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1、毕业设计说明书(论文)作 者： 傅兴元 学 号： 0445201 院 系： 自动化工程学院仪器科学与技术系 专 业： 测控技术及仪器 题 目： 风力发电综述 指导者： 仇林庆 副教授 评阅者： 2008 年 6 月 吉 林摘 要摘 要当今能源日趋紧张, 能源多样化逐渐得到人们的关注。研究开发可再生能源来补充或替代常规能源, 得到世界各国的广泛重视。风能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,已日益受到我国政府的重视,由于我国风力资源丰富,且风力发电机制造成本在逐年下降,因此风力发电前景广阔。本文主要介绍了世界风力发电的现状、风力发电原理、风电的经济性、风电场的建设过程、风电机组和电网介绍、风力
2、发电控制系统、风车的组成和维护、风力发电对环境的影响和自身的特点,以及风电的发展前景。同时，还分析了制约我国风力发电的因素和风力发电与其他发电方式的区别。关键词：风力发电；风电场建设；环境影响；制约因素；发展前景 -III-东北电力大学学士学位论文ABSTRACTAs the energy become more and more tensive today, energy diversification ,especially researching and developing the renewable energy to supplement or replace convention
3、al energy sources,is payed more attention by all countries in the world. Wind energy as inexhaustible and renewable sources of clean energy, has been increasingly attended by our government. as the rich wind resources and the decreased cost of the wind turbine manufacturing year by year, wind power
4、had a broad prospect. This paper mainly describes the status of wind power in the world, the theories of wind power , the economic of wind power, the constructive process of wind power field, the introduction of the wind power unit and power, control system of wind power, the composition and mainten
5、ance of windmills, influence on the environment of wind power and its own characteristics and the prospects of the development of wind power. At the same time, analyzing the factors of restricting wind power of our country and the distinctions of wind power and others.Keywords: Wind Power; The const
6、ruction of wind power; Environmental influece; Restrictive factors; Development prospects目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 概 述10 引 言11. 1 世界风力发电概况21. 2 中国风力发电概况2第二章 风与风能42. 1 风的产生与特性42. 2 风的能量与测量42. 3 中国风能资源6第三章 风力发电73. 1 风车73. 1. 1 风力发电机的构成和各个部分的功能73. 1. 2 小型风力发电机的维护和故障排除83. 2 风力发电的原理103. 3 风力发电机组123.
7、3. 1 总述123. 3. 2 风电机组运行方式133. 3. 3 大型风力发电机组的结构和特点143. 3. 4 国外风力发电机组的结构和特点163. 4 风力发电控制系统173. 4. 1 风力发电机组的控制目标173. 4. 2 风力发电机组的现代控制技术18第四章 风电场建设224. 1 风电场选址224. 2 风电厂施工234. 2. 1 风电场施工特点234. 2. 2 应对策略24第五章 风力发电的特点275. 1 风力发电的优点275. 2 风力发电与环境的关系285. 3 制约我国风力发电的因素31第六章 风力发电的经济性分析346. 1 影响风力发电经济性的因素346.
8、2 风力发电成本的计算34第七章 风力发电未来的发展377. 1 我国海上风力发电377. 2 海洋风电的开发387. 3 中国发展风电的展望39结 语41参考文献42致 谢46第一章 概 述第一章 概 述0 引 言能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础，对社会、经济发展和提高人民物质文化生活水平极为重要。现代社会的生产和生活，几乎完全依赖于能源的大量消耗。在未来的能源结构中,煤炭、水能、核能都会受到资源的制约:火电方面,如果在2020年后维持年产40亿吨煤，并且不再增加,按已知探明可利用的煤炭储量1145亿吨计,我国经济可利用的煤炭资源仅能再维持30年;中国的水能资源经济可开采量约
9、为4亿千瓦,当前水电装机约为1亿千瓦,即使在1520年内将剩余的经济可开采的3亿千瓦水电资源都开发出来,最终还将受到资源的制约;核能方面,我国天然铀资源短缺,仅能支持50座标准的核电站连续运转40年。在我们进入21 世纪的今天,世界能源结构也正在孕育着重大的转变,即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中,目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的,当数风力发电。在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种,它不同于煤、石油、天然气, 需要从地下采掘出来,
10、运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧; 也不同于水能,必须建造坝,来推动水轮机运转;也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。而风能的利用由于简单,且机动灵活,因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有速度很高的风,这是很宝贵的能源,如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利。1. 1 世界风力发电概况 国际能源研究报告表明,如果各国采取有力措施,风力发电到2010年可提供世界电力需求的10%,创造170万个就业机会,并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源,到2010年风电总装机容量达到40.00GW,
11、2020 年达到0.1TW,到2010年德国新增500万千瓦,西班牙新增520万千瓦,年生产能力将达到800万千瓦,可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的50个州中,大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998-2004年期间, 美国风力发电的总装机容量已经超6740MW,可以满足160万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模的扩大,风电发电成本继续下降,估计10年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大,对系统的影响日益明显。人们已经开始利用天
12、气预报的技术来预测风电场功率输出,以优化运行速度。由于600kW级大型风力发电机组技术已经成熟,正在大批量生产,2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行,风力发电的造价由现在的1000美元/kW有可能下降为600-800美元/kW, 发电成本从现在的4-5美分/(kWh),下降到3-4美分/(kWh),风力发电规模经济效益更加明显,可以和火电、水电、核电相竞争, 这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源, 其环境效益也十分明显, 随着风力发电技术的日益成熟, 发电成本的进一步降低,风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电
13、的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益,如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。1. 2 中国风力发电概况我国幅员辽阔,陆疆总长2万多千米,海岸线1.8万多千米,是一个风力资源丰富的国家,全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦,实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦,为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区,跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台,并网型风电场24座,总装机容量26万千瓦,其中绝大多数机组是
14、从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的,最大单机容量为600kW。毫无疑问,中国风能等可再生能源的利用也受到一系列因素的限制,其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比,它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发,从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。目前,我国国产化机组产量仍然偏小,远未达到规模效益,使得零部件采购价格偏高,利润空间很小。因此,我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术,加大风力发电装备国产化进程。还应注意
15、稳定产品质量,提高国产机组可靠性,以取得风电场建设者的认可,逐步加大市场份额。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的风力发电总目标,风力发电设备将尽量达到本土化。-45-第二章 风与风能第二章 风与风能2. 1 风的产生与特性在大气层中，高度愈高，空气愈稀薄，气压也就愈低。然而，由于受太阳照射的强度不同，空气的温度和密度不相同，即使在同一高度上各处的大气压力也不相同。这种气压高低的不同，促使空气产生水平运动，就形成了风。风的大小，同样受到
16、气压的影响，水平方向的气压差别愈大，空气的水平运动就愈迅速，风就愈大；反之，如果一定范围内水平方向的气压没有差别，空气便不会产生水平运动，也就不会有风了。根据气象学家的解释，风是由于空气流动产生的。大气压差是风产生的根本原因。风的特性：风的方向不定，大小不同。风速随着高度的增加而增加，大致的表示为 （2-1）其中，V-高度为H（m）时的风速，m/s;V-高度为H（m）时的风速，m/s。一般取H为10米，修正质数n为1/21/8。风随着季节的变化而变化。2. 2 风的能量与测量风能的主要特性参数如下： 风能： ，W ； （2-2）其中，m气体的质量kg；V气流的速度m/s；S面积m；p空气的密度
17、kg/m 风能的密度： （2-3）根据中国300个气象站的计算经验得出空气密度与海拔高度的关系式为： （2-4） 有效风能密度：当风速由0逐渐增加到某一风速V（切入风速）时，风力机才开始提供功率。在该风速下，风力机所得到的有效功率是整个风力机在无负载损失时所吸收的。然后，风速继续增加，达到某一确定值V(额定风速)，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速再增加到某一值V（切断风速）时，出于安全考虑，风力机应停止运转。 风速与风级如下表：表2-1 风速（m/s）与风级对应关系表风级123456m/s0.3-1.51.6-3.33.4-5.45
18、.5-7.98.0-1.710.8-13.8风级789101112m/s13.9-17.117.2-20.720.8-24.424.5-28.428.5-32.632.6 风向与风频：风向方位图如下：图2-1风向方位图某风向的风频=某风向出现的次数/风向总观测次数*100% （2-5）风的测量方法：主要有3种，一是将每小时内测得的风速取平均值；二是将每小时最后10分钟内测量的风速取平均值；三是在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。2. 3 中国风能资源 风能的大小用风功率密度()来度量,它与空气密度和风速的立方成正比。我国的风能资源,据中国气象科学研究院对全国900多个气象站年平均风能功
19、率密度的估算,10m高度层的总资源量为3226GW。假设其中1/10在技术上可供开发,并考虑风轮扫掠面积系数0.785,得出技术可开发资源量为253GW,主要分布在西北、东北和华北的草原和戈壁,以及东部和东南沿海及岛屿。我国东部沿海水深215m的近海海域,风能资源丰富,专家初步估计约为陆上风能资源的3倍,750GW。第三章 风力发电第三章 风力发电3. 1 风车3. 1. 1 风力发电机的构成和各个部分的功能 图3-1风力发电机内部结构图（1）机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。（2）齿轮箱：齿轮箱左边是
20、低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴50倍。（3）高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。（4）转子叶片：捕获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。（5）轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。（6）低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。（7）偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子
21、控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。（8）电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。（9）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。（10）液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。（11）冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。（12）塔铜：风电机塔载有机舱及转子。通常高的
22、塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对维修人员来说更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。（13）风速计及风向标：用于测量风速及风向。3. 1. 2 小型风力发电机的维护和故障排除首先是风机部分的维护风力发电机安装后，便始终处在大自然的严酷考验之中，寒来暑往，年复一年。它除了经受风霜雨雪日晒的侵袭之外，还可能遭受雷击、冰雹和风沙的袭击。自然环境恶劣。因此，风机的保养和维修就显得十分重要。其基本保养如下：1、检查塔架的钢索是否过松或过紧，并及时调整，尤其在安装初期和大风
23、过后。2、检查各部件连接线缆是否受损，各接线点是否松动锈蚀，确保电气安全。 3、蓄电池需注意保持电解液高度，如有减少及时添加，具体方法请参考蓄电池使用说明书。4、在暴风或其他恶劣天气来临前，为了避免不可预料的损失发生，建议放到塔架。5、建议每三个月进行一次检查。其次是一般故障的排除 1风力发电机剧烈抖动 风力发电机剧烈抖动有以下现象：风轮运转不平稳，并且响声增大，风机机头和机身有明显的振动，严重时可将钢丝绳拉索拔起，使风机摔倒损坏。(1)风力发电机剧烈抖动的原因分析。发电机底座固定螺栓松动；变桨距风轮有卡滞现象；定桨距风轮叶片变形；尾翼固定螺钉松动；立柱拉索松弛。(2)剧烈抖动故障的排除方法
24、风力发电机剧烈抖动时有发生，多数是因主要工作部件螺栓松动引起的。若螺栓松动，将松动的螺栓拧紧(注意加弹簧垫)即可；若定桨距风轮叶片变形，需要卸下修复或更换新叶片(注意，风轮叶片更换应成对、成付一起更换)，若变桨距风轮出现卡滞，此时应卸下风轮，取下叶片，并用汽油清洗变桨距的滑槽、滑块和弹簧等零件，然后再重新装回原位(注意两个叶片的零件不得相互装错，以免破坏风轮平衡)。2.调向不灵 风机调向不灵有以下现象：风轮在低风速时(一般3-5ms以下)，经常不迎风，机头转动困难，风大时(如风速超过12ms以上)，风轮不能及时偏转限速，使风轮长时间超速旋转，致使风机工作稳定性变坏。(1)调向不灵的原因分析。风
25、机立柱(或塔架)上端压力轴承损坏，或风机安装时没有安装压力轴承，因长期不保养风机，使机座回转体长套内和压力轴承处油泥过多，黄油老化变硬，致使机头回转困难，回转体和压力轴承安装时，根本就没有加黄油，致使回转体内部生锈。(2)调向不灵故障的排除方法 卸下回转体，清洗后，若没有安装轴承，则需要补装压力轴承，若长期没有保养，使油泥过多或根本没有加油，则需认真清洗后，再涂新黄油即可。3异常杂音 风机运行中的异常杂音有如下现象：当风速小时出现明显的响声，或摩擦声，或出现明显的敲击声等。 (1)异常杂音的原因分析。螺钉、螺栓各紧固部位有松动之处；发电机轴承缺油或松动；发电机轴承损坏；风轮与其他部件摩擦。 (
26、2)异常杂音的排除方法。发现风机运转工作时有异常杂音，应立即停机检查。若紧固件螺丝松动，加好弹簧垫拧紧即可，若风轮与其他部件摩擦，找出故障点，调整或检修排除，若不属以上原因，则异常杂音可能出在发电机前，后轴承部位，此时应打开发电机前，后轴承盖，检查轴承，对轴承部件清洗或更换新轴承，并加好黄油，将发电机前、后的轴承盖装回原位即可。 4.发电机不发电 发电机不发电的现象：发电机运转工作时，无电流输出。 (1)发电机不发电的原因分析。发电机输电线断路；发电机整流管损坏；输电线接头接触不良；发电机过热或线圈烧坏；保险管烧坏。(2)发电机不发电故障的排除方法。如发现发电机不发电，应立即停机检查，检查时本
27、着先易后难、由表及里的原则，先检查输电线各接头处接触是否牢靠，若各接头没有问题，可进一步检查发电机整流管或保险管是否有损坏，如整流管和保险管没有问题，则可进一步认定是发电机里边的问题。此时卸下发电机，打开前后端盖，取出转子，检查定子线周，如是定子线圈有短路，找出短路部位，重新更换线圈或更换新发电机。5风轮转速明显降低 风轮转速明显降低的现象，一般比较直观。即有风时风轮不好启动，运转时转速上不去，特别是额定风速时，风轮转速达不到额定转速。 (1)风轮转速明显降低的原因分析。变桨距风轮叶片调速后没有复位，发电机轴承损坏，抱闸刹车风轮的刹车带和刹车盘摩擦过大，风轮叶片变形。(2)排除方法。如风轮叶片
28、变形或变桨距叶片没有复位，进行检查调整或更换新风轮叶片，抱闸刹车机型，应检查调整刹车间隙，保风轮运转自如，若发电机轴承损坏，应更换新轴承。3. 2 风力发电的原理风力发电机的基本工作原理比较简单,风轮在风力的作用下旋转,将风的动能转变为风轮轴的机械能,风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力机的核心部件为叶轮的设计,随着空气动力学的飞速发展,叶轮设计已经取得了巨大的进步。一般将叶轮设计成翼形,风轮从自然界获得的能量有限,理论上风力机获得最大效率约为0. 593,其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。如图3-2 叶轮：图3-2 叶轮现代风轮设计一般采用新翼形设计,除按照传
29、统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外,新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数,并减少尖部叶片弦长,以控制转子尖部的负荷。而在中部采用较高的升力系数,并增加叶片弦长,以达到中等风速时的最佳风轮性能。这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加。相信随着计算机流体设计水平和三维设计在风轮设计中的应用,可以设计出在一定输出功率下的最佳风轮几何形状。现代并网风力发电机主要分为恒速恒频和变速恒频两种发电运行方式。(1)恒速恒频方式,即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化,始终维持恒转速运转,从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式简单可靠,但是
30、对风能的利用不充分,而且风轮调速机构体积较大,结构复杂,也增加了设备投资。(2)变速恒频方式,即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行,但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可增加10%的风能利用率,以前需增加来实现恒频输出的较昂贵的电力电子设备,现在已经开始使用微机控制的双馈电机,在变速恒频风力发电上已有比较成功的应用。3. 3 风力发电机组3. 3. 1 总述风力发电机组主要包括转子（回转叶片等）、升速装置、发电机、控制装置、调速系统以及支撑铁塔等。当风力发电装置作为稳定电源经常供电时，还必须装设蓄能装置（如蓄电池）。转子上的回转叶片受风力冲动，将风力转变为回转的机械力，通过升速装置驱动发电
31、机发电。转子一般为立式，叶片数一般为23片，叶片的方向与风向垂直，转速只有4050rmin，而发电机的转速较高（例如1500rmin、50Hz的发电机），必须装设升速装置（齿轮、链条和皮带等）。控制装置包括定向装置（将转于调整对准风向）、起动和停机装置、调整风力装置（调整叶片角度以调整接受的风力）和保护装置（在过高风速时停机以及发电机保护等）。调速装置用来维持发电机定速回转。支撑铁塔用来支撑和提高转于位置，使回转叶片能接受较大风速（因风速随高度而升高）。风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键设备。因风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动
32、、调节(转速、电压、频率) 、停机、故障保护(超速、振动、过负荷等)以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。由于控制十分复杂,现在普遍采用微机控制。因风能具有随机性，而电力负荷则有其本身的规律，为使供电可靠，大规模风电是建设多台大型风电机组形成的风电厂与电网并联运行；在电网达不到的边远地区则采用风电机组与柴油发电机组联合运行的方式，既可节油又可保证连续供电。 我国风能资源比较丰富，是风能利用的大国之一，风力提水和风帆运输曾有过辉煌历史。近代风力发电在我国起步较晚，前些年主要是建设小型风力发电机（10kW以下）。50200W微型风力发电机组己定型投入批量牛产，年生产能力达一万台以上；l2
33、0kW容量的中、小型风力发电机组己经达到小批量生产阶段。目前正在研制50200kW大、中型风力发电机组。据1992年末的统计，已推广使用微型风力发电机组约12万台，总装机容量约16.8MW。并在国际合作和引进国外机组的条件下，已在新疆、内蒙古等区建立了14个风力发电试验场，安装大、中型风力发电机组多台。仅新疆达板城风电场装机容量己突破10MW，其经济效益越来越明显。3. 3. 2 风电机组运行方式独立运行方式独立运行的风力发电机组,又称离网型风力发电机组,是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能,再供应用户使用。可供边远地区,气象台站、边防哨所等电网覆盖不到的地区利用。这种方式的缺点是在无风期不
34、能发供电,为了克服这一缺点,可配备少量蓄电池来保证不能断电的设备在无风期间内从蓄电池获得电能,同时为保证独立运行的离网则风力发电机组能连续可靠地供电,解决风力发电受自然条件限制的影响。风力发电机组还可与其他动力源联合使用,常用的方式主要有风力柴油发电联合运行、风力太阳能电池发电联合运行等。并网运行方式并网运行方式,就是采用风力发电机与电网连接,由电网输送电能的方式。这种方式是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式,同时可达到节约矿物燃料的目的。10 kW 以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种运行方式。并网运行又可分为两种不同的方式:恒速桓频方式和变速恒频方式。风力发电场是目前
35、世界上风力发电并网运行方式的基本形式,即在风能资源良好的地区,将几十台、几百台甚至几千台单机容量从数十千瓦、数百千瓦直至兆瓦级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体,有利于风能的充分、高效率利用。3. 3. 3 大型风力发电机组的结构和特点风电机组向大容量、优良的发电质量、提高材料利用率、减少噪音、降低成本、提高效率的方向发展。为降低单位千瓦造价，节省风电场使用面积，加快风电场建设速度，提高风电经济效益，许多风电厂商致力于提高单机容量。兆瓦级机组的市场份额1997年以前不到10%，2001年则超过一半，2002年达到62.1%。大型风力发电机组必须通过联网运行,并
36、将风电机组输出的电压和频率变为电网的恒定电压和频率加以传输,目前一般采用全额定值变换原理。图3-3示出这种方式的原理结构。风电机组通过全额定值变频器和变压器与高压电网相联,变频器将风电机组输出的总是在不停变化交流电压,首先变换成直流,再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。显然,变频器的容量必须与发电机的额定容量对等,因此,一些资料把这种变频器称作全额定值变频器。这种方式的最大优点是发电机的变速范围宽,适用风力变化较大的环境能力强,而且维护简便。缺点是变频器容量大,体积大。由于风力机的机械旋转角频率远低于电网工频角频率,为减轻发电机的重量,以及变频器中直流环节的纹波系数,可以在风
37、力机与发电机之间设置增速用齿轮箱。图3-3 变频器与电枢绕组相连这种方式中的发电机可以采用鼠笼型异步发电机,也可以用永磁同步发电机。若采用鼠笼型异步发电机,变频器相当于众所周知的异步电机传动系统中所用变频器的可逆运行若采用永磁同步发电机,使电机连同变频器及变压器即构成一台无换向器的发电机。除上述图3-3这种方式外,较为受世人关注的是用变频器对风力发电机进行励磁方式。图3-4是有刷励磁方式。发电机为绕线式转子异步电机,转子励磁线圈通过滑环与电刷和静止变频器相联,所以称为有刷励磁。通过控制变频器对发电机转子回路输出的三相交流低频电压的相位、幅值及频率,来达到发电机变速恒频恒压以达到联网运行的目的。
38、图3-4 用变频器进行有刷励磁这种方式的优点是所用变频器的体积容量大为减小,仅为被励发电机容量的1/3-1/4,而且省去了风力机与发电机间的增速齿轮箱,以及发电机电枢绕组与电网间的可能需要设置的升压变压器。除有刷励磁方式外,还有无刷励磁的风力发电机方式。图3-5表示用变频器进行无刷励磁方式。发电机由2台同轴连接的绕线转子异步电机组成,见图3-5（a）,一台为发电机,另一台为励磁机。2套转子绕组在电气上直接相联,如图3-5（b）所示,实质上是一种无刷歇尔皮斯系统,变频器在励磁机的定子回路,并与工频电源相联,这样便构成无刷励磁系统。通过改变变频器对励磁机输出电压的相位、幅值和频率, 便可达到发电机
39、实现变速恒频恒压运行的目的。无刷励磁方式较有刷励磁而言,发电机结构较为复杂,但突出优点是运行维护简单,所以仍不失为一种好的风力发电方式,为用户所青睐。图3-5 用变频器进行无刷励磁 3. 3. 4 国外风力发电机组的结构和特点国外的风电机组和变频器技术起步较早,技术较国内先进,风力发电机单机容量已能生产5MW机组,变频器容量也做得较大。单机容量为3-5MW的风力发电机群,对变频器的配置方式如图7所示。在风力发电场的几台发电机中,每台电机的电枢绕组输出端只设置AC/DC整流器,通过直流母线实现所并联发电机的同步变速运行,再由风电场中的公用逆变器把直流母线中的电源转变成电压频率、幅值及相位与电网一
40、致的交流电源进行传输,公用逆变器的容量为所有发电机AC/DC整流器容量总和,可做到40-50MW。这种方式的特点是直流母线上的电压是多台发电机整流输出后得到的,由每台发电机间交流输出电压的相位不同,相当于3n=24相交流电压的整流输出, 纹波系数特别小,尽管每台发电机输出电压频率很低,约为5-10HZ,也不会损坏母线电压的波形效果,所以可以取消风力机与发电机间的增速齿轮箱,由风力机直接驱动发电机转子。另外,由于变频器中整流与逆变部分的分离,提高了风电场的经济整体效益及运行可靠性。图3-6 变频器在“Windformer”系统总的应用为使直流母线上的电压达到足够高的程度,除了增大风力机的驱动功率
41、,加大发电机的单机容量外,在发电机定子线圈绕制上,是由一整条高压电缆绕制而成,发电机输出电压可高达12KV以上,从而使逆变器输出交流电源电压值足够高,不需要升压变压器就可直接并入当地电网运行。这种方式的风力发电机群,已在瑞典的Nassu-dden风力发电场安装运行,在风电设备寿命期终了后,有效材料可再生利用。3. 4 风力发电控制系统3. 4. 1 风力发电机组的控制目标控制系统主要实现正常运行控制、参数监控以及安全保护等三大功能。（1） 正常的运行控制包括风力发电机的自动启动并网，变桨距，发电机加热，自动偏航对风，液压油泵自动启停，齿轮油泵自动启停，自动偏航解缆，自动停机。（2） 参数监控包
42、括电力、风力参数以及液压系统状况，变桨距系统状态，偏航系统状况，监测发电机、变流器运行状态和故障情况，收集风机运行数据。（3） 安全保护系统是确保运行过程的安全性与可靠性，主要包括机组发生故障时进行制动保护、独立于计算机的安全链保护、机器本身保护、接地保护以及防雷击保护等。风力机是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标分为4个层次：保证可靠运行、获取最大能量、提供优质电力、延长机组寿命。控制系统应实现以下功能：运行风速范围内确保系统稳定运行。低风速时跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获。高风速时限制风能捕获，保持风力机的额定输出功率。减少阵风引起的转矩峰值变
43、化，减小风轮的机械应力和输出功率波动。减小功率传动链的暂态响应。控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制，如桨距角的调节范围和变桨距速率有一定限制。抑制可能引起机械共振的频率。调节机组功率，控制电网电压、频率稳定。3. 4. 2 风力发电机组的现代控制技术1.滑动模控制使风力发电系统的控制器具有较强的鲁棒性以及良好的动态品质,是风力发电系统研究中一个倍受关注的问题。滑模变结构控制系统因其兼具快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优良特性而在电力系统、交流传动、电力电子技术和风电系统等领域得到了广泛的应用。滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制。基本设计思想是对于一非线性系统,
44、利用高速开关将系统相轨迹引导到一个由设计者所选择的可到达的曲面上。在满足匹配的条件下,一旦系统的状态向量进入切换面后,就被约束在超曲面的子空间中作“滑模”运动。此时,系统的动态品质由切换面的参数决定,而与系统参数的摄动、扰动的影响无关,即变结构控制具有对滑模摄动的不变性,这种不变性显然比鲁棒性更进了一步,称之为完全鲁棒性或理想鲁棒性。风力发电机工作于正常和失速2种模态,对感应发电机系统以功率相对误差作为切换面,对2种模态分别采取不同的滑动模控制结构,实现了无差跟踪和风能最大捕获。文献21以力矩为控制信号,采用手积分型滑动模控制律,有效地解决了滑动模的切换抖动问题。文献22通过控制逆变器的导通角
45、,使风机系统能够跟踪产生转矩振荡的转速或风速,这样不仅可以实现最大风能捕获,而且通过转速反馈,为转矩振荡提供足够的阻尼转矩。文献23将滑动模控制方法与基于无源性的控制方法相结合,通过维持向滑动面牵引的内部力的方法,有效地减小了滑动模控制切换抖动。在进行变速运行的双馈电机风力发电系统的控制器设计时,需要妥善解决速跟踪与转矩平滑之间的关系。应用滑动模控制方案控制风电系统保持最佳叶尖速比运行。其参数的合理选择兼顾考虑了转换效率最优和转矩振荡消除,并且采用发电机转矩反馈削弱共振幅值。文献24所提到的滑动模控制动态对电气变化及参数的不确定性是完全鲁棒的。文献25以力矩为控制信号,采用积分型滑动模控制律,
46、有效地解决了滑动模的切换抖动,该控制方案对不确知的机械摩擦力矩和随机性变化的空气动力力矩具有鲁棒性。文献26还提出了一种由同步永磁风力发电机、可变负载和蓄电池组成的独立运行风光互补发电系统的无源滑动模控制策略。该系统采用降阶模型设计控制器,控制率的设计组合了无源性和滑模控制两种方法,设计结果实现了在风速较小时控制风机实现最大风能捕获、控制代价小、鲁棒性好的控制目标。将滑动模变结构控制应用于风力发电系统中的主要研究应用方向是结合其它控制技术如模糊控制、神经网络控制、自适应控制以及无源性控制、智能控制等先进控制方法的混合控制。1. 2 H控制H鲁棒控制可直接解决具有建模误差、参数不确定和干扰未知系统的控制问题。H算法具有较好的直观性及严格的数学基础。此外,H控制经较简单的运算便可使系统具有良好的性能。在H控制的应用上,目前主要还是线性系统及仿射非线性系统。H鲁棒控制在研究具有强鲁棒性的稳定控制中占有重要地位,已成为控制论中一个重要分支。H鲁棒控制在风力发电系统中的应用并不多。针对一个具有不确定模型的变速变桨距的风力发电系统文献27提出了一种鲁棒控制设计方法,将包含线性空气特性、变浆距控制机构和柔性传动链动态的风力发电系统线性化处理,估计出仍存在的非线性项的上界,将其作为不确定项处理,采用线性H控制,实现了风力发电系