风力发电技术综述大学论文.docx
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风力发电技术综述大学论文
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：
层次：
专科起点本科
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2014年秋季
学号：
141501409022
学生：
指导教师：
完成日期：
2016年5月30日
内容摘要
风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。
由于对能源的渴求，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重污染了我们的生存空间、恶化了自然环境，还带来了更可怕的恶果---能源枯竭。
因此风能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽用之不竭，越来越受到世界各国的重视。
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
本论文介绍了风能在国内外的发展现状和前景，传统发电机和新型发电机，和它们的优缺点，以及风力发电的控制技术。
关键词：
风力发电
目录
内容摘要I
1绪论4
1.1课题的背景及意义4
1.2国内外发展现状5
1.2.1国外风力发电发展现状5
1.2.2我国风力发电发展现状5
2风力发电机8
2.1传统的风力发电机8
2.1.1笼型异步发电机8
2.1.2绕线式异步发电机8
2.1.3有刷双馈异步发电机9
2.1.4同步发电机10
2.2新型风力发电机11
2.2.1开关磁阻发电机[2]11
2.2.2无刷双馈异步发电机11
2.2.3永磁无刷直流发电机12
2.2.4永磁同步发电机[3]12
2.2.5全永磁悬浮风力发电机[4]13
3风力发电控制技术14
3.1定桨距失速风力发电技术14
3.2变桨距风力发电技术14
3.3主动失速/混合失速发电技术15
3.4变速风力发电技术15
4风力发电系统的智能控制17
4.1模糊控制17
4.2神经网络控制17
5结论19
参考文献21
致谢23
1绪论
1.1课题的背景及意义
风力发电是一种技术最成熟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。
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风电机组）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。
在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。
利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。
洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。
风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。
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2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。
目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外风力发电发展现状
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，单机容量的范围为0.5~3kW。
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。
随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。
自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。
2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。
预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。
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。
1.2.2我国风力发电发展现状
我国是世界上利用风力最早的国家之一，但进行风力发电科研的工作起步较晚。
中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。
经过初期发展、单机分散研制、示应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一。
虽然说中国并网大型风力发电的技术和产业虽然起步较晚,但也发展很快,已经具备制造单机容量600kW的大型商业化风电机组的能力,目前正在组织兆瓦级风电机组的攻关。
我国风力发电装机容量2003年底已达56.7万kW,居世界上第十位。
特别是1996至1998年我国风电场的建设发展得很快,这主要得益于政府的重视和相关政策的支持。
我国风机国产化的水平正在不断提高,机组的国产化率超过90%,今年并网国产机组的订单已越200台。
截止2003年,我国累计安装风电机组1042台,总装机容量56.7万kW。
共有40个风电场,分布在14个省（市、区）。
但是,我国的风电产业在世界上还相对落后,比如,我国可利用的风能资源为德国的11.3倍,风电总装机只为德国的3.88%;即使同印度相比,我国的总装机容量尚不及它的三分之一。
因此,研究我国风电发展迟缓的原因,提出相应的激励政策已成当务之急。
从国外经验看,政府支持、政策激励是发展风电的关键。
在世纪开始的时候，中国还有约2000万人口没有用上电，在常规电网外，推广独立供电的风力发电机组，对解决农、牧、渔民看电视、听收音机、照明和用电动鼓风机做饭等生活用电问题，对于改善和提高当地经济，促进地区社会、文化事业发展，加强民族团结，巩固国防建设有着重大的意义。
我国风能资源丰富,总储量约为32亿千瓦,可开发的装机容量约为2.53亿千瓦,居世界首位。
“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。
2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。
2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约600万千瓦。
2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。
2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。
2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。
2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量77.9MW；累计安装风电机组227台，容量436.05MW。
1.3本文的主要内容
本文介绍了风力发电为取来发展的潜力，风电特点决定其未来发展趋势
（1）从长远来看,风电成本是可以预期的,目前,我国已经批复的风电价格为0.5-0.6元/kwh,但是随着技术进步和风电产业规模的扩大,到2020年之前风电成本有望下降20%-40%,届时风电价格将接近0.4元/kwh,这个价格同常规电力相比是具有可竞争性的。
（2）风电属于资源依赖性技术,目前我国风能资源分布及开发潜力基本明确,虽然仍需要精查,但是从未来大规模需求来看,风能资源具有保障。
（3）风力发电对土地、水资源的要求很小,对环境的影响非常有限。
（4）在风力发电技术方面,我国学者提出了风电低频传输技术、风电直接传送到电网中心等技术,而且随着我国对可再生能源关注程度的提高,长期来看,风力发电技术将会越来越成熟,能够达到风电大规模产业化的技术要求。
总体来看,风力发电在技术、成本、市场上都具有明确的预期,也不会对环境产生负面影响,资源储量也能保证期大规模的发展应用,因而其未来必将大规模发展。
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。
与同步电机、直流电机、绕线式异步电机相比,笼型异步电机具有结构简单、坚固、价廉、维护方便和功率密度高等突出优点。
异步电机作为可逆电机,能用于发电场合,并在电网中的异步电机从电网吸收感性无功来励磁,超同步运转时则处于发电状态。
本文介绍的独立供电发电运行的笼型异步发电机。
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。
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
双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。
这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。
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
作发电机运行的同步电机。
是一种最常用的交流发电机。
在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。
由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。
若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。
同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。
近年来，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。
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]
开关磁阻电机结构简单、坚固,具有成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性,在某些特殊应用领域有一定的应用优越性.开关磁阻电机是一种典型的机电一体化电机,其控制灵活,容易实现四象限运行,且可作发电机运行。
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、可靠性和效率高的特点。
系统结构如图5所示。
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
永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。
与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。
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]
永磁同步发电机结构主要分为三部分：
主电枢和主转子、主励磁机、副励磁机。
永磁其实是指副励磁机部分，主转子是一定是线圈绕组，不然就无法自动调压。
主转子通过直流电来产生磁场，在原动机的驱动下，磁场随转子旋转。
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，对开发国内广大地区的低风速资源，增加风力发电机的年发电时间有积极意义。
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。
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。
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。
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。
5结论
风电产业正处于一个技术成熟的阶段,在电力能源市场中已占据了一席之地。
为满足全球未来对于清洁可再生电力的需求,风力发电技术的研发还需要持续不断努力。
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。
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。
按照风电直供或者非并网解决风电并网难问题。
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。
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。
企业需要考虑在现在国家提倡行业企业做大做强，提高竞争力的前提下，加快纵向一体化的步伐。
风机制造企业可以适当的向风电场的建设等下游市场建立发展，规避一定的风机需求市场波动的风险。
目前的风机制造企业主要是只负责风机的制造，并向这些国内的大型风力发电企业供应。
目前主要是这种三方合作模式，即地方政府、电力企业以及风机制造企业。
这种风力开发模式固然是很好，但是不利于风机制造企业发挥主动性。
风机制造企业在市场开发上的主动性不强，市场的竞争度不是很高。
不利于风机制造企业的持续发展，未来有能力的企业可以考虑自己开发风场，或者对电力企业的风场开发进行股权投资，这样，既能有利于产品销售，又能在一定程度上分散风险。
积极引导风电企业在不同领域进行合理布局。
风电开发要本着抓大不放小的原则。
在大力发展大型风电场和大型风力机的同时，不要放弃小型风力机的开发。
离网型小型风力机是解决高山、牧民用电的重要手段之一。
尽管它不会产生较大的经济效益，但会带来较大的社会效益，对减少贫困、发展经济、和谐社会大有益处，在贫困以及边远山区仍然有着较广的发展前景。
参考文献
[1]卢为平.风力发电基础.化学工业出版社，2011
[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术.机械工业出版社，2002
[3]侯雪.风力发电技术.机械工业出版社，2014年12月
[4]张完善，刘六.校园环境与学风建设.城市日报，2002年3月5日，第2版.
[5]BorkoH,BernierCL.Indexingconceptsandmethods.NewYork:
AcademicPr.,1978.
致谢
经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，在这里我要感谢指导老师的知道和监督，以及同学的支持和帮助，其中每一个字都包含了指导老师和同学们的汗水，如果没有老师以及同学的帮助，是不可能完成这样的设计的，当然在这几个月的写作中也让我学到了很多的东西。
由于不是从事这方面的工作，经验有所匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，但是这篇论文中对我的帮助也非常大。
让我认识到了有那么多人为我们有一个更美好的生活环境付出那么多汗水，让我意识到保护环境、节约能源的重要性，在日常生活中会更加约束自己，为美好的明天做出一点微薄的力量。
在此，再次向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢，并想帮助我的朋友表示感谢！
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