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國內外風力發電的現狀和前景

I 國外風力發電發展現狀

20 世紀80～90年代，風力發電技術得到了飛速的發展并且逐漸成熟。風力發電憑借它自身的優點變速風力發電機組最大風能追蹤與槳距控制，已經延伸到了電網難以達到的地方，給他們帶來了很多方便。據全球風能理事(GWEC)發布的全球風電市場裝機數據顯示，全球風電產業 2011年新增風電裝機容量達四萬一千兆瓦。這一新增容量使全球累計風電裝機達到二十三萬八千兆瓦。這一數據表明全球累計裝機實現了兩成多的年增長， 新增裝機增長達到6%。到目前為止， 全球七十多個國家有商業運營的風電裝機，其中22個國家的裝機容量超過 1GW。據估計到 2030 年，歐洲風電裝機可達三百億瓦，可滿足歐洲百分之二十的電力需求。

II 國內風力發電發展現狀

我國風力資源儲量豐富，分布廣泛。陸上可開發的儲量為2.53億kW，海上可開發的儲量為7.5億kW。大規模、高集中開發，遠距離和高電壓輸送是我國風電發展的重要特征。近年來，我國風電發展迅猛，2006-2010 年風電總裝機容量從260萬kW增長到4182.7萬kW，2010年新增風電裝機1600萬kW，累計裝機容量和新增裝機容量均居世界第一。預計2020年我國風電累計裝機可以達到2.3億kW。這意味著未來十年中，風電總裝機容量平均每年需新增1800萬kW。預計每年需新增機組及其配套變流器約9000臺。

風電系統的控制技術

風力發電系統的運行方式有三種：獨立型、并網型和聯合型。并網型風力發電系統由風力機控制器、風力機、傳動裝置、勵磁調節器、發動機、變頻器和變壓器等組成。

風力發電機組包括風力機、 發電機、變速傳動裝置及相應的控制器等，用來實現風能與電能的能量轉換。風力發電的關鍵問題是風力機和發電機的功率和速度控制。

風電機組中將風能轉換成機械能的能量轉換裝置是風力機，它由風輪、迎風裝置和塔架等組成。按結構不同，風力機可分為水平軸式和立軸式兩種；按功率調節方式不同，風力機可分為定槳距失速、變槳距和主動失速 3 種。

風電機組中的發電機將機械能轉化為電能，發電機在并入電網時必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發電機轉速的不同，發電機可分為恒速和變速兩類，其中變速需要通過變頻器來實現。變頻器采用電力電子變流技術和控制技術變速風力發電機組最大風能追蹤與槳距控制，將發電機發出的頻率變化交流電轉換為與電網頻率相同、能與電網柔性連接的交流電，并且能實現最大風能跟蹤控制。按照拓撲結構的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型三種；按照變頻器容量的不同可將變頻器分為部分容量和全部容量(全額)兩種。變速傳動裝置可將風輪的低轉速轉換為發電機的較高轉速，按傳動鏈類型將其分為齒輪箱驅動和直接驅動兩種，其中前者包括單級和多級兩種齒輪箱驅動。

風力發電機及其風電系統

實現恒速或變速風力發電系統有許多種方案，所選發電機的類型主要取決于風電系統的形式。傳統的恒速/變速風電系統共有四種：基于SCIG 的恒速風電系統、基于WRIG 的受限變速風電系統、基于ESC-SCIG 的變速風電系統和基于MMG的變速風電系統。

現代風電系統一般采用變速恒頻技術，這種技術通過變流裝置或改造發電機結構來實現。現代變速恒頻風電系統共有六種：基于SCIG的風電系統、基于DFIG的風電系統、基于直驅式EESG的風電系統、基于直驅式PMSG的風電系統、基于半直驅PMSG的風電系統和基于PMBDCG的風電系統。

近年來，一些具有商業化潛力的新型風力發電機及其風力發電系統不斷涌現。新型變速恒頻風電系統主要有以下八種：基于 SRG的風電系統、基于BDFIG的風電系統、基于CPG的風電系統、基于HVG的風電系統、基于DWIG的風電系統、基于TFPMG的風電系統、基于DSPMG的風電系統和基于EVT的風電系統。

風力發電中的關鍵技術

I 并網技術的研究和最大風能的捕獲

并網技術是通過對全功率電力變換器的控制算法來實現控制目的。并網控制方面，部分文獻提出了直流側并網的新方法。在直流電容與DC/AC之間安裝并網開關。并網前并網開關斷開，DC/AC通過限流電阻對電容進行充電，此時發電機在風力機的帶動下轉速從0上升。當電容充電達到交流電網線電壓幅值時閉合并網開關，同步風力發電機并網。正常情況下，發電機轉速從低到高逐漸上升，并在某一轉速下并入電網。當由于某種原因，發電機在高轉速下脫網需要重新并網，由于此時電容已經充電且直流母線電壓高于網側交流線電壓幅值吊車公司， 因此只要將并網開關閉合就可實現并網。直驅式永磁同步風力發電機經電力電子變換器并入電網以后的控制目標是風速小于額定風速時實現最大風能捕獲， 風速超過額定風速時使系統以額定功率輸出。

最大風能捕獲的目的就是通過適當的控制，使風力機轉速隨風速變化，始終沿著最佳功率曲線運行，從而使風能轉化最大化。最大風能追蹤可以有變槳距調節，也可以通過調節發電機功率來調節轉速以保持最佳葉尖速比實現。出于可行性、經濟性和可靠性的考慮，當前使用的主要是通過控制發電機輸出功率以調節其電磁功率，進而調節發電機轉速。

II 低電壓穿越的研究

電網電壓跌落時，由于受變流器通流能力的限制，網側逆變器注入電網功率減小。而此刻機側整流器的功率并沒有改變，造成直流側的過電壓。如果維持直流側電壓穩定，則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導致電力電子器件的損壞，為了保護變流器不被損壞，風力發電機組將在電壓跌落時退出運行。電網穿透率小時，風力發電機組在電壓跌落時退出運行還是可以接受的。

然而，隨著風力發電規模的不斷擴大，若風電機組在電壓跌落時仍然采取被動保護式脫網，則會增加整個系統的恢復難度吊車，甚至使故障更加嚴重，最終導致系統其他機組全部解列。目前在風力發電技術發展領先的一些國家，如丹麥、德國等已相繼制定了新的電網運行準則, 定量給出了風電系統離網的條件（如最低電壓跌落深度和跌落持續時間），只有當電網電壓跌落低于規定曲線以后才允許風力機脫網，當電壓在凹陷部分時,發電機應提供無功功率。這就要求風電系統具有較強的低電壓穿越能力，能方便地為電網提供無功支持。 因此必須研究低電壓穿越的措施， 實現電網電壓跌落時風力發電機不脫網運行。

結論

風電作為我國今后大力重點發展的3類新能源之一，在今后將具有廣闊的發展和應用前景，風力發電在擺脫對化石能源的過度依賴、緩解中國能源緊缺、改善生態環境和擴大社會效益等方面將做出較大的貢獻。本文對風力發電的發展狀況，如傳統的恒速/變速風電系統、現代變速恒頻風電系統和新型變速恒頻風電系統進行了簡單介紹。隨著風電技術的不斷變革以及機組制造工藝的持續改進，將來風力發電的競爭力必定逐漸提升，其發展前景廣闊。