1.3 风电机组技术的发展方向

随着风电的发展，风电机组技术将取得更进一步发展。未来风电机组发展方向包括：设计手段和工具的成熟、新型的更适合风电的发电机、叶片技术、齿轮箱技术、监测与故障预测技术及低电压穿越技术。

1.3.1 设计手段和工具的成熟

风电机组是一个大尺寸、大柔性的多体系统。要在非定常和非均匀载荷及恶劣气候环境下运行20年甚至更长时间，这对风电机组的可靠性提出了很高的要求，同时还要保证性能、降低成本。因此，风电机组的设计是一个由多目标、多约束条件组成的优化设计过程，是多学科的综合集成，需要使用先进的设计手段和现代设计工具。

1.3.2 发电机

发电机对于风电机组的发展有至关重要的作用。目前安装最多的双馈式异步风电机组就得益于发电机技术的发展，它通过转子的交流励磁提供了维持定子电流为恒定频率的功能，从而实现了变速恒频风力发电系统。未来，发电机将在技术上继续突破，从而更加适合风电的需要。目前，永磁直驱风电机组的永磁同步发电机直径长、重量大，已经成为限制永磁直驱风电机组发展的重要因素，因此研制直驱式风电机组专用的新型永磁同步发电机成为必要，其主要特点是体积小、重量轻以及采用非金属定子。

1.3.3 叶片

对于2MW以下的风电机组，通常通过增加塔筒高度和叶片长度来提高发电量，但对于特大型风电机组，这两项措施可能会大大增加运输和吊装的难度及成本。新型高效叶片的设计主要从两个方面考虑：一是叶片的形状和结构;二是叶片的材料。通过改进叶片的形状可以优化其气动特性，抑制扰流，提高发电量，同时降低了噪声。新材料的使用可以提高强度、降低质量、增强可靠性。通过改进叶片设计的结构比如用夹层结构可以提高叶片的坚固性、疲劳特性及防腐性等性能。碳纤维复合材料具有密度小、强度高、刚性稳定、耐温耐腐等特性，越来越多地被采用于大型叶片的制造中。此外，特大型风电机组叶片很长，运输安装困难，分段式叶片是一个很好的解决方案，但难点是如何保证两段叶片接合处的刚性、避免发生断裂。

1.3.4 齿轮箱

目前额定功率超过3MW的多兆瓦级齿轮箱大多是由欧洲公司生产。这些多兆瓦级齿轮箱设计的困难体现在齿轮更正、内部齿轮制造、润滑系统和轴承设计等方面。目前多兆瓦级齿轮箱都使用行星齿轮，但是运动设计有多种类型，其中无级变速齿轮箱是齿轮箱的发展趋势。同时，伴随着半直驱风力发电系统的发展，用于半直驱风力发电系统的一级齿轮箱也是齿轮箱发展的趋势之一。

1.3.5 检测与故障预测技术

随着风电场的规模化发展，分电机组的维护问题愈加重要，风电机组状态检测和故障分析得到了应用，在此基础上，一些国家将军事领域中的故障预测与健康管理系统用于风电机组。通过安装在风电机组上的传感器采集数据信息，再利用各种智能算法来评估风电机组的健康状体，在故障发生前对故障进行预测，并提供维护故障措施，将事后维修和定期维护变为基于状态的维护，可以有效提高机组的完好率，从而降低镜子机组的全生命周期成本，并在一定程度上提高机组的利用小时数。

1.3.6 低电压传越技术

普通异步风电机组和双馈风电机组的低电压穿越能力较差，永磁直驱风电机组的低电压穿越能力相对较好但是目前这但种类型的风电机组低电压穿越能力都不能达到生产需要，还需要采取额外的技术手段和管理措施。目前，世界各国都在研究风电机组的低电压穿越技术，并取得了一定的进展，但是风电机组的低压穿越能力低下仍然是限制风电发展的重要因素，由于对于风电场群和大规模风电基地，风电机组的低电压穿越能力低下带来了很大的安全隐患，为了适应风电的良性快速发展需要，低电压穿越技术必须取得突破。

第二章 风电场的关键技术

风电场发展分为两个不同阶段——陆上开发和海上开发。美国、印度和中国等幅员辽阔的国家优先选择开发陆上风电场，欧美国家由于稀少的土地资源和先进的技术则大力开发海上风电场。陆上风电场开发技术逐渐成熟，海上风电场的开发技术则面临艰巨的技术挑战。风能资源评估技术和风能资源监控技术是所有风电场开发的共同需要，而海上风电基础结构技术和电气设计技术则是海上风电场开发特有的关键技术。

2.1 风能资源评估技术

我国大部分风电场的年平均容量系数仅为0.21～0.24 ，有写风电场的单机平均容量系数仅为0.16～0.18。影响发电量的主要因素是场址上的风资源较差。据调查，目前许多风电场建成投产后实际的年平均发电量比预测值低20%～30%，还有极少数风电场甚至低达40%。导致该结果的一个重要原因就是风资源的测量和评估存在问题。

第三章 电网内接纳风电的关键技术

风电的迅猛发展创造了巨大的价值的同时，也给电网带来了前所未有的沉重压力。德国、美国和西班牙等风电发展大国都遇到了电网瓶颈，即输电阻塞问题。目前我国大规模风电并网所遇到的最显著和最核心的问题也是风电的送出问题。

风电资源本身具有的间接性和波动性特点使得风电场与常规的火电厂、水电厂不同，不能进行稳定的电力生产。由于风电场出力的不稳定，电力系统一般会限制风电在系统中所占的比例，尤其是系统出现阻塞的时候常常会采用切除风电机组的手段，这无疑是风电发展的一大阻碍。只又通过各种措施增强电力系统的灵活性、提高电网对风电的输送能力、解决大规模风电的电网瓶颈问题，才能充分利用风电，促进风电健康快速发展。

结合欧美的风电发展经验以及我国大规模风电开发的发展需要，按照充分利用现有电网中的各种资源、充分利用风力发电设备和保证电网安全可靠经济运行的原则，将增加电网运行灵活性、提高风电输送能力以及解决电网阻塞的常规技术措施总结为三点：①现有电力系统的优化运行;②充分利用电网中的灵活发电资源和传统储能设施进行调频调峰;③加强电网建设。

3.1 电力网络的优化运行

随着风电产业的迅猛发展，风电装机规模迅速扩大，而电网建设相对滞后，风电的送出成为阻碍风电发展的重要因素。现有电力网络的优化运行时一种成本最低的解决方案，它能在不增加投资的情况下，提高系统的传输容量，在一定程度上缓解风电送出的问题。

3.1.1 提高既有线路的传输容量极限

电力传输取决于导体及相关设备的热极限、电压稳定极限和功角稳定极限的限制。热极限由单独的输电线路和设备决定，电压稳定和功角稳定极限则要考虑到整个电力系统或其中一部分的运行情况。此外，技术因素外的一些其他因素进一步限制了电力系统的传输能力。

1.线路的热稳定极限 特定输电线路的热极限评估取决于材料、使用年数、几何结构、塔架高度及不同故障允许的安全标准。不同系统运营商在故障情况下对过电流的容忍程度可能有不同的技术标准。

2.线路的电压和功角稳定极限 提高既有线路传输容量极限的措施有：考虑热极限在一年不同阶段和不同气象条件下的差异;针对热极限对线路采取一定的加固措施;统一相邻系统运营商传输容量确定的方法;环境温度和风速的统计数据用于传输容量的确定;允许故障后暂时的过流;根据环境温度，短期30%～50%的过流对变压器，开关及其他部件来说是可以接受的;在线安全控制和系统运行，降低确定性N-1标准导致在某些情况下以不必要的高昂阻塞成本。

3.1.2 优化潮流分布

优化系统内的有功和无功分布，减少关键输出线路上的有功和无功潮流能够提供额外的传输容量。

电力系统的经济调度是以提高经济效益为主，而优化潮流则是一种可以综合安全性和经济性或某些其他目标的方法。在优化潮流数学模型中包括表示经济性和其他目标的目标函数，满足基本潮流要求的等式约束以及限制控制变量和状态变量的允许范围或时间要求的不等式约束。由于目标函数形式和约束处理上的灵活性，优化潮流的方法并不只限于电力系统安全经济运行。优化潮流份额方法在安全控制、系统规划等方面均可以应用，因此，这一方法在电力系统中具有广阔的前景。

无功对于电力系统电压稳定具有至关重要的影响，但是当负荷和无功分布不均衡时，会有无功潮流通过输电线路，就会占用输电线路的容量，同时增加网损，影响电力系统的经济运行。因此，需要对无功进行就地平衡，这样也能达到优化潮流分布、减少线路潮流的目的。

3.2 充分利用灵活发电资源和传统储能设施

欧美的很多研究表明，欧美电网在消纳大比例风电时不会引起系统运行费用的显著增加。此结论得出的关键在于欧美的电网中有相当比例的灵活电源且欧美电网有着比较完善的电力市场机制。灵活电源，如水电机组燃汽轮机组能够平抑电网中大量的风电波动，电力市场机制使常规电站在风电出力很大、电价较低时降低出力，在风电较小时增加出力，实现电力供需的平衡。由于市场机制本身基于公平、公正和透明的原则，因此由此引发的常规能源与风电的矛盾较少，各方都能接受市场的结果。

3.2.1 风电机组与水力发电机组的协调运行

水电既是常规能源，又是可再生能源，是世界公认的优质资源。优先开发水电尤其是阶梯开发水电是世界公认的规律。水电机组启停方便，机组从静止状态到满负荷运行仅需要几分钟，因此适宜在电网中担任调峰、调频、调相任务，并作为事故备用电源。风电机组和水力发电的协调运行已引起广泛关注。

3.2.2 风电机组与火电机组的协调运行

由于汽轮发电机组需要将水变换为蒸汽，所以从冷状态启动到正常运行发电花费时间较长，因此汽轮发电机组适合于承担稳定的基本符合，也可以承担一定的调峰任务。

燃气轮机发电机组结构简单，辅助设备少，其技术特点是：①机组启动快，启动性好，小型机组通常可在15s～2min内冷态启动到满负荷运行，5万kW机组也只需要5～8min;②运行可靠，经济性好，在很大处理范围内机组的效率可以维持在较高水平。基于以上特点，燃气轮机发电机组在电力系统中承担调峰和紧急备用。如果其容量占系统总容量的15%～20%，则基本能满足系统中尖峰负荷的调峰需要。从而可使系统中承担基本符合的机组长期处于经济工况运行。

3.3 加强电网建设

目前，国外风电的开发主要分散开发分散接入，随着远离负荷中心区域和海上风电的发展，未来风电的发展趋势是距离远、规模化和集中接入，远距离风电、大规模风电的送出成为需要面对的问题。由于这些新建的风电电源一般位于电网末端或电网相对薄弱的地区，因此，要从根本上解决风电送出的问题，就需要加强电网规划和电网建设，增加输送通道和输送容量，提高电网稳定性。

3.3.1 特高压输电技术

高压输电，特别是超高压、特高压输电可以增加输电容量，延长输电距离，减少输电过程中电的损耗，实现节约资源、节省土地、保护环境的目标。对于交流输电，一般将35～220kV电压等级称为高压，330～750kV称为超高压，1000kV及以上称为特高压;对于直流输电，一般将±800kV及以上称为特高压。

特高压输电的特点：提高输送容量;提高稳定极限;降低输电损耗;提升电力输送的经济性;改善电网结构;优化资源配置。

由于西南水电和“三北”风电的开发，建设特高压输电线路成为一种必然，同时，由于特高压输电成本低，能提高可再生能源的竞争力，促进可再生能源的发展，我国特高压在大规模输送可再生能源上将具有良好的发展前景。