风能(发电)研究现状与发展趋势

1、 风能（发电）研究现状与发展趋势风能（发电）研究现状与发展趋势学 院： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： 3风能（发电）研究现状与发展趋势摘要风力发电是一种环保、节能的发电方式，对社会的可持续发展起着重要作用，具有无污染、可再生、能量大等优点，是当前电力行业研究的重要内容。文章对风力发电及其技术的发展展开研究，对国内现状进行了梳理、分析与归纳，并对我国风电发展及存在问题进行了详细阐述；指出了风电发展趋势及我国风电的发展方向。对了解风电发展趋势、 指导我国发展风电、为我国风力发电事业的进步提供帮助。关键词：风能；风力发电；技术；发展现状；趋势WINDENERGY(ELECTRICITYG

2、ENERATION)RESEARCHSTATUSANDDEVELOPMENTTRENDABSTRACT Windpowerisanenvironmentallyfriendly,energy-efficientwayofgenerating,sustainabledevelopmentplaysanimportantroleinthecommunity,hastheadvantagesofpollution-free,renewableenergy,istheimportantpartofthepowerindustry.Articleonwindpowergenerationanditste

3、chnicaldevelopmentstudy,combed,analyzedandsummarizedthecurrentsituationonthedomestic,andwindpowerdevelopmentinChinaandtheproblemsaredescribedindetailpointsoutthedevelopmenttrendofwindpowerandthedevelopmentdirectionofChinaswindpower.Tounderstandtrends,guidingthedevelopmentofwindpowerdevelopmentwindpo

4、wer,inordertohelpprogressofwindpowerinChina.Keywords: Wind power;windenergygenerationtechnology; developmentstatusand trend 风能（发电）研究现状与发展趋势目录ABSTRACT31 风能与风能利用简介51.1 风能51.2风能利用52 风力发电62.1风力发电的发展现状63主流风力发电机系统573.1 恒速恒频风力发电系统73.2 变速恒频双馈异步发电系统73.3 变速恒频直驱永磁同步发电系统84风力发电技术发展趋势84.1 风力发电机组容量、机型方面的发展94.2 风力发

5、电机组控制技术方面的发展94.2.1 变速恒频控制技术104.2.2 变桨距调节技术105我国风电发展进程及存在的问题115.1 单机容量小，浪费大量的建设资源115.2 陆地风力发电建设过于集中115.3 风力发电技术的经济性不足116 结 语12参考文献12131 风能与风能利用简介1.1 风能 风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，风能是当今世界上正在进一步广泛开发的能源。风能是太阳能的一种转换形式。属于可再生能源（包括水能，生物能等）。它具有广布丰富、遍地可取、无需运输、廉价洁净等优点。冯阿尔克斯（.Von Arx）在1974年提出：地球上可利用的

6、风能为106MW1。可利用风能的数量为地球上可利用水利的10倍。课件，风能是一种非常可观，非常有前途的能源。近些年来，随着我国社会经济的不断发展，对电力能源的需求持续增加，但在传统火力电中，煤炭资源是不可再生，资源的日益紧张与需求之间存在严重矛盾。在此背景下，可再生能源的开发利用得到人们广泛重视，风力发电技术应运而生，发展十分迅速，对其展开研究，有着重要的现实意义。1.2风能利用在新能源发展进程中，风能凭借着其建设周期短，环境要求低，储量丰富，利用率较高等特点在世界各国得到了持续快速的发展。风力发电是低排放、低污染的低碳电力发展模式，因此将其作为电能可持续发展的重要战略选择之一2。在 2014

7、 年，中国陆上风电年度新增装机量达到 20 700 MW，但是风电产业的发展不仅只是要求装机总量的增加，还应加强电网基础设施的建设以及提高解决技术问题的能力。在电网电压跌落时，通过风电机组自动脱网来应对的方法只适用于风电装机比例较低的情况，随着风电装机比例的增加，切除风机不仅会带来大面积停电的问题，还会引起电网频率的变化。现在的风电场运行规则要求在电网电压发生跌落时，风电机组能够维持不脱网地运行，当电网电压跌落幅度较大时，风电场还应具有一定的无功补偿能力。因此各国相继提出了很严格的故障穿越标准3，要求机组在电网故障情况下能够按照标准规定的时间并网运行。我国也提出了风电场接入电网的技术要求。2

8、风力发电2.1风力发电的发展现状 风力发电是一种利用风动能转换为机械动能，再向电能转换的过程，其工作原理是借助风的动力来推动风车叶片旋转，再通过增速机加快风车叶片旋转的速度，带动发电机发电。风力发电具有环保、节能等优点，自从我国2005年可再生能源法立法之后，风能、太阳能、生物质能、水能以及海洋能等可再生能源的得到充分重视，在能源发展中占据着重要地位。在世界环境问题日益严峻的背景下，减轻二氧化碳排放量是世界各国发展的必然要求，为顺应这种发展趋势，降低化石能源的利用率，大力发展发电在内的可再生能源、核能等，是世界能源发展的基本内容，也是我国战略新兴产业规划的重要组成部分，对我国国民经济增长起着重

9、要作用4。 我国的风力发电始于上世纪80年代中期，初次商业化运行的风电机容量等级为55 k W，在经过近三十年的发展后，我国风力发电市场有了长足进步。根据CWEA2015年的相关统计，截止2014年年底，我国风电累计装机容量约为114 609 MW左右，累计安装风机组76 241台，同比增长25.4%；在2014年中，全国新增安装风机组13 121台，新增装机容量23 196 MW，同比增长44.2%。 我国风能资源十分丰富，可开发利用的风能储量大约为10亿 k W，其中，陆地风能储量与海上可开发利用风能储量分别占2.5亿 k W和7.5亿 k W作用，因此，除了陆上风力发电之外，做好海上风力

10、发电也十分重要。就2014年海上风电装机情况来看，我国海上风电新增装机61台，新增装机容量为229.3 MW，同比增长487.9%，其中，有56.7%属于潮间带装机。由此可知，我国海上风力发电水平远远低于陆地风力发电，加强在海上风力发电方面的开发与利用，是我国未来风力发电的重要趋势之一。 风力发电除了具有环保、节能的优点之外，由于风力是一种可再生能源，可以实现重复利用，具有永不枯竭的优点，相较于火力或水力发电方式，风电的基建周期更短，装机规模也较为灵活。但是，风力发电也存在一些不足之处，比如容易产生噪音或者视觉污染，需要占据大量的土地，风力发电的稳定性、可控性较差，发电成本较高，还会对鸟类生存

11、环境产生一定破坏。3主流风力发电机系统5 当前风电系统中主要有三大风力发电机型，恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步和直驱永磁同步发电机。变速恒频系统因桨距角可调，能在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比、最大功率点运行等优良特性已成为当今的主流机型。尤其直驱永磁同步发电机加上全功率变流器拥有更加广阔的发展前景。3.1 恒速恒频风力发电系统 典型恒速恒频风电系统如图1所示，主要有风力机、齿轮箱、异步发电机及并联电容组成。采用定桨距失速控制的风轮机使异步发电机输出恒定频率的电压，因异步发电机发出有功的同时还需从电网中吸收无功功率，故采用并联电容器组提高电网的功率因数。由于风速随机性和间歇性的特点，恒

12、速恒频系统的风能利用系数较低且输出功率易波动，现已逐渐被变速恒频发电系统所取代。图1恒速恒频双馈异步发电机系统3.2 变速恒频双馈异步发电系统 双馈异步发电机为当今世界的主流机型，约占总装机容量的80%。与恒速恒频系统不同的是：风力机使用变桨距角控制，不仅可以实现风能的最大利用，且在机组紧急停机时，可将风力机调为顺桨状态，减少风能的捕获，延长机组使用寿命。如图2所示，其定子侧直接与电网相连，转子经过背靠背的双PWM变换器结构实现交流励磁，使定子侧输出恒定频率的交流电，电功率可通过定转子双向通道与电网交换。图2 变速恒频双馈异步发电机系统3.3 变速恒频直驱永磁同步发电系统 风力机直接与永磁同步

13、机相连，减少了因齿轮箱故障所带来的诸多不便。如图3所示，同步机发出的交流电通过全功率变流器AC-DC-AC实现并网，即机侧变流器将同步机发出的交流电整流为电压恒定的直流电，再经网侧变换器逆变成交流电馈入电网。因电机本身是永磁体不需要电网提供励磁电流，因而节省了励磁及电刷滑环等损耗。但永磁机的极对数较多，导致发电机体积庞大，增加了制造成本和难度。图3 变速恒频直驱永磁同步发电机系统4风力发电技术发展趋势 风力发电技术是一项综合性非常强的技术，与空气动力学、机械学、电机学、材料学、力学以及自动控制技术等都有着密切联系。在近些年来，随着风力发电的不断发展以及各种技术的创新，风力发电技术也有了很大水平

14、提升，具体体现在以下两个方面。4.1 风力发电机组容量、机型方面的发展 在风力发电技术的发展当中，降低发电成本、提高发电效率和可靠性，是其主要发展目标之一。在风能发电效率提升方面，主要是通过增大风力发电机的单机容量，来提高风能利用效率，在进入新世纪后，德国研制出了5 MW和6 MW风力发电机，对风能发电效率的提升创造了良好条件。 就我国风力发电机容量发展情况而言，国内主流风力发电机的机型从2005年750850 k W，到2013年已经增加到1.52.5 MW；在发电机单机容量上，也表现出持续增大的发展趋势，其中，2012年新增机组平均单机容量为1.65 MW，2013年新增机组平均单机容量为

15、1.73 MW，最大风电机组为6 MW。 同时，在海上风电机组方面，其容量也朝着大规模化发展，海上风电场中大量应用了华锐风电3 MW海上风电机组，3.6 MW、4 MW、5 MW以及6 MW海上风电机组也开始建设并试运行，海上风电开发利用得到进一步发展6。 就风力发电机型而言，当前国外普遍采用的都是双馈异步发电型变速风电机组，包括丹麦Vestsar公司、美国GE风能公司等，我国风电企业生产的大多也是双馈异步发电机变速恒频风电机组。就2013年新增风电机来说，双馈异步发电型变速风电机组大约能占总量的69%，其中，在海上风电场中，3 MW双馈异步发电机变速恒频风电机组已经被批量投入使用，6 MW双

16、馈异步发电机变速恒频风电机组也开始试运行。4.2 风力发电机组控制技术方面的发展 在风力发电中，发电机组运行的效率与安全在很大程度是取决于控制技术的，因此，风力发电机组控制技术得到足够的重视，在近些年来，得到一定程度发展，具体可以体现在以下两个方面。 4.2.1 变速恒频控制技术 在传统的风力发电机组中，采用的大多是恒速恒频控制技术，具有结构简单、控制方便、性能可靠等优点，但是，在这种控制技术下，当风速改变时，风力机转速保持不变，风力机无法保证最佳转速，会降低风能利用效率，减小输出功率，从而影响发电效率。 变速恒频控制技术就有效改变了恒速恒频控制技术的不足，根据风速情况适当调节风力机转速，可以

17、使风力机保持在最佳转速状态，有效提高风能利用系数，最大程度的捕获并利用风能，使机组运行处于最优化，提高发电效率。当前，在我国风电机场建设中，风电机组控制采用的大多是变速恒频控制技术7。4.2.2 变桨距调节技术 在传统风力发电机中，在恒速运行情况下，采用的通常是定桨距失速调节技术，是将轮毂与桨叶固定连接后，使桨距角保持在一个固定值，当风速高于额定值时，根据桨叶翼型失速的特点，气流功角会满足失速条件，受桨叶表明紊流的影响，机组发电效率就会相应降低，从而实现限制输出功率的目标，其调节方式较为简单，但也存在叶片结构与制造工艺复杂、自重大以及发电效率低等弊端。 变桨距调节技术是通过在风力机组加装叶片桨

18、距调节装置，根据风速情况来改变桨距角，在运行时，通过桨距角的改变来调节转速，在输出功率小于额定功率时，桨距角为0，无需控制；在输出功率超过额定功率时，通过调节变桨距改变桨距角，维持输出功率的稳定，优化机组输出功率特性，改善机组的启动性能。变桨距调节技术不仅具有载荷控制平稳、高效、安全的优点，还可以降低桨叶所受到的应力，减少叶片制造材料，减轻机组重量，延长机组使用寿命，对风电系统运行性能提升有着积极作用。但是，相应地，变桨距调节技术会在一定程度上增加风电机组结构的复杂性。5我国风电发展进程及存在的问题5.1 单机容量小，浪费大量的建设资源众所周知，风力是电力发电的重要组成部分，其发电效率直接影响

19、到发电行业的发展，因此，风力发电技术应结合市场的发展趋势以及人们的用电需求等进行及时的改进8。然而，就现阶段风力发电技术来看，在人们生活水平不断提高的情况下，人们对生活用电的需求也在不断的增加，风力发电作为发电技术的重要组成部分，为了满足人们的用电需求，很多地区会增设多个风力发电机组，而在这种情况下就会造成大量的资源浪费，尤其是土地资源的浪费，将会造成国家土地资源吃紧的问题，影响到风力发电的可持续发展。5.2 陆地风力发电建设过于集中随着人们生活水平的不断提升，用电量以及用电负荷在不断增加，也将给发电行业带来一定的负担，为了满足人们用电需求，在陆地建设了更多的风力发电厂，其中也有很多风力发电厂是建立在城市周边的，而受到城市建筑的影响，这些风力发电厂的发展也将受到极大的影响，从而制约了风力发电厂的发展9。另外，风力发电厂在建设中选址的不合理，也影响到风力发电行业的稳步发展。5.3 风力发电技术的经济性不足对于风力发电技术来说，主要走的是节能路线，而从风力发电技术的实际运行调查中发现，风力发电技术在实施的过程中，缺乏一定的经济性，会增加风力发电技术的实施成本，从而影响到风力发电技术的实施效果，也将违背风力发电技术实施的本质，不利于风力发电技术的可持续发展。6 结 语 综上所述，风力发电对改善我国电能情况、减轻环境污染、节约