风力发电技术应用研究及发展方向
摘 要：早在20世纪70年代我国开始对变速恒频风力发电系统展开的了研究，和传统的恒速恒频风力发电系统相比，在结构以及原理等方面都 有很大的区别。由于变速恒频风力发电技术的高效性与实用性非常高，因此备受人们所重视：本文主要以交流电为基础，针对当前的变速恒频风力发电 技术的结构和功率调节技术等进行了深入的探讨和分析，重点研究了变速恒频的现状，同时对今后风力发电技术的发展加以合理展望。针对中国目前面临的能源短缺和环境污染问题,介绍了中国风能资源的分布及风力发电的特点和现状。提出在中国风能资源丰富地区大力发展风力发电。目前,风力发电是除水力发电外可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式。大力发展风力发电,是解决中国能源和环保问题的重要战略措施之一。
中文关键词 1 风力发电技术 2永磁发电机 3智能控制4 风力发电前景
Wind power generation technology
英文关键词 1 Wind power generation technology2 dynamo magneto 3 Intelligent control 4 Prospect of wind power generation
摘要：This paper presents a sequential Monte Carlo simulation algorithm that can simultaneously ae composite system adequacy and detect wind power curtailment events.This is conducted to clarify the usual comparisons made between wind and thermal technologies which, in fact, depend on the performance measure selected.A second set of experiments considering several wind penetration scenarios is also performed to determine the operational rules or system components responsible for the largest amount of wind energy curtailed.The experiments are carried out on configurations of the IEEE-RTS 79 power system.
Key words:1 Wind power generation technology2 dynamo magneto 3
Intelligent control 4 Prospect of wind power generation
一 前言 现如今，世界能源短缺、环境遭到严重破坏，这是人们首要解决 的两大难题。然而，人们对绿色和清洁能源的开发使用越来越重视。 而风能是一种可再生的清洁能源，不仅有较大的商业潜能，而且也具 有环保的作用，在所有的新能源开发中，发展是最为迅速的。现在, 人们感兴趣的, 首先是如何利用风来发电。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率, 与风速的三次方和空气密度成正比关系。由于风轮的转速比较低, 而且风力的大小和方向经常变化着, 这又使转速不稳定; 所以, 在带动发电机之前, 还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱, 再加一个调速机构使转速保持稳定, 然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率, 还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高, 为的是获得较大的和较均匀的风力,又要有足够的强度。
二、风力发电系统的功率变换系统
1．直接变频器
直接变频器在运行时比较可靠，而且和电源无功功率交换与有功 功率回馈都非常简单，使用的是四象限变速器，其中，在无环流系统 中的最大输出频率占电网供电频率的一半。直接变频器具有很多优点， 例如：无直流滤波环节、工作效率高等，并且这些优势都得到了很好 的应用。然而，由于直接变频器的晶闸管换流方式大多数为自然换流， 那么便大量吸收无功功率，从而使得功率因数大大降低，其输出频率 非常低，与此同时，使用了较多的元器件等问题，上述这些缺点又限 制了直接变频器在风力发电技术上的应用受到了限制。
2．J司接变频器
现如今，应用最为广泛的变频器就是间接变频器。为双向传递能 量，间接变频器通常使用的是双脉宽调制形式。此变频器有很多的优 点，例如：结构比较简单、谐波量小、功率因数可以控制等。现如今，此种变频器主要应用在变速恒频双馈风力发电系统中。
3．矩阵式变频器
矩阵式变频器也可以看作是交一交变频器，和传统的交一直一交 变频器相比，矩阵式变频器的优点更多，控制自由度较大，输出频率 既能够比输入频率高也可以地狱输入频率，功率因数可以调控，不但 可以超前，而且可以滞后，结构相对比较紧密，体积小，工作效率非 常高。然而，此种变频器在应用过程中，也会出现很多的问题，例如： 换流时，不能同
时开通和关断两个开关，做到此点非常困难；在输出 侧必须要接滤波电容。在变速恒频风力发电系统中，此种变频器依然 处于研究阶段，并没有得到应用。
三、变速恒频风力发电的浆距调节
1．定桨距失速调节
此种条件技术通常恒速风力发电系统中。它是原理是，把桨叶和 轮毂连接固定，不改变浆距角的大小，借助桨叶自身的失速特性，在 比额定风速高的情况下，将气流功角增大到失速的条件下，这样一来， 就会在桨叶表面产生紊流，以此来降低工作效率，从而实现限制功率 的目的。此种调节方式不仅简单，而且非常可靠，然而，由于叶片重 量较大，同时结构过于复杂，这样一来，使桨叶、塔架等元件承受较 大的力，从而大大降低机组的工作效率。
2．变桨距调节
在定桨距基数上安装浆距调节装置，就形成了变桨距机组。叶片 的浆距能够随风速的变化而发生一定的变化，此装置一般用在变速运 行的风力发电机系统中。其中，变桨距调节是为进一步改善风力机组 的起动特性与功率输出特性。其主要调节原理是：当发电机转动后， 调节浆距角，能够合理的控制转速，在并网后，也能够控制功率大小， 如果输出功率比额定功率小，那么浆距角为零，不需要进行调节；如 果输出功率比额定功率大时，要通过调节浆距角，大大减小功角，这 样才能确保输出功率和额定值相等。此装置的优点有很多，比如：桨 叶受力非常小，因此，可以做到轻巧些，这样一来，不仅节省了材料， 而且也大大降低了机组的重量；适当条件浆距角可以大大增加功率的 输出，所以，有利于提高运行性能。然而，此条件装置结构比较复杂， 大大降低机组运行的可靠性。
四、变速恒频交流电机风力发电系统的分析
1．笼型异步发电机
此种发电机转子结构非常简单，而且在生产制造上比较便捷，同 时还能确保发电机的可靠运行。通过电网来获得励磁电流和无功功率， 然而，此过程并不需要有励磁调节装置。由于具有上述多种优点，因 此，在风力发电系统中笼型异步发电机应用十分广泛。风速的变化会 使风力机和转子转速等都发生一定的变化，所以，发电机输出的电能 频率也是时刻在变化的。定子与电网变频器先进行整流然后再经过逆 变，将频率变化的电能转变为和电网频率一致的电能，然后再送入电 网中。上述这种设计能够实现变速恒频，这样一来，使增大了变速运 行的范围，针对此设计只能用在风力变化大的情况下，这样一来，使 维护更加方便。然而，要求变频器容量需要和发电机容量大小相同， 这样一来，会增大变频器的体
积和重量，与此同时，也会大大更加生 产成本。
2．绕线式异步发电机
在通常情况下，较普通的异步发电机转差变化范围是非常小的， 一般都在5％范围内。所以，这样使得转子转速变化范围也过于小， 因此，我们可以认为是恒速转动。然而，通过改变转子回路电阻指， 就能够改变转子回路电阻消耗的转差功率，这样一来，就会实现调速的目的。
3．开关磁式
开关磁阻电机通常会用在风力发电并速同步发电系统中：和异步发电机相比，此种电机结构比较简单、便于控制，在转子上没有绕组，因此，就不存在限制最高转速以及疲劳故障的出现。除此之外，也不含有独立的励磁绕组，是和嵌放定子电枢集为一体，再利用控制器进行控制，实现发电，所以，进一步优化控制系统结构，从而大大提高了机组运行的可靠性。
五 风力发电机组控制技术概述
现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改进风力发电设备等方面进行了大量的研究。随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从基本单一的定桨距失速控制向变桨距控制方向发展，甚至向智能型控制发展。
1.风力机定桨距控制技术
定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机叶片直接固定在轮毂上，叶片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离，也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比较敏感。定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比较)，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。
2.风力机变桨距控制技术
变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。在高风速情况下，桨距角随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。由于桨距角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率[6,7]，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化并不敏感。当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 Optitip 技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，相当于气体刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车结构的负荷。综上所述，与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出，如图 1-1 所示。从风电技术发展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。
六、结束语
总体来说，当前国际上通用单机容量为1-3MW发电机组，而 5MW机组已经投入运行当中。现如今，商业化风电发电机风能利用 率在98％，并且安全性能都符合国家的标准要求。由于我国风电技术 开发非常薄弱，大多数企业都依靠从国外引进技术，难以做到在风力 发电机设计上有所创新，和西方发达国家相比，我们还需要作出更多的努力，才能使变速恒频交流电机风力发电技术得到快速发展。
参考文献
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【2】李翊盱珊，何凤有变速恒频交流电机风力发电技术l J]电机与控制应用2008141
【3】杨冬郭家虎变速恒频双馈风力发电机 矢量控制研究…电机技术2008(51
【4】胡冬良 赵成勇变速恒频风力发电机组输出特性分析…华北电力大学学报2008 14 作者笥介：王厚树 (198401一)，男，怖沂大学本科学士广东中山市工程师，研究方向风力发电技术方向。
【5】 张希良．风能开发利用[M]．北京：化学工业出版社，2005.1
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