风力发电的发展现状与关键技术研究综述.doc

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风力发电的发展现状与关键技术研究综述

Abstract:

Windpowerisoneofthemostimportant,emissions-freesourcesofenergybeingdeployedtopreventclimatechangeandimproveenergysecurity.Windpowerisalsooneoftherenewabletechnologiesthatcanbeappliedinlargescaleasitisinthestageofnear-commercializat-ion.Thispaperpresentsthesituationofwindpowerathomeandabroad,andanalysisthekeytechnology.Intheend,thispaperputsforwardsomesuggestionsaccrodingtothesituationinChina.

KEYWORDS:

situationofwindpower;thecapacity;developmenttrend;keytechnology

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.1Globalwindpowercapacitydevelopmentfigure

1.1.2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.2Globalwindpowercapacitynewtop10countries

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.310countriesofTheworld'stotalwindpowerinstalledcapacity

1.2.2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.4Thewindfarmaccidentingansuprovince

4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.5Jiayuguansubstation

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