(shè)七大“千萬千瓦級”風(fēng)電基地;2010年6月,中國第1座千萬kW級風(fēng)電基地在甘肅酒泉正式竣工并投入運營,預(yù)計年上網(wǎng)達8.58億kW,可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤30萬t/a,減少CO2排放量81萬t/a;2010年7月,亞洲首座大型海上風(fēng)電場——上海東海大橋海上風(fēng)電場竣工投產(chǎn),成為至今歐洲之外的第1個大型海上風(fēng)電場。1.3風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的比重將會不斷擴風(fēng)電作為一種環(huán)保潔凈的綠色能源,有著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會和經(jīng)濟可持續(xù)和諧發(fā)展等方面的優(yōu)勢,是未來電力能源發(fā)展的一個趨勢。在今后的30年間,風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的比重會不斷擴大,成為未來滿足電力需求的一個重要能源。表2、3顯示了未來幾十年全球和中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。2屋頂發(fā)電系統(tǒng)的類型風(fēng)力發(fā)電機組種類繁多,根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下幾種類型。(1)根據(jù)機組的容量，分為以下幾類機組容量為0.1～1kW的為小型機組,1～1000kW為中型機組,1～10MW為大型機組,10MW以上的為特大或巨型機組。(2)根據(jù)動力裝置的運行特點和控制方式，可分為以下幾類1mw級加固算法這是20世紀(jì)80、90年代常見的一種類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),機組容量已發(fā)展到MW級,具有性能可靠、控制與結(jié)構(gòu)簡單的特點。但這種風(fēng)電系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時,風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速不變,風(fēng)力機必偏離最佳轉(zhuǎn)速,風(fēng)能利用率Cp值也會偏離最大值,導(dǎo)致輸出功率下降,浪費了風(fēng)力資源,發(fā)電效率大大降低。2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行條件VSCF風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速可變化,當(dāng)風(fēng)速改變時,可適時地調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速,使之保持最佳狀態(tài),風(fēng)能利用系數(shù)Cp接近或達到最佳,可實現(xiàn)對風(fēng)能最大限度地捕獲,由此優(yōu)化了機組的運行條件,系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高。相對CSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運行范圍較寬,可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功。目前,國內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場中的風(fēng)電機組多采用這種運行方式,尤其是MW級的大容量風(fēng)電系統(tǒng)已成為主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。(3)根據(jù)操作方法，如下所示1離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)這是一種以單機獨立運行為主的小型風(fēng)電系統(tǒng),系統(tǒng)的三相交流輸出經(jīng)整流穩(wěn)壓后,再提供給負(fù)載或用戶使用,離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的主要服務(wù)對象是以風(fēng)電為主或缺電地區(qū)的廣大農(nóng)戶,我國的內(nèi)蒙古是應(yīng)用和推廣小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電最主要和最好的地區(qū)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量相對較小,較為常見的一般為百瓦級和千瓦級。目前,獨立的風(fēng)電或風(fēng)光互補路燈系統(tǒng)在城鄉(xiāng)公路供電中發(fā)展迅速,已被廣泛地應(yīng)用。2大規(guī)模利用風(fēng)能的途徑與常規(guī)發(fā)電模式相同,與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行是大規(guī)模利用風(fēng)能的最有效、最經(jīng)濟方式。目前,國內(nèi)外建成或新建的大型風(fēng)電場都采用這種運行方式,成為利用風(fēng)能發(fā)電的主要方式。(4)根據(jù)動力裝置風(fēng)輪軸的位置，它可以1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機直到20世紀(jì)30年代才開始出現(xiàn),比水平軸風(fēng)力發(fā)電機晚(1924年的Savonius式風(fēng)輪,1931年的Darrieus式風(fēng)輪)。與水平軸風(fēng)力發(fā)電機組相比,單位kW能力投資可節(jié)省近50%,具有機組使用壽命長、易檢修、地面維護簡單、不存在“對風(fēng)損失”等特點。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機又分為2類,阻力型風(fēng)輪機(Savonius式風(fēng)輪),葉尖速比低于1;升力型風(fēng)輪機(Darrieus式風(fēng)輪)葉尖速比可達6,風(fēng)能利用率甚至與水平軸的不相上下。近年,中國在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機研制方面也得到了長足發(fā)展。2006年,在內(nèi)蒙古自治區(qū)化德縣建成了中國垂直軸風(fēng)力發(fā)電試驗基地,50kW小樣機組已建成并投入發(fā)電運行;2007年底,1.5MW實用型樣機也在該基地開始試驗運行。2風(fēng)力發(fā)電機在國內(nèi)的應(yīng)用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機功率相對小以及啟動性能差成為其應(yīng)用的最大問題,相比之下水平軸風(fēng)力發(fā)電機組單機容量大,技術(shù)手段成熟,研究設(shè)計十分深入細(xì)致,且積累了大量的工程實踐經(jīng)驗,應(yīng)用非常廣泛。目前世界上功率最大是德國Enercon公司制造的E-126型風(fēng)力發(fā)電機,標(biāo)稱額定功率6MW,最大可產(chǎn)生7MW的功率;中國華銳集團的單機容量6MW風(fēng)力發(fā)電機組研發(fā)工作進展順利,首臺樣機將于2011年6月下線。除了噪聲大,水平軸風(fēng)力發(fā)電機由于其構(gòu)造特點,存在一些難以克服的缺點。由于受重力及慣性力的共同影響,在葉片的旋轉(zhuǎn)過程中,重力方向維持不變,但慣性力方向是不斷改變的,葉片承受的不是恒定而是交變荷載,這是一種內(nèi)力狀況較差的受力模型,對葉片的抗疲勞是很不利的。葉片容易損耗且造價非常昂貴,對材質(zhì)要求十分苛刻,制造要求條件高。另外,水平軸風(fēng)力發(fā)電機通常安裝在幾十米甚至百米高空的塔架上,安裝、檢修以及維護較為困難,這些因素制約了水平軸風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的進一步增大。(5)根據(jù)輸出調(diào)節(jié)方法1機組槳距控制這種類型風(fēng)力機組加裝了葉片槳距調(diào)節(jié)機構(gòu),可使槳距角隨風(fēng)速改變而變化,改善了機組的功率輸出特性及啟動性能。運行時,改變槳距角對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。若機組輸出功率低于額定功率,槳距角通常維持為0,不進行任何控制;當(dāng)高于額定功率時,變槳距調(diào)節(jié)改變槳距角,使輸出功率維持恒定,避免風(fēng)速過大影響機組的安全運行。變槳距調(diào)節(jié)可減小槳葉承受的應(yīng)力,節(jié)約葉片制造材料,有效降低機組的重量,延長了機組使用壽命,提高了系統(tǒng)運行性能,但使機組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有所增加。2槳葉失速保護定槳距失速調(diào)節(jié)通常用于恒速運行情況,是傳統(tǒng)丹麥風(fēng)電技術(shù)的典型代表,這類風(fēng)電系統(tǒng)將輪轂和槳葉固定相連,槳距角保持不變。額定風(fēng)速以上時,利用槳葉翼型失速特性,當(dāng)氣流功角達到失速條件,在槳葉表面紊流的影響下,降低機組的發(fā)電效率,以此實現(xiàn)對輸出功率的限制。該方式功率調(diào)節(jié)簡單,但葉片過于沉重,致使其結(jié)構(gòu)及成型工藝復(fù)雜,機組受力較大且發(fā)電效率較低。(6)根據(jù)變換器的功率變流技術(shù)1功率開關(guān)器件交—交變換器無中間直流濾波環(huán)節(jié),為四象限變換器,能與電源間進行能量的交換,工作可靠,效率高,在風(fēng)電系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用。但這類變換器中的功率開關(guān)器件一般采用自然換流的工作方式,電流諧波含量較大;變換器要吸收大量的無功,導(dǎo)致功率因數(shù)較低;元器件數(shù)量較多,并且變換器輸出側(cè)還需隔離變壓器,致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,這些因素制約了其廣泛的應(yīng)用。2雙向傳遞和雙向濾波交—直—交電壓源型變換器,也稱“背靠背”變換器,是當(dāng)前各類工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的變換器,該類型變換器也可實現(xiàn)能量的雙向傳遞,并且直流濾波環(huán)節(jié)實現(xiàn)了風(fēng)電系統(tǒng)和電網(wǎng)間的電磁解耦;該類型變換器通常采用雙脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)的工作方式,輸出電流諧波含量小,具有結(jié)構(gòu)簡單,功率因數(shù)可調(diào),網(wǎng)側(cè)易于實現(xiàn)有功和無功的解耦控制等優(yōu)點,目前這類變換器已廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。3電流源變換器及電壓源變換器該類型變換系統(tǒng)共含4個可控變換器——將電壓型和電流型2個變換系統(tǒng)并聯(lián)運行。電流源變換器為主變換器,電壓源變換器為副變換器,具有控制方式靈活,輸出電能質(zhì)量高,便于實現(xiàn)電機矢量調(diào)節(jié)等優(yōu)點;但該類型變換器所需的功率器件數(shù)量多,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致硬件成本過高,且控制系統(tǒng)設(shè)計困難。4同一橋臂處換流器該類型變換器也屬于一種交—交變換器,采用四象限開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可實現(xiàn)功率雙向傳送。與傳統(tǒng)變換器相比,它的輸出電壓、頻率和功率因素均可調(diào),具有控制自由度大,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕且效率高等優(yōu)點。但換流過程中禁止同一橋臂的2個開關(guān)同時處于導(dǎo)通或關(guān)閉的狀態(tài),實現(xiàn)起來很難;同時由于無中間直流環(huán)節(jié),在變換器的輸入和輸出側(cè)具有比較強的耦合作用,在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于試驗研究階段。5多個平面換向和振幅變換系統(tǒng)上述變換器輸出電壓的等級較高,開關(guān)損耗明顯降低,但變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計非常復(fù)雜,成本也高,在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域尚無法廣泛應(yīng)用。3交流勵磁雙饋時轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)基本結(jié)構(gòu)以及運行原理,發(fā)電機通?？煞譃橹绷麟姍C、感應(yīng)異步電機和同步電機幾大類。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機類型繁多,包括以下類型。在CSCF風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機包括異步機感應(yīng)電機和電勵磁同步機。異步機運行穩(wěn)定可靠、堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單便于維護,適用于各種惡劣的工況條件,但轉(zhuǎn)速運行范圍窄。電機定子一般通過變換器或軟啟動器與電網(wǎng)相連,如圖4～5所示,通常還需并聯(lián)無功補償器,提供足夠的無功補償以維持機端電壓穩(wěn)定。軟啟動器的主要作用是限制并網(wǎng)時過大的沖擊電流對電網(wǎng)的不利影響。電勵磁同步電機,帶有獨立的勵磁系統(tǒng),是同步電機必不可缺的組成部分,必須通過勵磁系統(tǒng)的激磁才能建立旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運行。根據(jù)勵磁系統(tǒng)的勵磁方式可分為直流勵磁、靜止交流整流勵磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵磁。旋轉(zhuǎn)交流整流勵磁無需電刷及滑環(huán),可靠性大為提高。調(diào)節(jié)勵磁可以改變電機無功功率以及功率因素,且并網(wǎng)運行供電可靠性高,頻率穩(wěn)定,電能質(zhì)量好,這是同步機的顯著優(yōu)點。電勵磁同步機恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)如圖6所示。在VSCF風(fēng)電系統(tǒng)中所采用的電機種類比較多,常見的有以下幾種。(1)籠型異步電機。因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)像鼠籠而得名,風(fēng)速改變時,風(fēng)力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也跟隨調(diào)整,因此發(fā)電機輸出的電壓頻率不是恒定的,利用電機定子和電網(wǎng)間的變換器,將頻率轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相同的恒定頻率,可見變速恒頻控制是在定子側(cè)實現(xiàn)的。由于電機定子與變換器相連,變換器容量與發(fā)電機的相同,特別在大容量風(fēng)電系統(tǒng)中將導(dǎo)致變換器成本、體積以及重量都明顯增加,一般多應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)。(2)繞線式異步電機。1)普通繞線式異步發(fā)電機。這類發(fā)電機的滑差變化小,調(diào)速范圍較窄,通常不超過5%。利用改變轉(zhuǎn)子回路外串電阻阻值大小的方式,就能改變轉(zhuǎn)子回路中外串電阻所消耗的轉(zhuǎn)差功率,以此達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的,但在轉(zhuǎn)子回路串入電阻,使系統(tǒng)損耗加大。2)雙速異步發(fā)電機。這種發(fā)電機具有2種不同的同步轉(zhuǎn)速,即低同步轉(zhuǎn)速和高同步轉(zhuǎn)速。風(fēng)速較低時采用低同步轉(zhuǎn)速運行方式,維持低功率輸出;風(fēng)速較高時采用高同步轉(zhuǎn)速運行方式,與之對應(yīng)則是高功率輸出。根據(jù)異步電機理論,在電網(wǎng)頻率恒定的情況下,只需改變極對數(shù)p,就能改變同步轉(zhuǎn)速。通常通過安裝2套不同繞組或改變定子繞組的接線方式就可改變極對數(shù)p。3)滑差可調(diào)異步發(fā)電機。根據(jù)風(fēng)力機特性,當(dāng)風(fēng)速改變時,而風(fēng)力機轉(zhuǎn)速維持不變,風(fēng)能利用效率Cp必將偏離最佳值,風(fēng)力機發(fā)電效率將明顯降低。若風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時,風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速也可跟隨變化,此時利用電力電子元件構(gòu)成的控制機構(gòu),調(diào)整滑差可調(diào)繞線式異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻值的大小就可保持轉(zhuǎn)子電流恒定,不需要進行變槳距調(diào)節(jié)便可保持發(fā)電機輸出功率恒定,避免了風(fēng)速頻繁變化引起輸出功率的波動,供電質(zhì)量明顯改善;變槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)也無須頻繁操縱、控制,大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性,有效地延長了機組的使用年限。4)交流勵磁雙饋異步發(fā)電機。這類發(fā)電機定子側(cè)直接與電網(wǎng)相接,轉(zhuǎn)子側(cè)通過變換器與電網(wǎng)相連,定子、轉(zhuǎn)子均可與電網(wǎng)雙向傳遞功率,通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相角及幅值實現(xiàn)恒頻輸出。這種電機既可電動運行,也可發(fā)電運行,調(diào)速范圍較寬,而定子側(cè)輸出電壓與頻率均可保持恒定;對輸出有功和無功可分別獨立控制;對網(wǎng)側(cè)有無功補償?shù)淖饔?可有效提高電網(wǎng)的功率因素,大大增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變換器只提供轉(zhuǎn)差功率,其容量僅僅相當(dāng)電機的20%～30%,可顯著降低變換器的成本,是一種較為優(yōu)化的變速恒頻運行方案,在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用,如圖7所示。5)無刷雙饋異步發(fā)電機。無刷雙饋異步發(fā)電機定子包含2套極數(shù)不同的繞組:功率繞組,相當(dāng)于雙饋發(fā)電機的定子繞組,與電網(wǎng)直接相連;控制繞組,相當(dāng)于雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組,通過變換器連接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子采用磁阻式或者籠型結(jié)構(gòu)形式;雖然這種發(fā)電機的運行原理與雙饋發(fā)電機的存在本質(zhì)的不同,但都能利用相同的控制策略進行變速恒頻調(diào)節(jié)。因發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷,既降低了成本,又提高了運行的可靠性,如圖8所示。(3)永磁同步發(fā)電機。永磁式發(fā)電機轉(zhuǎn)子用永磁材料(稀土中的釹鐵硼永磁)制成,無需獨立的勵磁繞組,因此勵磁損耗低,同時它無需換向裝置,具有效率高且壽命長等優(yōu)點。永磁同發(fā)電機定子通過變換器與電網(wǎng)相連,因此變換器的容量與電機的相同,變速恒頻運行是在定子側(cè)實現(xiàn)的。若省去系統(tǒng)的齒輪箱部件,風(fēng)力機與發(fā)電機直接耦合,即為直驅(qū)動式結(jié)構(gòu),如圖9所示,否則為半驅(qū)式結(jié)構(gòu)。直接耦合后無需傳動裝置,噪聲大為降低,但發(fā)電機運行時轉(zhuǎn)速比較低,導(dǎo)致電機機體體積相對較大,成本有所提高,但考慮省去了造價昂貴且易磨損的齒輪箱部件,整個機組的制造成本還是下降了,可靠性也大為提高,系統(tǒng)也更便于維護。此外,直驅(qū)式結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型與外轉(zhuǎn)子型2種類型。內(nèi)轉(zhuǎn)子型是一種常規(guī)結(jié)構(gòu)形式,定子在外靜止固定,轉(zhuǎn)子在內(nèi)與風(fēng)力機同軸安裝,這樣電機定子繞組與電樞鐵心的通風(fēng)條件好,有利于散熱,防止溫度過高,電機體積也相對小;而外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子在外和風(fēng)力機直接耦合,定子在內(nèi)固定于靜止軸上,使得永磁體外轉(zhuǎn)子安裝固定更為方便,但定子繞組和電樞鐵心通風(fēng)條件相對較差,密封防護較困難,同時電機體積相對過大。根據(jù)發(fā)電機中主磁通方向的不同,又可以分為徑向磁通電機、軸向磁通電機和橫向磁通電3類。2010年10月,首臺中國自主研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)的單機最大容量5MW直驅(qū)永磁海上風(fēng)電機組在湘潭電機股份有限公司下線,標(biāo)志中國的大型風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)已躋身世界先進行列。(4)混合勵磁永磁同步發(fā)電機。這種發(fā)電機是在永磁同步電機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改良而來,既含有永磁體,又帶有自身的勵磁系統(tǒng)。電機氣隙磁場由2部分合成:一部分是由電勵磁系統(tǒng)激勵生成,這部分磁場強弱可調(diào)節(jié);另一部分則由電機的轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生,是構(gòu)成磁場的主體部分。它同時具有永磁同步電機及電勵磁同步電機兩者的優(yōu)點:磁場既可調(diào),勵磁損耗又低,且效率高,又解決了永磁同步電機磁場難以調(diào)節(jié)的不足,有較好的發(fā)展應(yīng)用前景。(5)開關(guān)磁阻發(fā)電機。開關(guān)磁阻發(fā)電機轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體,電機定子上有集中繞組,利用控制器分時實現(xiàn)發(fā)電和勵磁,因此結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可靠性高;開關(guān)磁阻電機低速性能良好、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、過載能力強,可應(yīng)用各種高低速驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。目前,在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也有一定的應(yīng)用(小于30kW)。(6)高壓發(fā)電機。普通發(fā)電機通常只能在低壓條件下運行,發(fā)電后必須通過升壓變壓器才能在電網(wǎng)上輸送電能,這表明通過變壓器輸電時存在較大的功率損耗;高壓發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與普通發(fā)電機并無特別之處,但高壓發(fā)電機定子繞組采用高壓電纜繞制,使得發(fā)電機可以運行于高壓條件下(最高可達400kV),電機銅耗明顯降低,提高了功率變換器輸出電壓的等級,風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓就可向電網(wǎng)輸電。因省去了變壓器和傳動機構(gòu),電磁損耗較低,可靠性高。瑞士ABB公司就從事這方面的研究,并于1998年基于Powerformer技術(shù)研制了世界上臺高壓發(fā)電機。目前只有為數(shù)不多的風(fēng)電系統(tǒng)采用這種發(fā)電機,如ABB公司以Windformer技術(shù)開發(fā)的風(fēng)電系統(tǒng)。(7)儲能式發(fā)電機。對于風(fēng)電功率波動的問題,輸出功率較小的情況下,通過加設(shè)濾波電容(或儲能裝置),利用濾波電容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波動;若輸出功率很大,波動明顯,電容器容量必須很大,導(dǎo)致電容體積、成本大幅增加,這對電容器的性能、穩(wěn)定和可靠性要求很高,技術(shù)上實現(xiàn)不容易。利用儲能式發(fā)電機,其輸出功率的波動性將極大得到平緩控制,這就意味著風(fēng)電功率波動導(dǎo)致大規(guī)模上網(wǎng)難這一技術(shù)難題能夠克服。這種電機容量很小,通常應(yīng)用于各種高低壓斷路器中,目前湘電對船舶用大功率儲能電機的研制正在進行中,而在風(fēng)力發(fā)電中的研究多處于理論階段,尚無法投入使用。常見風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)及性能比較如表4所示。4風(fēng)電發(fā)展的原因分析2010年《可再生能源法》的頒布實施,以及“十二五”規(guī)劃綱要中節(jié)能減排政策及制度的確立,為我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展提供了難得的契機,風(fēng)電步入了快速發(fā)展時期。為了更有效、更大規(guī)模地利用風(fēng)電,將來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展態(tài)勢。(1)型鋼風(fēng)力發(fā)電機目前商業(yè)化主流機型都以MW級為主,單機容量可達5MW以上。美國、英國和丹麥等國正在研制10MW的巨型風(fēng)力發(fā)電機。預(yù)計未來10年,將會有容量更大的巨型風(fēng)力發(fā)電機面世。(2)機組塔架高度低,影響環(huán)境相對于陸上風(fēng)力發(fā)電,海上風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢更為明顯:發(fā)展空間幾乎沒有限制,可節(jié)約大量的土地資源;海上的風(fēng)能資源遠比陸上豐富,風(fēng)速更高,發(fā)電量將顯著提升;風(fēng)切度小,可有效降低機組塔架高度,海上風(fēng)電建設(shè)成本更低;海平面摩擦力小,作用在機組上的荷載小,機組使用壽命可長達50年;噪聲、鳥類、景觀以及電磁干擾等問題對海上風(fēng)電影響小;對生態(tài)環(huán)境基本無影響,綠色環(huán)保。目前許多國家都制訂了大規(guī)模開發(fā)利用海上風(fēng)能計劃,歐盟在該領(lǐng)域處于絕對優(yōu)勢地位,占全球海上風(fēng)電裝機容量的90%;中國華能集團新能源公司擬2011年下半年投資60億元在江蘇大豐C4國家潮間帶建立300MW風(fēng)能項目,屆時將成為世界上裝機規(guī)模最大的海上風(fēng)電場,每年將產(chǎn)生約7.4億kW·h的清潔能源。(3)延長機組使用年限,延長機組使用年限高風(fēng)速下,變槳距調(diào)節(jié)可維持輸出功率穩(wěn)定,有效減小機組承受的荷載,確保機組安全運行,延長機組使用年限;變速運行可使機組在風(fēng)速改變時適時調(diào)整轉(zhuǎn)速并保持最佳,可實現(xiàn)風(fēng)能利用率最大,具有適應(yīng)能力強、發(fā)電效率高以及運行費用低等諸多特點。(4)雙饋型風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電由于技術(shù)上的優(yōu)勢,仍是目前主流應(yīng)用的風(fēng)電機組類型,2009年全球新增風(fēng)電機組中,雙饋型風(fēng)電機組占80%以上,以丹麥Vestas公司的V80,V90為代表的雙饋型風(fēng)電機組,在全球風(fēng)電市場中所占的份額最大。無齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機省去了齒輪箱、傳動裝置等部件,降低了系統(tǒng)的成本,大大減小了系統(tǒng)運行噪聲,可靠性高,更便于維護。近些年直驅(qū)式風(fēng)電發(fā)展迅速,2009年新增大型風(fēng)電機組中,直驅(qū)式風(fēng)電機組已超過17%。(5)分段式葉片技術(shù)要提高風(fēng)電機組單機容量,通常采用延長葉片長度和提高塔架高度來實現(xiàn),但對于巨型機而言,運輸和安裝的難度及成本將大幅增加,使風(fēng)電機組容量進一步增大受到限制。因此,特殊葉片的開發(fā)和研制日益引起重視,分段式葉片技術(shù)是很好的選擇,能較好地解決運輸和安裝的問題,如德國Enercon公司的E-126型世界上功率最大的風(fēng)電機組,風(fēng)輪直徑126m,塔高135m,采用了兩段式葉片技術(shù),但分段式葉片連接處的剛性斷裂問題則成為該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。葉片制造材料也至關(guān)重要,目前長度大于50m的葉片一般采用強化碳纖維材料以增強葉片剛度;為了使葉片的氣動外形能夠快速變化,可采用智力材料如壓電材料;采用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制造葉片,可使葉片生產(chǎn)時間縮短50%。(6)發(fā)電機的研制前面提及的無刷交流雙饋異步電機、開關(guān)磁阻發(fā)電機和高壓發(fā)電機,相對于傳統(tǒng)發(fā)電機具有明顯的優(yōu)勢,從降低成本、提高可靠性以及便于維護而言,大力研制新型發(fā)電機也勢在必行。(7)先進的機組制造技術(shù)從商業(yè)化運行角度看,風(fēng)力發(fā)電機組使用壽命偏低,為了最大限度產(chǎn)生經(jīng)濟效益,有必要使用更好的工藝、更先進的技術(shù)、更好的材料對機組結(jié)構(gòu)及有關(guān)部件,如槳葉、發(fā)電機以及先進控制器等裝置的設(shè)計進行優(yōu)化和改進,如德國ENERCON公司在改進槳葉后,葉片的Cp值可達0.5以上,不僅降低了機組的重量和制造成本,系統(tǒng)的可靠性、發(fā)電效率與機組的使用壽命也提高了。(8)廣泛應(yīng)用于新型能源電子技術(shù)的廣泛使用中1系統(tǒng)可靠性好采用VSC-HVDC技術(shù)聯(lián)網(wǎng)具有眾多優(yōu)勢:各VSC可同時對有功和無功分別獨立控制,控制方式靈活多變;采用該技術(shù)并網(wǎng),電網(wǎng)間互不干擾,發(fā)送端的頻率與接收端的相互獨立,可靠性高;輸電距離遠;功率輸送容量大且損耗低;黑暗啟動能力強;VSC-HVDC采用全控型器件,可工作于無源逆變方式,VSC無需交流側(cè)提供無功功率,甚至能夠起到STATCOM的作用,增強系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。瑞典是最早利用該技術(shù)的國家,目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、送電距離最遠、技術(shù)水平最先進的直流輸電工程為2010年投入運營的中國自主研發(fā)、設(shè)計和建設(shè)的向家壩—上海±800kV特高壓直流輸電示范工程?，F(xiàn)在丹麥、德國、美國和澳大利亞等國家采用了VSC-HVDC風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)。中國還處于可行性研究階段,2010年,上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電示范工程建設(shè)已臨近尾聲,表明中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的該項技術(shù)即將成功應(yīng)用。2兩電平變換器的優(yōu)勢隨著風(fēng)電機組單機容量不斷提高,對功率變換器也提出了更高的要求。多電平變換器相對兩電平變換器具有很強的優(yōu)勢,具有諧波含量低、電磁干擾小、對輸入濾波器要求低等特點;相對于兩電平變換器,其開關(guān)頻率能降低約25%,顯著降低了功率器件的開關(guān)損耗,大大提高了轉(zhuǎn)換效率,如高壓三電平變換器轉(zhuǎn)換效率可達98%以上。3蓄電池蓄電池應(yīng)用儲能技術(shù)也能起到維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的作用,目前常見的儲能設(shè)備包括蓄電池(如鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳電池以及鋅溴蓄電池)、飛輪、超級電容器、超導(dǎo)以及壓縮空氣等多種形式。新型儲能技術(shù)的研發(fā)日益受到人們的關(guān)注,將來在電力系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。(9)網(wǎng)絡(luò)控制風(fēng)電一般大規(guī)模并列運行,對多個風(fēng)電場或風(fēng)電場中多個機組集中管理與聯(lián)網(wǎng)控制勢在必行。采用有線網(wǎng)絡(luò),布線鋪設(shè)困難、成本高、占用空間,尤其當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模擴大或改建時更為突出。風(fēng)電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)基于無線局域網(wǎng)技術(shù),能方便實現(xiàn)風(fēng)電機組的聯(lián)網(wǎng)管理,大大降低維護的難度和運行成本。(10)風(fēng)電智能控制系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)的智能化對風(fēng)電機組的控制與檢測技術(shù)、建模與仿真研究、風(fēng)功率預(yù)測和管理技術(shù)、故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)、風(fēng)電資源的優(yōu)化配置與調(diào)度等諸多技術(shù)指標(biāo)均提出了新的高要求,是未來風(fēng)電技術(shù)研究的熱點之一。將先進傳感器、傳動系統(tǒng)與智能控制技術(shù)相結(jié)合的智能葉片技術(shù),可快速適應(yīng)風(fēng)速變化,顯著提高發(fā)電效率,有