风力发电技术综述.docx

1、风力发电技术综述 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：风力发电技术综述学习中心： 首经贸奥鹏 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2012 年09秋 季 学 号： 5 学 生： 解 智 指导教师： 苗华巍 完成日期： 2014 年6 月 20 日 容摘要风力发电是当今全球争相开发的清洁可再生能源，风能作为可再生能源的重要类别，具有蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染等特点，风力发电已成为世界可再生能源发展的重要方向。本论文从全球视角出发，介绍了风能的作用及优缺点，世界风力发电应用现状与前景，世界各国风力发电应用进展、风力发电设备，中国风力发电的特

2、点及发电状况，风力发电应用进展和展望等容。据WWEA统计，2009年全世界累计风电装机容量达到159GW，其中，2009年增加38GW。而在10年前，全球风力发电设置能力只有4GW，目前达到了38GW，相当于近10倍的增长。世界风能协会预计，全球风能市场将继续快速增长，世界风力发电能力在未来5年，将增长160%，全球风力发电装机容量将在2014年达到409GW。关键词：清洁能源；可再生能源：风力发电；容摘要 I1 绪论 11.1 课题的背景及意义 11.2 国外发展现状 21.2.1 国外风力发电发展现状 21.2.2 我国风力发电发展现状 21.4 本文的主要容 42 风力发电机 52.1

3、传统的风力发电机 52.1.1 笼型异步发电机 52.1.2 绕线式异步发电机 52.1.3 有刷双馈异步发电机 62.1.4 同步发电机 62.2 新型风力发电机 72.2.1 开关磁阻发电机2 72.2.2 无刷双馈异步发电机 72.2.3 永磁无刷直流发电机 83 风力发电控制技术 93.1 定桨距失速风力发电技术 93.2 变桨距风力发电技术 93.3 主动失速/混合失速发电技术 93.4 变速风力发电技术 94 风力发电系统的智能控制 114.1 模糊控制 114.2 神经网络控制 115 结 论 12参考文献 141 绪论1.1 课题的背景及意义 风力发电在全球来说是一种技术最成熟

4、的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机安全高效运行的关键。风力发电的特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40%。在风电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍，输出功率增加8倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大。风力发电的运行方

5、式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为100W10KW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太电池组成混合供电系统，系统的容量约为10200KW，可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。机组单机容量围在2002500kW之间，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台组成风力发电场，简称风电场。 由于风速是随时变化的，风电的不稳定性会给电网带来一定影响，目前许多电网都建设有调峰用的抽水蓄能电站，使风电的这个缺点可以得到

6、克服。而从现实的应用的角度来看，随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。1.2 风力发电在全球的发展现状1.2.1 目前在欧美风力发电发展现状19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到20世纪70

7、年代以前，只有小小型充电用风力机达到实用阶段。美国在20世纪30年代还有许多电网未通达的地区，独立运行的小型风电机组在实现农村电气化方面起了很大作用，当时的机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵调速，单机容量的围为0.53kW。1973年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。20世纪70年代到80年代中期，美国、英国和德国等国政府投入巨资开发单机容量1000kW以上的风电机组，承担课题的都是著名大企业，如美国波音公司研制了2500kW和3

8、200kW的机组，风轮直径约为100m,塔高为80m，安装在夏威夷的瓦胡岛；英国的宇航公司和德国MAN公司分别研制了3000kW的机组，所有这些巨型机组都未能正常运行，因其发生故障后维修非常困难，经费也难以维持，没有能够发展成商业机组，未能形成一个适应市场需求的风电机组制造产业。1.2.2 目前在我国风力发电发展现状中国风能资源丰富，根据全国900多个气象站的观测资料估计，我国陆地风能资源总储量约3226亿千瓦，其中可开发利用的风能资源总量为253亿千瓦，居世界首位；中国近海（水深小于15米）风能资源，估计为陆上的三倍，即近海的风能储量约为75亿千瓦。这样，陆上和近海10米高处技术可开发风能资

9、源总量，总计约为10亿千瓦。现代大型风力发电机组高度已超过50米，50米处的风能密度为10米高处的2倍，这样，中国技术可开发的风能资源总量，即可高达20亿千瓦。我国东南沿海和、沿海及其岛屿，北部，、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速大于等于6m/s，有效风能密度大于等于200W/m2，有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、的大部分草原牧区及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油发电。在上述地区，利用风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧状况，具有重要意义。另一方面，这几年我国的交通条件得

10、到很大的改善，电网覆盖程度有了很大的提高，不少风能资源丰富地区已置于电网覆盖之下，这也为建设大型风电场提供了有利条件。上述情况决定了我国发展风电的特点是：在风能资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统（包括风力/柴油联合发电和风/光联合发电等）为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电；在风力资源丰富、电网通达的地区，风力发电则作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步代替部分常规能源，缓解电力供应紧的矛盾，提高当地的环境质量，所以应以发展大型风电场为主。风力发电场是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电

11、，简称风电场。风电场是大规模利用风电的有效方式，于20世纪80年代在美国兴起。我国计划到2010年，并网风电装机达到500万千瓦。目前，我国的风电装机容量还不到全国总装机容量（45亿千瓦）的05%，根据我国能源发展规划，我国风电具有大规模发展的前景和市场需求。风力发电能够成为中国电源结构的重要组成部分，发展风电有利于调整能源结构。目前中国的电源结构中75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁电源比重刻不容缓。尤其在减少二氧化碳等温室气体排放，缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。从长远看，中国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展，必须采取措施解决能源供应。中国风能资

12、源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年发电量可达几万亿千瓦时。据官方和专家的推算，中国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年中国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了足够的空间。由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主持、绿色和平和欧洲风能协会共同资助的报告指出，中国有能力在2020年实现3000-4000万千瓦的风电装机容量，年发电量将达800亿千瓦时，可满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨的

13、二氧化碳排放量。专家们预测，我国风电发展可能将分为3个阶段进行：首先在2010年之前完成起步阶段，风电装机达400-500万千瓦，初步奠定风电产业基础；第二阶段是2020年达到3000万4000万千瓦，实现快速发展，在全部发电装机中占有一定比例；第三阶段是在2020年之后超过核电成为第三大发电电源，并在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源。中国经济持续快速发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突出，风电随着技术的发展和批量的增大，成本将会继续下降，必然成为重要的清洁电源。1.4 主要容风力发电在当前能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一

14、种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术和风力发电控制技术方面存在较大差距，目前国只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用。风力发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量

15、和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键。本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，介绍了相关风力发电控制技术，阐述了具有鲁棒性的非线性智能控制方法在风力发电系统中的应用，最后对未来风力发电机和风力发电控制技术作了展望。2 风力发电机2.1 传统的风力发电机2.1.1 笼型异步发电机笼型异步发电机是传统风力发电系统广泛采用的发电机。系统结构如图1所示。图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动

16、装置，箭头指功率P的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。由于电机转子整体强度、刚度都比较高，不怕飞逸，比较适合风力发电这种特殊场合，所以笼型异步发电机发展很快，其技术日趋成熟，在世界各大风电场与风力机配套的发电机中，绝大多数是采用笼型异步发电机，但不能有效地利用风能，效率低。图1 笼型异步发电机系统的结构图2.1.2 绕线式异步发电机绕线式异步发电机由电机转子外接可变电阻组成，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，发电机的转差率可增大至10%，能实现有限变速运行，提高输

17、出功率，同时采用变桨距调节和转子电流控制，可以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。其系统结构如图2所示。图2 绕线式异步发电机的系统结构图2.1.3 有刷双馈异步发电机当前为了降低异步发电机并网运行中功率变换器的功率，双馈异步发电机被广泛应用于风力发电系统中，通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速。但是此种电机是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。系统结构如图3所示。图3 双馈异步发电机的系统结构图2.1.4 同步发电机最近几年，采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多，转速较

18、低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，因此适用于风力发电系统。系统结构如图4所示。变换器与发电机定子相连，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的激励电流。通过控制功率变换器的电压来改变发电机定子绕组的电流，从而控制发电机的输出力矩。通过控制功率变换器的超前、滞后电流来控制整个机组的无功功率及有功功率输出。此种风力发电机组具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。图4 同步发电机的系统结构图2.2 新型风力发电机2.2.1 开关磁阻发电机2开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、动静态性能好、可靠

19、性和效率高的特点。系统结构如图5所示。作电动机运行时，励磁电流产生的旋转磁场使转子动作，改变相绕组通电顺序，电机可处于连续运动的工作状态；作发电机运行时，电机的各个物理量随着转子位置的变化作周期性变化，当电机相电感随转子位置变化减小时，给相绕组通以励磁电流，则在定子侧发生电磁感应，将机械能转化为电能。当开关磁阻电机运行在风力发电系统中时，起动转矩大、低速性能好，常被用于小型(30k)的风力发电系统中。图5 开关磁阻电机发电系统结构图2.2.2 无刷双馈异步发电机其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机

20、的共同优点，功率因数和运行速度可以调节，因此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本。2.2.3 永磁无刷直流发电机永磁无刷直流发电机电枢绕组是直流单波绕组，采用二极管来取代电刷装置，两者连为一体，采用切向永磁体转子励磁，外电枢结构。此种电机不但具有直流发电机电压波形平稳的优点，也具有永磁同步发电机寿命长，效率高的优点，适合在小型风力发电系统中应用。2.2.4 永磁同步发电机3永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高，寿命长等优点。当电机转子被风能驱动旋转时，定子与转子产生相对运动，在绕组中产生感应电流。与等功率一般发

21、电机相比，永磁同步发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3或1/5。由于此种发电机极对数较多，且操作上同时具有同步电机和永磁电机的特点，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无传动机构的并网形式。2.2.5 全永磁悬浮风力发电机4全永磁悬浮风力发电机结构上完全由永磁体构成、不带任何控制系统，其最大特点是“轻风起动，微风发电”，起动风速为1.5m/s，大大低于传统的3.5m/s。通过采用磁力传动技术和磁悬浮技术，可克服永磁风力发电机输出特性偏软的缺点。系统由原动力传送装置、磁力传动调速装置、磁轮、永磁发电机等几部分组成。其低风速启动技术，对开发国广区的低风速资源，增加风力发电机的年发电时间有积极意义。

22、3 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。3.1 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

23、。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。3.2 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

24、使用率，降低整机重量。其缺点是需要一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。3.3 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。3.4 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

25、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、进行动态功率和转矩脉动补偿等优越性。4 风力发电系统的智能控制4.1 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

26、现最大空气动力效率、计算轻载时磁链以实现发电机逆变器效率优化、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6-9。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。4.2 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

27、电系统中可采用神经网络控制器通过在线学习并修改Cp -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10-11。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。5 结 论为提高风力发电效率，降低成本，改善电

28、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。(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

29、、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”。目前，生活于地球这颗行星上的人数已超过60亿，到本世纪中期，大有达到百亿之势，维持人类日常生活、文化，需消费大量的能源。但过度的能源消耗在促进人类发展的同时，会使地球环境恶化，甚至成为威胁人类生存的因素。在20世纪100年间，全世界人口从16.5亿增长了3.7倍，但消费的能源以惊人的速度增长到原来的9倍，由于消耗的大部分能源来自矿物燃料，必然导致CO2排放量增加，因此大气温室效应不断加重。如果21世纪继续维持这种能源消耗增长之势，社会生活大有无法维继

30、的危险。因此，为了今后人类的可持续发展，由传统的矿物燃料向太阳能、风能之类的绿色可再生能源的转变是能源发展的必然趋势。而风力发电尤其效益上的优势，将首先成为可与常规能源发电相竞争的新能源发电方式，一个大规模开发利用风能的时代，一个利用风力发电造福于人类的时代将会到来！参考文献1 王宇.风力发电技术.湘电培训与教学，2006年，第1期2 吴刚，明洁，田怀智.风力发电机组的并网与切换.新疆电力，2000年，第2期3 戴朝晖.风力发电项目设计概算编制要点.水利水电工程造价，2007年，第2期4 向红，王学忠.浅谈风力发电.科技与经济，2011年，第20期5 王秀丽.风力发电系统发展现状分析.华电技术，2010年，第8期