風能(發(fā)電)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、 風能（發(fā)電）研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢風能（發(fā)電）研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢學 院： 班 級： 學 號： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 3風能（發(fā)電）研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢摘要風力發(fā)電是一種環(huán)保、節(jié)能的發(fā)電方式，對社會的可持續(xù)發(fā)展起著重要作用，具有無污染、可再生、能量大等優(yōu)點，是當前電力行業(yè)研究的重要內(nèi)容。文章對風力發(fā)電及其技術(shù)的發(fā)展展開研究，對國內(nèi)現(xiàn)狀進行了梳理、分析與歸納，并對我國風電發(fā)展及存在問題進行了詳細闡述；指出了風電發(fā)展趨勢及我國風電的發(fā)展方向。對了解風電發(fā)展趨勢、 指導(dǎo)我國發(fā)展風電、為我國風力發(fā)電事業(yè)的進步提供幫助。關(guān)鍵詞：風能；風力發(fā)電；技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；趨勢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 風能（發(fā)電）研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目錄ABSTRACT31 風能與風能利用簡介51.1 風能51.2風能利用52 風力發(fā)電62.1風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀63主流風力發(fā)電機系統(tǒng)573.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)73.2 變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)73.3 變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)84風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢84.1 風力發(fā)電機組容量、機型方面的發(fā)展94.2 風力發(fā)

5、電機組控制技術(shù)方面的發(fā)展94.2.1 變速恒頻控制技術(shù)104.2.2 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)105我國風電發(fā)展進程及存在的問題115.1 單機容量小，浪費大量的建設(shè)資源115.2 陸地風力發(fā)電建設(shè)過于集中115.3 風力發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟性不足116 結(jié) 語12參考文獻12131 風能與風能利用簡介1.1 風能 風能(wind energy)是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量，風能是當今世界上正在進一步廣泛開發(fā)的能源。風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式。屬于可再生能源（包括水能，生物能等）。它具有廣布豐富、遍地可取、無需運輸、廉價潔凈等優(yōu)點。馮阿爾克斯（.Von Arx）在1974年提出：地球上可利用的

6、風能為106MW1。可利用風能的數(shù)量為地球上可利用水利的10倍。課件，風能是一種非常可觀，非常有前途的能源。近些年來，隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對電力能源的需求持續(xù)增加，但在傳統(tǒng)火力電中，煤炭資源是不可再生，資源的日益緊張與需求之間存在嚴重矛盾。在此背景下，可再生能源的開發(fā)利用得到人們廣泛重視，風力發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生，發(fā)展十分迅速，對其展開研究，有著重要的現(xiàn)實意義。1.2風能利用在新能源發(fā)展進程中，風能憑借著其建設(shè)周期短，環(huán)境要求低，儲量豐富，利用率較高等特點在世界各國得到了持續(xù)快速的發(fā)展。風力發(fā)電是低排放、低污染的低碳電力發(fā)展模式，因此將其作為電能可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇之一2。在 2014

7、 年，中國陸上風電年度新增裝機量達到 20 700 MW，但是風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅只是要求裝機總量的增加，還應(yīng)加強電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及提高解決技術(shù)問題的能力。在電網(wǎng)電壓跌落時，通過風電機組自動脫網(wǎng)來應(yīng)對的方法只適用于風電裝機比例較低的情況，隨著風電裝機比例的增加，切除風機不僅會帶來大面積停電的問題，還會引起電網(wǎng)頻率的變化。現(xiàn)在的風電場運行規(guī)則要求在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，風電機組能夠維持不脫網(wǎng)地運行，當電網(wǎng)電壓跌落幅度較大時，風電場還應(yīng)具有一定的無功補償能力。因此各國相繼提出了很嚴格的故障穿越標準3，要求機組在電網(wǎng)故障情況下能夠按照標準規(guī)定的時間并網(wǎng)運行。我國也提出了風電場接入電網(wǎng)的技術(shù)要求。2

8、風力發(fā)電2.1風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀 風力發(fā)電是一種利用風動能轉(zhuǎn)換為機械動能，再向電能轉(zhuǎn)換的過程，其工作原理是借助風的動力來推動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機加快風車葉片旋轉(zhuǎn)的速度，帶動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，自從我國2005年可再生能源法立法之后，風能、太陽能、生物質(zhì)能、水能以及海洋能等可再生能源的得到充分重視，在能源發(fā)展中占據(jù)著重要地位。在世界環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，減輕二氧化碳排放量是世界各國發(fā)展的必然要求，為順應(yīng)這種發(fā)展趨勢，降低化石能源的利用率，大力發(fā)展發(fā)電在內(nèi)的可再生能源、核能等，是世界能源發(fā)展的基本內(nèi)容，也是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重要組成部分，對我國國民經(jīng)濟增長起著重

9、要作用4。 我國的風力發(fā)電始于上世紀80年代中期，初次商業(yè)化運行的風電機容量等級為55 k W，在經(jīng)過近三十年的發(fā)展后，我國風力發(fā)電市場有了長足進步。根據(jù)CWEA2015年的相關(guān)統(tǒng)計，截止2014年年底，我國風電累計裝機容量約為114 609 MW左右，累計安裝風機組76 241臺，同比增長25.4%；在2014年中，全國新增安裝風機組13 121臺，新增裝機容量23 196 MW，同比增長44.2%。 我國風能資源十分豐富，可開發(fā)利用的風能儲量大約為10億 k W，其中，陸地風能儲量與海上可開發(fā)利用風能儲量分別占2.5億 k W和7.5億 k W作用，因此，除了陸上風力發(fā)電之外，做好海上風力

10、發(fā)電也十分重要。就2014年海上風電裝機情況來看，我國海上風電新增裝機61臺，新增裝機容量為229.3 MW，同比增長487.9%，其中，有56.7%屬于潮間帶裝機。由此可知，我國海上風力發(fā)電水平遠遠低于陸地風力發(fā)電，加強在海上風力發(fā)電方面的開發(fā)與利用，是我國未來風力發(fā)電的重要趨勢之一。 風力發(fā)電除了具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點之外，由于風力是一種可再生能源，可以實現(xiàn)重復(fù)利用，具有永不枯竭的優(yōu)點，相較于火力或水力發(fā)電方式，風電的基建周期更短，裝機規(guī)模也較為靈活。但是，風力發(fā)電也存在一些不足之處，比如容易產(chǎn)生噪音或者視覺污染，需要占據(jù)大量的土地，風力發(fā)電的穩(wěn)定性、可控性較差，發(fā)電成本較高，還會對鳥類生存

11、環(huán)境產(chǎn)生一定破壞。3主流風力發(fā)電機系統(tǒng)5 當前風電系統(tǒng)中主要有三大風力發(fā)電機型，恒速恒頻異步發(fā)電機、變速恒頻雙饋異步和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機。變速恒頻系統(tǒng)因槳距角可調(diào)，能在較寬的風速范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比、最大功率點運行等優(yōu)良特性已成為當今的主流機型。尤其直驅(qū)永磁同步發(fā)電機加上全功率變流器擁有更加廣闊的發(fā)展前景。3.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 典型恒速恒頻風電系統(tǒng)如圖1所示，主要有風力機、齒輪箱、異步發(fā)電機及并聯(lián)電容組成。采用定槳距失速控制的風輪機使異步發(fā)電機輸出恒定頻率的電壓，因異步發(fā)電機發(fā)出有功的同時還需從電網(wǎng)中吸收無功功率，故采用并聯(lián)電容器組提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。由于風速隨機性和間歇性的特點，恒

12、速恒頻系統(tǒng)的風能利用系數(shù)較低且輸出功率易波動，現(xiàn)已逐漸被變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)所取代。圖1恒速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)3.2 變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng) 雙饋異步發(fā)電機為當今世界的主流機型，約占總裝機容量的80%。與恒速恒頻系統(tǒng)不同的是：風力機使用變槳距角控制，不僅可以實現(xiàn)風能的最大利用，且在機組緊急停機時，可將風力機調(diào)為順槳狀態(tài)，減少風能的捕獲，延長機組使用壽命。如圖2所示，其定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子經(jīng)過背靠背的雙PWM變換器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交流勵磁，使定子側(cè)輸出恒定頻率的交流電，電功率可通過定轉(zhuǎn)子雙向通道與電網(wǎng)交換。圖2 變速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)3.3 變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng) 風力機直接與永磁同步

13、機相連，減少了因齒輪箱故障所帶來的諸多不便。如圖3所示，同步機發(fā)出的交流電通過全功率變流器AC-DC-AC實現(xiàn)并網(wǎng)，即機側(cè)變流器將同步機發(fā)出的交流電整流為電壓恒定的直流電，再經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器逆變成交流電饋入電網(wǎng)。因電機本身是永磁體不需要電網(wǎng)提供勵磁電流，因而節(jié)省了勵磁及電刷滑環(huán)等損耗。但永磁機的極對數(shù)較多，導(dǎo)致發(fā)電機體積龐大，增加了制造成本和難度。圖3 變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)4風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢 風力發(fā)電技術(shù)是一項綜合性非常強的技術(shù)，與空氣動力學、機械學、電機學、材料學、力學以及自動控制技術(shù)等都有著密切聯(lián)系。在近些年來，隨著風力發(fā)電的不斷發(fā)展以及各種技術(shù)的創(chuàng)新，風力發(fā)電技術(shù)也有了很大水平

14、提升，具體體現(xiàn)在以下兩個方面。4.1 風力發(fā)電機組容量、機型方面的發(fā)展 在風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展當中，降低發(fā)電成本、提高發(fā)電效率和可靠性，是其主要發(fā)展目標之一。在風能發(fā)電效率提升方面，主要是通過增大風力發(fā)電機的單機容量，來提高風能利用效率，在進入新世紀后，德國研制出了5 MW和6 MW風力發(fā)電機，對風能發(fā)電效率的提升創(chuàng)造了良好條件。 就我國風力發(fā)電機容量發(fā)展情況而言，國內(nèi)主流風力發(fā)電機的機型從2005年750850 k W，到2013年已經(jīng)增加到1.52.5 MW；在發(fā)電機單機容量上，也表現(xiàn)出持續(xù)增大的發(fā)展趨勢，其中，2012年新增機組平均單機容量為1.65 MW，2013年新增機組平均單機容量為

15、1.73 MW，最大風電機組為6 MW。 同時，在海上風電機組方面，其容量也朝著大規(guī)模化發(fā)展，海上風電場中大量應(yīng)用了華銳風電3 MW海上風電機組，3.6 MW、4 MW、5 MW以及6 MW海上風電機組也開始建設(shè)并試運行，海上風電開發(fā)利用得到進一步發(fā)展6。 就風力發(fā)電機型而言，當前國外普遍采用的都是雙饋異步發(fā)電型變速風電機組，包括丹麥Vestsar公司、美國GE風能公司等，我國風電企業(yè)生產(chǎn)的大多也是雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風電機組。就2013年新增風電機來說，雙饋異步發(fā)電型變速風電機組大約能占總量的69%，其中，在海上風電場中，3 MW雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風電機組已經(jīng)被批量投入使用，6 MW雙

16、饋異步發(fā)電機變速恒頻風電機組也開始試運行。4.2 風力發(fā)電機組控制技術(shù)方面的發(fā)展 在風力發(fā)電中，發(fā)電機組運行的效率與安全在很大程度是取決于控制技術(shù)的，因此，風力發(fā)電機組控制技術(shù)得到足夠的重視，在近些年來，得到一定程度發(fā)展，具體可以體現(xiàn)在以下兩個方面。 4.2.1 變速恒頻控制技術(shù) 在傳統(tǒng)的風力發(fā)電機組中，采用的大多是恒速恒頻控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能可靠等優(yōu)點，但是，在這種控制技術(shù)下，當風速改變時，風力機轉(zhuǎn)速保持不變，風力機無法保證最佳轉(zhuǎn)速，會降低風能利用效率，減小輸出功率，從而影響發(fā)電效率。 變速恒頻控制技術(shù)就有效改變了恒速恒頻控制技術(shù)的不足，根據(jù)風速情況適當調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，可以

17、使風力機保持在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)，有效提高風能利用系數(shù)，最大程度的捕獲并利用風能，使機組運行處于最優(yōu)化，提高發(fā)電效率。當前，在我國風電機場建設(shè)中，風電機組控制采用的大多是變速恒頻控制技術(shù)7。4.2.2 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù) 在傳統(tǒng)風力發(fā)電機中，在恒速運行情況下，采用的通常是定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)，是將輪轂與槳葉固定連接后，使槳距角保持在一個固定值，當風速高于額定值時，根據(jù)槳葉翼型失速的特點，氣流功角會滿足失速條件，受槳葉表明紊流的影響，機組發(fā)電效率就會相應(yīng)降低，從而實現(xiàn)限制輸出功率的目標，其調(diào)節(jié)方式較為簡單，但也存在葉片結(jié)構(gòu)與制造工藝復(fù)雜、自重大以及發(fā)電效率低等弊端。 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)是通過在風力機組加裝葉片槳

18、距調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)風速情況來改變槳距角，在運行時，通過槳距角的改變來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在輸出功率小于額定功率時，槳距角為0，無需控制；在輸出功率超過額定功率時，通過調(diào)節(jié)變槳距改變槳距角，維持輸出功率的穩(wěn)定，優(yōu)化機組輸出功率特性，改善機組的啟動性能。變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)不僅具有載荷控制平穩(wěn)、高效、安全的優(yōu)點，還可以降低槳葉所受到的應(yīng)力，減少葉片制造材料，減輕機組重量，延長機組使用壽命，對風電系統(tǒng)運行性能提升有著積極作用。但是，相應(yīng)地，變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)會在一定程度上增加風電機組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。5我國風電發(fā)展進程及存在的問題5.1 單機容量小，浪費大量的建設(shè)資源眾所周知，風力是電力發(fā)電的重要組成部分，其發(fā)電效率直接影響

19、到發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，因此，風力發(fā)電技術(shù)應(yīng)結(jié)合市場的發(fā)展趨勢以及人們的用電需求等進行及時的改進8。然而，就現(xiàn)階段風力發(fā)電技術(shù)來看，在人們生活水平不斷提高的情況下，人們對生活用電的需求也在不斷的增加，風力發(fā)電作為發(fā)電技術(shù)的重要組成部分，為了滿足人們的用電需求，很多地區(qū)會增設(shè)多個風力發(fā)電機組，而在這種情況下就會造成大量的資源浪費，尤其是土地資源的浪費，將會造成國家土地資源吃緊的問題，影響到風力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。5.2 陸地風力發(fā)電建設(shè)過于集中隨著人們生活水平的不斷提升，用電量以及用電負荷在不斷增加，也將給發(fā)電行業(yè)帶來一定的負擔，為了滿足人們用電需求，在陸地建設(shè)了更多的風力發(fā)電廠，其中也有很多風力發(fā)電廠是建立在城市周邊的，而受到城市建筑的影響，這些風力發(fā)電廠的發(fā)展也將受到極大的影響，從而制約了風力發(fā)電廠的發(fā)展9。另外，風力發(fā)電廠在建設(shè)中選址的不合理，也影響到風力發(fā)電行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。5.3 風力發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟性不足對于風力發(fā)電技術(shù)來說，主要走的是節(jié)能路線，而從風力發(fā)電技術(shù)的實際運行調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，風力發(fā)電技術(shù)在實施的過程中，缺乏一定的經(jīng)濟性，會增加風力發(fā)電技術(shù)的實施成本，從而影響到風力發(fā)電技術(shù)的實施效果，也將違背風力發(fā)電技術(shù)實施的本質(zhì)，不利于風力發(fā)電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。6 結(jié) 語 綜上所述，風力發(fā)電對改善我國電能情況、減輕環(huán)境污染、節(jié)約