風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究

...wd......wd......wd...風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u30234摘要 Ⅰ28764第1章風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀背景 4254881.1、風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 460741.2、風(fēng)力發(fā)電的潛力 530429第2章風(fēng)力發(fā)電類型特點 7142692.1風(fēng)力發(fā)電特點 799082.2風(fēng)能發(fā)電優(yōu)缺點 781212.3風(fēng)力發(fā)電構(gòu)造 74826第3章發(fā)電機主要類型 10202513.1恒速風(fēng)力發(fā)電機 1022663.2有限變速風(fēng)力發(fā)電機 10168423.3變速風(fēng)力發(fā)電機 103936第4章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù) 12318994.1變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 12136654.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制 12241324.3不同發(fā)電機的比較 135826第5章開展趨勢建議 1527758第6章總結(jié) 16摘要風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽照射到地球外表，地球外表各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風(fēng)。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(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)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(fēng)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源危機和環(huán)境危機有著重要的意義。因此，風(fēng)力發(fā)電成為各國學(xué)者研究的重點。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將轉(zhuǎn)速提高促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開場發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是最簡單的風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩局部構(gòu)成，空氣流動作用在葉輪上，將動能轉(zhuǎn)化為機械能，從而推動葉片旋轉(zhuǎn)如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連，就會帶動發(fā)電機發(fā)電，從而產(chǎn)生電能。關(guān)鍵詞：風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電；第1章風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀背景自然界的風(fēng)是可以利用的資源，然而我們現(xiàn)在還沒有很好的對它進展開發(fā)。這就向我們提出了一個課題：我們?nèi)艉伍_發(fā)利用風(fēng)能自然風(fēng)的速度和方向是隨機變化的，風(fēng)能具有不確定特點，若何使風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時，會產(chǎn)生變化的電力協(xié)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(yīng)實現(xiàn)以下功能：一，在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的協(xié)波電波；二，具有單位功率因素或可控的功率因素；三，使發(fā)電機輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；四，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機磁轉(zhuǎn)距可控。此外，當(dāng)電網(wǎng)中并入的風(fēng)力電量到達一定程度，會引起電壓不穩(wěn)定。特別是電網(wǎng)發(fā)生短時故障時，電壓突降，風(fēng)力發(fā)電機組就無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護動作而從電網(wǎng)解列。在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機組的突然解列，會導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機組電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。據(jù)世界氣象組織〔WMO)和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能資源為200億KW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風(fēng)能為2.53億KW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上的三倍，50M高度層次可利用的風(fēng)能是10m高度層是2倍。風(fēng)能資源非常豐富。按照《中國新能源發(fā)電開展研究報告》規(guī)劃，未來新能源發(fā)電將快速開展。其中規(guī)劃2015和2020年風(fēng)電裝機為別為1億千瓦和1.8億千瓦。相比2011年并網(wǎng)風(fēng)電4505.11萬千瓦，裝機容量起碼翻倍.1.1、風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀21世紀(jì)是可再生能源的世紀(jì)，由于風(fēng)能非常豐富、價格非常廉價、能源不會枯竭，又可以在很大范圍內(nèi)取得，非常干凈、沒有污染，不會對氣候造成影響，因而風(fēng)力發(fā)電具有極大的推廣價值。在中國，風(fēng)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(fēng)速高，雨水少；夏季風(fēng)速小，降雨多，風(fēng)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(fēng)能資源，適合開展風(fēng)電，比方江西省都陽湖地區(qū)以及湖北省通山地區(qū)。目前我國的風(fēng)能利用方面與國際水平還在一定差距，但是開展很快，無論在開展規(guī)模上還是開展水平上，都有很大提高。據(jù)資料顯示，2004年全國在建工程的裝機容量約150萬千瓦，其中正在施工的約42萬千瓦，可研批復(fù)的68萬千瓦，工程建議書批復(fù)的45萬千瓦，包括五個10萬千瓦特許權(quán)工程。風(fēng)電和水電具有不同步發(fā)生規(guī)律，風(fēng)力發(fā)電頂峰處于秋季與冬季，水利發(fā)電頂峰期處于春季和夏季，風(fēng)電和水電具有季節(jié)性特性，可實現(xiàn)季節(jié)性互補；風(fēng)力發(fā)電是環(huán)保型可再生能源，可改善電源構(gòu)造，替代一局部火電容量，節(jié)約煤炭，減少污染，保護環(huán)境。據(jù)初步測算，目前風(fēng)電場造價成本約為8000～9000元/KW，機組〔設(shè)備〕占75%左右，根基設(shè)施占20%，其它占5%。風(fēng)能利用小時數(shù)在2700～3200小時，其風(fēng)電成本約0.45～0.6元/千瓦時。1.2、風(fēng)力發(fā)電的潛力長期以來，由于風(fēng)電電價高于火電電價，作為清潔能源的風(fēng)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(yīng)有的重視。事實上，風(fēng)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，更對促進遙遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟開展有著巨大的作用。在電力緊張、能源緊缺的情況接踵而至的今天，我國應(yīng)該重新認(rèn)識風(fēng)能的利用問題。首先，風(fēng)力發(fā)電的潛力表達為風(fēng)電電價的快速下降。截止到目前，風(fēng)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)濟效益開場凸現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，其成本就下降15％?？v觀近幾年，風(fēng)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(fēng)電成本約在0.5元以上，隨著中國風(fēng)力發(fā)電裝機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風(fēng)電成本可望再降。此外，風(fēng)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(fēng)電將是當(dāng)前世界上最經(jīng)濟、最干凈的能源。其次，風(fēng)電的潛力表達于風(fēng)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(fēng)力資源在幾億千瓦以上，相當(dāng)于可開發(fā)水能資源〔3.9億千瓦〕的2.5倍。而50米風(fēng)力資源還會增大一倍。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，地面50－100米的風(fēng)力資源都可開發(fā)利用。2003年，我國發(fā)電裝機容量為3.85億千瓦，專家認(rèn)為，中國單靠風(fēng)力發(fā)電就能將現(xiàn)有的電力生產(chǎn)翻一番。此外，風(fēng)電技術(shù)正日臻成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。更大型、性能更好的機組的已開發(fā)并投人生產(chǎn)試運行，可利用的風(fēng)速要求還會降低。再者，風(fēng)電工程的建設(shè)工期短，見效快。火電、水電的建設(shè)工期需要用年來計算，而在有風(fēng)場數(shù)據(jù)的前提下，風(fēng)電工程只需要以周、月來計算。風(fēng)場建設(shè)在短時間內(nèi)即可完成，能夠解決我國電力短缺的燃眉之急。1.3、開展風(fēng)電的重要性風(fēng)電產(chǎn)業(yè)要全面安康可持續(xù)開展，需要解決的問題很多，但依靠科技進步來推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實課題。首先，需建設(shè)以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新體系。對開展試點的企業(yè)應(yīng)對其研發(fā)機構(gòu)，研發(fā)人員，研發(fā)資金，研發(fā)工程，專利申請，產(chǎn)品品牌，能力建設(shè)等方面提出具體要求和量化的指標(biāo)。第二，正確處理技術(shù)引進和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系。采用自主研究開發(fā)和引進消化國外技術(shù)相結(jié)合的方式，是實現(xiàn)提高競爭能力的較好途徑。第三，加強風(fēng)電創(chuàng)新能力建設(shè)，建設(shè)風(fēng)電公共技術(shù)服務(wù)平臺，共同對資源進展整合、共享、完善和提高，通過建設(shè)共享機制和管理程序逐步做到資源有效利用。第四，加速風(fēng)電技術(shù)人才培養(yǎng)。目前已有一些高等院校準(zhǔn)備設(shè)置風(fēng)能專業(yè)或者風(fēng)能專業(yè)方向，開設(shè)風(fēng)能課程培養(yǎng)本科生和研究生。除了學(xué)校培養(yǎng)人才外，企業(yè)也應(yīng)將人才培養(yǎng)和建設(shè)一支高素質(zhì)的隊伍放在戰(zhàn)略地位，特別需要建設(shè)鼓勵機制和創(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(fēng)電行業(yè)開展比較迅速，但與國際風(fēng)電行業(yè)的開展水平還有很大差距，國內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備主要依靠進口，對外依賴性強，雖然風(fēng)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(fēng)電行業(yè)的開展還有很多的阻礙因素。現(xiàn)在，風(fēng)能發(fā)電成本已經(jīng)下降到1980年的1/5。隨著技術(shù)進步和環(huán)保事業(yè)的開展。第2章風(fēng)力發(fā)電類型特點一.風(fēng)力發(fā)電機主要類型根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的運行特征,風(fēng)力發(fā)電機可分為恒速風(fēng)力發(fā)電機(Fixedspeedgenerator)、有限變速風(fēng)力發(fā)電機(Limitedvariablespeedgenerator)和變速風(fēng)力發(fā)電機(Variablespeedgenerator).2.1風(fēng)力發(fā)電特點〔1〕風(fēng)能是取之不盡，用之不竭的清潔，無污染，可再生能源。用它發(fā)電十分有利。與火力發(fā)電、燃油發(fā)電、核電相比它無需購置燃料，也無需支付運費更無須對發(fā)電殘渣，大氣進展環(huán)保治理?！?)風(fēng)力發(fā)電有很強的地域性。它必須建在風(fēng)力資源豐富的地方。即風(fēng)速大，持續(xù)時間長，風(fēng)力資源量大的地方。如新疆達板城、年平均風(fēng)速6.2米/秒，內(nèi)蒙古輝騰錫勒，年平均風(fēng)速7.2米/秒，江西潘陽湖，年平均風(fēng)速7.6米/秒，河北張北，年平均風(fēng)速6.8米/秒，遼寧東港6.7米/秒，廣東南澳，年平均風(fēng)速8.5米/秒等。在我國這樣的地方還有許多在等我們發(fā)現(xiàn)探索。〔3)風(fēng)的季節(jié)性，決定了風(fēng)力發(fā)電在整個電網(wǎng)中所處的地位，對它使用有三種運行方式：A能源利用：風(fēng)力發(fā)電機，機群并網(wǎng)運行。有風(fēng)發(fā)電，電能送人電網(wǎng)，無風(fēng)發(fā)電。B無電網(wǎng)的高山、海盜、牧區(qū)：風(fēng)力發(fā)電機與柴油發(fā)電機并網(wǎng)運行。有風(fēng)時風(fēng)力發(fā)電，無風(fēng)時柴油發(fā)電，二者并用。2.2風(fēng)能發(fā)電優(yōu)缺點優(yōu)點：1.建造風(fēng)力發(fā)電廠的費用低廉，且基建周期短；2.可再生永不枯竭，無需任何燃料，除常規(guī)保養(yǎng)外，無其他任何消耗。3.清潔，環(huán)境效益好。風(fēng)力是一種清潔的自然資源，沒有較多污染問題。4.裝機規(guī)模靈活，易于建設(shè)。缺點：1.發(fā)電噪聲較大、視覺污染大、2.占用大片土地;3.發(fā)電的不穩(wěn)定性和可持續(xù)輸出性較大。4.影響自然界中鳥類對的棲息和生長。2.3風(fēng)力發(fā)電構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制與安全系統(tǒng)、機艙、塔架和根基等組成。該機組通過風(fēng)力推動葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)增速來到達發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，有效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。(1)葉片葉片是吸收風(fēng)能的單元，用于將空氣的動能轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)動的機械能。葉輪的轉(zhuǎn)動是風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的升力導(dǎo)致。由葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)組成。每個葉片有一套獨立的變槳機構(gòu)，主動對葉片進展調(diào)節(jié)，葉片配備雷電保護系統(tǒng)。風(fēng)機維護時，葉輪可通過鎖定銷進展鎖定。〔2〕變槳系統(tǒng)通過改變?nèi)~片的槳距角，使葉片在不同風(fēng)速時處于最正確的吸收風(fēng)能的狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速超多初出風(fēng)速時，使葉片順漿剎車。〔3〕齒輪箱將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速?！?〕發(fā)電機將葉輪轉(zhuǎn)動的機械動能轉(zhuǎn)換為電能的部件。明陽1.5s/se機組采用是帶滑環(huán)三相雙饋異步發(fā)電機。轉(zhuǎn)子與變頻器連接，可向轉(zhuǎn)子回路提供可調(diào)電壓?！?〕偏航系統(tǒng)采用主動對風(fēng)齒輪驅(qū)動形式，與控制系統(tǒng)相配合，使葉輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。同時提供必要的鎖緊力矩，以保障機組安全運行?！?〕輪轂系統(tǒng)輪轂的作用是將葉片固定在一起，并且承受葉片上傳遞的各種載荷，然后傳遞到發(fā)電機轉(zhuǎn)動軸上。輪轂構(gòu)造是三個放射型喇叭口擬合在一起的?！?〕底座總成主要有底座、下平臺總成、內(nèi)平臺總成、機艙梯子等組成。通過偏航軸承與塔架相連，并通過偏航系統(tǒng)帶動機艙總成、發(fā)電機總成、變槳系統(tǒng)總成。MY1.5s/se型風(fēng)電機組主要組成參數(shù)：機組：額定功率：1500kw啟動風(fēng)速：3m/s停機風(fēng)速：25m/s額定風(fēng)速：10.8/11.3m/s葉輪：葉輪直徑：82.6m掃掠面積：5316m葉輪速度：17.4rpm葉輪傾角：5葉片長度：40.25m葉片材質(zhì)：玻璃纖維增強樹脂齒輪箱：額定功率：1663kw轉(zhuǎn)速比：100.48發(fā)電機額定功率：1550kw發(fā)電機額定電壓：690v第3章發(fā)電機主要類型3.1恒速風(fēng)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(fēng)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)無功容量缺乏,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(dāng)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)構(gòu)造簡單、成本低且可靠性高,比較適合風(fēng)力發(fā)電這種特殊場合,在風(fēng)力發(fā)電開展的初期,籠型異步發(fā)電機得到了廣泛的應(yīng)用,有效地促進了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的興起.隨著風(fēng)力發(fā)電應(yīng)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(fēng)功率不能過大或過小,假設(shè)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臺分別為高速和低速的籠型異步發(fā)電機組合使用,以充分利用中低風(fēng)速的風(fēng)能資源.另外,風(fēng)速的波動使風(fēng)力機的氣動轉(zhuǎn)矩隨之波動,因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變,風(fēng)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(yīng)力.而且,由于風(fēng)力機的速度不能調(diào)節(jié),不能從空氣中捕獲最大風(fēng)能,效率較低.齒輪箱的存在增加了風(fēng)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.3.2有限變速風(fēng)力發(fā)電機有限變速風(fēng)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(fēng)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).3.3變速風(fēng)力發(fā)電機有刷雙饋異步發(fā)電機.由雙饋異步發(fā)電機(Doublyfedinductiongener2ator,DFIG)構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的,如圖5所示.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局部.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(yán)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DFIG具有上述優(yōu)點,目前大多數(shù)大可變速風(fēng)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.但其控制系統(tǒng)也相對復(fù)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,不可防止地帶來摩擦損耗,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(fēng)力機的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷.第4章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)由于自然風(fēng)速的大小和方向的隨機變化，風(fēng)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(fēng)輪的主動對風(fēng)以及對運動過程中故障的檢測和保護必須能夠自動控制。風(fēng)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(fēng)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(biāo)。4.1變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)定槳距風(fēng)力發(fā)電機組于20世紀(jì)80年代中期開場進入風(fēng)力發(fā)電市場，主要解決了風(fēng)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(dāng)風(fēng)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構(gòu)造，在大風(fēng)時，流過葉片背風(fēng)面的氣流產(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(fù)雜的氣動過程，對于不穩(wěn)定的風(fēng)況，很難準(zhǔn)確計算出失速效果，所以很少用在MW級以上的大型風(fēng)力發(fā)電機的控制上。從空氣動力學(xué)角度考慮，當(dāng)風(fēng)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(fēng)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(fēng)機輸出功率曲線平滑，在陣風(fēng)時，塔筒、葉片、根基受到的沖擊較失速調(diào)節(jié)型風(fēng)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(fù)雜的變槳距機構(gòu)，要求其對陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快，減小由于風(fēng)的波動引起的功率脈動。4.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制風(fēng)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(xué)模型為根基的傳統(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(xué)的不確定性和電力電子模型的復(fù)雜性，使風(fēng)電機組成為一個復(fù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很難用數(shù)學(xué)模型來描述，所以傳統(tǒng)控制方法在風(fēng)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、變構(gòu)造、自尋優(yōu)等各種功能來抑制系統(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場應(yīng)用于風(fēng)電機組控制領(lǐng)域。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)歷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準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，能抑制非線性因素影響，對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。由于風(fēng)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(fēng)力機的控制。模糊控制在發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟蹤、最大風(fēng)能捕獲、發(fā)電機最大功率獲取以及風(fēng)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(fēng)速以下運行時的最大功率。變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用自適應(yīng)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(fēng)能捕獲并改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。大局部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(yīng)能力。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(xué)習(xí)和自收斂性可作為自適應(yīng)控制器。在風(fēng)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(fēng)速數(shù)據(jù)預(yù)測風(fēng)速變化等方面。變槳距風(fēng)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(xué)習(xí)并修改．特性曲線，實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲并減小機械負(fù)載力矩，根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)力發(fā)電機動態(tài)特性可建設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考自適應(yīng)控制模型?；跀?shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)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)進展預(yù)測，來對工業(yè)過程進展有效控制。這些學(xué)習(xí)方法包括模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等。在風(fēng)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)特性和性能進展研究。因此，將上述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(xué)習(xí)方法與風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制相結(jié)合，是解決風(fēng)機控制問題的重要途徑之一。4.3不同發(fā)電機的比較年能量利用率和經(jīng)濟性的比照分析經(jīng)濟成本是制約風(fēng)力發(fā)電技術(shù)推廣的一個重要因素.對于風(fēng)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(fēng)電機組成本、選址和安裝成本、包括銀行信貸在內(nèi)的融資成本以及工程初期的方案和施工等雜項費用.運行成本也可以分為風(fēng)電機組運行和維修成本、保險成本、土地成本及工程管理成本.由此可見,風(fēng)電機組的成本問題涉及很多因素.目前,全球建設(shè)風(fēng)力發(fā)電的造價大約為1000美元/kW,我國風(fēng)力發(fā)電的初始投資從1994年的約12000元/kW降低到8000~9000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(fēng)力發(fā)電比其他新型發(fā)電方式的優(yōu)勢更多.當(dāng)前在風(fēng)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(yīng)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(fēng)力發(fā)電機組的主流,并與DFIG風(fēng)力發(fā)電機組競爭.尤其是針對海上風(fēng)電場來說,體積巨大的直接驅(qū)動風(fēng)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(fēng)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(fēng)電場對風(fēng)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(fēng)電場獲得大規(guī)模的應(yīng)用.第5章開展趨勢建議加強智能電網(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(yīng)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(fēng)力發(fā)電超前的問題。按照風(fēng)電直供或者非并網(wǎng)解決風(fēng)電并網(wǎng)難問題。加大對風(fēng)機的技術(shù)研發(fā)的支持，解決風(fēng)機制造企業(yè)的低技術(shù)重復(fù)建設(shè)問