风力发电技术综述

风力发电技术综述内容摘要：

世界第一。 在世纪开始的时候，中国还有约 2020 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。 1986 年 4 月，中国第一个风电场在山东荣城并网发电，三台 55kW 机组是由航空部和山东省由丹麦引进的，同年 10 月作为国际科技合作项目，利用比利时政府赠送的四台 200kW 机组建成平潭示范风电场。 从 1989 年起全国各地陆续利用外国政府赠款或优惠贷款，引进机组建设风电场，装机容量逐年增长，规模在 1 万kW 以上的有新疆达坂城，内蒙古辉腾锡勒广东南澳， 惠来，辽宁东岗、丹东，吉林通榆和 浙江 苍山、鹤顶山等风电场， 2020 年底全国共有 万 kW。 中国经济持续发展，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。 东部沿海还有更丰富的海上风能资源，距离电力负荷中心又近，海上风电场在远期将是后续能源基地。 20 世纪 80 年代，我国陆续研制过几种并网型风电机组，额定功率分别是 1 55 和 200kW。 由于研制周期长，赶不上市场对更大容量机组的需求，大部分样机得不到机会继续改进和完善，未能转化成商品。 600kW 机组的技术通过多种方式引进，其中之一是支付技术转让费，购进全套制造技术，再经自主开发逐步 完善，提供商业化产品。 国家“九五”科技攻关项目安排的风力发电项目主要内容有：大型风电机组总体设计关键技术；叶片设计、制造与试验；电控技术及装备；风电场集中控制及远程监控；风电机组电气性能测试技术。 本 文的主要 内容 在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，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，目前国内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。 风力发电技术综述 4 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。 风力发电技术综述 5 2 风力发电机 传统的风力发电机 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 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。 风力发电技术综述 6 图 2 绕线式异步发电机的系统结构图 有刷双馈异步发电机 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 同步发电机 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。 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。 风力发电技术综述 7 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 新型风力发电机 开关磁阻发电机 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。 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 (30kＷ )的风力发电系统中。 图 5 开关磁阻电机发电系统结构图 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风力发电技术综述 8 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。 永磁无刷直流发电机 永磁无刷直流发电机电枢绕组是直。