【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5MW)、美國(guó) (11603MW)、印度 (6270MW)和丹麥 (3136MW)。 表 23 為 2020 年底全球前十大風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)總裝機(jī)容量及市場(chǎng)占有率。歐洲是目前全世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快 ,同時(shí)也是風(fēng)電裝機(jī)最多的地區(qū)。 2020 底歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為 7708 萬(wàn) kW,約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 51%。盡管 2020 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)幅度有所放緩 ,年增幅由 2020年的 58%降為 2020 年的 51%，不過(guò)隨著一些歐洲國(guó)家海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展 ,預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。其次為亞洲%(3679MW)和北美洲地區(qū) %(3230MW),其它地區(qū)合計(jì)市場(chǎng)占有率為%(580MW)，如圖 22所示。 圖 22 2020年全球新增風(fēng)力發(fā)電區(qū)域分布 (數(shù)據(jù)來(lái)源 GWEC2020） 2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 表 22 2020年至 2020年全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量 年度 累計(jì)裝機(jī)容量（ MW） 增長(zhǎng)率 2020 7,600 25% 2020 10,200 34% 2020 13,600 33% 2020 17,400 28% 2020 23,900 37% 2020 31,100 30% 2020 39,431 26% 2020 47,620 20% 2020 59,091 24% 2020 74,223 27% 年復(fù)合增長(zhǎng)率 29% 表 23 2020年底全球前十大風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)總裝機(jī)容量 國(guó)家 總裝機(jī)容量（ MW） 市占率 德國(guó) 20,620 % 西班牙 11,615 % 美國(guó) 11,603 % 印度 6,270 % 丹麥 3,136 % 中國(guó)大陸 2,604 % 意大利 2,123 % 英國(guó) 1,963 % 葡萄牙 1,716 % 法國(guó) 1,567 % 前十大總市場(chǎng)占有率 85% 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究 18 我國(guó)有著豐富的風(fēng)能資源 ,幅員遼闊、海岸線較長(zhǎng) ,風(fēng)能資源比較充足 ,風(fēng)能資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙古等北部地區(qū)和東部至東南沿海地帶及島嶼?！笆澜缒茉蠢硎聲?huì)” 1994 年風(fēng)能評(píng)估報(bào)告指出 ,中國(guó)理論 風(fēng)力資源潛力是 17,000TWh/年。我國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為 10 億 kW,其中 ,陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW(依據(jù)陸地上離地面 10m 高度計(jì)算 ),海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW。但是 ,由于我國(guó)地形復(fù)雜、國(guó)土廣闊 ,風(fēng)能資源的地區(qū)性差異很大 ,即使在同一地區(qū) ,風(fēng)能也有較大的差別。 風(fēng)能利用歷史可追溯到公元前，但進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電科研的工作起步較晚，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全國(guó)陸地上離地 10m 高度層上風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 3226GW 和4350GW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有 253GW 和 297GW。如果風(fēng)能資源的 開(kāi)發(fā)和利用率實(shí)現(xiàn) 60%，那么僅風(fēng)能就可以支撐中國(guó)目前每年全部的電力需求 [11]。我國(guó)利用風(fēng)力發(fā)電是從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始的，到 20 世紀(jì) 80 年代初，起步較晚，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們還有相當(dāng)大的差距。 至今，我國(guó)已經(jīng)在河北張家口、遼寧營(yíng)口、黑龍江富錦等等地區(qū)建成10多個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)的大型風(fēng)電基地，并初步形成幾個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地，并且計(jì)劃在甘肅酒泉、江蘇南通等地興建 GW級(jí)風(fēng)電場(chǎng)。 2020 年全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電容量又一次實(shí)現(xiàn)飛躍性的發(fā)展。繼 20 2020 年實(shí)現(xiàn)年增長(zhǎng)率分別為 %、 % 后 [15]，再次實(shí)現(xiàn)了年增長(zhǎng)率為 %。全年新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 萬(wàn) kW，占 2020 年全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)容量的 %。近 10多年來(lái)全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量及年增長(zhǎng)率情況如圖 23 示。近幾年，尤其是 2020— 2020 年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)連續(xù) 3年增長(zhǎng)翻番，風(fēng)電在我國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐械谋戎赜辛舜蠓忍岣?。盡管同期全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康脑鲩L(zhǎng)也很快，但風(fēng)電裝機(jī)比重仍從 2020 年的 %提高到了 2020 年的 %。 1992 年以來(lái)全國(guó)歷年的累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量及其占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康谋戎刈兓闆r如圖 24 所示。 2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 圖 23 全國(guó)風(fēng)電近年新增裝機(jī)及年增長(zhǎng)率（未含臺(tái)灣省數(shù)據(jù)） 圖 24 19922020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)及其占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)的比重 第三章 風(fēng)電機(jī)組的分類及控制 風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其基本原理為：風(fēng)輪捕獲風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出三相交流電。對(duì)于非直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，不符合發(fā)電機(jī)的要求，因此還配備齒輪箱，將風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)主軸，同時(shí)通過(guò)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行增速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變 成電能輸送給負(fù)荷或電力系統(tǒng)，這就是風(fēng)力發(fā)電的工作過(guò)程 [16],如圖31所示。 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究 20 圖 31 風(fēng)力發(fā)電的工作過(guò)程 由于風(fēng)電機(jī)組的組成復(fù)雜，因此，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，風(fēng)電機(jī)組有不同的分類方式。例如，按裝機(jī)容量，按運(yùn)行方式，按風(fēng)輪軸方向，按功率調(diào)節(jié)方式，按傳動(dòng)形式等可分為以下幾種。 （ 1）按裝機(jī)容量可以分為小型、中型、大型和特大型風(fēng)電機(jī)組。小型機(jī)組指容量在 ~1kW；中型機(jī)組指容量在 1~100kW；大型機(jī)組指容量在100~1000kW，特大型為 1000kW 以上。 （ 2） 按運(yùn)行方式可分為離 網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不與電網(wǎng)連接，運(yùn)行不受電網(wǎng)電壓及頻率的限制，因此不必設(shè)置控制運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，一般用于沒(méi)有電網(wǎng)地區(qū)。而并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能向電網(wǎng)輸送，電壓和頻率必須與電網(wǎng)一致。 （ 3） 按風(fēng)輪軸方向分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)輪軸基本上平行于風(fēng)向的機(jī)組，工作時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按風(fēng)輪與塔架的相對(duì)位置可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向，如圖 32（ a）所示。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，垂直軸風(fēng)輪按形成轉(zhuǎn)矩的機(jī) 理又可分為阻力型和升力型，阻力型的效率低于升力型，如圖 32（ b）所示。 (a)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (b)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 圖 32 兩種風(fēng)輪軸方向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)能 風(fēng)輪 機(jī)械能 電能 機(jī)械能 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 （ 4） 按功率調(diào)節(jié)方式分為定槳距風(fēng)機(jī)、普通變槳距風(fēng)機(jī)和主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)。 定槳距風(fēng)機(jī)：其風(fēng)輪葉片直接與輪轂固定，安裝角固定不變。失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理是在一定迎角范圍內(nèi)葉片翼型的升力系數(shù)與迎角成正比，超出一定迎角后氣流開(kāi)始分離，不再保持正比關(guān)系， 當(dāng)迎角大到一定程度后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加稱為失速。失速型風(fēng)電機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)是，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，可靠性高。但失速型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)低，葉片上有較復(fù)雜的氣動(dòng)制動(dòng)裝置，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，需要比較大的安全系數(shù)。 普通變槳距風(fēng)機(jī)：這種風(fēng)機(jī)當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，通過(guò)減小葉片翼型上合成氣流方向與翼型幾何弦的攻角，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，能使功率輸出保持穩(wěn)定。同時(shí)風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程也需要通過(guò)變距來(lái)獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。采用變槳距技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還可使葉片和整機(jī)的受力狀況 大為改善，這對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組十分有利。 主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)：主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是定槳距型與變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)合。葉片采用失速葉片，在低風(fēng)速時(shí)將槳距角調(diào)節(jié)到可獲取最大功率輸出的位置；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，槳距角主動(dòng)調(diào)到失速范圍，使功率穩(wěn)定在額定值或以下，限制功率超載。隨著風(fēng)速的不斷變化，葉片僅需微調(diào)就能維持額定功率輸出 [17]。主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是既具備定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，又可進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，輸出功率較平穩(wěn)。 （ 5） 按傳動(dòng)形式可分為高傳動(dòng)比齒輪箱型、直接驅(qū)動(dòng) 型和半直驅(qū)型。 高傳動(dòng)比齒輪箱機(jī)組中的齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，通常達(dá)不到風(fēng)電機(jī)發(fā)電的要求，必須通過(guò)齒輪箱齒輪副的增速作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。 直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)組應(yīng)用多極同步發(fā)電機(jī)可以去掉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見(jiàn)的齒輪箱，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒(méi)有了齒輪箱所帶來(lái)的噪聲、故障率高和維護(hù)成本大等問(wèn)題，提高了運(yùn)行可靠性。 而半直驅(qū)型機(jī)組的工作原理是以上兩種形式的綜合，這種風(fēng)機(jī)減少了何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究 22 傳統(tǒng)齒輪箱的傳動(dòng)比，同時(shí)也相應(yīng)地 減少了多極同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，從而減小了發(fā)電機(jī)的體積。 （ 6） 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制方式分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 恒速恒頻 ( constant speed constant frequency， CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這是 20 世紀(jì) 80、 90 年代常見(jiàn)的一種類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，機(jī)組容量已發(fā)展到兆瓦級(jí)，具有性能可靠、控制與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但這種風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)力機(jī)必偏離最佳轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率 Cp 值也會(huì)偏離最大值，導(dǎo)致輸出功率下降，浪費(fèi)了風(fēng)力資源，發(fā)電 效率大大降低。 變速恒頻 ( variable speed constant frequency， VSCF) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變化，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，可適時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù) Cp 接近或達(dá)到最佳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能最大限度地捕獲，由此優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高 [18]。相對(duì) CSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， VSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍較寬，可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功。目前，國(guó)內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組多采用這種運(yùn)行方式，尤 其是兆瓦級(jí)的大容量風(fēng)電系統(tǒng)已成為主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 目前在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域主要采用水平軸風(fēng)電機(jī)組形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖 33 所示，由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。 圖 33 水平軸風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖 2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 表 31 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型分類 結(jié)構(gòu) 形式 功率 風(fēng)輪軸 方向 功率調(diào)節(jié)方式 傳動(dòng)形式 轉(zhuǎn)速變化 水平 垂直 定槳距 變槳距 有齒輪箱 直接 驅(qū)動(dòng) 定速 多態(tài) 定速 變速 主動(dòng) 失速 普通 變距 高傳 動(dòng)比 中傳 動(dòng)比 ~1kW小型風(fēng)機(jī) 有， 常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有， 常見(jiàn) 無(wú) 無(wú) 無(wú) 無(wú) 有 有 無(wú) 無(wú) 1~100kW中型風(fēng)機(jī) 有 有 有 無(wú) 無(wú) 有 有 有 100~1000kW 大型風(fēng)機(jī) 有， 不常見(jiàn) 有， 常見(jiàn) 有， 常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有 有 有， 常見(jiàn) 1000kW以上特大型風(fēng)機(jī) 有， 不常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有， 常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有， 不常見(jiàn) 有， 常見(jiàn) 根據(jù)基本結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，發(fā)電機(jī)通?？煞譃橹绷麟姍C(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)和同步電機(jī)幾 大類。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)類型繁多，包括以下類型。在 CSCF 風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)包括異步機(jī)感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步機(jī)。異步機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)，適用于各種惡劣的工況條件，但轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄。電機(jī)定子一般通過(guò)變換器或軟啟動(dòng)器與電網(wǎng)相連，如圖 34 所示，通常還需并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償器，提供足夠的無(wú)功補(bǔ)償以維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。軟啟動(dòng)器的主要作用是限制并網(wǎng)時(shí)過(guò)大的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的不利影響。 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究 24 圖 34 帶軟啟動(dòng)器的異步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 圖 35 雙 PWM結(jié)構(gòu)的異步恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 電勵(lì)磁同 步電機(jī)，帶有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，是同步電機(jī)必不可缺的組成部分，必須通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的激磁才能建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式可分為直流勵(lì)磁、靜止交流整流勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁無(wú)需電刷及滑環(huán)，可靠性大為提