風(fēng)力發(fā)電完整版本

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引言(Introduction)世界上越來越多的國家認(rèn)識到，一個(gè)能夠持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個(gè)既能滿足社會的需要，而又不危及子孫后代前途的社會。因此節(jié)約能源(SaveEnergy)，提高能源利用效率(EnergyUsingEfficiency)，盡可能多地利用潔凈能源(GreenEnergy)替代高含碳量的礦物燃料，應(yīng)是各國能源建設(shè)遵循的原則。近年來，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到風(fēng)力發(fā)電(WindPowerGeneration)在減輕環(huán)境污染、調(diào)整電網(wǎng)中的能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問題等方面的突出作用，無論從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，還是從商業(yè)化方面都促使人們開始重視發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。國際上利用風(fēng)力發(fā)電是上個(gè)世紀(jì)發(fā)展壯大起來的。從八十年代中期到九十年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，九十年代以來，世界風(fēng)力發(fā)電容量以平均每年30%的速度增長，已成為世界能源中增長最快的一種，并且風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)趨向成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級從幾十kW躍升至600kW，并有兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)問世，發(fā)電成本競爭力越來越強(qiáng)，同時(shí)，風(fēng)電場建設(shè)和管理的水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。近十幾年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提高，作為一種新的、安全可靠的、干凈的能源而受到國際上風(fēng)資源豐富國家的關(guān)注與大規(guī)模開發(fā)。圖1示出了上世紀(jì)九十年代初期到本世紀(jì)初的世界風(fēng)力發(fā)電的增長趨勢。圖1風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的快速增長Fig.1Fastincreaseofwindpowergeneration1.

世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r(Globalstatusofwindpowergeneration)隨著風(fēng)力發(fā)電在技術(shù)上日益成熟，已初步具有同燃油、燃煤、核能等發(fā)電技術(shù)相競爭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量也越來越大，世界上最大的“超級風(fēng)力發(fā)電機(jī)”（Superwindturbine）單機(jī)功率為7.3MW，風(fēng)車直徑達(dá)到112米。目前國際商品化的大型風(fēng)力機(jī)功率也已經(jīng)達(dá)到兩兆瓦以上，我國目前運(yùn)行的最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)為4臺Nordex公司生產(chǎn)的1.3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，位于遼寧營口仙人島風(fēng)力發(fā)電廠。隨著制造和運(yùn)行成本不斷降低，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單位電價(jià)已經(jīng)接近傳統(tǒng)火力發(fā)電水平;商業(yè)化機(jī)組已有十余年良好運(yùn)行的記錄，運(yùn)行的可靠性達(dá)到98%以上。對風(fēng)力機(jī)設(shè)備的配套技術(shù)也日益完善，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部實(shí)現(xiàn)集中和遠(yuǎn)程控制，商業(yè)性風(fēng)力發(fā)電場已形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模和經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)力發(fā)電場逐漸從陸地轉(zhuǎn)移到海上，其發(fā)展空間和前景更加廣闊。近五年，歐洲市場的年平均增長率為35%。2002年全年，歐洲新增裝機(jī)容量達(dá)到587lMW，表1示出了2002年歐盟主要國家風(fēng)力機(jī)裝機(jī)情況。德國、西班牙和丹麥占其中的90%，目前德國風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到12001MW，占其國家電力總需求的4.7％，丹麥風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到2880MW，占國內(nèi)電力需求的20%。當(dāng)今世界風(fēng)電發(fā)展較快的國家還有美國、荷蘭等，這些國家也同時(shí)開發(fā)了大型的商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。丹麥?zhǔn)鞘澜缟洗笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)量最多的國家，出口量也居世界首位。首屆世界風(fēng)能大會2002年4月2日至5日在法國巴黎舉行，這次會議是由歐洲風(fēng)能協(xié)會及美國風(fēng)能協(xié)會共同主辦的。歐洲風(fēng)能協(xié)會分析指出，與其他地區(qū)相比，歐洲的風(fēng)能發(fā)電發(fā)展最快，歐洲風(fēng)能發(fā)電的總功率達(dá)到1.9萬MW，占全世界風(fēng)能發(fā)電能力的70%以上。世界上風(fēng)能利用最好、發(fā)展最快、技術(shù)比較先進(jìn)的國家分別是德國、美國、丹麥、荷蘭。表12002年歐盟主要國家風(fēng)力機(jī)裝機(jī)統(tǒng)計(jì)(單位:MW)Tab.1EUcountry’scapacityofwindturbinein2002

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我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r(Domesticstatusofwindpowergeneration)我國地域遼闊，地處北緯陽光充沛的亞熱帶地區(qū)。據(jù)專家預(yù)測，我國風(fēng)能儲量大，分布廣，全國大約有2/3的地區(qū)為多風(fēng)地帶。全年平均風(fēng)速3m/s及以上的時(shí)間達(dá)3000～5000h.平均風(fēng)能密度為100W/m2，可開發(fā)的風(fēng)能資源約2.53億kW。因此我國具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電的資源條件。我國風(fēng)能資源的分布如表2。表2中國部分省風(fēng)能儲量(單位：GW)Tab.2WindpowerreserveofChineseprovince

我國風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代末開始起步，到2002年底，全國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到近47萬kW左右，風(fēng)電場發(fā)展到32個(gè)，如表3所示。其中新疆達(dá)坂城風(fēng)電場累計(jì)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組179臺，裝機(jī)容量達(dá)到7.7萬kW，廣東南澳風(fēng)電場安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組130臺，裝機(jī)容量達(dá)到5.7萬kW，內(nèi)蒙輝騰錫勒風(fēng)電場裝機(jī)容量也超過4萬kW，福建的坪潭、大連橫山、浙江舟山、上海崇明也都在規(guī)劃建設(shè)500kW、600kW、800kW容量不等的風(fēng)力發(fā)電場，為解決無電地區(qū)農(nóng)牧民生產(chǎn)生活用電發(fā)揮了重要作用。2003年進(jìn)入施工階段和可行性研究階段的分別達(dá)到91.6MW和223MW，我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)將有一個(gè)更大的發(fā)展。遼寧、新疆、廣東已經(jīng)成為我國風(fēng)力發(fā)電最多的三個(gè)省區(qū)，其他各個(gè)省區(qū)也根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源情況大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)。表3

2002年我國風(fēng)電廠裝機(jī)容量排序Tab.3OrderofChinesewindpowerfactorycapacityin2002

我國自主開發(fā)的200～300kW級風(fēng)電機(jī)組的國產(chǎn)化率已超過90%；600kW機(jī)組樣機(jī)的國產(chǎn)化率達(dá)到80%左右。我國具備了自行研制開發(fā)容量從100W到10kW的10多種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能力，還開發(fā)了一批風(fēng)/光、風(fēng)/柴聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。1.

國外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展概況(Globalstatusofwindpowergenerationtechnology)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖2，首先通過槳葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，由于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大多比較低，需要用齒輪箱將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高到發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附近，再經(jīng)過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電力電子變流器將發(fā)電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)換為合適幅值或頻率的電壓、電流，經(jīng)過并網(wǎng)變壓器升壓后接入大電網(wǎng)。對于目前出現(xiàn)的一些低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，圖中的齒輪箱可以省去。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、功率等運(yùn)行狀態(tài)的控制可以通過改變風(fēng)機(jī)槳葉的節(jié)距角實(shí)現(xiàn)，也可通過電力電子變流器來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁力矩完成。對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，通過電力電子變流器來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩的方法更方便，可以省掉變槳距機(jī)構(gòu)，減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的難度。圖2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.2Diagramofwindpowergenerationsystem現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的發(fā)展起源于1957年名為“Gedser”的200kW風(fēng)力機(jī)，它的主要空氣動力特性是：水平軸、三槳葉、下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)。自從那時(shí)開始，許多新的設(shè)想被提出并應(yīng)用于實(shí)踐中，尤其1973年的石油危機(jī)更加速了這一過程的發(fā)展。七十年代末，名為“Riisager”的22kW風(fēng)力機(jī)，開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，它是用并不昂貴的汽車標(biāo)準(zhǔn)零件制成的，在很多的私人莊園和農(nóng)舍得到成功的應(yīng)用。最近二十年的時(shí)間里，風(fēng)力機(jī)的輸出功率從20kW發(fā)展到2MW。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面也取得了很大發(fā)展：一是在風(fēng)力機(jī)本身的控制技術(shù)。在過去的十四年里應(yīng)用了漿距控制技術(shù)，最近失速調(diào)節(jié)技術(shù)又得到實(shí)際應(yīng)用；二是在電氣技術(shù)上。自從1993年開始，有些生產(chǎn)廠商就用同步發(fā)電機(jī)替代傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)。三在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的進(jìn)步也引出了新的控制思想──變速恒頻控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和發(fā)電機(jī)的變速恒頻發(fā)電技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，另外用于變流器系統(tǒng)的電力電子技術(shù)直接決定了產(chǎn)生的電能質(zhì)量，這三項(xiàng)技術(shù)同時(shí)也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)。下面著重介紹一下這三方面技術(shù)的研究概況。一、風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)a)風(fēng)力機(jī)的特性曲線風(fēng)力機(jī)通過葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。由空氣動力學(xué)特性可知，通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被葉輪吸收利用，可以定義出一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)Cp：式中：

——t時(shí)間內(nèi)葉輪吸收的風(fēng)能；——t時(shí)間內(nèi)通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能；——單位時(shí)間內(nèi)葉輪吸收且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能，即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率；——單位時(shí)間內(nèi)通過葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機(jī)的輸入功率。對一臺實(shí)際的風(fēng)力機(jī)，其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率的表達(dá)式為：式中：——空氣密度(kg/m3)；A——葉輪的掃掠面積(m2)；D——葉輪的直徑(m)。系數(shù)，反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，是一個(gè)與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪直徑均有關(guān)系的量。風(fēng)力機(jī)的特性通常用風(fēng)能利用系數(shù)（葉尖速比）曲線來表示，如圖3所示。圖3風(fēng)力機(jī)的特性曲線Fig.3Curveofwindturbinecharacteristic不同漿距角時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比不同。葉尖速比：式中：——為葉輪半徑(m)；——風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(rad/s)；——作用于風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速(m/s)。對于同一，風(fēng)力機(jī)可能有兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，它們分別對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)盡可能追求最大，從而增加其輸出功率。然而實(shí)際應(yīng)用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制：一方面是電氣回路中元器件的功率限制；另一方面是機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風(fēng)機(jī)存在三個(gè)典型運(yùn)行狀態(tài)：保證恒定，控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速（維持不變）直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；風(fēng)力機(jī)以恒定速度運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)可使具有較大數(shù)值，直到最大輸出功率；當(dāng)風(fēng)速過大，輸出功率達(dá)到極限時(shí)風(fēng)力機(jī)按恒定功率控制，使輸出功率限制在額定值附近。b)風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式：一類是定漿距失速控制；另一類是變漿距控制。(1)定漿距失速控制風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性，稱為定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化，從的關(guān)系看，難以保證在額定風(fēng)速之前最大，特別是在低風(fēng)速段。這種機(jī)組通常設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率、不同極對數(shù)的異步發(fā)電機(jī)。大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)工作于低風(fēng)速區(qū)，由此來調(diào)整，追求最佳。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，通過葉片的失速或偏航控制降低，從而維持功率恒定。實(shí)際上難以做到功率恒定，通常有些下降。(2)變漿距控制為了盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)將進(jìn)行漿距調(diào)整。在定漿距基礎(chǔ)上加裝漿距調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，稱為變漿距風(fēng)力機(jī)組。變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，它要依靠與葉片攻角（氣流方向與葉片橫截面的弦的夾角）的改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時(shí)攻角處于零度附近，此時(shí)，葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可看作等同于定漿距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變漿距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變漿距風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速較定漿距風(fēng)力機(jī)低，停機(jī)時(shí)傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，主要采用功率控制。對于功率調(diào)節(jié)速度的反應(yīng)取決于風(fēng)機(jī)漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大的變化。風(fēng)機(jī)輸出功率處于不斷變化中，漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動作。風(fēng)機(jī)漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時(shí)延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動作而造成風(fēng)機(jī)瞬時(shí)過載，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。比較來看，定漿距失速控制風(fēng)力機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)簡單，部件少，造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)，利于市場競爭。但失速型葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力增大，葉片的失速動態(tài)特性不易控制，使制造更大機(jī)組受到限制。變漿距型風(fēng)力機(jī)能使葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，從而便風(fēng)力機(jī)在各種工況下（起動、正常運(yùn)轉(zhuǎn)、停機(jī)）按最佳參數(shù)運(yùn)行。它可以使發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以下的工作區(qū)段有較高的發(fā)電量，而在額定風(fēng)速以上高風(fēng)速區(qū)段不超載，不需要過載能力大的發(fā)電機(jī)等等。當(dāng)然它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在這兩種功率調(diào)節(jié)方案在技術(shù)上都比過去的有很大改進(jìn)，都為大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廣泛采用。二、發(fā)電機(jī)的變速恒頻發(fā)電技術(shù)異步發(fā)電機(jī)作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)備的方案可分為兩類：恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。a）恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此葉尖速比不可能經(jīng)常保持在最佳值，值往往與最大值相差很大，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。

圖4異步電機(jī)輸出功率曲線Fig.4CurveofIMoutputpower恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，如圖4所示，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%～5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，這是十分危險(xiǎn)的。b）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機(jī)都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點(diǎn)，越來越引起人們的重視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率，最大限度的利用風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。自上世紀(jì)90年代開始，國外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是兆瓦級以上大容量風(fēng)電系統(tǒng)，因?yàn)榇藭r(shí)最大限度捕獲風(fēng)能、提高發(fā)電效率的意義十分重要?？捎糜陲L(fēng)力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)多種，如交─直─交系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等，這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，可以適用于各種不同場合。為充分利用風(fēng)能，應(yīng)深入研究各種變速恒頻技術(shù)。下面將對各種電機(jī)系統(tǒng)加以簡單介紹。（1）交─直─交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)這種系統(tǒng)中的變速恒頻控制是在電機(jī)的定子電路中實(shí)現(xiàn)的。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器整流成直流電，再通過逆變器直流電變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容量相同。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響。在此系統(tǒng)中可以采用的發(fā)電機(jī)有同步發(fā)電機(jī)、鼠籠型異步電機(jī)、繞線式異步電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)等。而在這幾種發(fā)電機(jī)中，鼠籠型異步電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)最為常用，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都很簡單容易制造和維護(hù)，并且沒有滑環(huán)和電刷，勵磁方式也比較簡單，尤其是永磁同步電機(jī)不需要外部勵磁。（2）磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計(jì)的高頻交流發(fā)電機(jī)和一套電力電子變換電路組成。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率，與普通同步電機(jī)不同的是，它不用直流電勵磁，而是用頻率為的低頻交流電勵磁（即為所要求的輸出頻率，一般為50Hz），當(dāng)頻率遠(yuǎn)低于頻率時(shí)，發(fā)電機(jī)三個(gè)相繞組的輸出電壓波形將是由頻率為和的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波，這個(gè)調(diào)幅波的包絡(luò)線的頻率是，包絡(luò)線所包含的高頻波的頻率是。將三個(gè)相繞組接到一組并聯(lián)橋式整流器，得到基本頻率為的全波整流正弦脈動波。再通過晶閘管開關(guān)電路使這個(gè)正弦脈動波的一半反向。最后經(jīng)濾波器濾去高次諧波，即可得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)、頻率為的恒頻正弦波。輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位，正是這一特點(diǎn)使得磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)非常適合于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與前而的交─直─交系統(tǒng)相比，磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：①由于經(jīng)橋式整流器后得到的是正弦脈動波，輸入晶閘管開關(guān)電路后基本上是在波形過零點(diǎn)時(shí)開關(guān)換向。因而換向簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。②晶閘管開關(guān)電路輸出波形中諧波分量很小，且諧波頻率很高，很易濾去，因此可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。③磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出頻率在原理上與勵磁電流頻率相同，因而這種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行十分簡單可靠。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)與交─直─交系統(tǒng)類似，即電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量較大。比較適合用于容量從數(shù)十千瓦到數(shù)百千瓦的中小型風(fēng)電系統(tǒng)。④發(fā)電機(jī)要經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，不能利用通常形式的發(fā)電機(jī)。（3）交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)如圖5（d）所示，采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量逆向流向；當(dāng)時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，若控制變頻器勵磁相應(yīng)變化，即可以使定子電流頻率保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)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部分，因此變頻器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣變頻器的成本將會大大降低。這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器的容量外，在磁場定向矢量控制下還可實(shí)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(bǔ)償?shù)淖饔谩５哗そ蛔冾l器輸出特性差，6脈波、36管交─交變頻器輸出電壓富含低次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)行諧波抑制。只有12脈波、72管交─交變頻器結(jié)構(gòu)符合勵磁電源要求，但結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜，不適合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。目前國際上開發(fā)使用PWM整流─PWM逆變的交─直─交型變頻電源，具有功率雙向流動能力，結(jié)構(gòu)、控制方便，是一種實(shí)用的勵磁變頻器。此外繞線式交流勵磁發(fā)電機(jī)還有滑環(huán)和電刷帶來的一些弊病，但仍然不失為一種能實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的機(jī)組。（4）無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無刷雙饋發(fā)電機(jī)。其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個(gè)稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個(gè)稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網(wǎng)。其轉(zhuǎn)子為鼠籠型結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對數(shù)之和。這種無刷雙饋發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于有刷交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著本質(zhì)的區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，不再贅述。盡管這種變速恒頻控制方案是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發(fā)電機(jī)總功率的一小部分，雙向變頻器的容量也僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分。同樣，這種采用無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，降低變頻器的容量外，還可在矢量控制策略下實(shí)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(bǔ)償?shù)淖饔?，同時(shí)發(fā)電機(jī)本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。該種變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)現(xiàn)在已被工業(yè)界普遍采用。（5）爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無刷爪極自勵發(fā)電機(jī)與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于它的勵磁系統(tǒng)部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機(jī)基本相同。由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組，因此與一般同步發(fā)電機(jī)相比，勵磁繞組所用的材料較省，所需的勵磁功率也較小。對于一臺8極電機(jī)，在每極磁通及磁路磁密相同的條件下，爪極電機(jī)勵磁繞組所需的銅線及其所消耗的勵磁功率將不到一般同步電機(jī)的一半，故具有較高的效率。另外無刷爪極電機(jī)與永磁電機(jī)一樣均系無刷結(jié)構(gòu)，基本上不需要維護(hù)。與永磁發(fā)電機(jī)相比，無刷爪極發(fā)電機(jī)除了機(jī)械摩擦力矩外基本上沒有什么起動阻力矩。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有很好的調(diào)節(jié)性能，通過調(diào)節(jié)勵磁可以很方便地控制它的輸出特性，并有可能使風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比運(yùn)行，得到最好的運(yùn)行效率。這種發(fā)電機(jī)非常適合用于千瓦級的風(fēng)力發(fā)電裝置中。但該項(xiàng)技術(shù)的最大功率跟蹤（MPPT）尚處在研究階段。（6）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是以開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換核心。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體。由此帶來變換器及控制、驅(qū)動的簡潔性。風(fēng)力機(jī)的功率特性有其自身的特點(diǎn)，為了使風(fēng)能捕獲的效果最佳，就必須使開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)能夠良好的配合，通過對發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率負(fù)載線上，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身也具有可控參數(shù)多、非線性、缺少明確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的有刷直流發(fā)電機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流無刷同步發(fā)電機(jī)相比，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有明顯的容錯能力強(qiáng)、組合起動與發(fā)電容易、適合高溫（>250°C）和高速（>30000r/min）環(huán)境運(yùn)行以及大容量、高效率、高功率密度運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)電機(jī)氣隙磁場和相磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置和繞組相電流而持續(xù)、周期性變化，沒有傳統(tǒng)電機(jī)的穩(wěn)定磁路工作點(diǎn)，而是一個(gè)動態(tài)三維磁空間。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)沒有獨(dú)立的勵磁繞組，而是與集中嵌放的定子電樞合二為一，并通過控制器分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)勵磁與發(fā)電，因而簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。同時(shí)，該發(fā)電機(jī)相繞組間無電耦合，其容錯能力大大增強(qiáng)。另外，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固可靠。總之，通過以上的對比分析，可知：①如果將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)直接耦合，省去變速箱，這樣可以大大降低成本，減少維護(hù)，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免齒輪箱漏油的問題。②風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于室外高空狹小而封閉的機(jī)艙內(nèi)，通風(fēng)條件較差，而電機(jī)大多是密閉結(jié)構(gòu)，靠外殼故熱，因此要求發(fā)電機(jī)耐高溫性能好，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在這方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。③交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變頻器容量僅為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠郑赃@兩種方案適用于大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。④交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可在亞同步和超同步狀態(tài)下運(yùn)行，因而具有更寬的風(fēng)速運(yùn)行范圍。⑤無刷雙饋電機(jī)省去了滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固可靠。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的條件下，通過控制勵磁繞組的勵磁電流頻率來確保發(fā)電機(jī)輸出電流的頻率保持在50Hz不變，非常適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是當(dāng)今世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。這幾種變速恒頻系統(tǒng)的性能對比分析見表4所示。表4幾種變速恒頻方案的對比分析Tab.4Severalschemeofvariable-speedconstantfrequency

三、電力電子變流器系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和電力電子器件構(gòu)成的廣泛應(yīng)用的6種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。下面對圖5中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以簡單說明。圖a是二十世紀(jì)八十年代到九十年代被很多風(fēng)機(jī)制造商應(yīng)用的比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如使用鼠籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)的上風(fēng)式、失速調(diào)節(jié)、三槳葉風(fēng)力機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)。在八十年代這種結(jié)構(gòu)被擴(kuò)展，為補(bǔ)償無功功率使用了電容器組，為平滑并網(wǎng)使用了電機(jī)軟起動器。圖b是用全程范圍或“低風(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器代替了圖a中的電容器組和電機(jī)軟起動器?！暗惋L(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器的功率僅為發(fā)電機(jī)額定功率的20-30％，而全程范圍的變頻器功率大約為發(fā)電機(jī)額定功率的120％，但它能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在所有風(fēng)速下變速運(yùn)行。圖c這種結(jié)構(gòu)是二十世紀(jì)九十年代中期，Vestas風(fēng)力機(jī)廠生產(chǎn)的名為“Optislip”風(fēng)力機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是利用電力電子變換器改變外部的轉(zhuǎn)子電阻，來改變總的轉(zhuǎn)子電阻，從而使轉(zhuǎn)差率有10％的變化范圍。控制了轉(zhuǎn)差率也就控制了系統(tǒng)的輸出功率。圖d這種結(jié)構(gòu)使用雙饋異步發(fā)電機(jī)，用變頻器直接控制轉(zhuǎn)子繞組里的電流。用功率為發(fā)電機(jī)額定功率的20-30％電力電子變換器，即可控制整個(gè)的發(fā)電機(jī)輸出功率。有兩個(gè)原因促使這種結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用：1）較圖c的結(jié)構(gòu)有更寬的調(diào)速范圍；2）較全功率變換器更經(jīng)濟(jì)。圖e這種個(gè)功率控制結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是在航海船只上作為電源。無齒輪箱，通過兩個(gè)或三個(gè)葉片的上風(fēng)式風(fēng)力機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)相連，發(fā)出的電能經(jīng)整流器給蓄電池充電。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)也可以應(yīng)用于家庭風(fēng)電系統(tǒng)或混合風(fēng)電系統(tǒng)，這時(shí)風(fēng)力機(jī)一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用這種結(jié)構(gòu)提出一個(gè)新的設(shè)想：用多極3.5MW永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出電能后經(jīng)二極管整流器產(chǎn)生21kV直流電，然后經(jīng)高壓直流輸電并入電網(wǎng)。因此可以這種結(jié)構(gòu)將是世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展的另一個(gè)趨勢。

鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)：（a）

（b）繞線型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)：（對應(yīng)內(nèi)反饋調(diào)速）（對應(yīng)串級調(diào)速）

繞線型轉(zhuǎn)子同步電機(jī)：圖5廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5Appliedwidelydiagramofwindpowergenerationsystem圖f這種結(jié)構(gòu)使用多極的繞線式同步發(fā)電機(jī)。由于它使用的是多極發(fā)電機(jī)，所以它不需要齒輪箱。它是通過整流器從電機(jī)外部來勵磁的。與前幾種結(jié)構(gòu)相比。這種結(jié)構(gòu)吸引力不大是由于三種原因：1）需要勵磁電路；2）需要滑環(huán)；3）風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜的保護(hù)策略。目前，電力電子變流裝置很多，表5列出應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的六種典型電氣拓?fù)涞陌l(fā)展現(xiàn)狀。表5幾種典型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀Tab.5Technologystatusofseveraltypicalconverter

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中國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀(Domesticstatusofwindpowergenerationtechnology)風(fēng)能作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運(yùn)行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)。目前國內(nèi)對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究較深入的單位有北京交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、新疆大學(xué)、華東交通大學(xué)等。目前，在政府政策及資金支持和生產(chǎn)廠家的不斷努力下，目前，國產(chǎn)大中型風(fēng)力機(jī)組的研制取得了長足的進(jìn)展，200kW、600kW風(fēng)力機(jī)國產(chǎn)化工作取得很好效果，金風(fēng)公司生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到96%，商品化能力也得到了很大的提高，雖然在一些關(guān)鍵部件和技術(shù)上依然依靠進(jìn)口，但由于價(jià)格低、售后維修方便等優(yōu)勢，已經(jīng)初步在國內(nèi)市場具有和國外大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠商競爭的能力。雖然國產(chǎn)大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)剛剛發(fā)展和起步，還無法占據(jù)國內(nèi)市場的較大分額，但目前在我國新裝機(jī)容量中已經(jīng)占有較大比重，在2002年新增的風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量中，國產(chǎn)比例已經(jīng)達(dá)到42.6%，如表6所示，僅金風(fēng)和西安維德兩公司占據(jù)的市場份額就達(dá)到了36.7％。我國風(fēng)力機(jī)制造業(yè)剛剛起步，從占領(lǐng)國內(nèi)市場到走向國際市場還需要更多的努力，掌握更多的核心和關(guān)鍵技術(shù)。表7列出了我國風(fēng)力機(jī)總裝機(jī)各制造廠商的市場份額排序。因此我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還有很長一段路要走。表62002年我國風(fēng)力機(jī)新增裝機(jī)各制造廠商市場份額排序Tab.6Marketshareofwindturbinefactoryinnewincreasein2002

表7目前我國風(fēng)力機(jī)總裝機(jī)各制造廠商市場份額排序Tab.6Marketshareofwindturbinefacto