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风力发电及其控制技术能源危机的日趋严重，优化能源结构、发展清洁环保的可再生能源迫在眉睫。风能是一种清洁环保的可再生能源，随着国家政策的支持和风力发电技术的不断发展，风力发电越来越得到人们的重视，并将在新能源发电中扮演重要的角色。本文概述了我国风能资源的储量和分布，介绍了近年来我国风力发电的总体情况，各地风力发电的发展概况，以及风力发电技术的发展状况。随着经济快速增长，高耗能产业急速发展，对于可再生新能源的要求越来越迫切。中国目前的电力供应主要以水力发电和火力发电为主，一旦干旱严重或煤炭供应紧张，电力供应就会受到很大的影响。而风能作为一种重要的可再生能源，取之不尽、用之不竭。因而风力发电技术在国内外受到了极大的重视。1风能开发与风力发电人类对风能的利用最早可追溯到3000年前。20世纪70年代早期，随着石油能源危机的出现，风能又重新得到人们的关注。这时对风能的利用主要集中在如何使用风能来发电。70年代早期开始，风能发电的技术在一步一步地改进。20世纪最后十年，利用风能发电，全球范围内装机容量几乎每三年翻一番。利用风能发电的成本也比80年代初下降了大约1/6。80年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量10KW以下的小型风力发电机，解决了居住分散的家牧民和岛屿居民的生产生活用电。到了80年代后期，我国先后从国外引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江等省的岛屿建立了8座示范性风力发电场。2我国的风能资源风能是太阳能的一种转化形式，太阳辐射到地球的能量中约有2%转化为风能。地球上蕴有风能约为2.74万亿kW，可利用的风能约为200亿kW，装机容量可达100亿kW，每年可发电13万亿kWh。地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍，已经利用的不足千分之一。在技术上，全球风能资源是整个世界预期电力需求的2倍，也就是说只要利用地球上50%的风能资源就能满足全球对于能源的需求。2.1我国风能资源总量我国的风能资源十分丰富。根据全国第2次风能资源普查结果，全国陆地风能离地面10m高度的经济可开发量达2.53亿kW，近海资源估计是陆上资源的3倍，10m高经济可开发量约7.5亿kW，全国陆地、海上风能离地面10m高度的经济可开发量总共约10亿kW。2.2我国风能资源分布我国的几个风能丰富带主要分布在东南沿海地区、“三北”地区和内陆局部地区。三北地区包括东北三省、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省(自治区)。这一风能丰富带可开发利用的风能储量约2亿kW，占全国可利用储量的80%。另外，该地区风电场地形平坦，交通便利，是中国最大的连片风能资源区，有利于大规模开发风电场。东南沿海是中国风能最佳丰富区。中国有海岸线约1800km，岛屿6000多个，是风能大有开发利用前景的地区。除了上述两个风能丰富带之外，内陆的一些地区由于湖泊山川和特殊地形的影响，风能储量也较丰富。3我国的风力发电发展现状3.1我国总体风力发电发展现状2009年中国新增风电装机容量为1380.3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5万kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8万kW，累计风电装机容量为4473.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。3.2我国各地风力发电发展现状截止2010年底，中国累计风力发电装机超过100万kW的省份超过10个，超过200万kW的7个，内蒙古无论新增还是累计装机容量均位居全国第1。目前，中国正大力投资在甘肃、新疆、河北、蒙东、蒙西、吉林和江苏沿海建设七大“千万千瓦级”风电基地；2010年6月，中国第1座千万千瓦级风电基地在甘肃酒泉正式竣工并投入运营；2010年7月，亚洲首座大型海上风电场——上海东海大桥海上风电场竣工投产，成为至今欧洲之外的第1个大型海上风电场。4风力发电技术4.1风力机的变浆距功率调节技术风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，风力机作为风力发电系统的关键部件之一，直接影响着整个风力发电系统的性能、效率。4.1.1风力机的特性风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义一个风能利用系数Cp:Cp=Eo/Ev=Po/Pv式中:Eo为t时间内叶轮吸收的风能;Ev为t时间内通过叶轮旋转面的全部风能;Po为单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率;Pv为单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。4.1.2风力机的功率调节目前运行的机组主要有两类功率调节方式:1.定浆距失速控制;2.变浆距控制。(1)定浆距失速控制这种机组的输出功率随风速的变化而变化，通常难以保证在额定风速之前Cp较大，特别是在低风速段。这种机组通常设计为有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速发电机工作在高风速区，小功率低转速发电机工作在低风速区，由此来调整Cp。(2)变浆距控制变浆距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠叶片节距角(气流方向与叶片横截面的弦的夹角)的改变来时行调节。在额定风速以下时节距角处于零度附近;在额定风速以上时，变浆距机构发挥作用，调整叶片节距角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风机正常工作时，主要采用功率控制，对于功率调节速度的反应取决于风机浆距调节系统的灵敏度。在实际应用中，风速的较小变化将造成风能较大的变化，风机输出功率处于不断变化中，浆距调节机构频繁动作。风机浆距调节机构对风速的反应有一定的时延，在阵风出现时，浆距调节机构如果来不及动作就会造成风机瞬时过载，不利于风机的运行。4.2变速恒频风力发电技术根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒频(ConstantSpeedConstantFrequency，简称CSCF)风力发电技术和变速恒频(VariableSpeedConstantFrequency，简称VSCF)风力发电技术。4.2.1恒速恒频风力发电技术恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%~5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生产反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。4.2.2变速恒频风力发电技术变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景:(1)传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，要风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上。(2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。(3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒频发电系统更易实现并网操作及运行。5国内外风力发电的现状与趋势世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入21世纪后，世界风力发电技术得到了飞速发展，主要体现在:1.单机容量不断上升。2.变浆距功率调节方式迅速取代定浆距功率调节方式。3.变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。4.无齿轮箱系统的直驱方式增多。世界风力发电发展迅速，未来数年的趋势可表现为:1.风力发电从陆地向海面拓展。2.单机容量将进一步增大。3.新方案和新技术将不断被采用在功率调节方式上，变速恒频技术和变浆距调节技术得到更多的应用，在控制技术上，计算机分布控制技术和新的控制理论将进一步得到应用;在驱动方式上，免齿轮箱的驱动技术将更加吸引人们的注意。4.风力发电机组将更加个性化，适合特定市场和风况的风力机将被更多地推出。风力发电控制系统的类型控制系统的类型对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨距，形成多种结构和控制方案。根据浆叶的不同，分为以下三种：l定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。2变桨距调节型风力发电机组变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。3主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。根据风机转速分有恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机组的整体效率较低,而变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。变速恒频又根据发电机的不同分为以下几种：1异步感应发电机通过晶闸管控制的软并网装置接入电网，并网冲击电流较大。另外需要电容无功补偿装置。控制电路简单。各大风力发电制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此类产品。2绕线转子异步发电机对于绕线转子异步发电机可以采用功率辅助调节方式，即转子电流控制（RCC）方式来配合变浆距机构，共同完成发电机输出功率的调节。在绕线转子输入由电力电子装置控制的发电机转子电流，可以加大异步发电机转差率（可到10％），使得发电机在较大的转速范围内向电网送电。以提高异步发电机的风能利用率。3双馈发电机双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位．{I=Imsin(ωt+φ)}通过改变励磁频率，可调节转速．这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值。频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的。既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。下图是双馈电机控制简