风力发电技术内容摘要近 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 。风力发电机是实现风能转换为电能的核心部件之一。自上世纪 70 年代末以来，涌现了多种风力发电机拓扑结构及发电系统。针对现有国内外主要类型风力发电机的技术特点进行评述，分析比较不同类型风力发电智能控制技术, 讨论风力发电机的最新发展趋势与研究进展，为我国风力发电研发工作提供参考。 3.1 定桨距失速风力发电技术3.2 变桨距风力发电技术3.3 主动失速/混合失速发电技术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4.2 神经网络控制神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络;或由大量象生物神经元的处理单元并联互连而成.这种神经网络具有某些智能和仿人控制功能。学习算法是神经网络的主要特征,也是当前研究的主要课题.学习的概念来自生物模型,它是机体在复杂多变的环境中进行有效的自我调节.神经网络具备类似人类的学习功能。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 Cp-λ 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 5 结 论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。(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”。　　本文综述了国内外风力发电机的发展概况，分析对比了主流风力发电机及其系统的技术特点和适用范围，简要介绍了风力发电机最新研究进展，并介绍了风力发电系统的智能控制工作原理和特点。 目 录内容摘要............................................................................................................................I1 绪论...............................................................................................................................11.1 课题的背景及意义..........................................................................................11.2 国内外发展现状..............................................................................................11.2.1 国外风力发电发展现状......................................................................11.2.2 我国风力发电发展现状......................................................................21.3 本文的主要内容..............................................................................................32 风力发电机...................................................................................................................52.1 传统的风力发电机..........................................................................................52.2 新型风力发电机..............................................................................................73 风力发电控制技术.....................................................................................................103.1 定桨距失速风力发电技术............................................................................103.2 变桨距风力发电技术....................................................................................113.3 主动失速/混合失速发电技术.......................................................................123.4 变速风力发电技术........................................................................................124 风力发电系统的智能控制.........................................................................................134.1 模糊控制........................................................................................................134.2 神经网络控制................................................................................................135 结 论..........................................................................................................................15 1 绪论1.1 课题的背景及意义 风力发电技术分布式发电是能源领域的新兴重点发展方向,随着国民经济的持续发展, 能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活, 为了解决这个问题, 人们开始把目光投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。如果把全世界风能理论蕴藏量的百分之一、二用于发电, 即可为当今世界经济发展提供强大的动力支持。风能是最清洁的能源之一, 风力发电是大规模利用风能最经济的方式。地球上的风能大大超过水流的能量, 也大于固体燃料和液体燃料的总和。目前世界每年燃烧煤所获得的能量, 只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此, 国内外都很重视利用风能来发电, 开发新能源。在各种能源中, 风能是利用起来比较简单的一种, 它不同于煤、石油、天然气, 需要从地下采掘出来, 运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧； 也不同于水能, 必须建造坝, 来推动水轮机运转； 也不像原子能那样, 需要昂贵的装置和防护设备。而风能的利用由于简单, 且机动灵活, 因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带, 都具有速度很高的风, 这是很宝贵的能源, 如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利的。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。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 3200kW 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。由于风力发电是可再生洁净能源, 其环境效益也十分明显, 随着风力发电技术的日益成熟, 发电成本的进一步降低, 风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益, 1.2.2 我国风力发电发展现状 人娄从何时开始懂得对风能的利用,风和风资源,风电的发展前景,理解工作风速,了解风储量和分布.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、示范应用、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。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。　　我国幅员辽阔, 陆疆总长 2 万多千米, 海岸线 1.8 万多千米, 是一个风力资源丰富的国家, 全国约有 2/3 的地带为多风带。风能总储量为 32.26 亿千瓦, 实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦, 为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区, 跨全国 21 个省、市、自治区。到 1999 年底已开发微小户用型风力发电机 16 万台,并网型风电场 24 座,总装机容量 26 万千瓦, 其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的, 最大单机容量为 600kW。毫无疑问,中国风能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制, 其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比, 它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发,从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。 1.3 本文的主要内容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。　　随着风力发电应用的深入，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。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。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。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 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 Ｗ)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。永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统结构如图 7 所示，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，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，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，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。 图 6 永磁同步发电系统结构图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。风力电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地 HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。 风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下：风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。