2014年發(fā)電廠及電力系統(tǒng)__論文風力發(fā)電原理及前景概述

1、吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計論文 論文題目：風力發(fā)電原理及前景概述 學 院： 機電技術(shù)學院 專 業(yè)： 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2014 年 6 月 20 日摘要風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風能作為一種無污染、可再生的綠色能源，它對于解決全球性的能

2、源危機和環(huán)境危機有著重要的意義。因此，風力發(fā)電成為各國學者研究的重點。目前，國內(nèi)學者對大型風力發(fā)電的研究已日趨成熟，但對于實驗室風力發(fā)電機的研制還是比較欠缺的。 本次畢業(yè)設(shè)計的重點是擬設(shè)計簡易的風力發(fā)電，該設(shè)備能讓學生容易了解風力發(fā)電的原理，以及大致測算出影響風力發(fā)電的各個因素，方便以后的大學物理實驗教學，同時在制作和測試過程中對出現(xiàn)的一些現(xiàn)象進行深刻的思考，具有很強的實用性和趣味性。在研制的過程中，同時對風能的轉(zhuǎn)化功率，風速等影響發(fā)電的因素，進行測量，并與理論進行對比，進而得出影響效率的因素。目錄摘要I第一章 風力發(fā)電概述11.1 風力發(fā)電的背景11.2 風力發(fā)電的現(xiàn)狀11.3 風力發(fā)電的潛

3、力21.4 風力發(fā)電的意義3第二章 風力發(fā)電機42.1 風力發(fā)電機的構(gòu)成42.2.1 恒速風力發(fā)電機42.2.2 有限變速風力發(fā)電機52.2.3 變速風力發(fā)電機52.3 不同風力發(fā)電機的綜合比較62.3.1 年能量利用率和經(jīng)濟性的對比分析62.3.2 不同類型風力發(fā)電機市場應用情況7第三章 風力發(fā)電控制技術(shù)83.1 定槳距失速風力發(fā)電技術(shù)83.2 變槳距風力發(fā)電技術(shù)83.3 主動失速混合失速發(fā)電技術(shù)83.4 變速風力發(fā)電技術(shù)93.5 風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制93.6 模糊控制93.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制103.8風力發(fā)電的其他技術(shù)103.8.1 風電質(zhì)量103.8.2 結(jié)構(gòu)和空氣動力學113.8.3 風

4、電場建設(shè)113.9技術(shù)發(fā)展趨勢展望11第四章 風力發(fā)電的優(yōu)缺點134.1風力發(fā)電的優(yōu)點134.2風力發(fā)電的缺點13第五章 未來發(fā)展的建議15結(jié)論16致謝17參考文獻18第1章 風力發(fā)電概述1.1 風力發(fā)電的背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。據(jù)專家預測，煤炭還可開采221年，石油39年，天然氣只能用60年。如何實現(xiàn)能源的持續(xù)發(fā)展，從而保證經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和社會的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)是各國政府必須解決的大問題，即能源戰(zhàn)略問題。唯一的出路就是有計劃的利用常規(guī)能源，節(jié)約能源，開發(fā)新能源和可再生能源。 現(xiàn)在作為占能源消耗首位的電能是二次能源，是由其他能源

5、轉(zhuǎn)換而來的。目前世界各國電能產(chǎn)生主要是靠火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電以碳氫化合物為主要成分的煤、重油等為燃料，燃燒后向大氣排放SO2、CO2等有害氣體及煙塵、SO2形成酸雨，對農(nóng)作物、森林、建筑物及金屬材料構(gòu)成危害和腐蝕浪費。CO2形成溫室效應，改變局部氣候，造成各種自然災害。為了減少火電對大氣的污染，實現(xiàn)能源的持續(xù)發(fā)展。世界各國都在積極地發(fā)展風力發(fā)電。隨著全世界風力發(fā)電裝機容量的快速發(fā)展和風力發(fā)電機的成熟和不斷完善，在今后10年，風力發(fā)電必將成為世界各國更加重視和重點開發(fā)的能源之一。1.2 風力發(fā)電的現(xiàn)狀 21世紀是可再生能源的世紀，由于風能非常豐富、價格非常便宜、能源不會枯竭，又可以在很大范圍內(nèi)取得

6、，非常干凈、沒有污染，不會對氣候造成影響，因而風力發(fā)電具有極大的推廣價值。在中國，風能資源豐富的地區(qū)主要集中在北部、西北和東北的草原、戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼上。這些地區(qū)缺少煤炭及其他常規(guī)能源，并且冬春季節(jié)風速高，雨水少；夏季風速小，降雨多，風能和水能具有非常好的季節(jié)補償。另外，在中國內(nèi)陸地區(qū)，由于特殊的地理條件，有些地區(qū)具有豐富的風能資源，適合發(fā)展風電，比如江西省都陽湖地區(qū)以及湖北省通山地區(qū)。目前我國的風能利用方面與國際水平還在一定差距，但是發(fā)展很快，無論在發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上，都有很大提高。據(jù)資料顯示，2004年全國在建項目的裝機容量約150萬千瓦，其中正在施工的約42萬

7、千瓦，可研批復的68萬千瓦，項目建議書批復的45萬千瓦，包括五個10萬千瓦特許權(quán)項目。 風電和水電具有不同步發(fā)生規(guī)律，風力發(fā)電高峰處于秋季與冬季，水利發(fā)電高峰期處于春季和夏季，風電和水電具有季節(jié)性特性，可實現(xiàn)季節(jié)性互補；風力發(fā)電是環(huán)保型可再生能源，可改善電源結(jié)構(gòu)，替代一部分火電容量，節(jié)約煤炭，減少污染，保護環(huán)境。 據(jù)初步測算，目前風電場造價成本約為80009000元/KW，機組（設(shè)備）占75%左右，基礎(chǔ)設(shè)施占20%，其它占5%。風能利用小時數(shù)在27003200小時，其風電成本約0.450.6元/千瓦時。假設(shè)：風電場造價成本為：9000元/KW，上網(wǎng)電價（并網(wǎng)收購電價）為：0.6元/KW（不含稅

8、價），運行小時數(shù)（風能利用時間）為：3000小時，上網(wǎng)（并網(wǎng)）損耗為5%，風電場運行費用（年KW收入）10%，：則年KW發(fā)電收入=（運行時數(shù)×上網(wǎng)損耗）×上網(wǎng)電價×運行費用，（3000×5%）×0.6元/KW×10%1539元/年（KW）。 1.3 風力發(fā)電的潛力 長期以來，由于風電電價高于火電電價，作為清潔能源的風電對于解決能源短缺和環(huán)境保護問題的意義長期得不到應有的重視。事實上，風電作為一項高新技術(shù)，具有著巨大的產(chǎn)業(yè)前景。而它作為新興能源，更對促進邊遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有著巨大的作用。在電力緊張、能源緊缺的情況接踵而至的今天，我國應該重

9、新認識風能的利用問題。 首先，風力發(fā)電的潛力體現(xiàn)為風電電價的快速下降。截止到目前，風電電價正在快速下降，甚至已日趨接近燃煤發(fā)電的成本，經(jīng)濟效益開始凸現(xiàn)。據(jù)顯示，風力發(fā)電能力每增加一倍，其成本就下降15?？v觀近幾年，風電增長一直保持在30以上，因而成本也正隨之不斷下降。目前，中國風電成本約在0.5元以上，隨著中國風力發(fā)電裝機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風電成本可望再降。此外，風電外部成本幾乎為零，甚至低于核電成本。據(jù)初步測算，如果將內(nèi)部成本和外部成本同時計入成本，風電將是當前世界上最經(jīng)濟、最潔凈的能源。 其次，風電的潛力體現(xiàn)于風能資源的豐富性。據(jù)初步統(tǒng)計、中國陸地10米和海面15米可供開發(fā)的風力資源

10、在幾億千瓦以上，相當于可開發(fā)水能資源（3.9億千瓦）的2.5倍。而50米風力資源還會增大一倍。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，地面 50100米的風力資源都可開發(fā)利用。7 制和創(chuàng)造良好的環(huán)境，使技術(shù)隊伍能夠穩(wěn)定地成長。 中國風電行業(yè)發(fā)展比較迅速，但與國際風電行業(yè)的發(fā)展水平還有很大差距，國內(nèi)的風電設(shè)備主要依靠進口，對外依賴性強，雖然風電成本已下降很多，但相比火電成本的優(yōu)勢在短期內(nèi)并不會明顯突出，風電行業(yè)的發(fā)展還有很多的阻礙因素。但是風電行業(yè)投資的高風險，必然會為風電行業(yè)發(fā)展帶來高收益，不論是風電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益、社會效益，還是中國目前奉行的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)約戰(zhàn)略，都為風力發(fā)電行業(yè)提供了很大的發(fā)展空間?，F(xiàn)在，風能發(fā)電成

11、本已經(jīng)下降到1980年的1/5。隨著技術(shù)進步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭.1.4 風力發(fā)電的意義 (1)充分利用風能資源，減少常規(guī)能源的消耗，符合國家能源改革的方向。而且風能又是可再生能源(即在同一地點相距68倍風輪高度的距離后風能又達到原值)。取之不盡，用之不竭。 (2)風力發(fā)電場對比同規(guī)模使用燃煤電廠其向大氣排放的污染物為零，實現(xiàn)固體、氣體零排放。對保護大氣環(huán)境有積極作用。(3)風力發(fā)電場比燃煤電廠可節(jié)省大量淡水資源，減少水環(huán)境污染。特別是對缺少淡水資源的沿海及干旱地區(qū)更重要。(4)在沿海及旅游區(qū)風力機群也是一道風景線，可在一定程度上反映經(jīng)濟、文化、環(huán)境相融洽

12、的程度。(5)通過實物教育，可增強公眾開發(fā)自然資源、保護環(huán)境的意識。?(6)建設(shè)風力電場對發(fā)展沿海經(jīng)濟有重大意義。如建海產(chǎn)冷庫、開展海水淡化、進行電量季節(jié)調(diào)峰等都起到關(guān)鍵作用。第二章 風力發(fā)電機2.1 風力發(fā)電機的構(gòu)成風力發(fā)電機組由風輪、機艙、塔架和基礎(chǔ)構(gòu)成。風輪是風力機的核心部件。機艙由底盤、整流罩和機艙罩組成，底盤上安裝機組發(fā)電系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)等主要部件。機艙罩后上方裝有風速和風向傳感器，艙壁上有隔音及通風裝置等，底部與塔架連接。塔架支撐機艙達到所需高度，其上布置發(fā)電機和主控制器之間的動力電纜、控制電纜及通信電纜，塔架上還裝有供操作人員上下機艙的扶梯或電梯。基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

13、，其中心預置與塔架連接的基礎(chǔ)部件，基礎(chǔ)周圍還設(shè)置了防雷擊的接地裝置。2.2 風力發(fā)電機主要類型 根據(jù)風力發(fā)電機的運行特征, 風力發(fā)電機可分為恒速風力發(fā)電機( F ixed speed generator)、有限變速風力發(fā)電機(L imited variable speed generator) 和變速風力發(fā)電機(Variable speed generator). 2.2.1 恒速風力發(fā)電機 恒速風力發(fā)電機, 采用了籠型異步發(fā)電機, 發(fā)電機通過變壓器直接接入電網(wǎng). 因為籠型異步發(fā)電機只能工作在額定轉(zhuǎn)速之上很窄的范圍內(nèi), 所以通常稱之為恒速風力發(fā)電機. 并網(wǎng)運行時, 異步發(fā)電機需要從電網(wǎng)吸收滯后

14、的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場, 這惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù), 易使電網(wǎng)無功容量不足, 影響電壓的穩(wěn)定性. 為此, 一般在發(fā)電機組和電網(wǎng)之間配備適當容量的并聯(lián)補償電容器組以補償無功. 由于籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低且可靠性高, 比較適合風力發(fā)電這種特殊場合, 在風力發(fā)電發(fā)展的初期, 籠型異步發(fā)電機得到了廣泛的應用, 有效地促進了風電產(chǎn)業(yè)的興起. 隨著風力發(fā)電應用的深入, 恒速籠型異步發(fā)電機具有的一些固有缺點逐步顯現(xiàn)出來, 主要是籠型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速之上1% 5% 內(nèi)運行, 輸入的風功率不能過大或過小, 若發(fā)電機超過轉(zhuǎn)速上限, 將進入不穩(wěn)定運行區(qū). 因此, 在多數(shù)場合需將2臺分別為高速

15、和低速的籠型異步發(fā)電機組合使用, 以充分利用中低風速的風能資源. 另外, 風速的波動使風力機的氣動轉(zhuǎn)矩隨之波動, 因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變, 風力機和發(fā)電機之間的軸承、齒輪箱將會承受巨大的機械摩擦和疲勞應力. 而且, 由于風力機的速度不能調(diào)節(jié), 不能從空氣中捕獲最大風能, 效率較低. 齒輪箱的存在增加了風力機的重量和系統(tǒng)的維護性, 影響了系統(tǒng)效率, 增加了噪聲. 2.2.2 有限變速風力發(fā)電機 有限變速風力發(fā)電機,發(fā)電機采用繞線式異步發(fā)電機.繞線式異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子外接可變電阻, 其工作原理是通過電力電子裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻, 從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率, 使發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率可增大至10% , 實現(xiàn)有限變速

16、運行, 提高輸出功率. 同時, 采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制, 以提高動態(tài)性能, 維持輸出功率穩(wěn)定, 減小陣風對電網(wǎng)的擾動. 然而, 由于外接電阻消耗了大量能量, 電機效率降低了. 有些文獻也把這種發(fā)電系統(tǒng)稱為高轉(zhuǎn)差率異步發(fā)電機系統(tǒng)。2.2.3 變速風力發(fā)電機1、有刷雙饋異步發(fā)電機.由雙饋異步發(fā)電機( Doub ly fed induction gener2ator, DFIG)構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的,流過轉(zhuǎn)子回路的功率是雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率,該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分.一般來說,轉(zhuǎn)差率為同步速附近30% 左右, 因此, 與轉(zhuǎn)子繞組相連的勵磁變換

17、器的容量也僅為發(fā)電機容量的30% 左右,這大大降低了變換器的體積和重量. 采用雙饋發(fā)電方式, 突破了機電系統(tǒng)必須嚴格同步運行的傳統(tǒng)觀念, 使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制, 而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響, 變機電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接. 相對于繞線式發(fā)電機, 雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子能量沒有被消耗掉, 而是可以通過變換器在發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間雙向流通. 變換器可以提供無功補償, 平滑并網(wǎng)電流. 正是DF IG具有上述優(yōu)點, 目前大多數(shù)大可變速風力發(fā)電系統(tǒng)都采用這種方式, 例如Ves2tas, Gamesa, GE, Nordex等公司都有此類產(chǎn)品. 但

18、其 控制系統(tǒng)也相對復雜, 尤其是雙向變換器的DFIG勵磁控制技術(shù)和雙向并網(wǎng)發(fā)電 控制技術(shù), 對于DFIG系統(tǒng)而言, 是至關(guān)重要的難點之一.雙饋發(fā)電機系統(tǒng)具有的缺點: 存在多級齒輪箱及滑環(huán)、電刷, 不可避免地帶來摩擦損耗, 增大了維護量及噪聲等; 在電網(wǎng)故障瞬間, 驟然變大的定子和轉(zhuǎn)子電流要求變換器增加保護措施, 增大了軟硬件投入, 而且大的故障電流增加了風力機的扭轉(zhuǎn)負荷. 2、電勵磁同步發(fā)電機. 電勵磁同步發(fā)電機(Electr ically excited synchro2nous generator, EESG) 10 變速恒頻直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)如圖6所示, 電壓源型逆變器的直流側(cè)提供電機轉(zhuǎn)子

19、繞組的勵磁電流, 發(fā)電機發(fā)出的是電壓和頻率都在變化的交流電, 經(jīng)整流逆變后變成恒壓恒頻的電能輸入電網(wǎng). 通過調(diào)節(jié)逆變裝置的控制信號可以改變系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率, 實時滿足電網(wǎng)的功率需要. 在變速恒頻直驅(qū)風力發(fā)電機組中, 整流逆變裝置的容量需要與發(fā)電機容量相等.采取直驅(qū)方式, 發(fā)電機運行在低速狀態(tài), 其電磁轉(zhuǎn)矩相對較大, 同時發(fā)電機極對數(shù)較多, 意味著發(fā)電機的體積也較大. 但由于省去了齒輪箱, 系統(tǒng)的效率和可靠性都得到了提高. 變換器為全功率變換器, 在整個調(diào)速范圍能使并網(wǎng)電流平滑, 具有噪聲低、電網(wǎng)電壓閃變小及功率因數(shù)高等優(yōu)點. 該系統(tǒng)主要缺點是系統(tǒng)成本較高, 功率變換器損耗較大. 3

20、、永磁同步發(fā)電機. 永磁同步發(fā)電機( Permanent magnet synchronousgenerator, PMSG), 它采用的電機是永磁發(fā)電機, 無需外加勵磁裝置, 減少了勵磁損耗; 同時它無需電刷與滑環(huán), 因此具有效率高、壽命長、免維護等優(yōu)點. 在定子側(cè)采用全功率變換器, 實現(xiàn)變速恒頻控制. 系統(tǒng)省去了齒輪箱, 這樣可大大減小系統(tǒng)運行噪聲, 提高效率和可靠性, 降低維護成本. 所以, 盡管直接驅(qū)動會使永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速很低, 導致發(fā)電機體積很大, 成本較高, 但其運行維護成本卻得到了降低. 采用直接驅(qū)動永磁發(fā)電機具有傳動系統(tǒng)簡單、效率高以及控制魯棒性好等優(yōu)點, 因此具有越來越大的吸

21、引力. 目前已有多家公司可以提供商業(yè)化的多極永磁風力發(fā)電機系統(tǒng), 如Enercon,W inW ind等公司. 該系統(tǒng)的主要缺點是永磁材料價格較高, 且在高溫下易被去磁, 功率變換器容量與發(fā)電機容量相同, 變換器成本較高. 隨著風機單機容量的增大, 齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突出, 于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發(fā)電機直接相接的直驅(qū)式布局應運而生. 但是, 低速多極發(fā)電機重量和體積均大幅增加. 為此, 采用折中理念的半直驅(qū)布局在大型風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應用, 與直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)不同是, 半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)在風力機和PMSG之間增加了單級齒輪箱, 綜合了DFIG和直驅(qū)PM

22、SG系統(tǒng)的優(yōu)點.與DGIG系統(tǒng)相比, 減小了機械損耗; 與直驅(qū)PMSG系統(tǒng)相比, 提高了發(fā)電機轉(zhuǎn)速, 減小了電機體積. 采用全功率變換器, 平滑了并網(wǎng)電流, 電網(wǎng)故障穿越能力得到提高. 2.3 不同風力發(fā)電機的綜合比較 2.3.1 年能量利用率和經(jīng)濟性的對比分析經(jīng)濟成本是制約風力發(fā)電技術(shù)推廣的一個重要因素. 對于風電機組特別是大型發(fā)電機組來說, 其整個成本包括投資成本和運行成本.投資成本又分為風電機組成本、選址和安裝成本、包括銀行信貸在內(nèi)的融資成本以及項目初期的計劃和施工等雜項費用. 運行成本也可以分為風電機組運行和維修成本、保險成本、土地成本及項目管理成本. 由此可見, 風電機組的成本問題涉

23、及很多因素.目前, 全球建設(shè)風力發(fā)電的造價大約為1 000美元/kW, 我國風力發(fā)電的初始投資從1994年的約12 000元/kW降低到8 000 9 000元/kW. 這個費用約為煤電單位造價的2 2. 5倍, 但是考慮到生物質(zhì)能發(fā)電成本是煤電的2. 5 3倍, 太陽能發(fā)電成本是煤電的11 18倍, 以及減少環(huán)保投入、降低能源損耗、舒緩運輸壓力等方面問題, 風力發(fā)電比其他新型發(fā)電方式的優(yōu)勢更多. 當前在風力發(fā)電的商業(yè)市場上占統(tǒng)治地位的毫無疑問雙饋感應發(fā)電機和多級增速齒輪概念. 但通過以上綜合比較可以看出, 永磁直驅(qū)發(fā)電機有望逐漸成為大型風力發(fā)電機組的主流, 并與DFIG風力發(fā)電機組競爭. 尤

24、其是針對海上風電場來說, 體積巨大的直接驅(qū)動風力發(fā)電機并不會明顯增加運輸和吊裝方面的難度. 基于全功率變換器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地處理例如低電壓穿越等問題,另外, 海上風電場對風力發(fā)電機組的可靠性和可維護性要求更高, 因此直接驅(qū)動概念或?qū)⑹紫仍诤Ｉ巷L電場獲得大規(guī)模的應用. 2.3.2 不同類型風力發(fā)電機市場應用情況 為了評估風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢, 對不同類型風力發(fā)電機市場應用情況, 對商業(yè)市場上不同風力發(fā)電機制造商進行了有關(guān)考察.給出了來自多個國家和地區(qū)的公司生產(chǎn)的2MW以上功率等級的風力發(fā)電機, 包括Vestas, Gamesa, GE wind,Repower, Nordex等公司

25、. 風力機類型、發(fā)電機型式、額定功率和風輪轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)都是從有關(guān)公司的網(wǎng)站上獲得大部分制造商采用了齒輪箱增速的風力機類型. Vestas, Gamesa, GE wind, Repower,Nordex, E cotecn ia等公司制造的風力機采用了雙饋感應發(fā)電機及多級增速齒輪箱, 因此, 根據(jù)表4的統(tǒng)計表明, 當前在風力發(fā)電的商業(yè)市場上占統(tǒng)治地位的是雙饋感應發(fā)電機和多級增速齒輪概念, 而最常用的發(fā)電機為感應電機, 包括雙饋感應電機和鼠籠感應電機2種形 12 式. Mu ltibrid和W inW ind 公司采用了單級齒輪增速的永磁同步發(fā)電機, 而Enercon Zephyros公司生產(chǎn)的直

26、接驅(qū)動風力機則分別采用了電勵磁同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機. 國內(nèi)發(fā)電機的工業(yè)基礎(chǔ)良好, 制造企業(yè)較多. 國內(nèi)為大型風力發(fā)電機組配套生產(chǎn)發(fā)電機的企業(yè)主要有永濟電機、蘭州電機、湘潭電機、株洲時代、上海電機、大連天元、東風電機、南洋電機等. 目前, 北車集團永濟廠、蘭州電機、株洲南車電機、湘潭電機等企業(yè)已實現(xiàn)1. 5MW及以下發(fā)電機批量生產(chǎn), 包括異步電機、異步雙饋電機、永磁電機等. 2008年, 全國風力發(fā)電機產(chǎn)能總計約5 400臺( 6 500MW)。 第三章 風力發(fā)電控制技術(shù) 由于自然風速的大小和方向的隨機變化，風力發(fā)電機組切入電網(wǎng)和切出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風輪的主動對風以及對運動過程中故障

27、的檢測和保護必須能夠自動控制。風力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)從定槳距恒速運行至基于變槳距技術(shù)的變速運行，已經(jīng)基本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標。3.1 定槳距失速風力發(fā)電技術(shù)定槳距風力發(fā)電機組于20世紀80年代中期開始進入風力發(fā)電市場，主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題、運行安全性與可靠性問題。采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏行與自動解纜技術(shù)。槳葉節(jié)距角在安裝時已經(jīng)固定，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制，輸出功率由槳葉本身性能限制。當風速高于額定轉(zhuǎn)速時，槳葉能夠通過失速調(diào)節(jié)方式自動地將功率限制在額定值附近，其主要依賴于葉片獨特的翼型結(jié)構(gòu)，在大風時，流過葉片背風面的氣

28、流產(chǎn)生紊流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲，產(chǎn)生失速。由于失速是一個非常復雜的氣動過程，對于不穩(wěn)定的風況，很難精確計算出失速效果，所以很少用在MW級以上的大型風力發(fā)電機的控制上。定槳距風力發(fā)電機組葉片與輪轂直接剛性相聯(lián),具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點,尤其適合于海上風電場。3.2 變槳距風力發(fā)電技術(shù) 從空氣動力學角度考慮，當風速過高時，可以通過調(diào)整槳葉節(jié)距、改變氣流對葉片攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使輸出功率保持穩(wěn)定。采用變槳距調(diào)節(jié)方式，風機輸出功率曲線平滑， 在陣風時，塔筒、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊較失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機要小很多，可減少材料使用率，降低整機重量。其缺點是需要套復雜

29、的變槳距機構(gòu)，要求其對陣風的響應速度足夠快，減小由于風的波動引起的功率脈動。 3.3 主動失速混合失速發(fā)電技術(shù) 這種技術(shù)是前兩種技術(shù)的組合。低風速時采用變槳距調(diào)節(jié)可達到更高的氣動效率，當風機達到額定功率后，風機按照變槳距調(diào)節(jié)時風機調(diào)節(jié)槳距相反方向改變槳距。這種調(diào)節(jié)將引起葉片攻角的變化，從而導致更深層次的失速，使功率輸出更加平滑，其綜合了前兩種方法的優(yōu)點。3.4 變速風力發(fā)電技術(shù) 變速運行是風機葉輪跟隨風速變化改變其旋轉(zhuǎn)速度，保持基本恒定的最佳葉尖速比，風能利用系數(shù)最大的運行方式。與恒速風力發(fā)電機組相比，變速風力發(fā)電技術(shù)具有低風速時能夠根據(jù)風速變化在運行中保持最佳葉尖速比獲得最大風能、高風速時利

30、用風輪轉(zhuǎn)速變化儲存的部分能量以提高傳動系統(tǒng)的柔性和使輸出功率更加平穩(wěn)、進行動功率和轉(zhuǎn)矩脈動補償?shù)葍?yōu)越性。 3.5 風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略根據(jù)控制器的不同可分為兩大類：以數(shù)學模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法和模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的智能控制。由于空氣動力學的不確定性和電力電子模型的復雜性，使風電機組成為一個復雜多變量非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點，致使風力發(fā)電系統(tǒng)很難用數(shù)學模型來描述，所以傳統(tǒng)控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)中不適用。由于智能控制可充分利用其非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素，因此各種智能控制方案于近幾年被開始應用于風電

31、機組控制領(lǐng)域。3.6 模糊控制 模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制。它不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，能克服非線性因素影響，對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。由于風力發(fā)電系統(tǒng)是一個隨機性的非線性系統(tǒng)，因此模糊控制非常適合于風力機的控制。模糊控制在發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟蹤、最大風能捕獲、發(fā)電機最大功率獲取以及風力發(fā)電系統(tǒng)魯棒性等方面取得了較好的控制效果?；\型異步發(fā)電機可采用模糊控制器跟蹤發(fā)電機轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)最大空氣動力效率、計算輕載時磁鏈以實現(xiàn)發(fā)電機一逆變器效率優(yōu)化、實現(xiàn)發(fā)電機速度控制的魯棒性，可根據(jù)功率偏差及其變化取得在額定風速以下運行時的最大功率。變速

32、恒頻無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 采用自適應模糊控制模型，可實現(xiàn)較好的魯棒性和抗干擾能力，并且利用模糊控制可實現(xiàn)最大風能捕獲并改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。大部分文獻采用的是簡單模糊控制器，主要缺點是控制精度不高，會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差， 需要專家知識，缺乏自適應能力。 3.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其自學習和自收斂性可作為自適應控制器。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來根據(jù)以往觀察風速數(shù)據(jù)預測風速變化等方面。變槳距風力發(fā)電系統(tǒng)中可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過在線學習并修改 特性曲線，實現(xiàn)風能的最大捕獲并減小機械負載力矩，根據(jù)風速數(shù)據(jù)和風力發(fā)電機動態(tài)特性可建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考自適應

33、控制模型?；跀?shù)據(jù)的機器學習是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方面，研究從觀測數(shù)據(jù)出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對未來數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進行預測，來對工業(yè)過程進行有效控制。這些學習方法包括模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等。在風電系統(tǒng)中，可從運行機組獲取大量重要數(shù)據(jù)，以對機組的動態(tài)特性和性能進行研究。因此，將上述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習方法與風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制相結(jié)合，是解決風機控制問題的重要途徑之一。 3.8風力發(fā)電的其他技術(shù)3.8.1 風電質(zhì)量 自然風速的大小和方向是隨機變化的，風能具有不穩(wěn)定性。如何使風力發(fā)電機的輸出功率定是風力發(fā)電技術(shù)的一個重要的問題。迄今為止研究人員已提出了多種改善風電質(zhì)量的方法。如上所

34、述，采用變速控制技術(shù)可以利用風輪的轉(zhuǎn)動慣量平滑輸出功率。但是由于變速風力發(fā)電機組采用電力電子裝置，當它將電能輸送給電網(wǎng)時會產(chǎn)生電力諧波并使功率因素惡化。因此，為了滿足在變速控制過程中良好的動態(tài)特性，并能使發(fā)電機向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，發(fā)電機和電網(wǎng)之間的電力電子接口應實現(xiàn)以下功能： (1)在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；(2)具有單位功率因素或可控制的功率因素；(3)使發(fā)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓的變化； (4)向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率； (5)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩可控。 此外，當電網(wǎng)中并入的風力發(fā)電容量達到一定程度，會引起電壓不穩(wěn)定，特別當電網(wǎng)發(fā)生電壓突降，風力發(fā)電機組無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于

35、保護動作切出電網(wǎng)。在風能占較大比重的電網(wǎng)中，風力發(fā)電機組的突然切出會導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風力發(fā)電機組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。風力發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響可以運用儲能技術(shù)來改善。3.8.2 結(jié)構(gòu)和空氣動力學 在機械方面通過結(jié)構(gòu)動力學的研究,改進設(shè)計，避免或減少由于風的波動而引起的有害機械負荷，減少部件所受的應力，從而減輕有關(guān)部件及機組整體的重量，進一步降低成本。改進機械結(jié)構(gòu)的另一個動向是采用新型整體式驅(qū)動系統(tǒng)，集主傳動軸、齒輪箱和偏航系統(tǒng)為一體，這樣就減少了零部件數(shù)目,同時增強了傳動系統(tǒng)的剛性和強度，降低了安裝、維護和保養(yǎng)的費用。目前，風力機的槳葉葉型多采用美國空軍的標準系列

36、葉型，CANA系列或63系列此種葉型具有較好的動力性能。但是，由于風輪的工況與飛機機翼的工況不同，風輪上的風速分布不均勻，造成風輪的徑向受力不均。風輪在旋轉(zhuǎn)過程中，當轉(zhuǎn)到上方與下方時，受力不同，交復變化，以及風速風況的不穩(wěn)定等，是引起風力機振動的主要原因；而葉尖處的空氣擾動是產(chǎn)生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影響將是風電界技術(shù)人員深入探討的課題。3.8.3 風電場建設(shè)風電場建設(shè)應注意解決的主要問題包括：（1）加強風能資源的區(qū)域勘察及重點風能調(diào)查。風力資源的優(yōu)劣直接影響風力發(fā)電量，從而影響發(fā)電成本。在同樣條件下年均風速6m/s的風電場發(fā)電成本比615m/s的下降8%左右，715m/s的下降1

37、4%左右，8m/s的下降近30%。因此，認真作好風能資源的勘察非常重要。（2）風電場場址選擇。一般需要綜合考慮建設(shè)區(qū)內(nèi)風資源類別、交通路況、建設(shè)區(qū)內(nèi)有否鳥類遷徙路線或者鳥類遷徙目的地、周邊建筑物分布及電網(wǎng)構(gòu)成等因素。（3）復雜地形條件下,風流風向的分布分析及風機的選點和選型。 （4）風電場建設(shè)的工程設(shè)計和施工。3.9技術(shù)發(fā)展趨勢展望 為提高風力發(fā)電效率，降低成本，改善電能質(zhì)量，減少噪聲，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行，風力發(fā)電將向大容量、變轉(zhuǎn)速、直驅(qū)化、無刷化、智能化以及微風發(fā)電等方向發(fā)展。（1） 風力發(fā)電機大型化。這可以減少占地，降低并網(wǎng)成本和單位功率造價，有利于提高風能利用效率。（2） 采用變槳距和變速

38、恒頻技術(shù)。變槳距和變速恒頻技術(shù)為大型風力發(fā)電機的控制提供了技術(shù)保障。其應用可減小風力發(fā)電機的體積、重量和成本，增加發(fā)電量，提高效率和電能質(zhì)量。（3） 風力發(fā)電機直接驅(qū)動。直接驅(qū)動可省去齒輪箱，減少能量損失、發(fā)電成本和噪聲，提高了效率和可靠性。（4） 風力發(fā)電機無刷化。無刷化可提高系統(tǒng)的運行可靠性，實現(xiàn)免維護，提高發(fā)電效率。（5） 智能化控制。采用先進的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等智能控制方法，可以有效克服風力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素。（6） 采用磁力傳動技術(shù)和磁懸浮技術(shù)，使電機能夠“輕風起動，微風發(fā)電”。 第四章 風力發(fā)電的優(yōu)缺點4.1風力發(fā)電的優(yōu)點 風能是最具商業(yè)潛力、最具活力的可再

39、生能源之一，使用清潔，成本較低，取用不盡。風力發(fā)電具有裝機容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為經(jīng)濟增長提供穩(wěn)定電力供應的同時，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問題。在各類新能源開發(fā)中，風力發(fā)電是技術(shù)相對成熟、并具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)開發(fā)條件的發(fā)電方式。風力發(fā)電可以減少化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的大量的污染物和碳排放。大規(guī)模推廣風電可以為節(jié)能減排做出積極貢獻。在全球能源危機和環(huán)境危機日益嚴重的背景下，風能資源開始受到普遍關(guān)注。風力發(fā)電規(guī)?；l(fā)展給風力發(fā)電裝備制造業(yè)提供了廣闊的市場空間和前景。風電的突出優(yōu)點是環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢棄物。風力發(fā)電機基礎(chǔ)使用的面積很

40、小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。多風的地方往往是荒灘或者山地，建設(shè)風電場的同時也開發(fā)了旅游資源。 （1）風能一種用之不竭、儲量豐富、沒有污染的再生能源； （2）建造風力發(fā)電場價格比水電站、火力發(fā)電廠以及核電站的建造費用低得多； （3）不需要常規(guī)燃料或核電站所需的核材料，即可產(chǎn)生電力,除常規(guī)保養(yǎng)外,沒有其他任何消耗； （4）風力發(fā)電和其他發(fā)電方式相比，它的建設(shè)周期一般很短，而且安裝1臺投產(chǎn)1臺，裝機規(guī)模靈活，可根據(jù)資金多少來確定，為籌集資金帶來便利； （5）風力發(fā)電運行簡單，可完全做到無人值守； （6）風力發(fā)電實際占地少，機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占風力發(fā)電場約7%的土地，其余場地仍可供其他產(chǎn)業(yè)使

41、用。對地形要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地均可建設(shè)。4.2風力發(fā)電的缺點 （1）風力發(fā)電在生態(tài)上的問題是可能干擾鳥類，如美國堪薩斯州的松雞在風車出現(xiàn)之后已漸漸消失。目前的解決方案是離岸發(fā)電，離岸發(fā)電價格較高但效率也高。（2）在一些地區(qū)、風力發(fā)電的經(jīng)濟性不足：許多地區(qū)的風力有間歇性，更糟糕的情況是如臺灣等地在電力需求較高的夏季及白日、是風力較少的時間；必須等待壓縮空氣等儲能技術(shù)發(fā)展。（3）風力發(fā)電需要大量土地興建風力發(fā)電場，才可以生產(chǎn)比較多的能源。（4） 進行風力發(fā)電時，風力發(fā)電機會發(fā)出龐大的噪音，所以要找一些空曠的地方來興建。（5）不穩(wěn)定，不可控，但是現(xiàn)在的風力發(fā)電還未成熟，還有相當發(fā)展空

42、間。第五章 未來發(fā)展的建議 1、加強智能電網(wǎng)建設(shè)、發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)公司規(guī)劃溝通協(xié)調(diào)。智能電網(wǎng)通過數(shù)碼技術(shù)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性及效率，可以應用在所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，是新能源產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的核心之一。電網(wǎng)公司和發(fā)電企業(yè)必須要加強合作，探討電網(wǎng)建設(shè)滯后和風力發(fā)電超前的問題。2、按照風電直供或者非并網(wǎng)解決風電并網(wǎng)難問題。3、加大對風機的技術(shù)研發(fā)的支持，解決風機制造企業(yè)的低技術(shù)重復建設(shè)問題，加大重組的推動。淘汰落后的產(chǎn)能。4、公司要積極通過與主要零部件供應商談判等多種方式，適當降低公司的采購成本并爭取取得較為寬松的付款方式。公司可以通過與供應商加強溝通，建立穩(wěn)定持續(xù)的供貨關(guān)系。未來的趨勢是風機制造企業(yè)需要通過并購、或者自己建立一些關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)企業(yè)，這樣，就能夠消除原材料供應對企業(yè)發(fā)展的掣肘。企業(yè)需要考慮在現(xiàn)在國家提倡行業(yè)企業(yè)做大做強，提高競爭力的前提下，加快縱向一體