风力发电原理及前景概述-职业学院毕业论文

吉林电子信息职业技术学院 毕业设计论文毕业设计论文 论文题目：风力发电原理及前景概述论文题目：风力发电原理及前景概述 学学院：院：机电技术学院 专专业：业：发电厂及电力系统 班班级：级： 学生姓名学生姓名： 学学号：号： 指导教师：指导教师： 2014年6月20日 吉林电子信息职业技术学院 I 摘要摘要 风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表 面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计 到达地球的太阳能中虽然只有大约 2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球 的风能约为 2.74109MW，其中可利用的风能为 2107MW，比地球上可开发利用的 水能总量还要大 10 倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全 球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的 重点。目前，国内学者对大型风力发电的研究已日趋成熟，但对于实验室风力发电 机的研制还是比较欠缺的。 本次毕业设计的重点是拟设计简易的风力发电，该设备能让学生容易了解风 力发电的原理，以及大致测算出影响风力发电的各个因素，方便以后的大学物理实 验教学，同时在制作和测试过程中对出现的一些现象进行深刻的思考，具有很强的 实用性和趣味性。在研制的过程中，同时对风能的转化功率，风速等影响发电的因 素，进行测量，并与理论进行对比，进而得出影响效率的因素。 吉林电子信息职业技术学院 II 目录目录 摘要I 第一章 风力发电概述1 1.1 风力发电的背景.1 1.2 风力发电的现状.1 1.3 风力发电的潜力.2 1.4 风力发电的意义.3 第二章 风力发电机4 2.1 风力发电机的构成.4 2.2.1 恒速风力发电机4 2.2.2 有限变速风力发电机5 2.2.3 变速风力发电机5 2.3 不同风力发电机的综合比较.6 2.3.1 年能量利用率和经济性的对比分析6 2.3.2 不同类型风力发电机市场应用情况7 第三章 风力发电控制技术8 3.1 定桨距失速风力发电技术.8 3.2 变桨距风力发电技术.8 3.3 主动失速混合失速发电技术.8 3.4 变速风力发电技术.9 3.5 风力发电系统的智能控制.9 3.6 模糊控制.9 3.7 神经网络控制10 3.8 风力发电的其他技术10 3.8.1 风电质量10 3.8.2 结构和空气动力学11 3.8.3 风电场建设11 3.9 技术发展趋势展望11 第四章 风力发电的优缺点13 4.1 风力发电的优点13 4.2 风力发电的缺点13 第五章 未来发展的建议15 结论16 致谢17 吉林电子信息职业技术学院 III 参考文献18 吉林电子信息职业技术学院 1 第一章第一章 风力发电概述风力发电概述 1.11.1 风力发电的背景风力发电的背景 随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常 规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可开采 221 年，石油 39 年，天然气只能用 60 年。 如何实现能源的持续发展， 从而保证经济的可持续发展和社会的可持续发展， 已经是各国政府必须解决的大问题，即能源战略问题。唯一的出路就是有计划的利 用常规能源，节约能源，开发新能源和可再生能源。 现在作为占能源消耗首位的电能是二次能源，是由其他能源转换而来的。目前 世界各国电能产生主要是靠火力发电。火力发电以碳氢化合物为主要成分的煤、重 油等为燃料，燃烧后向大气排放 SO2、CO2等有害气体及烟尘、SO2形成酸雨，对农作 物、森林、建筑物及金属材料构成危害和腐蚀浪费。CO2形成温室效应，改变局部气 候，造成各种自然灾害。为了减少火电对大气的污染，实现能源的持续发展。世界 各国都在积极地发展风力发电。随着全世界风力发电装机容量的快速发展和风力发 电机的成熟和不断完善，在今后 10 年，风力发电必将成为世界各国更加重视和重 点开发的能源之一。 1.21.2 风力发电的现状风力发电的现状 21 世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯 竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而 风力发电具有极大的推广价值。在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西 北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤 炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和 水能具有非常好的季节补偿。另外，在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些 地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山 地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快，无论在 发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。据资料显示，2004 年全国在建项目的 装机容量约 150 万千瓦，其中正在施工的约 42 万千瓦，可研批复的 68 万千瓦，项 目建议书批复的 45 万千瓦，包括五个 10 万千瓦特许权项目。 风电和水电具有不同步发生规律，风力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高 峰期处于春季和夏季，风电和水电具有季节性特性，可实现季节性互补；风力发电 吉林电子信息职业技术学院 2 是环保型可再生能源，可改善电源结构，替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污 染，保护环境。 据初步测算，目前风电场造价成本约为 80009000 元/KW，机组 （设备）占 75%左右，基础设施占 20%，其它占 5%。风能利用小时数在 27003200 小时， 其风电成本约 0.450.6 元/千瓦时。 假设： 风电场造价成本为： 9000 元/KW， 上网电价（并网收购电价）为：0.6 元/KW（不含税价） ，运行小时数（风能利用时 间）为：3000 小时，上网（并网）损耗为 5%，风电场运行费用（年 KW 收入）10%， ： 则年 KW 发电收入=（运行时数上网损耗）上网电价运行费用， （30005%） 0.6 元/KW10%1539 元/年（KW） 。 1.31.3 风力发电的潜力风力发电的潜力 长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源短 缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。 事实上， 风电作为一项高新技术， 具有着巨大的产业前景。而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大 的作用。在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的 利用问题。 首先，风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降。截止到目前，风电电价正 在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现。据显示，风力 发电能力每增加一倍， 其成本就下降 15。 纵观近几年，风电增长一直保持在 30 以上，因而成本也正随之不断下降。目前，中国风电成本约在 0.5 元以上，随着中 国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。此外，风电外部成 本几乎为零，甚至低于核电成本。据初步测算，如果将内部成本和外部成本同时计 入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。 其次，风电的潜力体现于风能资源的丰富性。据初步统计、中国陆地 10 米和 海面 15 米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9 亿千 瓦）的 2.5 倍。而 50 米风力资源还会增大一倍。根据现有技术，地面 50100 米 的风力资源都可开发利用。7制和创造良好的环境，使技术队伍能够稳定地成长。 中国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的 风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很多，但相比火电成 本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很多的阻碍因素。但是风 电行业投资的高风险，必然会为风电行业发展带来高收益，不论是风电产业的经济 效益、社会效益，还是中国目前奉行的可持续发展和节约战略，都为风力发电行业 提供了很大的发展空间。现在，风能发电成本已经下降到 1980 年的 1/5。随着技术 进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争. 吉林电子信息职业技术学院 3 1.41.4 风力发电的意义风力发电的意义 (1)充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，符合国家能源改革的方向。而 且风能又是可再生能源(即在同一地点相距68倍风轮高度的距离后风能又达到原 值)。取之不尽，用之不竭。 (2)风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零，实现固 体、气体零排放。对保护大气环境有积极作用。 (3)风力发电场比燃煤电厂可节省大量淡水资源，减少水环境污染。特别是对 缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。 (4)在沿海及旅游区风力机群也是一道风景线，可在一定程度上反映经济、文 化、环境相融洽的程度。 (5)通过实物教育，可增强公众开发自然资源、保护环境的意识。? (6)建设风力电场对发展沿海经济有重大意义。如建海产冷库、开展海水淡化、 进行电量季节调峰等都起到关键作用。 吉林电子信息职业技术学院 4 第二章第二章 风力发电机风力发电机 2.12.1 风力发电机的构成风力发电机的构成 风力发电机组由风轮、机舱、塔架和基础构成。风轮是风力机的核心部件。机 舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装机组发电系统、变桨距系统及偏航系 统等主要部件。 机舱罩后上方装有风速和风向传感器， 舱壁上有隔音及通风装置等， 底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需高度，其上布置发电机和主控制器之间的 动力电缆、 控制电缆及通信电缆， 塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。 基础采用钢筋混凝土结构，其中心预置与塔架连接的基础部件，基础周围还设置了 防雷击的接地装置。 2.22.2 风力发电机主要类型风力发电机主要类型 根据风力发电机的运行特征, 风力发电机可分为恒速风力发电机( F ixed speed generator)、有限变速风力发电机(L imited variable speed generator) 和 变速风力发电机(Variable speed generator). 2.2.12.2.1 恒速风力发电机恒速风力发电机 恒速风力发电机, 采用了笼型异步发电机, 发电机通过变压器直接接入电网. 因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内, 所以通常称之为恒 速风力发电机. 并网运行时, 异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生 旋转磁场, 这恶化了电网的功率因数, 易使电网无功容量不足, 影响电压的稳定 性. 为此, 一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿 无功. 由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高, 比较适合风力发电 这种特殊场合, 在风力发电发展的初期, 笼型异步发电机得到了广泛的应用, 有 效地促进了风电产业的兴起. 随着风力发电应用的深入, 恒速笼型异步发电机具 有的一些固有缺点逐步显现出来, 主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之 上 1% 5% 内运行, 输入的风功率不能过大或过小, 若发电机超过转速上限, 将进 入不稳定运行区. 因此, 在多数场合需将2 台分别为高速和低速的笼型异步发电机 组合使用, 以充分利用中低风速的风能资源. 另外, 风速的波动使风力机的气动 转矩随之波动, 因为发电机转速不变, 风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承 受巨大的机械摩擦和疲劳应力. 而且, 由于风力机的速度不能调节, 不能从空气 吉林电子信息职业技术学院 5 中捕获最大风能, 效率较低. 齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性, 影响了系统效率, 增加了噪声. 2.2.22.2.2 有限变速风力发电机有限变速风力发电机 有限变速风力发电机,发电机采用绕线式异步发电机.绕线式异步发电机转子 外接可变电阻, 其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻, 从而调节 发电机的转差率, 使发电机的转差率可增大至10% , 实现有限变速运行, 提高输出 功率. 同时, 采用变桨距调节及转子电流控制, 以提高动态性能, 维持输出功率 稳定, 减小阵风对电网的扰动. 然而, 由于外接电阻消耗了大量能量, 电机效率 降低了. 有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。 2.2.32.2.3 变速风力发电机变速风力发电机 1、有刷双馈异步发电机. 由双馈异步发电机( Doub ly fed induction gener2ator, DFIG)构成的变速 恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行 范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分.一般来说,转差 率为同步速附近 30% 左右, 因此, 与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发 电机容量的 30% 左右,这大大降低了变换器的体积和重量. 采用双馈发电方式, 突 破了机电系统必须严格同步运行的传统观念, 使原动机转速不受发电机输出频率 限制, 而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的 影响, 变机电系统之间的刚性连接为柔性连接. 相对于绕线式发电机, 双馈发电 机的转子能量没有被消耗掉, 而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向 流通. 变换器可以提供无功补偿, 平滑并网电流. 正是 DF IG 具有上述优点, 目前 大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式, 例如Ves2tas, Gamesa, GE, Nordex 等公司都有此类产品. 但其控制系统也相对复杂, 尤其是双向变换器的 DFIG 励 磁控制技术和双向并网发电 控制技术, 对于DFIG 系统而言, 是至关重要的难点之 一. 双馈发电机系统具有的缺点: 存在多级齿轮箱及滑环、电刷, 不可避免地带来 摩擦损耗, 增大了维护量及噪声等; 在电网故障瞬间, 骤然变大的定子和转子电 流要求变换器增加保护措施, 增大了软硬件投入, 而且大的故障电流增加了风力 机的扭转负荷. 2、电励磁同步发电机. 电励磁同步发电机(Electr ically excited synchro2nous generator, EESG) 吉林电子信息职业技术学院 6 10变速恒频直驱风力发电系统如图6 所示, 电压源型逆变器的直流侧提供电机转 子绕组的励磁电流, 发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电, 经整流逆变 后变成恒压恒频的电能输入电网. 通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输 出的有功功率和无功功率, 实时满足电网的功率需要. 在变速恒频直驱风力发电 机组中, 整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等.采取直驱方式, 发电机运行 在低速状态, 其电磁转矩相对较大, 同时发电机极对数较多, 意味着发电机的体 积也较大. 但由于省去了齿轮箱, 系统的效率和可靠性都得到了提高. 变换器为 全功率变换器, 在整个调速范围能使并网电流平滑, 具有噪声低、电网电压闪变小 及功率因数高等优点. 该系统主要缺点是系统成本较高, 功率变换器损耗较大. 3、永磁同步发电机. 永磁同步发电机( Permanent magnet synchronousgenerator, PMSG), 它采用 的电机是永磁发电机, 无需外加励磁装置, 减少了励磁损耗; 同时它无需电刷与 滑环, 因此具有效率高、寿命长、免维护等优点. 在定子侧采用全功率变换器, 实 现变速恒频控制. 系统省去了齿轮箱, 这样可大大减小系统运行噪声, 提高效率 和可靠性, 降低维护成本. 所以, 尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低, 导 致发电机体积很大, 成本较高, 但其运行维护成本却得到了降低. 采用直接驱动 永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点, 因此具有越来越 大的吸引力. 目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统, 如 Enercon,W inW ind 等公司. 该系统的主要缺点是永磁材料价格较高, 且在高温下 易被去磁, 功率变换器容量与发电机容量相同, 变换器成本较高. 随着风机单机 容量的增大, 齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出, 于是没有齿轮箱而将主 轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生. 但是, 低速多极发电 机重量和体积均大幅增加. 为此, 采用折中理念的半直驱布局在大型风力发电系 统中得到了应用, 与直驱永磁同步发电系统不同是, 半直驱永磁同步风力发电系 统在风力机和 PMSG 之间增加了单级齿轮箱, 综合了 DFIG 和直驱 PMSG 系统的优点. 与 DGIG 系统相比, 减小了机械损耗; 与直驱 PMSG 系统相比, 提高了发电机转速, 减小了电机体积. 采用全功率变换器, 平滑了并网电流, 电网故障穿越能力得到 提高. 2.32.3 不同风力发电机的综合比较不同风力发电机的综合比较 2.3.12.3.1 年能量利用率和经济性的对比分析年能量利用率和经济性的对比分析 经济成本是制约风力发电技术推广的一个重要因素. 对于风电机组特别是大 型发电机组来说, 其整个成本包括投资成本和运行成本.投资成本又分为风电机组 成本、选址和安装成本、包括银行信贷在内的融资成本以及项目初期的计划和施工 吉林电子信息职业技术学院 7 等杂项费用. 运行成本也可以分为风电机组运行和维修成本、保险成本、土地成本 及项目管理成本. 由此可见, 风电机组的成本问题涉及很多因素.目前, 全球建设 风力发电的造价大约为 1 000 美元/kW, 我国风力发电的初始投资从 1994 年的约 12 000 元/kW 降低到 8 000 9 000 元/kW. 这个费用约为煤电单位造价的 2 2. 5 倍, 但是考虑到生物质能发电成本是煤电的 2. 5 3 倍, 太阳能发电成本是煤电的 11 18 倍, 以及减少环保投入、降低能源损耗、舒缓运输压力等方面问题, 风力发电比 其他新型发电方式的优势更多. 当前在风力发电的商业市场上占统治地位的毫无 疑问双馈感应发电机和多级增速齿轮概念. 但通过以上综合比较可以看出, 永磁 直驱发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流, 并与DFIG 风力发电机组竞争. 尤其是针对海上风电场来说, 体积巨大的直接驱动风力发电机并不会明显增加运 输和吊装方面的难度. 基于全功率变换器的变速风力发电系统能够更有效地处理 例如低电压穿越等问题,另外, 海上风电场对风力发电机组的可靠性和可维护性要 求更高, 因此直接驱动概念或将首先在海上风电场获得大规模的应用. 2.3.22.3.2 不同类型风力发电机市场应用情况不同类型风力发电机市场应用情况 为了评估风力发电机的发展趋势, 对不同类型风力发电机市场应用情况, 对 商业市场上不同风力发电机制造商进行了有关考察.给出了来自多个国家和地区的 公司生产的 2MW 以上功率等级的风力发电机, 包括 Vestas, Gamesa, GE wind,Repower, Nordex 等公司. 风力机类型、发电机型式、额定功率和风轮转速等 数据都是从有关公司的网站上获得大部分制造商采用了齿轮箱增速的风力机类型. Vestas, Gamesa, GE wind, Repower,Nordex, E cotecn ia 等公司制造的风力机采 用了双馈感应发电机及多级增速齿轮箱, 因此, 根据表4 的统计表明, 当前在风力 发电的商业市场上占统治地位的是双馈感应发电机和多级增速齿轮概念, 而最常 用的发电机为感应电机, 包括双馈感应电机和鼠笼感应电机 2 种形 12式. Mu ltibrid 和 W inW ind 公司采用了单级齿轮增速的永磁同步发电机, 而 Enercon Zephyros 公司生产的直接驱动风力机则分别采用了电励磁同步发电机和永磁同步 发电机.国内发电机的工业基础良好, 制造企业较多. 国内为大型风力发电机 组配套生产发电机的企业主要有永济电机、兰州电机、湘潭电机、株洲时代、上海 电机、大连天元、东风电机、南洋电机等. 目前, 北车集团永济厂、兰州电机、株 洲南车电机、湘潭电机等企业已实现 1. 5MW 及以下发电机批量生产, 包括异步电 机、异步双馈电机、永磁电机等. 2008 年, 全国风力发电机产能总计约 5 400 台( 6 500MW)。 吉林电子信息职业技术学院 8 第三章第三章 风力发电控制技术风力发电控制技术 由于自然风速的大小和方向的随机变化，风力发电机组切入电网和切出电网、 输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自 动控制。风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运 行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力 的最终目标。 3.13.1 定桨距失速风力发电技术定桨距失速风力发电技术 定桨距风力发电机组于 20 世纪 80 年代中期开始进入风力发电市场，主要解决 了风力发电机组的并网问题、运行安全性与可靠性问题。采用了软并网技术、空气 动力刹车技术、偏行与自动解缆技术。桨叶节距角在安装时已经固定，发电机转速 由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制。当风速高于额定转速时，桨叶能 够通过失速调节方式自动地将功率限制在额定值附近，其主要依赖于叶片独特的翼 型结构，在大风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能 量捕获，产生失速。由于失速是一个非常复杂的气动过程，对于不稳定的风况，很 难精确计算出失速效果，所以很少用在 MW 级以上的大型风力发电机的控制上。 定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联,具有结构简单、可靠性高等优 点,尤其适合于海上风电场。 3.23.2 变桨距风力发电技术变桨距风力发电技术 从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对 叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使输出功率保持稳定。采 用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，在阵风时，塔筒、叶片、基础受到 的冲击较失速调节型风力发电机要小很多，可减少材料使用率，降低整机重量。其 缺点是需要套复杂的变桨距机构，要求其对阵风的响应速度足够快，减小由于风 的波动引起的功率脉动。 3.33.3 主动失速混合失速发电技术主动失速混合失速发电技术 这种技术是前两种技术的组合。低风速时采用变桨距调节可达到更高的气动效 率，当风机达到额定功率后，风机按照变桨距调节时风机调节桨距相反方向改变桨 吉林电子信息职业技术学院 9 距。这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，使功率输出更加 平滑，其综合了前两种方法的优点。 3.43.4 变速风力发电技术变速风力发电技术 变速运行是风机叶轮跟随风速变化改变其旋转速度，保持基本恒定的最佳叶尖 速比，风能利用系数最大的运行方式。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电技 术具有低风速时能够根据风速变化在运行中保持最佳叶尖速比获得最大风能、高风 速时利用风轮转速变化储存的部分能量以提高传动系统的柔性和使输出功率更加 平稳、进行动功率和转矩脉动补偿等优越性。 3.53.5 风力发电系统的智能控制风力发电系统的智能控制 风力发电系统的控制策略根据控制器的不同可分为两大类：以数学模型为基础 的传统控制方法和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的智能控制。由于空 气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，使风电机组成为一个复杂多变量非 线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，致使风力发电系统很难用数学模型来描 述，所以传统控制方法在风力发电系统中不适用。由于智能控制可充分利用其非线 性、变结构、自寻优等各种功能来克服系统的参数时变与非线性因素，因此各种智 能控制方案于近几年被开始应用于风电机组控制领域。 3.63.6 模糊控制模糊控制 模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大特点是将专家的经验和知识表示 为语言规则用于控制。它不依赖于被控对象的精确数学模型，能克服非线性因素影 响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性。由于风力发电系统是一个随机性的非 线性系统，因此模糊控制非常适合于风力机的控制。模糊控制在发电机转速跟踪、 最大风能捕获、发电机最大功率获取以及风力发电系统鲁棒性等方面取得了较好的 控制效果。笼型异步发电机可采用模糊控制器跟踪发电机转速以实现最大空气动力 效率、计算轻载时磁链以实现发电机一逆变器效率优化、实现发电机速度控制的鲁 棒性，可根据功率偏差及其变化取得在额定风速以下运行时的最大功率。变速恒频 无刷双馈风力发电系统采用自适应模糊控制模型，可实现较好的鲁棒性和抗干扰 能力，并且利用模糊控制可实现最大风能捕获并改善系统稳定性。大部分文献采用 的是简单模糊控制器，主要缺点是控制精度不高，会出现稳态误差， 需要专家知 识，缺乏自适应能力。 吉林电子信息职业技术学院 10 3.73.7 神经网络控制神经网络控制 人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其自学 习和自收敛性可作为自适应控制器。在风力发电系统中，神经网络可以用来根据以 往观察风速数据预测风速变化等方面。变桨距风力发电系统中可采用神经网络控制 器通过在线学习并修改 特性曲线，实现风能的最大捕获并减小机械负载力矩， 根据风速数据和风力发电机动态特性可建立神经网络参考自适应控制模型。基于数 据的机器学习是现代智能技术中的重要方面，研究从观测数据出发寻找规律，利用 这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测，来对工业过程进行有效控制。这 些学习方法包括模式识别、神经网络、支持向量机等。在风电系统中，可从运行机 组获取大量重要数据，以对机组的动态特性和性能进行研究。因此，将上述基于数 据驱动的机器学习方法与风能转换系统的控制相结合，是解决风机控制问题的重要 途径之一。 3.3.8 8 风力发电的其他技术风力发电的其他技术 3 3. .8 8.1.1 风电质量风电质量 自然风速的大小和方向是随机变化的，风能具有不稳定性。如何使风力发电机 的输出功率定是风力发电技术的一个重要的问题。迄今为止研究人员已提出了多种 改善风电质量的方法。如上所述，采用变速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑 输出功率。但是由于变速风力发电机组采用电力电子装置，当它将电能输送给电网 时会产生电力谐波并使功率因素恶化。因此， 为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并能使发电机向电网提供高品质的电 能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能： (1)在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流； (2)具有单位功率因素或可控制的功率因素； (3)使发电机输出电压适应电网电压的变化； (4)向电网输出稳定的功率； (5)发电机电磁转矩可控。 此外，当电网中并入的风力发电容量达到一定程度，会引起电压不稳定，特别 当电网发生电压突降，风力发电机组无法向电网输送能量，最终由于保护动作切出 电网。在风能占较大比重的电网中，风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。 因此，用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电 对电网的不利影响可以运用储能技术来改善。 吉林电子信息职业技术学院 11 3 3. .8 8. .2 2 结构和空气动力学结构和空气动力学 在机械方面通过结构动力学的研究,改进设计， 避免或减少由于风的 波动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力，从而减轻有关部件及机组整 体的重量，进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系 统，集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体，这样就减少了零部件数目,同时增强 了传动系统的刚性和强度，降低了安装、维护和保养的费用。目前，风力机的桨叶 叶型多采用美国空军的标准系列叶型，CANA 系列或63系列此种叶型具有较好的动 力性能。但是，由于风轮的工况与飞机机翼的工况不同，风轮上的风速分布不均 匀，造成风轮的径向受力不均。风轮在旋转过程中，当转到上方与下方时，受力不 同，交复变化，以及风速风况的不稳定等，是引起风力机振动的主要原因；而叶尖 处的空气扰动是产生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影响将是风电界技术人 员深入探讨的课题。 3 3. .8 8. .3 3 风电场建设风电场建设 风电场建设应注意解决的主要问题包括： （1）加强风能资源的区域勘察及重点风能调查。风力资源的优劣直接影响风 力发电量，从而影响发电成本。在同样条件下年均风速6m/s的风电场发电成本比 615m/s 的下降8%左右，715m/s 的下降14%左右，8m/s的下降近30%。因此，认真作好 风能资源的勘察非常重要。 （2）风电场场址选择。一般需要综合考虑建设区内风资源类别、交通路况、 建设区内有否鸟类迁徙路线或者鸟类迁徙目的地、周边建筑物分布及电网构成等 因素。 （3）复杂地形条件下,风流风向的分布分析及风机的选点和选型。 （4）风电场建设的工程设计和施工。 3.3.9 9 技术发展趋势展望技术发展趋势展望 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运 行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向 发展。 （1）风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价， 有利于提高风能利用效率。 吉林电子信息职业技术学院 12 （2）采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术为大型风力发电机 的控制提供了技术保障。其应用可减小风力发电机的体积、重量和成本，增加发电 量，提高效率和电能质量。 （3）风力发电机直接驱动。直接驱动可省去齿轮箱，减少能量损失、发电成 本和噪声，提高了效率和可靠性。 （4）风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性，实现免维护，提 高发电效率。 （5）智能化控制。采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方 法，可以有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。 （6）采用磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电” 。 吉林电子信息职业技术学院 13 第四章第四章 风力发电的优缺点风力发电的优缺点 4 4. .1 1 风力发电的优点风力发电的优点 风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，取 用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等 优势。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、 水污染和全球变暖问题。 在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开 发条件的发电方式。风力发电可以减少化石燃料发电产生的大量的污染物和碳排 放。大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。在全球能源危机和环境危机日 益严重的背景下，风能资源开始受到普遍关注。风力发电规模化发展给风力发电装 备制造业提供了广阔的市场空间和前景。风电的突出优点是环境效益好，不排放任 何有害气体和废弃物。风力发电机基础使用的面积很小，不影响农田和牧场的正常 生产。多风的地方往往是荒滩或者山地，建设风电场的同时也开发了旅游资源。 （1）风能一种用之不竭、储量丰富、没有污染的再生能源； （2）建造风力发电场价格比水电站、火力发电厂以及核电站的建造费用低得 多； （3）不需要常规燃料或核电站所需的核材料，即可产生电力,除常规保养外, 没有其他任何消耗； （4）风力发电和其他发电方式相比，它的建设周期一般很短，而且安装1台投 产1台，装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利； （5）风力发电运行简单，可完全做到无人值守； （6）风力发电实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风力发电场约7%的 土地，其余场地仍可供其他产业使用。对地形要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠 等地均可建设。 4 4. .2 2 风力发电的缺点风力发电的缺点 （1）风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风 车出现之后已渐渐消失。目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也 高。 （2）在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，更糟 糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间；必须等 吉林电子信息职业技术学院 14 待压缩空气等储能技术发展。 （3）风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。 （4） 进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的 地方来兴建。 （5）不稳定，不可控，但是现在的风力发电还未成熟，还有相当发展空间。 吉林电子信息职业技术学院 15 第第五五章章 未来发展的建议未来发展的建议 1、加强智能电网建设、发电企业和电网公司规划沟通协调。智能电网通过数 码技术提高电网的稳定性及效率，可以应用在所有相关产业链，是新能源产业战略 的核心之一。电网公司和发电企业必须要加强合作，探讨电网建设滞后和风力发电 超前的问题。 2、按照风电直供或者非并网解决风电并网难问题。 3、加大对风机的技术研发的支持，解决风机制造企业的低技术重复建设问题， 加大重组的推动。淘汰落后的产能。 4、公司要积极通过与主要零部件供应商谈判等多种方式，适当降低公司的采 购成本并争取取得较为宽松的付款方式。公司可以通过与供应商加强沟通，建立稳 定持续的供货关系。未来的趋势是风机制造企业需要通过并购、或者自己建立一些 关键零部件的生产企业，这样，就能够消除原材料供应对企业发展的掣肘。企业需 要