风力发电技术的研究现状及趋势

    虽然风力发电系统是个多设备复杂系统，但是从总体结构上分为：风力机和发电机两个主要功能单元[23]，其中风力机及其控制系统将风能转换为机械能，而发电机其控制系统将机械能转换为电能[24]。因此可根据风力机和发电机的运行方式对风力发电技术进行分类，具体表现为：根据风力机功率调节特性可分为定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节[25, 26]；根据发电机运行方式可分为恒速变频和变速恒频[27]。其中变速恒频风力发电系统按照发电机类型主要分为：异步发电机系统、同步发电机系统、开磁阻发电系统等。鼠笼式发电系统、绕线式发电系统、双馈发电系统和无刷双馈发电系统均属于异步发电机系统。目前，大型风力发电机组常用的变速恒频有两种：双馈异步发电机组成的变速恒频系统和永磁同步发电机组成的变速恒频系统[28]。

    风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。由于风力发电机组的控制技术是风电机组运行的关键技术，因此它成为了风力发电机组大型化研究的热点和难点。风力发电机组控制的基本目标主要分为 4 个层次：保证机组可靠运行、获取最大能量、提供最优电能和延长机组寿命[1, 29]，因此风力发电机组控制系统的主要功能主要包括：
（1）在风速运行范围内，确保系统的稳定运行；
（2）当风速低于额定风速时，能够实现最大风能跟踪捕获；
（3）当风速高于额定风速时，限制风能捕获，保持风力发电机组输出额定功率；
（4）减小阵风引起的风轮的机械应力和输出功率波动；
（5）减小传动链的暂态响应；
（6）降低控制器的代价，减少控制器成本；
（7）抑制可能引起机械共振的频率，减小桨叶挥舞和偏航动作，减小塔架振动；
（8）调节机组功率，控制电网电压、频率稳定，平滑地将能量输送至电网，尽可能减少风的不稳定性对电网造成的冲击；
（9）保护发电机组的同时，能够提供主动的电网维护功能，如低电压穿越功能；
（10）实现状态检测、故障处理和数据统计等功能。

    随着先进的控制技术被用于风力发电机组控制系统，风力机的控制方式从单一的变桨距失速控制向变桨距和变速恒频方向发展，甚至向智能控制发展[24, 30]，以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行的等各方面的需求。目前，风力发电技术的发展趋势主要体现在以下几个方面[31]：
（1）风力发电机组的单机容量进一步向大型化发展
单机容量增大，有利于降低每千瓦的制造成本，扩大风电场的规模效应，减少风电场的占地面积应用，提高风电市场竞争力。因此大型发电机组采用更长的桨叶和更高的塔架，有利于捕获风能，提高年发电量。

2）变桨距调节取代失速调节。采用变桨距调节的风力发电机组的输出功率平稳、动性能好、机组载荷控制平稳、停机方便安全等优点[10]，在大型风电机组中得到了广泛应用。
（3）变速恒频技术得到快速推广。随着电力电子技术的发展和进步，风电机组制造商通过结合变桨距技术，开发出变桨变速风力发电机组[31]，其优越性在于：当风速低于额定风速时，能够根据风速变化进行最大功率跟踪控制；当风速高于额定风速时，通过调节桨距角，限制风电机组的功率输出，使风电机组输出额定功率。据BTM统计数据显示，MW级以上的风力发电机组制造商中只有Nordex公司的N60/N62 1.3MW机型保持了失速型双速电机的模式，市场上的其他机大部分都为变速机型。
（4）直驱风力发电机组的市场份额迅速扩大。风机主轴直接与发电机主轴通过软连接相连，取消齿轮箱，优势是降低设备投资，石家庄风机减轻机舱重量，减少传动链的效率损失，消除由于齿轮箱而引起的机组故障。
（5）全功率变流技术的兴起。通过采用全功率变换器将风力发电机的调速范围调整到 150%的额定转速[31]，改善被传输的电能质量。
（6）空气动力方面的改进。为了捕获更多的风能，最显著的发展是设计新型的桨叶翼型。由于现在桨叶最大风能利用系数为 0.45 左右，因此在桨叶翼型的改进上还有较大的空间，如美国国家可再生能源实验室 NREL 开发了一种新型桨叶，其捕获的风能比早期桨叶要多 20%。另外采用新型工程塑料设计和制造柔性桨叶，提高对风能的捕获也是一个发展动向。
（7）海上风力发电机组的开发应用。由于海上风速稳定，风能资源丰富，便于大规模捕获，风力发电正从陆地走向海洋[10, 32]。同时，海上风电运行环境比较恶劣，发电机组本身除了需要抵御台风的侵袭和盐雾的损坏，还得承受海浪对机组地基和塔架的拍打。因此对海上风电发电机组提出了更好的性能要求。
（8）动态载荷控制技术。由于风机单机容量不断增大，风剪切、塔影效应、湍流等不平衡因素引起的风轮不平衡载荷和机组振动，对风力发电机组及其零部件的设计与可靠性的影响越来越大。如何有效减少机组承受的动态载荷成为大功率风力发电机组必须考虑的问题。
随着风力发电的控制技术及其控制系统的完善和成熟，不仅给风力发电带来高效益，而且同时对实现风力机品牌的国产化具有非常重要的研究意义.