風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

    雖然風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是個(gè)多設(shè)備復(fù)雜系統(tǒng)，但是從總體結(jié)構(gòu)上分為：風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩個(gè)主要功能單元[23]，其中風(fēng)力機(jī)及其控制系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而發(fā)電機(jī)其控制系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[24]。因此可根據(jù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)，具體表現(xiàn)為：根據(jù)風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)特性可分為定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)[25, 26]；根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式可分為恒速變頻和變速恒頻[27]。其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)類(lèi)型主要分為：異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)磁阻發(fā)電系統(tǒng)等。鼠籠式發(fā)電系統(tǒng)、繞線式發(fā)電系統(tǒng)、雙饋發(fā)電系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)均屬于異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常用的變速恒頻有兩種：雙饋異步發(fā)電機(jī)組成的變速恒頻系統(tǒng)和永磁同步發(fā)電機(jī)組成的變速恒頻系統(tǒng)[28]。

    風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，因此它成為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的基本目標(biāo)主要分為 4 個(gè)層次：保證機(jī)組可靠運(yùn)行、獲取最大能量、提供最優(yōu)電能和延長(zhǎng)機(jī)組壽命[1, 29]，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要功能主要包括：
（1）在風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；
（2）當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤捕獲；
（3）當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出額定功率；
（4）減小陣風(fēng)引起的風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)；
（5）減小傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；
（6）降低控制器的代價(jià)，減少控制器成本；
（7）抑制可能引起機(jī)械共振的頻率，減小槳葉揮舞和偏航動(dòng)作，減小塔架振動(dòng)；
（8）調(diào)節(jié)機(jī)組功率，控制電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定，平滑地將能量輸送至電網(wǎng)，盡可能減少風(fēng)的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊；
（9）保護(hù)發(fā)電機(jī)組的同時(shí)，能夠提供主動(dòng)的電網(wǎng)維護(hù)功能，如低電壓穿越功能；
（10）實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)、故障處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。

    隨著先進(jìn)的控制技術(shù)被用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)的控制方式從單一的變槳距失速控制向變槳距和變速恒頻方向發(fā)展，甚至向智能控制發(fā)展[24, 30]，以滿(mǎn)足其自身對(duì)風(fēng)速變化、成本、環(huán)境及穩(wěn)定運(yùn)行的等各方面的需求。目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[31]：
（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量進(jìn)一步向大型化發(fā)展
單機(jī)容量增大，有利于降低每千瓦的制造成本，擴(kuò)大風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模效應(yīng)，減少風(fēng)電場(chǎng)的占地面積應(yīng)用，提高風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此大型發(fā)電機(jī)組采用更長(zhǎng)的槳葉和更高的塔架，有利于捕獲風(fēng)能，提高年發(fā)電量。

2）變槳距調(diào)節(jié)取代失速調(diào)節(jié)。采用變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率平穩(wěn)、動(dòng)性能好、機(jī)組載荷控制平穩(wěn)、停機(jī)方便安全等優(yōu)點(diǎn)[10]，在大型風(fēng)電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。
（3）變速恒頻技術(shù)得到快速推廣。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組制造商通過(guò)結(jié)合變槳距技術(shù)，開(kāi)發(fā)出變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[31]，其優(yōu)越性在于：當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，能夠根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行最大功率跟蹤控制；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，使風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率。據(jù)BTM統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，MW級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商中只有Nordex公司的N60/N62 1.3MW機(jī)型保持了失速型雙速電機(jī)的模式，市場(chǎng)上的其他機(jī)大部分都為變速機(jī)型。
（4）直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)份額迅速擴(kuò)大。風(fēng)機(jī)主軸直接與發(fā)電機(jī)主軸通過(guò)軟連接相連，取消齒輪箱，優(yōu)勢(shì)是降低設(shè)備投資，石家莊風(fēng)機(jī)減輕機(jī)艙重量，減少傳動(dòng)鏈的效率損失，消除由于齒輪箱而引起的機(jī)組故障。
（5）全功率變流技術(shù)的興起。通過(guò)采用全功率變換器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍調(diào)整到 150%的額定轉(zhuǎn)速[31]，改善被傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量。
（6）空氣動(dòng)力方面的改進(jìn)。為了捕獲更多的風(fēng)能，最顯著的發(fā)展是設(shè)計(jì)新型的槳葉翼型。由于現(xiàn)在槳葉最大風(fēng)能利用系數(shù)為 0.45 左右，因此在槳葉翼型的改進(jìn)上還有較大的空間，如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 NREL 開(kāi)發(fā)了一種新型槳葉，其捕獲的風(fēng)能比早期槳葉要多 20%。另外采用新型工程塑料設(shè)計(jì)和制造柔性槳葉，提高對(duì)風(fēng)能的捕獲也是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向。
（7）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。由于海上風(fēng)速穩(wěn)定，風(fēng)能資源豐富，便于大規(guī)模捕獲，風(fēng)力發(fā)電正從陸地走向海洋[10, 32]。同時(shí)，海上風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，發(fā)電機(jī)組本身除了需要抵御臺(tái)風(fēng)的侵襲和鹽霧的損壞，還得承受海浪對(duì)機(jī)組地基和塔架的拍打。因此對(duì)海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)組提出了更好的性能要求。
（8）動(dòng)態(tài)載荷控制技術(shù)。由于風(fēng)機(jī)單機(jī)容量不斷增大，風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、湍流等不平衡因素引起的風(fēng)輪不平衡載荷和機(jī)組振動(dòng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其零部件的設(shè)計(jì)與可靠性的影響越來(lái)越大。如何有效減少機(jī)組承受的動(dòng)態(tài)載荷成為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須考慮的問(wèn)題。
隨著風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)及其控制系統(tǒng)的完善和成熟，不僅給風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)高效益，而且同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)品牌的國(guó)產(chǎn)化具有非常重要的研究意義.