風力發電技術的研究現狀及趨勢

    雖然風力發電系統是個多設備復雜系統，但是從總體結構上分為：風力機和發電機兩個主要功能單元[23]，其中風力機及其控制系統將風能轉換為機械能，而發電機其控制系統將機械能轉換為電能[24]。因此可根據風力機和發電機的運行方式對風力發電技術進行分類，具體表現為：根據風力機功率調節特性可分為定槳距失速調節、變槳距調節和主動失速調節[25, 26]；根據發電機運行方式可分為恒速變頻和變速恒頻[27]。其中變速恒頻風力發電系統按照發電機類型主要分為：異步發電機系統、同步發電機系統、開磁阻發電系統等。鼠籠式發電系統、繞線式發電系統、雙饋發電系統和無刷雙饋發電系統均屬于異步發電機系統。目前，大型風力發電機組常用的變速恒頻有兩種：雙饋異步發電機組成的變速恒頻系統和永磁同步發電機組成的變速恒頻系統[28]。

    風力發電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統工程。由于風力發電機組的控制技術是風電機組運行的關鍵技術，因此它成為了風力發電機組大型化研究的熱點和難點。風力發電機組控制的基本目標主要分為 4 個層次：保證機組可靠運行、獲取最大能量、提供最優電能和延長機組壽命[1, 29]，因此風力發電機組控制系統的主要功能主要包括：
（1）在風速運行范圍內，確保系統的穩定運行；
（2）當風速低于額定風速時，能夠實現最大風能跟蹤捕獲；
（3）當風速高于額定風速時，限制風能捕獲，保持風力發電機組輸出額定功率；
（4）減小陣風引起的風輪的機械應力和輸出功率波動；
（5）減小傳動鏈的暫態響應；
（6）降低控制器的代價，減少控制器成本；
（7）抑制可能引起機械共振的頻率，減小槳葉揮舞和偏航動作，減小塔架振動；
（8）調節機組功率，控制電網電壓、頻率穩定，平滑地將能量輸送至電網，盡可能減少風的不穩定性對電網造成的沖擊；
（9）保護發電機組的同時，能夠提供主動的電網維護功能，如低電壓穿越功能；
（10）實現狀態檢測、故障處理和數據統計等功能。

    隨著先進的控制技術被用于風力發電機組控制系統，風力機的控制方式從單一的變槳距失速控制向變槳距和變速恒頻方向發展，甚至向智能控制發展[24, 30]，以滿足其自身對風速變化、成本、環境及穩定運行的等各方面的需求。目前，風力發電技術的發展趨勢主要體現在以下幾個方面[31]：
（1）風力發電機組的單機容量進一步向大型化發展
單機容量增大，有利于降低每千瓦的制造成本，擴大風電場的規模效應，減少風電場的占地面積應用，提高風電市場競爭力。因此大型發電機組采用更長的槳葉和更高的塔架，有利于捕獲風能，提高年發電量。

2）變槳距調節取代失速調節。采用變槳距調節的風力發電機組的輸出功率平穩、動性能好、機組載荷控制平穩、停機方便安全等優點[10]，在大型風電機組中得到了廣泛應用。
（3）變速恒頻技術得到快速推廣。隨著電力電子技術的發展和進步，風電機組制造商通過結合變槳距技術，開發出變槳變速風力發電機組[31]，其優越性在于：當風速低于額定風速時，能夠根據風速變化進行最大功率跟蹤控制；當風速高于額定風速時，通過調節槳距角，限制風電機組的功率輸出，使風電機組輸出額定功率。據BTM統計數據顯示，MW級以上的風力發電機組制造商中只有Nordex公司的N60/N62 1.3MW機型保持了失速型雙速電機的模式，市場上的其他機大部分都為變速機型。
（4）直驅風力發電機組的市場份額迅速擴大。風機主軸直接與發電機主軸通過軟連接相連，取消齒輪箱，優勢是降低設備投資，石家莊風機減輕機艙重量，減少傳動鏈的效率損失，消除由于齒輪箱而引起的機組故障。
（5）全功率變流技術的興起。通過采用全功率變換器將風力發電機的調速范圍調整到 150%的額定轉速[31]，改善被傳輸的電能質量。
（6）空氣動力方面的改進。為了捕獲更多的風能，最顯著的發展是設計新型的槳葉翼型。由于現在槳葉最大風能利用系數為 0.45 左右，因此在槳葉翼型的改進上還有較大的空間，如美國國家可再生能源實驗室 NREL 開發了一種新型槳葉，其捕獲的風能比早期槳葉要多 20%。另外采用新型工程塑料設計和制造柔性槳葉，提高對風能的捕獲也是一個發展動向。
（7）海上風力發電機組的開發應用。由于海上風速穩定，風能資源豐富，便于大規模捕獲，風力發電正從陸地走向海洋[10, 32]。同時，海上風電運行環境比較惡劣，發電機組本身除了需要抵御臺風的侵襲和鹽霧的損壞，還得承受海浪對機組地基和塔架的拍打。因此對海上風電發電機組提出了更好的性能要求。
（8）動態載荷控制技術。由于風機單機容量不斷增大，風剪切、塔影效應、湍流等不平衡因素引起的風輪不平衡載荷和機組振動，對風力發電機組及其零部件的設計與可靠性的影響越來越大。如何有效減少機組承受的動態載荷成為大功率風力發電機組必須考慮的問題。
隨著風力發電的控制技術及其控制系統的完善和成熟，不僅給風力發電帶來高效益，而且同時對實現風力機品牌的國產化具有非常重要的研究意義.