风力发电技术的最新进展
龙源电力集团公司 范子超 杨校生 吴昊 韩彬
一、风电技术发展回顾
1.风电技术发展历史简要回顾
蒸气机发明以前，风能曾作为人类重要的动力，如船舶航行、提水灌溉、磨面锯木，应用了数千年。二战后期，能源价格曾一路低迷，风能的利用毫无经济意义。上世纪八十年代能源危机以来，化石能源价格迅速攀升，大型风力发电机的商业化时代逐渐来临。
从技术层面上看，风电发展也经历这样波折的历程。1887年，美国人Charles F.Brush建造了第一台风力发电机组，叶片多达144个。此后，人们又经过一百多年艰辛的探索，各国思潮几番争鸣，多种技术数度革新和市场应用的考验，才统一成今天的上风向、水平轴、三叶片、管式塔风力机。
同时，每个时期的风电技术都有自身的历史局限性。例如，早在1941年，美国的Smith-Putnam风力机就装备了液压变桨距系统，但受制于当时的技术水平，装置庞大、笨重、复杂。反而是定桨距的“丹麦概念”Gedser风力机，采用失速控制，叶尖有气动刹车装置，成为风电技术史的一座里程杯。而到了今天，MW 级大型风力机广泛采用，大叶片所承受的气动推力大,对生产工艺要求很高，变桨距技术又成为技术主流。而相关领域技术上的突破，又会推动风电技术不断向前发展。如全功率逆变器曾因复杂、不可靠等因素曾让人望而却步，而大功率IGBT/IGCT的成熟和多电平技术的完善，使之在技术上完全成为可能。
2.并网型风电的技术发展
最近20多年来，以丹麦为代表的北欧国家率先开始了现代并网型风力机的大规模应用。各国各种不同的风力机概念相继出现，各种商业公司纷纷推出相应的产品，风电市场日趋成熟。伴随着各种优势资源的整合，许多著名的风电厂商如Vestas、Enercon、Gamesa等在群雄逐鹿中胜出，至今仍引领风电发展潮流。
上世纪八十年代末，我国并网型风电正处于初期示范阶段，主要是利用国外赠款及贷款，建设小型示范风电场，风电机组全部从国外进口，而国家扶持的几个数十千瓦级风力机研制也积累了一些经验和教训。
1994年起，原电力部和国家计委制定了一系列有力措施，有效激励了风电设备的国产化。广东南澳和内蒙古朱日和风电场中，首次使用了国产塔架。1996年，天风公司与丹麦Nortank公司组建中丹风能公司，完成27台NTK300kW机组的总装配，取得了首批国内组装机组的成功。此后，我国又成功开发了具有自主知识产权的200kW／250kW定桨距风电机组。
2003年后，我国进入风电规模化发展时期，一些整机生产商产能大幅增加，金风公司2007年进入世界前十。但同时也应该看到，迄今为止我国尚未掌握风力机核心技术，在制造产品时自主研发很少，多采取如下的方式：一是购买许可证，按国外的图纸进行生产；二是提出技术要求，委托国外设计图纸，进行生产；三是请国外咨询或与国外联合设计，进行生产。这对于缩小与国外的差距，满足国内市场的需求，是必要的。但是，我们的目标是要提高自主创新能力，研发出适合我国国情的风电机组，在引进的同时一定要注意吸收，否
则就会囫囵吞枣、消化不良。Gamesa的技术也是源自Vestas,其成功经验值得国内风电厂商借鉴。
二、风电技术最新进展
风电技术发展到今天，已不再单纯是其核心部件-风力机的技术，而是涵盖了前期勘察测量、风力机设计制作安装、后期运行维护等整个生产周期，延伸到零部件生产、与电网和其它能源的相互关系等整个产业链。
1、风资源评估技术的进展
风资源评估，早期采用基于气象站历史观察数据的评估，但气象站测风只有10m，而风机的轮毂高度大多数都在50m到80m。此外，气象站的多分布在风资源相当较差的城市。近十几年来，欧美国家应用数值模拟的方法发展了许多成熟的风能资源评估系统软件,如WASP，成为风能资源评估一个行之有效的方法，可以得到较高分辨率的风能资源分布空间，可以更精确的确定可开发风能资源的面积和风机轮毂高度的可开发风能储量。近10年来，卫星遥感技术开始应用在海上风能资源评估中。用卫星反演资料进行风能资源评估，虽然精度上有所欠缺，但覆盖的空间范围很大，有助于近海风能资源的评估，且比建海上测风塔经济的多。
2、风电机组相关技术的进展 1）变桨变速技术成为主要发展方向
由于变桨矩功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年来在大型风电机组上得到广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术并开发出了变桨变速恒频风电机组，在风能转换上有了进一
步完善和提高，在市场上得到快速推广应用。2006年全球所安装的风电机组中，有92%的风电机组采用了变桨变速恒频方式，而且比例还在逐渐上升，我国目前安装的进口风电机组中，也大多是变桨距机组。与此同时，由于失速型功率调节技术相对简单、成本低，失速和主动失速功率控制技术仍在继续完善和发展。
2）风电机组单机容量持续增大
目前，世界风电市场中的单机容量正持续增大，2006年全球安装风电机组的平均功率为1.42MW，比2005年增加了100KW。随着单机容量的不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从2000年的500～1000kW增加到2007年的2MW～5MW。为降低单机成本，风电机组单机容量不断扩大，当前国外市场上变速恒频型机组主力机型容量为1MW～2MW，2～3.6MW的机组正在迅速发展。单机容量5～6MW的机组已处于试运行阶段。德国Repower公司研制的基于双馈异步发电机的5MW已在试验运行，德国Enercon公司用到全功率变流器的直驱型机组已批量生产1.8MW的机组，目前正在试验6MW的该类型机组。芬兰WinWinD公司的半直驱3MW机组正在试运行。预计2010年前欧洲将开发出10MW的风电机组，15MW机组也已开始概念设计。
3）直驱、半直驱的市场份额迅速扩大
无齿轮箱直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，从而有效提高系统的运行可靠性和寿命，大大减少维护成本，得到了市场的青睐。近年来，欧洲ENERCON、WINWIND等公司都发展了直驱式风电系统，并应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围可从0到150%的额定转速，提高了风能的利用范围，改善了向电网供电的电能质量。ENERCON公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中,由并网变电站来统一，实现了
电网的有源功率因素校正和谐波补偿，成为今后大型风电场建设的一种新模式。综合了直驱和齿轮箱驱动二者优势的半直驱技术也出现在世界风电市场上。
4）新的整机设计方案不断创新
整机设计方案上的不断创新，除了目前主流的变桨距、变速双馈异步型风机及直接驱动型风机外，国外一些公司还陆续推出了一些新颖的设计方案，如英国EU能源公司的D8.2-2MW，以及奥地利Windtec公司的WT2000spg液力稳速型风电机组、WinWinD半直驱式风电机组Multibrid，以及美国的单极多输出轴齿轮箱带动多永磁同步风力发电机的结构等。
5）风电机组电压等级不断提高
在风电机组电压等级方面，目前仍以690V为主，但随着风电机组功率的增大，电压有不断提高的趋势，国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机效率进一步提高。上世纪末90年代，ABB公司成为风力发电的先驱，制造了一台中等电压发电机，发电机额定电压为4000V。在过去几年，几个具有更高电压水平的风机问世：Vestas和Made采用1kV电压，Zephyors采用3kV电压，而NEG-Micon的转子绕组甚至采用6kV的电压。
6）变流器性能不断提升
电力电子功率器件的耐压水平和功率等级在不断加大，新型电力电子拓扑结构的不断涌现，为高容量和高电压的风电机组研制提供了可靠的技术保障。可供选择的大功率半导体器件主要有IGBT和IGCT，而以IGBT用得最多。目前兆瓦级的风电机组并网电压一般为620V～690V，因而变流器以两电平结构居多，三电平结构的也有，但一般是用在发电机输出中等电压等级的情况，ABB公司就有采用IGCT
三电平结构的变流器，其并网电压达3500V。高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98%以上。
7）海上风电迅速发展
海上风电多指水深10米左右的近海风电，它以其不占用土地，对环境影响较少，且风电机组单机容量更大，年利用小时数更高等优点，受到了世界各国的广泛关注。适用于海上风电场的风力发电机组的设计有四个主要的发展趋势： 一是机组大型化，目前德国Repower公司5MW机组已在陆上试运，近期已有6台完成调装，将投入海上运行；二是可靠性要求更高，由于海上风电场受风浪及特殊天气影响，维修船只或直升飞机难以靠近风机，运维难道较大，导致目前海上风电场机组可用率普遍偏低，故对机组的运行可靠性要求呈越来越高的趋势；三是高压风电机组，海上风电场远离电网，电力输送距离较远，风电机组的出口电压等级多采用高压方式，而少用箱变形式，以减少线路损耗及故障点；四是机组结构呈现轻质高强趋势，随着机组大型化，海上运输、吊装难度也加大，为减少投资，整机结构呈轻型化发展，如叶片采用碳纤维材料，传动机构简化，去除齿轮箱，减少故障点，降低故障率。
3、风电场相关技术的进展
1）风电场建设、运营管理日益精细化
随着投资者对风电场建设前期的评估和建成后运行质量的要求越来越高，国外已经针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测
做了很多研究，精确度达到了90%以上。设备状态实时监测与故障诊断技术也得到迅猛发展，包括状态报警、趋势预测、故障诊断等功能。龙源已经大量开展了大量这方面的工作，在确保发电量、考核评估风电场方面起到了很重要的作用。
2）与电网相关问题亟待解决
随着风电场规模越来越大，对电网各个方面的影响也越来越明显。在我国，已多次出现风电场被拉闸限电的情况。为了在大规模风电接入后确保电力系统的安全与稳定，越来越多的国家通过制定风电场并网导则对风电场的控制能力提出要求，确保电力系统在短时间和长时间内的安全稳定、可靠性和电能质量。目前，世界各国的风电场接入系统技术标准和规程中，无一例外地要求风电场在某些情况下进行有功和无功控制。无功功率控制需要风电场加装一定的无功补偿装置，主要为大功率电力电子装置。我国蒙东地区风资源良好而电网相对薄弱，目前已有多个风场加装这类设备。有功控制则要求风电场提前预测出发电功率，目前技术难度还很大。在风电市场比较成熟的欧洲，电力公司鼓励风电场进行功率预测，并予以电价上的优惠。我国部分电网也开始进行相关工作，功率预测或将成为未来的趋势。此外，电网还会反作用于风电机组，电压跌落在一定范围内，风电机组尽可能不退出，即“低电压穿越技术”，也得到广泛的研究。
3）标准与规范逐步完善
自1988年国际电工委员会成立了IEC/TC88“风力发电技术委员会”以来，到目前已发布了10多项国际标准，这些标准为保证产品质量、规范风电市场、提高风电机组的性能和推动风电事业发展奠定了重要基础。为提高风电测试水平，上个世纪后期欧洲最著名的几家
风能研究和实验机构都在各自制订有关的测试标准。国际电工委员会将于明年颁布新版的风电机组电能质量测试标准，测试内容主要包括电压波动和闪变、谐波、风机保护功能、功率控制、低电压穿越特性等方面。闪变和谐波为常规测试，国内外进行过很多的研究，而针对其它测试内容的研究和装置开发在国内还处于起步阶段，世界范围内只是德国WindTest KWK风电测试机构开发出了低电压穿越的测试装置并做了深入的研究。
三、结语
纵观风电的技术发展趋势，无论是技术改新带来的造价降低，单机规模的迅速扩大，发电量所在比例的逐年提高，还是日益精细的生产运行，风电电网调度的科学化都表明：风电的上下游关联技术均获得了长足的发展，风电正在成长为一门成熟的发电技术。
我国风电大发展的同时也伴随着一系列问题。回顾过去，相比上世纪80年代亦步亦趋地跟在国外后面，全盘引进，有了长足的进步；展望未来，我国风电刚刚开发了不足1%，还有赶超国外的时间和空间。只要能够加强风电产业基础设施建设，重视基础性技术研究，建立公共技术服务平台和相应标准、检测和认证体系，加速高质量风电设备国产化进程，我国风电的未来一定会更美好。
