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第一節(jié) 概述 風能是大氣運動形成的一種能源形式，其能量來自于大氣所吸收的太陽能。 人類對風能的利用歷史久遠，早在公元10世紀，波斯就出現(xiàn)了水平轉(zhuǎn)動的風磨。 我國開始利用風能作為動力大約在13世紀中葉。 現(xiàn)在所說的風能利用主要是指風力發(fā)電。采用風力渦輪機發(fā)電的設(shè)想始于1890年丹麥的一項風力發(fā)電計劃，到1918年丹麥已經(jīng)投入運行了120臺風力發(fā)電機。 風力發(fā)電走向規(guī)模化應(yīng)用還是在20世紀90年代以后，風力發(fā)電的裝機容量開始以每年平均20%以上的速度增長，已成為世界上各種能源中增長最快的一種。 據(jù)統(tǒng)計，2007年底，全球風力發(fā)電新增裝機容量19791MW，總裝機容量達到94005MW，比2006年增加了27%，風力發(fā)電的總量已占全球電力消費總量的1%以上。 我國風能資源非常豐富。 2006年國家氣候中心研究結(jié)果表明，我國陸地10米高度層可開發(fā)和利用的風能儲量除青藏高原外總量約為25億kW，海上可開發(fā)和利用的風能儲量約為7.5億kW，共計約32.5億kW。 我國風電開發(fā)的空間十分巨大。目前，風力發(fā)電只占在全國電力裝機總?cè)萘康?.2%。而根據(jù)國家發(fā)改委的長期產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，2020年10000萬kW，占全國電力總裝機的2%。 一、世界風能發(fā)電概述 20世紀末，由于能源危急和全球環(huán)境保護的影響，歐洲、美國及亞洲的印度、中國風力發(fā)電出現(xiàn)強勁勢頭，其中丹麥的風電量已經(jīng)超過了總發(fā)電量的20%。 目前， 歐洲最大的風力發(fā)電國是德國，西班牙居第二。全球風力發(fā)電保持高速發(fā)展的勢頭，預計到2010年，全球風力發(fā)電裝機總量可以達到160GW。 風力發(fā)電快速增長的原因在于兩個方面：一是經(jīng)濟發(fā)展對電力需求的快速增長和可持續(xù)發(fā)展的要求；二是風力發(fā)電技術(shù)的不斷進步，促進了發(fā)電價格不斷降低。 風電價格不斷降低的同時，化石燃料的價格呈總體上升趨勢，加之環(huán)保和二氧化碳減排的要求，化石燃料發(fā)電的價格總體是上漲的。因此風力發(fā)電將稱為21世紀重要的能源形式之一。 就風能資源的儲量來說，地球上風力資源的利用才剛剛開始，發(fā)電技術(shù)的發(fā)展就是風力發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展。 目前，風力發(fā)電機在葉片材料、氣體動力學特性、控制方式等方面不斷進步的同時，主要是向大型化的方向發(fā)展。 世界風能市場上風力發(fā)電機的主要供應(yīng)商來自歐洲和美國，其中丹麥一直居世界領(lǐng)先地位，占全部市場份額的60%以上。 德國一直引領(lǐng)著世界風電市場的發(fā)展。德國2006年底發(fā)電裝機容量2194MW，是目前世界上發(fā)電裝機容量最多和風力發(fā)電機組技術(shù)最先進的國家。 德國風力發(fā)電的制造技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模都處于世界領(lǐng)先水平，目前世界上在運行的最大的商用風力發(fā)電機組就產(chǎn)自德國。 德國Enercon E112型風力發(fā)電機最大輸出功率達到6MW，風力發(fā)電機全高186m，風輪直徑為114m，切出風速為28~34m/s，是目前世界上最大的風輪機。 丹麥和西班牙----緊隨德國之后 丹麥和西班牙的風電也在高速發(fā)展。西班牙的2006年裝機容量達到11.6GW，欲挑戰(zhàn)德國爭奪歐洲之冠的地位。丹麥已經(jīng)成功地用風電來滿足國內(nèi)23%的電力需求，是世界上風電貢獻率最高的國家。丹麥在風電機組制造、風能資源評價和風電場接入電網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)均居世界領(lǐng)先地位。 美國的風力發(fā)電 美國的風能資源豐富，據(jù)估算，如果全部開發(fā)美國三個州(得克薩斯州等)的風電就可以滿足全美的電力需求。 在美國，風能發(fā)電已經(jīng)很有競爭力，其成本相等甚至低于傳統(tǒng)電力的平均價格。 目前，美國最大的風電場是位于德克薩斯州的馬谷風能中心，該中心建有 421臺風力發(fā)電機組，裝機容量達到735MW，于2006年9月全部建成。 美國新建風電場普遍使用GE公司1.5MW風力發(fā)電機，其次是西門子公司的 2.3MW風力發(fā)電機。 印度--發(fā)展中國家的先鋒 從20世紀80年代起，印度就啟動了風電項目。在20世紀90年代后期印度風電市場一度低靡，但最近卻開始復蘇。截至2006年底，風電裝機容量已達6270MW，印度已經(jīng)成為全球第五大風電生產(chǎn)國。在過去幾年，政府積極推動風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鼓勵大型私有和公有企業(yè)投資，并同時給予當?shù)刂圃旎�地同樣的政策激勵�?在印度，有的公司現(xiàn)在已經(jīng)可以生產(chǎn)70%的風電機組零件，不需要從主要的歐洲制造商進口，從而大大降低了風電機組生產(chǎn)成本，并給當?shù)貏?chuàng)造出額外的就業(yè)機會。印度還建立了兩百多個風力監(jiān)測站，為風能資源的開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。 二、我國風力發(fā)電概況 我國的風電事業(yè)起步較晚，在20世紀末，風力發(fā)電機組的制造還主要在于簡單的小型家用風力發(fā)電機組。 進入21世紀以來，我國的風電裝機容量開始快速增長，2006年底，裝機容量上升到將近260萬kW。 我國國土面積遼闊，風能資源豐富，目前風電裝機容量還相對較低。 規(guī)劃預計到2010年風電裝機總?cè)萘窟_到2500萬kW， 2020年風電裝機總?cè)萘窟_到10000萬kW。 中國的風能資源主要集中在兩個帶狀地區(qū)，一條是“三北(東北、華北、西北)地區(qū)豐富帶”，其風能功率密度在200瓦/平方米～300瓦/平方米以上，有的可達500瓦/平方米以上，如阿拉山口、達坂城、輝騰錫勒、錫林浩特的灰騰梁等，這些地區(qū)每年可利用風能的小時數(shù)在5000小時以上，有的可達7000小時以上。從新疆到東北，面積大、交通方便、地勢平，風速隨高度增加很快，三北地區(qū)風能在上百萬千瓦的場地有四五個，這是歐洲沒法比的。而這個地帶的缺點是建網(wǎng)少，發(fā)出的電上不了網(wǎng)。 一條是東部沿海風帶，主要位于沿海幾十公里的大陸海岸和海道，其風能資源比三北風帶還好，海道煤和石油依靠大陸，電力聯(lián)網(wǎng)困難，發(fā)展發(fā)電迫在眉睫。 新疆達坂城是我國最早建設(shè)規(guī)�；�風電場的地區(qū)，于1989年建成的達坂城風電一場是我國第一個風能發(fā)電場，所有設(shè)備全部從丹麥引進。 廣東省南澳島風電場是我國第一個海島風電場。南澳島是廣東唯一一個島縣，東南季風長，風力資源豐富，風況屬世界最佳之列。到2005年底，裝機容量達到5.6萬kW，是亞洲最大的海島風電場。 2007年6月，我國最大的風電場是內(nèi)蒙古的輝騰錫勒風電場，總裝機容量189MW，為第29界奧運會輸送綠色電力。同時還有兩個風電項目在建，到2010年將建成百萬千瓦級的風電場。 官廳位于北京市官廳水庫南岸，是北京主要的風口之一，一期項目總裝機容量49.5MW，2007年底竣工、并網(wǎng)發(fā)電，生產(chǎn)的電能直接輸入北京電網(wǎng)，供給市民和奧運場館使用。 三、我國風力發(fā)電工業(yè)的現(xiàn)狀 我國在20世紀50年代開始風力發(fā)電機的研制。目前大功率風力發(fā)電機組還依靠進口。 與國際水平相比，我國風力發(fā)電機的單機容量較小，關(guān)鍵部件需要進口，整機質(zhì)量還有差距。 我國在海上發(fā)電的資源勘察、設(shè)備制造、施工安裝工藝和運行管理方面還比較落后。 2007年，國內(nèi)風力發(fā)電機組生產(chǎn)廠家通過引進技術(shù)、合資、合作方式，可以批量生產(chǎn)600kW、660kW和750kW的風力發(fā)電機組，同時也研發(fā)了兆瓦級風力發(fā)電機組。 2006年10月，我國首臺自主研制的1.5MW變速恒頻風力發(fā)電機組在沈陽華創(chuàng)風能有限公司正式出廠。對于我國實現(xiàn)大型風力發(fā)電機組的國產(chǎn)化具有重要意義， 1.5MW變速恒頻風力發(fā)電機組的研制填補了我國該項技術(shù)的空白。 我國風電產(chǎn)業(yè)的自主研發(fā)道路還十分漫長，一些領(lǐng)域與國外先進水平差距甚至在拉大。 我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該是以我為主，中外合作，通過合資、合作的方式引進國外先進技術(shù)，同時大力開展風電領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，逐步形成風電產(chǎn)業(yè)的自主研發(fā)能力。 四、風力發(fā)電的優(yōu)點以及負面影響 風力發(fā)電的優(yōu)點 風能是可再生能源形式，有利于可持續(xù)發(fā)展。 有利于環(huán)境保護。 隨著風電技術(shù)的日趨成熟，風電成本越來越低，可以和其他能源形式相競爭。 風力發(fā)電的負面影響 間接的不可再生能源利用和污染物排放。機組生產(chǎn)過程中造成的污染物的排放是風電的間接污染物排放。 風電可能對鳥類造成傷害 噪聲問題 對無線電通信的干擾 安全問題，葉片折斷傷人等 五、并網(wǎng)發(fā)電風力機的總發(fā)電成本的影響因素 投資成本成是影響風力發(fā)電成本的主要因素，投資成本包括制造加工費、基建費等 系統(tǒng)壽命 運行費和維修成本 風系特性。風能潛力與風速的三次方成正比，平均風速高則電站經(jīng)濟性好 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率 技術(shù)利用率，即正常發(fā)電時間在一年中占的比例 第二節(jié) 風能和風力發(fā)電 一、風能 風能是一種無污染的、可再生的能源，取之不盡，用之不竭，分布廣泛，但能量密度相對較低，具有時空上的不穩(wěn)定行。 研究風能的利用離不開對風的特性描述，風的最大特性是他的變化性。對于風能的利用來講，我們主要關(guān)心風速和風向。 風速的特性 風速是指空氣的移動速度，即單位時間內(nèi)空氣微團移動的距離。 瞬時風速稱為有效風速，即實際發(fā)生作用的風速，通常指很短時間間隔內(nèi)的風速。 平均風速是很長時間內(nèi)風速的平均值，實際上是在較長時間范圍內(nèi)，多次風速測量的平均值，即 風速頻率 風速頻率是風速在一年內(nèi)或一個月內(nèi)中所出現(xiàn)的時間分布。在計算風速頻率是，通常把風速的間隔定為1m/s，依次劃分風速區(qū)間，較長觀測時間內(nèi)各種風速吹風時數(shù)與該時間間隔內(nèi)吹風總數(shù)的百分比就是風速頻率分布。風速頻率是確定風能電站年工作時數(shù)的基本數(shù)據(jù)。 風能“玫瑰”。 風速是矢量，既有大小，也有方向。風速的大小隨時變化，其方向也是不穩(wěn)定的。在一段時間內(nèi)，風速在不同的方向上出現(xiàn)的時間稱為風速在該方向上的方向頻率。方向頻率與該方向上平均風速的三次方的乘積沿個方向的分布即為風能“玫瑰”。根據(jù)玫瑰圖可以看出哪個方向上的風具有優(yōu)勢 風能的能量密度 風能資源的分布 按照風能資源的多少可以劃分成這樣幾個區(qū)域： 最大風能資源區(qū)。我國的最大陸上風能資源區(qū)是東南沿海一帶及其島嶼，這一帶的面積相對較小，只在由海岸向內(nèi)陸幾十公里的范圍內(nèi)才有較大的風能資源。 次最大風能資源區(qū)。為內(nèi)蒙古和甘肅北部。這一帶面積遼闊，終年在西風帶的控制之下，適合大規(guī)模風力發(fā)電，是我國最大的風能資源區(qū)。 大風能資源區(qū)。黑龍江和吉林省北部、遼東半島的沿海區(qū)。 較大風能資源區(qū)。除了上述地區(qū)以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地區(qū)，其中青藏高原風速全年出現(xiàn)時間可達6500h，但由于海拔高，空氣密度小，風能密度也小。 最小風能資源區(qū)。云、貴、川地區(qū)，陜西南部，河南南部，湖南南部，福建、兩廣地區(qū)及塔里木盆地。其中西雙版納和四川盆地的風能最小，只有部分山頂和峽谷等特殊地形的地區(qū)才可能進行風能利用。 二、風力發(fā)電 目前風力發(fā)電可分為兩種方式： 離網(wǎng)型的小型分散風力發(fā)電裝置。這種風力發(fā)電機組功率小，風速適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)技術(shù)成熟，適合家庭和邊遠地區(qū)的小型用電負荷點�？紤]到風能的不連續(xù)性，通常需要配置蓄電池。 并網(wǎng)型大型風力發(fā)電裝置。是風力發(fā)電規(guī)�；�利用的主要方式，最大的功率已經(jīng)達到6MW。丹麥、德國是風力發(fā)電機組生產(chǎn)技術(shù)比較領(lǐng)先的國家。 風力發(fā)電的價值 風電的當量燃料價值。風能進入電網(wǎng)，其他發(fā)電裝置就可以少發(fā)電，從而節(jié)省燃料。 風電的容量價值。電力系統(tǒng)要求有必要的備用容量儲備，風力機組同樣也有容量價值。 減少污染物和溫室氣體的排放。 通過風力發(fā)電所能節(jié)省的燃料、容量和排放費用，可以計算出風力發(fā)電的價值。 風力發(fā)電裝置 風力發(fā)電裝置包括風輪機（風力機）、傳動變速機構(gòu)和發(fā)電機三個主要部分。 其中風輪機是發(fā)電裝置的核心，風輪機大體上分為兩種： 槳葉繞水平軸轉(zhuǎn)動的翼式風輪機 槳葉繞垂直軸轉(zhuǎn)動的風輪機 實際上，目前并網(wǎng)發(fā)電的風輪機主要是三葉式繞水平軸轉(zhuǎn)動的翼式風輪機。 水平軸的翼式風力發(fā)電裝置主要由以下幾個部分組成： 葉輪。也稱風輪，將流體的運動動能轉(zhuǎn)換成軸功向外傳遞。 葉片的設(shè)計需要滿足幾項要求：對特定的風速具有最大的轉(zhuǎn)換效率；最大功率輸出在限制范圍內(nèi)，以保護發(fā)電機；可承受最大風荷和長期疲勞負荷；避免出現(xiàn)共振；質(zhì)量小，價格低。 偏轉(zhuǎn)機構(gòu)和風向標 風速不斷變化，風輪葉片正對來風方向，才能輸出最大的風能。小型風輪機用尾舵來調(diào)整方向，大型風輪機普遍采用偏轉(zhuǎn)機構(gòu)對風輪方向進行精確控制。 傳動機構(gòu) 一般包括低速軸、高速軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和剎車裝置。齒輪箱是風力發(fā)電機組最重最昂貴的部件，因此，很多工程師都在努力探索和研制由風輪機直接驅(qū)動的低速發(fā)電機。 塔架 風速隨著高度的增加而增大，因此較高的塔架可以是風輪機獲得更多的風能。 發(fā)電機 為了與電網(wǎng)頻率保持一致，通常的發(fā)電機組采用：恒速恒頻系統(tǒng)，利用風能的份額小；變速恒頻系統(tǒng)，是目前風能發(fā)電的重要發(fā)展方向。 風速儀和控制器 在風速范圍內(nèi)控制器進行風輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，如風速達到或超過啟動風速，控制器啟動風輪機；如風速達到或超過切出風速，控制器關(guān)閉風輪機。 三、風電場 建設(shè)風電場除了要考慮風速條件外，還要綜合考慮場地狀況、道路狀況、接入電網(wǎng)的條件等因素。一個完整的風電場項目，一般包括以下幾個步驟: 風電場選址 項目可行性評估 項目準備 風電場建設(shè) 風電場運行和維護 風電場退役、場地恢復 風電場選址 一般需要考慮以下一些因素： 風能資源。主要考慮年平均風速，風速頻率，年發(fā)電量和容量系數(shù)。 容量系數(shù)：發(fā)電機組的年度電能凈輸出，與風電機組額定容量與全年運行8760h的乘積比值稱為風電機組的容量系數(shù)。 風電場場地狀況 場地應(yīng)該開闊，地質(zhì)條件好，便于大規(guī)模開發(fā)。 交通運輸方便 并網(wǎng)條件好 距離電網(wǎng)越近，并網(wǎng)投資越少，線損和壓降也越小。 不利氣象條件和環(huán)境的影響 這些不利因素可能影響發(fā)電機組的壽命。 土地征用和環(huán)境影響 風力發(fā)電機組選型和布置 風力發(fā)電機組的選型 單機容量越大，風能利用越高，但是，單機容量增大的同時價格也隨著增加，大容量的機組技術(shù)投入多而產(chǎn)量較小，成本偏高，所以總體來看，風力發(fā)電機組的單機容量價格隨著單機容量的變化呈U字形曲線，國內(nèi)目前性價比較高的仍然是兆瓦級以下的機組。但單機大容量仍然是發(fā)展趨勢。 風力發(fā)電機組的布置 首先根據(jù)風能玫瑰圖確定主導風向，風力發(fā)電機組排列應(yīng)與主導風向垂直。對于開闊、平坦的場地，上游風力發(fā)電機組會對下游風力發(fā)電機組產(chǎn)生干擾，風力發(fā)電機組可以布置成有利于加大風速的地形，采用單排布置或者多排差排布置方式。 風力發(fā)電機組的運行和安全性 風電場中的風力發(fā)電機組在工作期間可能處于如下狀態(tài)之一： 正常工作狀態(tài) 暫停狀態(tài) 停機狀態(tài) 緊急停機狀態(tài) 每種工作狀態(tài)都可看作是風力發(fā)電機組的一個活動層次，運行狀態(tài)處在最高層次，緊急故障狀態(tài)處在最低層次。 運行控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的常規(guī)控制系統(tǒng)，此外，還有一套獨立于運行控制系統(tǒng)的安全系統(tǒng)。安全系統(tǒng)的任務(wù)是在出現(xiàn)嚴重問題或檢測到潛在嚴重問題時保護風力發(fā)電機組，使之處于安全狀態(tài)。保護動作通常是緊急剎車，使風輪機停止工作。 安全系統(tǒng)必須獨立于控制系統(tǒng)，而且具有高度的可靠性和自動故障免除性。為了保證安全，必須配備兩套以上的剎車系統(tǒng)，而且各自的工作方式和動力源必須不同。 風電對電網(wǎng)運行的影響 風速和風向總是隨機變化，因此風能的特點是具有不穩(wěn)定性，使得風電場的輸出功率有波動性，從而影響局部的電能質(zhì)量。風電容量到達一定程度后，會引起電壓不穩(wěn)，特別電網(wǎng)較大波動的時候，可能導致風力發(fā)電機組從電網(wǎng)解鏈，嚴重時甚至導致電網(wǎng)瓦解。 風力發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響可以通過超導儲能技術(shù)加以改善。超導儲能系統(tǒng)是一種新的儲能方式，代表著柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展方向，也可以吸收或釋放有功和無功，快速相應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)的需求信號。 相對與一般發(fā)電廠，風電場風力發(fā)電機一般采用異步機，需要吸收電網(wǎng)無功來建立磁場，從而在并網(wǎng)后對局部電網(wǎng)的電壓水平有明顯的影響。 第三節(jié) 風輪機的基本理論 一、理想風輪機的能量利用 1919年，德國物理學家貝茲首次提出貝茲法則：如果采用風輪機，只能把不足16/27的風的動能轉(zhuǎn)化成機械能。 假設(shè)風輪是理想的，且由無限多葉片組成，氣流通過風輪時也沒有阻力。此外，假定氣流經(jīng)過整個掃風面是均勻的，氣流通過風輪前后的速度方向為軸向。理想的風輪的氣流模型如圖所示。 這就是著名的貝茲理論，他說明風輪從自然界中獲得的能量是有限的，理論上最大值為0.593，損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動能。 二、風輪機的空氣動力特性 風能利用系數(shù)Cp 風能利用系數(shù)定義為風輪機的風輪能夠從自然風能中吸收的能量與輸入風能之比。風能利用系數(shù)可表示為 理想的風能利用系數(shù)Cp的最大值是0.593，即貝茲理論的極限值。Cp值越大，表示風輪機能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風輪機的效率越高，即風輪機對風能的利用率也越高。對實際有用的風輪機來說，風能利用系數(shù)主要取決與風輪葉片的氣動和機構(gòu)設(shè)計及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風力機，其Cp值一般是0.45，而阻力型風輪機只有0.15左右。 風能利用系數(shù)和無因次數(shù)隨葉尖速比變化的曲線構(gòu)成風輪機空氣動力特性曲線 三、風輪機的設(shè)計 風輪機的工程設(shè)計是根據(jù)功率要求，安裝選用的葉輪形式和相應(yīng)的風輪機特性曲線，計算風輪的半徑和轉(zhuǎn)速。 四、風輪機的結(jié)構(gòu)和能量控制 風輪機的機構(gòu) 風輪機設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括： 風輪機槳葉：通常采用３個或兩個槳葉。 輪轂：槳葉安裝在輪轂上，輪轂與低速軸相連接。 低速傳動軸：轉(zhuǎn)速通常較低，內(nèi)部的液壓傳動系統(tǒng)與輪轂內(nèi)的液壓裝置相連用于調(diào)節(jié)槳葉。 齒輪箱：與低速軸和高速軸相連接 高速軸：通常轉(zhuǎn)速在1500r/min左右，與發(fā)電機相連，配有剎車裝置。 機械剎車裝置：用于制動，必要時用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 發(fā)電機：輸出電壓一般為690V，發(fā)電功率在500~1500kW，并朝大容量方向發(fā)展。 電子控制裝置：監(jiān)測風輪機運行狀況，并自動實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，故障時實現(xiàn)自動停機。 冷卻系統(tǒng)：冷卻發(fā)電機。 機塔：用于支撐風輪機。通常高度越高，風速越大，風況越好，需要更高的機塔。 偏轉(zhuǎn)裝置：保持風輪機在迎風方向。 風速風向測量系統(tǒng)：與控制裝置相連，實現(xiàn)風輪機切入和切出的啟停控制。 風輪機的能量控制 風輪機的設(shè)計思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風輪機的設(shè)計是基于目標風場的風速條件，因此風輪機一般被設(shè)計成在風速為8~15m/s時具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。而不是花費心思把風機設(shè)計在強風是有最多電能產(chǎn)出，因為強風天氣不多見。因此在強風天氣時必須浪費多余風能，以免破壞風機。所以風機設(shè)計有能量控制裝置，安全控制方式有如下幾種。 可調(diào)契角控制風輪機 通過監(jiān)測風力發(fā)電機的電能輸出，調(diào)節(jié)槳葉，使槳葉一次輕微地轉(zhuǎn)過一個角度，改變迎風面積，實現(xiàn)能量控制。這種方式通常采用液壓驅(qū)動裝置進行調(diào)節(jié)。 被動失速控制風輪機 被動失速控制風輪機的槳葉被固定，契角不可變。通過適當設(shè)計風輪機的槳葉，根據(jù)空氣動力學原理，當實際風速達到某一特點值時，開始出現(xiàn)失速。該方式避免使用復雜的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉，但同時出現(xiàn)了復雜的氣體動力學設(shè)計難題。 主動失速控制風機 越來越多的大型風機在發(fā)展主動失速控制裝置。在低速時為了有足夠大的力矩，采用和可調(diào)契角同樣的控制方式；當風速增大，發(fā)電機將要超負荷時，則與可調(diào)契角控制方式相反，而是通過主動方式達到槳葉失速，它比被動失速方式更能精確控制能量輸出，另一方面優(yōu)點是它能在強風天氣保持額定功率運行，而失速型通常因為失速而使電能輸出降低。它同時也帶來了投資成本和維護費用的提高。 其他能量控制方法 一些老式的風輪機用葉片上的副翼控制轉(zhuǎn)子輸出的能量。一般飛機上都裝有副翼，通過副翼的轉(zhuǎn)動可以改變機翼的幾何形狀，從而在飛機起飛時提供更多的升力。 另一種在理論上可行的辦法是使風輪機偏離迎風方向，減小風能輸入。偏離控制技術(shù)只應(yīng)用在小型機組上，因為偏離會使轉(zhuǎn)子受周期性變化的力，最終會破壞整個風力發(fā)電結(jié)構(gòu)。 當風速達到啟動風速是，風輪機開始運行，帶動發(fā)電機發(fā)電。隨著風速增加發(fā)電機的功率開始增加。達到設(shè)計風速時，風力發(fā)電機可以達到額定功率。當風速進一步增加時，風力發(fā)電機的能量控制開始工作，是發(fā)電機不會超負荷，而是在額定點附近工作。如果風速進一步增大超過了能量控制調(diào)節(jié)的范圍，風力發(fā)電機就會實施停機保護。 第四節(jié) 風電機組的并網(wǎng)技術(shù) 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn) 早期風電系統(tǒng)中大多采用恒速恒頻風電系統(tǒng)，恒速恒頻風電系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持不變，其運行范圍比較窄，因此逐步被后來的變速恒頻系統(tǒng)所取代。 變速恒頻指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可隨風速變化，而通過其他控制方式來得到恒頻電能�？砂凑詹东@最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使之始終運行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高機組發(fā)電效率，優(yōu)化風力機的運行條件。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)分類 在變速恒頻風電系統(tǒng)中，主要有以下幾種風電系統(tǒng)： 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng) 繞線轉(zhuǎn)子型異步雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 異步電機風力發(fā)電系統(tǒng) 無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 目前應(yīng)用較為廣泛且較有發(fā)展前景的主要是雙饋式和永磁直驅(qū)式。永磁直驅(qū)式風電系統(tǒng)是未來風電系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。 缺點 永磁體增加了電機的成本，永磁物質(zhì)具去磁性，并且電機的功率因數(shù)不可控。 繞線轉(zhuǎn)子型異步雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 優(yōu)點 減小了逆變器損失，因為逆變器功率只需為整個系統(tǒng)總功率的1/4，這是因為變流器只需要控制轉(zhuǎn)子滑差功率。 減小逆變器和電磁噪聲濾波損失。 在外部擾動下，雙饋電機具有更好的魯棒性和可靠性。 異步電機風力發(fā)電系統(tǒng) 優(yōu)點 異步電機相當結(jié)實，無電刷，可靠，經(jīng)濟而普遍。 整流器可產(chǎn)生用于電機的可調(diào)勵磁。快速瞬態(tài)響應(yīng)。 當有剩余容量時，逆變器可作為無功或諧波補償器。 無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 這種采用無刷雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，降低變頻器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔谩? 變速恒頻機組的控制 變速恒頻風力發(fā)電機組的運行分三個階段: 起動階段。發(fā)電機轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入速度。在切入速度以下，發(fā)電機并沒有工作，機組在風力作用下作機械轉(zhuǎn)動，并不涉及發(fā)電機變速的控制。 在變速運行階段。發(fā)電機轉(zhuǎn)速被控制以跟蹤風速的變化，從而獲取最大的能量。 功率恒定階段。在額定風速以上，風力發(fā)電機組的機械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下。 根據(jù)變速風力發(fā)電機組在不同區(qū)域的運行將基本控制策略確定為： 低于額定風速時，通過對變頻器進行控制，從而控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，以改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而能在在變速運行區(qū)域跟蹤曲線，風力發(fā)電機受到給定的功率-轉(zhuǎn)速曲線控制，獲得最大能量。 風力機在高于額定風速時，進入功率恒定區(qū)，通過對槳距角和發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩的控制，跟蹤曲線，并保持輸出穩(wěn)定。 二、基于雙PWM的永磁直驅(qū)式 風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制 永磁直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng) 交-直-交變頻系統(tǒng) 由于風速的隨機性，輸入到發(fā)電機的能量也在不斷地變化，然而，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間是剛性耦合的，不可直接并網(wǎng)。現(xiàn)在一般采取的方法是在同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間采用交-直-交變頻系統(tǒng)，使得這一問題得到解決，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點： 控制方法 對于發(fā)電機側(cè)的整流器，在同步旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標系中采取電流矢量解耦控制，從而可以獨立控制有功無功電流，實現(xiàn)無靜差控制。控制結(jié)構(gòu)如前圖所示，采用速度外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制方式。其中外環(huán)速度參考值由最大功率點跟蹤算法得出，它根據(jù)發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速和輸出有功功率的變化得出一個最優(yōu)的參考速度，發(fā)電機在該轉(zhuǎn)速下運行便能獲得最大的能量。 通過逆變器控制，保持了直流電壓的恒定，使其能穩(wěn)定的向電網(wǎng)輸送電能，并且通過電流內(nèi)環(huán)解耦控制，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的頻率始終為一致，在電網(wǎng)正常運行時，當無功需求為0時能保持功率因素為一，并且在特殊情況時能向電網(wǎng)提供無功功率。 其中給定直流電壓Ud*與實際檢測到的直流連接環(huán)電壓Ud相比較，所得誤差信號經(jīng)比例積分控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生有功參考電流iq*，而無功功率外環(huán)產(chǎn)生無功電流id*。電壓環(huán)外環(huán)控制直流電壓穩(wěn)定，可以使逆變器穩(wěn)定地向電網(wǎng)傳輸功率，而無功功率環(huán)控制逆變器輸出無功功率，從而滿足電網(wǎng)對于無功功率的要求。電流內(nèi)環(huán)依然采用基于旋轉(zhuǎn)坐標軸的解耦控制，采用比例積分調(diào)節(jié)器作為電流環(huán)的控制器。 通過電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用可得到控制整流器所需的電壓信號，采用SPWM調(diào)制法對其進行調(diào)制，即信號波與三角載波進行比較得開關(guān)信號Su，Sv，Sw對IGBT開關(guān)進行關(guān)斷和開通，即可實現(xiàn)控制目的。也可以采用空間矢量PWM調(diào)制法(SVPWM)對其進行調(diào)制。無論是在減小電動機電流諧波損耗，消除轉(zhuǎn)矩波動，提高控制系統(tǒng)性能，還是從逆變器直流側(cè)電壓利用率方面看，采用空間矢量方法調(diào)制都具有明顯的優(yōu)勢。 采用Matlab7.0中Simulink根據(jù)PWM整流器的數(shù)學模型以及控制模型對系統(tǒng)進行建模仿真。取仿真參數(shù)為電機側(cè)交流電壓為500v，頻率為10赫茲，給定直流電壓U*為1300v，電網(wǎng)側(cè)交流電壓為220V，頻率為50赫茲。 在PWM控制下實際的直流電壓Udc迅速跟從給定的Udc*=1300V，保持了直流連接電壓為恒定值。 發(fā)電機輸出的電壓Ueu和電流ieu，其頻率為10赫茲，從圖中可以看出，通過0.06秒時間的調(diào)節(jié)，電流迅速穩(wěn)定下來，與發(fā)電機輸出電壓相位保持一致，即發(fā)電機側(cè)的功率因數(shù)為1。 電網(wǎng)側(cè)輸出電壓Usa和輸出電流isa，由圖可以看出，經(jīng)過逆變器的控制，輸出電流由原來的10赫茲變?yōu)?0赫茲，與電網(wǎng)頻率完全同步，并且同電網(wǎng)電壓相位也保持一致，功率因數(shù)控制為一。 在0~0.1秒時，電網(wǎng)側(cè)給定交流電流的幅值大小為給定is*=20A，在0.1秒以后，突然變化為25A。從圖可以看出當給定is*發(fā)生變化時，通過直接電流PWM控制，電網(wǎng)電流的幅值能即時從20A變化到25A，跟從給定電流的變化，具有非常好的調(diào)節(jié)效果。 影響 隨著越來越多的風電機組并網(wǎng)運行，風力發(fā)電對電網(wǎng)的影響也越來越受到人們的廣泛關(guān)注。風力發(fā)電原動力是不可控的，它的出力大小決定于風速的狀況。從電網(wǎng)的角度看，并網(wǎng)運行的風電機組相當于一個具有隨機性的擾動源，會對電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性等方面造成影響。 (1) 電壓波動和閃變 (2) 諧波污染問題 (3) 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 改善風力發(fā)電并網(wǎng)性能的一些措施 靜止無功補償器(SVC) 利用靜止無功補償器(SVC) 減小風力發(fā)電功率波動對電網(wǎng)電壓影響。風電場是一個發(fā)出有功功率、吸收無功功率的特殊元件， 風電場的電壓往往很低，利用SVC改善系統(tǒng)電能質(zhì)量和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個有效的措施。目前TRC- FC型SVC在國內(nèi)外風電場已得到了廣泛的應(yīng)用。 有源電力濾波器(APF) 近年來，采用電力晶體管(GTR) 和可關(guān)斷晶閘管(GTO) 及脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器， 可對負荷電流作實時補償，有效地抑制了電壓波動和閃變。 超導儲能裝置(SMES) 通過采用基于GTO的雙橋結(jié)構(gòu)換流裝置， SMES可以在四象限靈活地調(diào)節(jié)有功和無功功率， 為系統(tǒng)提供功率補償， 跟蹤電氣量的波動。充分利用SMES有功無功綜合調(diào)節(jié)能力， 可以降低風電場輸出功率的波動， 穩(wěn)定風電場電壓， 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。SMES是一種有源的補償裝置，與SVC相比其無功補償量對接入點電壓的依賴程度小，在低電壓時的補償效果更好。Enw紅軟基地

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