【賽普瑞電氣】國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)布時間：2020-12-02
隨著世界能源的日趨匱乏和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之人們對環(huán)境保護的要求，人們在努力尋找一種能替代石油、天然氣等能源的可再生、環(huán)保、潔凈的綠色能源。風(fēng)能是當(dāng)前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源。風(fēng)能的利用，從風(fēng)車到風(fēng)力發(fā)電，證明了文明和科學(xué)進步。綠色和平組織和歐洲風(fēng)能協(xié)會2002年提出了《風(fēng)力2012》報告，報告中指出到2020年，世界風(fēng)力發(fā)電將達到世界電力總需求量的12%，我國電力發(fā)展“十一五”發(fā)展綱要中也指出，中國的風(fēng)力發(fā)電將占世界風(fēng)力發(fā)電總量的14%。風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電和水力發(fā)電比較，具有單機容量小、可分散建設(shè)等優(yōu)點。隨著國家對能源需求和環(huán)保要求力度的不斷加大，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢和經(jīng)濟性、實用性等優(yōu)點也必將顯現(xiàn)出來。
一、風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1、國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
2012年新增風(fēng)電裝機容量最多的10個國家占世界風(fēng)電裝機的87%。與2007年相比，美國保持第1名，中國超過西班牙從第3名上升到第2名，印度超過德國和西班牙從第5名升至第3名，前3名的國家合計新增裝機容量占全世界的60%。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計，2012年全世界風(fēng)電裝機容量新增約2726萬kW，增長率約為29%。累計達到1.21億kW，增長率為42%，突破1億kW大關(guān)。風(fēng)電總量為2600億kWh，占全世界總電量的比例從2000年的0.25%增加到2012年的1.5%。盡管風(fēng)電的發(fā)展仍然存在著很多困難，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風(fēng)能資源、海上風(fēng)電發(fā)展等，但相比于常規(guī)能源，經(jīng)濟性優(yōu)勢逐步凸顯，世界各國都對風(fēng)電發(fā)展充滿了信心。
2、我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀
我國的風(fēng)力發(fā)電始于20世紀50年代后期，在吉林、遼寧、新疆等省建立了單臺容量在10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電場，但其后就處于停滯狀態(tài)。直到1986年，在山東榮城建成了我國第一座并網(wǎng)運行的風(fēng)電場后，從此并網(wǎng)運行的風(fēng)電場建設(shè)進入了探索和示范階段，但其特點是規(guī)模和單機容量均較小。到1990年已建成4座并網(wǎng)型風(fēng)電場，總裝機容量為4.215MW，其最大單機容量為200kW。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電從1991年起開始步入了逐步推廣階段，到1995年，全國共建成了5座并網(wǎng)型風(fēng)電場，裝機總?cè)萘繛?6.1MW，最大單機容量為500kW。1996年后，風(fēng)力發(fā)電進入了擴大建設(shè)規(guī)模的階段，其特點是風(fēng)電場規(guī)模和裝機容量均較大，最大單機容量為1500kW。據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會最新統(tǒng)計，2007年中國除臺灣省外新增風(fēng)電機組3，144臺。與2006年相比，2007年當(dāng)年新增裝機增長率為145.8%，累計裝機增長率為126.6%。2007年中國除臺灣省外累計風(fēng)電機組6，458臺，裝機容量5，890MW。
各種風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)缺點
風(fēng)力發(fā)電機組主要由兩大部分組成：
風(fēng)力機部分??它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能；
發(fā)電機部分??它將機械能轉(zhuǎn)換為電能。
根據(jù)風(fēng)機這兩大部分采用的不同結(jié)構(gòu)類型、以及它們分別采用的技術(shù)方案的不同特征，再加上它們的不同組合，風(fēng)力發(fā)電機組可以有多種多樣的分類。
（1）按照功率傳遞的機械連接方式的不同，可分為“有齒輪箱型風(fēng)機”和無齒輪箱的“直驅(qū)型風(fēng)機”。
有齒輪箱型風(fēng)機的槳葉通過齒輪箱及其高速軸及萬能彈性聯(lián)軸節(jié)將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機的傳動軸，聯(lián)軸節(jié)具有很好的吸收阻尼和震動的特性，可吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機械裝置的過載。
而直驅(qū)型風(fēng)機則另辟蹊徑，配合采用了多項先進技術(shù)，槳葉的轉(zhuǎn)矩可以不通過齒輪箱增速而直接傳遞到發(fā)電機的傳動軸，使風(fēng)機發(fā)出的電能同樣能并網(wǎng)輸出。這樣的設(shè)計簡化了裝置的結(jié)構(gòu)，減少了故障幾率，優(yōu)點很多，現(xiàn)多用于大型機組上。
（2）根據(jù)按槳葉接受風(fēng)能的功率調(diào)節(jié)方式可分為：
“定槳距（失速型）機組”??槳葉與輪轂的連接是固定的。當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。由于定槳距（失速型）機組結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，在20年來的風(fēng)能開發(fā)利用中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。
“變槳距機組”??葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角可在一定范圍內(nèi)（一般0-90度）調(diào)節(jié)變化，其性能比定槳距型提高許多，但結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜，現(xiàn)多用于大型機組上。
（3）按照葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定可分為：
“恒速風(fēng)力發(fā)電機組”??設(shè)計簡單可靠，造價低，維護量少，直接并網(wǎng)；缺點是：氣動效率低，結(jié)構(gòu)載荷高，給電網(wǎng)造成電網(wǎng)波動，從電網(wǎng)吸收無功功率。
“變速風(fēng)力發(fā)電機組”??氣動效率高，機械應(yīng)力小，功率波動小，成本效率高，支撐結(jié)構(gòu)輕。缺點是：功率對電壓降敏感，電氣設(shè)備的價格較高，維護量大。現(xiàn)常用于大容量的主力機型。
（4）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機類型分類，可分為兩大類：
“異步發(fā)電機型”“同步發(fā)電機型”
只要選用適當(dāng)?shù)淖兞餮b置，它們都可以用于變速運行風(fēng)機。
異步發(fā)電機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又可分為：
（a）籠型異步發(fā)電機??轉(zhuǎn)子為籠型。由于結(jié)構(gòu)簡單可靠、廉價、易于接入電網(wǎng)，而在小、中型機組中得到大量的使用；
（b）繞線式雙饋異步發(fā)電機??轉(zhuǎn)子為線繞型。定子與電網(wǎng)直接連接輸送電能，同時繞線式轉(zhuǎn)子也經(jīng)過變頻器控制向電網(wǎng)輸送有功或無功功率。
同步發(fā)電機型按其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁極的類型又可分為：
（a）電勵磁同步發(fā)電機??轉(zhuǎn)子為線繞凸極式磁極，由外接直流電流激磁來產(chǎn)生磁場。
（b）永磁同步發(fā)電機??轉(zhuǎn)子為鐵氧體材料制造的永磁體磁極，通常為低速多極式，不用外界激磁，簡化了發(fā)電機結(jié)構(gòu)，因而具有多種優(yōu)勢。二、相關(guān)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)
隨著經(jīng)濟節(jié)約型社會的逐步推進，風(fēng)能作為清潔的可再生能源，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電也越來越受到人們關(guān)注。然而面對風(fēng)況的可變性（鋒速的大小、方向的隨機性）以及風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機組布置的分散性，要實現(xiàn)風(fēng)電低成本、超大規(guī)模開發(fā)利用，作為其可靠、高效運行的關(guān)鍵技術(shù)，控制技術(shù)需要進行不斷地改進，并具有廣闊的研究前景。
三、風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)構(gòu)成
風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由本體系統(tǒng)和電控（總體控制）系統(tǒng)組成，本體系統(tǒng)包括空氣動力學(xué)系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、變流系統(tǒng)及其附屬結(jié)構(gòu)；電控系統(tǒng)由不同的模塊構(gòu)成，主模塊包括變槳控制、偏航控制、變流控制等，輔助模塊則包括通訊、監(jiān)控、健康管理控制等。而且，在本體系統(tǒng)與電控系統(tǒng)間實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)系及信號的變換。例如，空氣動力系統(tǒng)的槳距由變槳控制系統(tǒng)控制，保證了風(fēng)能轉(zhuǎn)化的最大化，功率輸出的穩(wěn)定等作用。風(fēng)輪的自動對風(fēng)及連續(xù)跟蹤風(fēng)向引起電纜纏繞的自動解纜受偏航控制系統(tǒng)控制，分為主、被動迎風(fēng)兩種模式，目前大型并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)多采用主動偏航模式。變流控制常和變槳距系統(tǒng)結(jié)合，對變速恒頻的運行及最大額定功率進行控制。
根據(jù)風(fēng)電機組不同的分類標準，可將機組控制系統(tǒng)分為不同種類。目前風(fēng)力發(fā)電的主流機型主要是依據(jù)槳距特性，發(fā)電機類型等分類，通過技術(shù)不斷改進，控制系統(tǒng)由最先的定槳距恒速恒頻控制到變槳距恒速恒頻控制，隨之發(fā)展為變槳距變速恒頻控制。此外，據(jù)連接電網(wǎng)類型可將風(fēng)電控制系統(tǒng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，前者已步入大規(guī)模穩(wěn)定發(fā)展階段。后者則成為現(xiàn)階段控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。
1.變槳控制
變槳控制是風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的研究重點，其實際上即對功率的控制。相對于定槳距控制無法解決槳葉自動失速，功率不穩(wěn)的問題，該系統(tǒng)通過改變槳距角，使得在低風(fēng)速（即低于額定風(fēng)速）時，風(fēng)機處于最優(yōu)的風(fēng)能捕獲狀態(tài)，槳距保持為零，實現(xiàn)風(fēng)能的最大利用率；在高風(fēng)速（即高于額定風(fēng)速）時，改變攻角變化，降低葉片空氣動力轉(zhuǎn)矩，又能達到調(diào)節(jié)速度、限制功率的目的。減小風(fēng)速、風(fēng)向可變性對機組的影響。因相應(yīng)的風(fēng)輪特性的不同，變槳控制分為主動和被動控制。
2.偏航控制
偏航系統(tǒng)又稱對風(fēng)裝置，是風(fēng)電機組特有的伺服控制系統(tǒng)，將風(fēng)向改變的信號經(jīng)過一系列的控制系統(tǒng)程序，調(diào)整風(fēng)輪與風(fēng)向一致，保證了風(fēng)電機組的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，使得風(fēng)能高效利用，進而大大降低發(fā)電成本并有效保護電機。作為隨動系統(tǒng)，連續(xù)跟蹤風(fēng)向很可能造成電纜纏繞，偏航系統(tǒng)也具有自動解纜的功能。同樣對應(yīng)不同的風(fēng)電機組，應(yīng)用不同的偏航裝置，分為尾舵對風(fēng)、側(cè)風(fēng)輪對風(fēng)、伺服電機或調(diào)向電機調(diào)向，前兩者為被動迎風(fēng)，后者為主動迎風(fēng)。
3.變流系統(tǒng)
變流系統(tǒng)采用全功率變流，完成風(fēng)電機組輸出功率的變換與并網(wǎng)?，F(xiàn)今并網(wǎng)系統(tǒng)包括直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)、準同步并網(wǎng)、軟并網(wǎng)，而軟并網(wǎng)目前使用最普遍。
風(fēng)電機組啟動時，變流控制原件實現(xiàn)風(fēng)電機的并網(wǎng)，在正常工作中，變流控制單元又要接受主控器的命令，控制輸出功率，實現(xiàn)了電網(wǎng)有功功率與無功功率的靈活控制。
四、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢的展望
在我國大力發(fā)展以風(fēng)能太陽能新發(fā)電方式為代表的電力系統(tǒng)成為長期的國策，新能源電力不遠將來成為我國電力建設(shè)不可缺少的部分，隨著洋品牌不斷降價，整機廠介入，新一輪競爭越來越激烈，要和國內(nèi)整機廠結(jié)合起來大家要做。電網(wǎng)友好耗型的故障穿越式的技術(shù)是國產(chǎn)變流器必須解決的問題，國產(chǎn)化使我們國家整個技術(shù)水平上一個臺階。
五、風(fēng)力發(fā)電前景的建議
1做好風(fēng)能資源的勘察
風(fēng)資源的測定是發(fā)揮風(fēng)電作用的前提基礎(chǔ)，因此將來應(yīng)該在這方面增大投入，對我國實際的風(fēng)資源在總體上有細致準確的了解，為政府和風(fēng)電的決策者合理地規(guī)劃風(fēng)電提供正確的指導(dǎo)。為進一步摸清風(fēng)能資源狀況，必須加快開展風(fēng)能資源的普查工作。這方面，不僅需要有關(guān)部門籌集一定資金用于加大風(fēng)力資源勘測工作的投入，各地也要自籌資金開展本地區(qū)風(fēng)力資源的勘察，認真調(diào)查確定可開發(fā)風(fēng)電場的分布和規(guī)模。
2提高風(fēng)電機組的制造技術(shù)
要提高我國風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的技術(shù)水平，需要不斷增進與發(fā)達國家的交流，學(xué)習(xí)其先進技術(shù)，只有清楚彼此差距，才能不斷提升我國的風(fēng)電技術(shù)水平。我國提出，到2010年風(fēng)電裝機要有80%的國產(chǎn)化率，必須在技術(shù)上占領(lǐng)競爭制高點?！犊稍偕茉捶ā芬?guī)定：“國家將可再生能源開發(fā)利用的科學(xué)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展列為科技發(fā)展與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，納入國家科技發(fā)展規(guī)劃和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并安排資金支持可再生能源開發(fā)利用的科學(xué)技術(shù)研究、應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進可再生能源開發(fā)利用的技術(shù)進步”。這一規(guī)定為風(fēng)電技術(shù)進步創(chuàng)造了良好的契機。提高風(fēng)電技術(shù)也是降低風(fēng)電成本和上網(wǎng)電價的關(guān)鍵所在。
3依托政策發(fā)展風(fēng)電
2006年國家正式實施了《可再生能源法》，2008年，國家發(fā)改委印發(fā)了《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》。這些政策法規(guī)的出臺為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供了制度上的支持，在具體的措施和規(guī)則上還要細化、規(guī)范、便于操作，使風(fēng)電的發(fā)展穩(wěn)步，快速的發(fā)展起來。
中國的風(fēng)電發(fā)展迄今已經(jīng)有30多年，取得了顯著進步。但由于基礎(chǔ)薄弱，風(fēng)電發(fā)展的過程中面臨的技術(shù)落后、政策扶持不夠及上網(wǎng)電價高等諸多困難。隨著政府和民眾對風(fēng)電的逐步認識、《可再生能源法》正式實施和《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》的出臺，以及風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計、制造技術(shù)方面不斷提高，風(fēng)能利用必將為我國的環(huán)保事業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整做出巨大的貢獻。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和相關(guān)的科研機構(gòu)應(yīng)該抓住這一契機，為風(fēng)電的全面發(fā)展作一個系統(tǒng)可行的規(guī)劃，逐步解決風(fēng)電發(fā)展中的困難，完善風(fēng)電機制，在提高風(fēng)電戰(zhàn)略地位的同時，早日使風(fēng)電普及惠民。