ｚ。ｎｇｈｅ Ｙａｎｊｉｕ！ 垒 ｌ 风电发展的研究及应用 孟夏 （武汉大学电气工程学院，湖北武汉４３００７２） 摘要：近几年来，我国的风电产业及其技术水平得到了迅猛的发展，但同时也暴露了一些问题。现对当前风电发展应用过程中出现的问题 以及技术的革新进行了系统的阐述。 关键词：风电；发展；技术：研究；应用 ０ 引言 风是清洁的可再生能源，地球上的风力资源极其丰富，据估 计，全世界全年的风能总量约为２×１０ ｋＷ。自１９７３年爆发石油危 机以后，各国对风能的利用都给予了高度的重视，风电产业及 其技术水平得到了长足的发展和进步。 我国风能储存量大，分布面广，开发利用的潜力巨大。根据中 国气象局第４次风能资源普查结果，我国离地５０ ｍ高度陆地上风 能资源潜在开发量约为２３．８亿ｋＷ，近海５～２５ ＩＴＩ水深范围内风能 资源潜在开发量约为２亿ｋＷ。截至２０１１年底，我国并网风电量达 到４ ５０５．１１万ｋＷ。 风力发电是利用风能驱动发电机旋转从而产生电力的方式。 风力发电系统主要包括风力机、增速器、发电机和控制机等，其工 作原理为：由风力机将风能转化为风轮轴上的机械能，由增速器将 风力机产生的大转矩、低转速机械能转变成与发电机轴相匹配的 机械能，再由发电机将机械能转换成电能输送至用电负荷或电网。 １ 风电装机容量的发展 现代风力发电面临的主要挑战是如何进一步提高效率和可靠 性，同时降低成本，而最有效的途径就是风力发电机的单机容量不 断向大型化发展。２Ｏ世纪８０年代中期，第一台商业化风电机组的 容量为５５ ｋｗ，１９９０年达到２５０ｋＷ，１９９７年达到１ Ｍｗ，１９９９年达 到２Ｍｗ。２００４年Ｅｎｅｒｃｏｎ开发出６Ｍｗ风电机组，估计２０１５年单机 容量将突破１５ Ｍｗ。目前，商业化的主流机单机容量基本都在５ Ｍｗ 以上。２００９年，我国在兆瓦级以上的风电机组所占比例就已经上升 到８６．８６％，这表明大容量风电机组已经成为我国风电市场上的主 流产品。 ２风电机组的功率调节研究 随着桨叶空气动力学、新材料技术、制造工艺以及控制技术的 发展，风机的制造技术也日臻成熟。风电机组中，功率调节器是关 键设备之一。定桨距调节在２０世纪８Ｏ年代进入市场，该技术采用 了并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，有效地解 决了风电机组运行的安全性、稳定性以及并网问题，不足之处在于 该技术的发电效率不高；２０世纪９Ｏ年代，变桨距风机进入风电机 组市场，它采用的技术既可以对启动时的机组进行控制，也可以在 并网后对功率进行控制，从而使风机在启动时的性能和并网后的 功率输出特性方面都有了明显改善：再后来，在把定桨距调节和变 桨距调节方式组合起来的基础上，失速控制技术被研发出来，该技 术在低风速时用变桨距调节，可达到更好的启动效率，但由于在达 到额定功率后桨距角减小，功角增大，叶片失速效应加大，这就降 低了旋转速度，了对风能的捕获能力。 ２１世纪初，风电机组市场出现了效率更高的双馈式变桨变速 风电机组。对于２ Ｍｗ以上的大容量机组，风速的变化对机组的影 响逐渐加大，变速电机的技术特征之一就是对３个桨叶分别进行 单独控制来转换角度和方向，从而对电能的输出进行调整，提高风 能的利用效率。但同时，这也对桨叶控制、系统控制的可靠性提出 了更高的要求。 ３叶片技术研究 延长叶片长度和增加塔架高度是提高风电机组效率的传统方 法，然而无的增大必定会给运输和安装带来一定的难度。因 此，特殊叶片的开发和研制逐渐成为风电技术开发中的关键项目 之一。当前的分段式叶片技术可以较好地解决运输和安装问题，作 为世界上功率最大的风电机组，德国Ｅｎｅｒｃｏｎ公司生产的Ｅ一１２６ 型风电机组就采用了两段式的叶片技术。但该机组也存在着一个 严重的技术瓶颈，就是连接处的刚性断裂问题。因此，叶片制造材 料也是至关重要的。长度大于５０ ｍ的叶片一般采用强化碳纤维材 料以增强叶片的刚度；为了使叶片的气动外形能够快速变化，可以 采用智能材料，像压电材料之类；再如，使用玻璃钏、碳纤维和热塑 材料的混合纱丝为材料时，可以缩短５０％的制造时间。 ４并网技术研究 随着风电场容量的增加，接入电网的过程也会对大电网的供 电质量产生极大的影响，比如电压不稳定、谐波与闪变等，因此，风 电并网技术逐渐成为风电领域最受关注的技术之一。目前，这方面 的主要研究成果有：（１）通过软件建设，提高电网的调度能力和水 平；（２）制定入网标准，提高风电的控制水平和电源品质，从而减少 对电网的冲击和影响；（３）提高风电机组功率的短期预测技术能 力，尽量把误差控制在１５％以内。以上措施实施后，并网接纳风电 的比例得以大幅提高，如丹麦的风电装机和风电发电量占总电力 装机和发电量比例就达到了２５％和１６％，德国也已经达到了１７％ 和７％。 ５风机电功率的预测 提高风机电功率的预测能力可以很大程度上控制风电的并网 质量。我国的电网目前可接受的风电穿透功率不能超过８％，若能 对风速和风力发电功率进行比较准确的预测，则大大有利于电力 系统及时调整计划，同时还可以减少电力系统运行成本和旋转备 用，提高风电的传统功率极限。目前，国内对风电功率的预测手段 还不是很成熟，预测的精度与实际负荷还有较大的差距。不过，现 有的中国电科院和吉林电力公司合作开发的电力功率预测系统， 已在吉林省调度中心实现工程应用，并取得了一定的实际效果。 ６储能技术研究 我们知道风能是一种极不稳定的能源，如果储能装置与其他 装置不能互补，则难以提供稳定的电能输出。新研制出来的储能电 池可以解决风力发电的间歇性对大电网的冲击问题，保 整个输 电网络系统的连续性和稳定性。据资料显示，当并入的电能达到电 网系统的１０％以上时，就必须用储能电池来稳定电压。目前常见的 储能设备包括蓄电池（如铅酸蓄电池、锂电池、镍电池以及锌溴蓄 电池）、飞轮、超级电容器、超导以及压缩空气等多种形式。新型储 能技术的研发越来越受到人们的关注，在风电系统中必定有着非 常好的发展前景。 （下转第１７５页） 机电信息２０１２年第ｌ５期总第３３３期１７３ ｚ。ｎｇｈｅ Ｙａｎｊｉｕ 命，还能达到节能减排的效果。 羹 个性化需求的智能照明控制系统，不仅能够美化环境，延长灯具寿 统以及高质量音频重放系统，正在强有力地推动家庭影音娱乐的 兴起和发展。存高清、高音质的双高视听空问里，人们可以尽情地 灯光情景控制系统组网采用无线射频ＨｏｍｅＲＦ方式，终端与 享受看电影和听音乐带来的乐趣。 ＨｏｍｅＲＦ网关通过以太网或ＲＳ一４８５相连，灯光与灯光控制面板采 ３＿７其他功能 用硬接线方式进行手动操作，灯光控制面板、移动传感器、光度传 感器、情景控制面板与智能终端通过无线方式进行连接，通过智能 可以提供一些增值服务，比如社ｌ父通知、订餐服务、家政服务、 购物中心、社区新闻、天气预报、社区医疗、广告等信息，方便用户 终端实现人体感应联动、情景控制联动、光亮度变化联动等高级控 的生活。 制功能。 ３．２智能家电控制 支持远程对户内终端进行升级，保持用户的系统版本处于最 佳状态。 智能家居内家用电器均选择支持无线接入或电力线载波技术 产品，同时全部与智能终端实现互连。通过智能终端提供的多样化 控制方式在家庭或网络可达的任何地点都能随时进行控制。对于 非智能家电的控制，可以采用无线射频来控制插座，对于红外家 ４ 结语 目前智能家居业务在我国开展的还比较少，而日．也不够丰南， 主要集中在一些发达地区和一些发达城市。智能家居还处于发展 的初期阶段，市场仍需进一步培育，相关部门仍需加快制定行业标 电，可以采用红外转发器来达到深度控制的目的。固定的ＰＣ可以 通过户内通信网络对电器进行控制，移动户内终端和支持ｗｉ＿Ｆｊ 准。随着３Ｇ网络的普及、智能家居组网技术的发展、网络传输速 度的提高 ｌ市场环境的进一步成熟，智能家居的前景一定会更加 手机将通过Ｗｉ—Ｆｉ无线对家庭局域网进行控制。 ３．３电动窗帘、窗户的控制 美好。 ［参考文献］ ［１］陈于平．基于无线射频技术的智能家居［Ｊ］．传感器世界，２００８（８） ［２］张明杰．智能家居系统中的家庭网关分析与设计［Ｊ］．科学技术与 工程，２００９（７） 按照预先设定的时间 序，对家中的窗帘、窗户的开启／关闭 进行控制。户主可以在家ｑ１无人时远程打开窗帘、窗户，给家里通 风，保持家中空气新鲜。 电动窗帘控制采用无线方式进行，智能终端通过射频ＨｏｍｅＲＦ 与窗帘控制面板相连，对家庭的窗帘、窗户实现无线控制。 ３．４可视对讲 智能终端支持可视对讲功能。住户与访客之间可进行视频通 话，可视对讲系统需要在入户门口设置单户门口机，通过单户门口 机把访客的视频传入户内，户内智能终端或可视对讲分机上将出 现访客影像。 ３．５智能安防系统 智能安全防护是融无线传感和控制技术于一体，集防盗、防 火、防煤气泄露为一身的全无线型安防系统。户内户外部署的探测 器探测到异常情况后会立即向户内终端发送报警信号，户内终端 可以向事先设好的电话号码拨打紧急报警电话或发送短信。 ３．６影音娱乐系统 收稿日期：２０１２—０３—２１ 作者简介：裴孟翔（１９７７一），男，河南许昌人，工程师，从事电力通 随着人们生活水平的不断提高，高清大屏幕与平板化显示系 信和智能电网方面的产品研究。 （上接第１７３页） ７可再生能源的联合发电技术研究 风能、太阳能等都是清洁能源，并且取之不尽，用之不竭，同时 （４）：ｌ４～１９ ［２］王超，张怀宇．风力发电技术及其发展方向［Ｊ］．电站系统工程， ２００６，２２（２）：ｌ１～１３ 又表现出一定的不稳定性、不连续性。特别是我国属于季风气候 区，一般都呈现出风大时太阳辐射强度小，风小时太阳辐射强度大 的特点，因此，应尽可能发展风一光联合技术，以提高系统供电的 连续性、稳定性和可靠性，增加风电系统的经济和社会效益。联合 发电技术存在的问题是其对发电系统的控制和管理要求较高，系 统设计较复杂。 ［３］刘细平，林鹤云．风力发电机及风力发电控制技术综述［Ｊ］．大电机 技术，２００７（３）：１８￣２３ ［４］许洪华，郭金东．世晃风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨 ［ＩＩ］．电力设备，２００５，６（１Ｏ）：ｌＯ６～１０８ Ｌ５ｊ Ｃｈｅｎ Ｚｈｅ，Ｊｏｓｅｐ Ｍ．Ｇ．，Ｆｒｅｄｅ Ｂ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ【＿Ｊｊ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ，２００９，２４（８）：１ ８５９～１ ８７８ ８结语 尽管我国的风电产业得到了快速的发展，但仍然存在着不少 问题，特别是在核心技术及关键技术的研究方面，因此，加强对风 电系统及其对大电网影响的研究至关重要。本文对风力发电的发 展现状及相关技术应用进行了探讨，希望能为我国风电行业的稳 步发展提高发挥一定的参考作用。 ［参考文献］ ［１］陈永祥，方征．中国风电发展现状、趋势及建议［Ｊ］．科技综述，２００４ 收稿日期：２０１２—０３—１４ 作者简介：盂夏（１９９Ｏ一），女，湖北人，研究方向：电气工程与自动化。 机电信息２０１２年第１５期总第３３３期１７５
