风力发电技术综述内容摘要近 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。关键词：风力发电；技术；综述 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。2.2 新型风力发电机2.2.1 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。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。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。定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速 69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，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，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠，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。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。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。 定浆距失速控制风力机整机机构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变浆距型风力机能使叶片的安装角随风速而变化，从而便风力机在各种工况下（起动、正常运转、停机）按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等等。当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节结构。现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进，都为大、中型风力发电机组广泛采用。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。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以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。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。图 6 为双馈感应发电机风力发电系统,双馈感应发电机的定子直接和电网连接,绕线转子则通过滑环与变换器相连接。其中,变换器用于控制转子绕组电流,调节发电机输出功率和转矩。图 6 双馈型变速变桨距风电机组当风速变化引起电机转速变化时,只要改变通入电机转子里面励磁电流的 f2就可以保持持电机定子侧输出 f1不变。网侧变频器将电网的交流电整流为直流,转子侧变频器将直流逆变为交流,逆变的交流电频率由电机的转子转速决定,从而实现定子侧输出恒定频率的电流。双馈感应发电机工作在一个有限的变速范围,该范围与变换器设计有关,变换器容量为发电机额定功率的 20% ~30%,具有相当大的价格优势且变速范围相对于转子外接电阻的 OptiSlip 更大。但是,风力发电机要求电网发生故障时能够实现低电压穿越,而双馈感应发电机系统会产生很大的电流峰值,为了保证系统安全运行,需要采用先进的保护系统。 4 风力发电系统的智能控制4.1 模糊控制模糊控制就是在被控制对象的模糊模型的基础上,运用模糊控制器近似推理手段,实现系统控制的一种方法。模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制。它是受这样事实而启发的:对于用传统控制理论无法进行分析和控制的复杂的和无法建立数学模型的系统,有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果,这是因为他们拥有日积月累的丰富经验,因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则,并根据这些规则设计出控制器。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，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，设计简单，便于应用，具有较好的动态性能和鲁棒性。基于模糊逻辑的智能控制技术最近几年在风力发电机组控制领域中被受重视。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－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。人工神经网络的研究起源于 1943 年和 McCulloch 和 Pitts 的工作。人工神经网络是模拟人直观性思维的一种方式，它是将分布式存储的信息并行协同处理,是一种大规模的非线性动力学系统，具有很强的自学习能力、鲁棒性和容错性，同时还具有 可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力。现有人工神经网络代表性的模型有多层映射 BP 网络、RBF 神经网络实现局部或全部的模糊逻辑控制功能。文献对一个变桨距风力发电系统，采用双模控制结构，内环用模糊控制器控制发电机的励磁电压，外环用神经网络控制器通过离线学习风力机的反向动态模型，实现风能的最大捕获并减小机械载荷。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。 参考文献[1] 高小法.国内风力发电的现状和前景.新能源及工艺，2002.19-22.[2] 孙云龙.风能及其利用.北京:能源出版社,2004.5-7.[3] 许大中.电机控制.杭州:浙江大学出版社,2002.25-30.[4] 刘其辉.变速恒频风力发电机空载并网控制.中国电机工程学报,2004.6-11.[5] 程明.风力发电机发展现状及研究进展.电力科学与技术学报，2009.2-9．[6］李辉.并网风力发电机系统的发展综述.微特电机，2009.55-61．[7］桓毅.风力发电机及其控制系统的对比分析.中小型电机，2002.41-45．[8］杜新梅.新型风力发电系统.高电压技术，2011.63-65．[9］刘细平.风力发电机及风力发电控制技术综述.大电机技术，2010.18-24．[10］董萍.新型发电机在风力发电系统中的应用.微特电机，2012.39-44． 目 录内容摘要............................................................................................................................I1 绪论...............................................................................................................................41.1 课题的背景及意义..........................................................................................41.2 国内外发展现状..............................................................................................51.2.1 国外风力发电发展现状......................................................................51.2.2 我国风力发电发展现状......................................................................51.3 本文的主要内容..............................................................................................62 风力发电机...................................................................................................................82.1 传统的风力发电机..........................................................................................82.1.1 笼型异步发电机..................................................................................82.1.2 绕线式异步发电机..............................................................................82.1.3 有刷双馈异步发电机..........................................................................92.1.4 同步发电机..........................................................................................92.2 新型风力发电机............................................................................................102.2.1 开关磁阻发电机................................................................................102.2.2 无刷双馈异步发电机........................................................................102.2.3 永磁无刷直流发电机........................................................................102.2.4 永磁同步发电机................................................................................102.2.5 全永磁悬浮风力发电机....................................................................113 风力发电控制技术.....................................................................................................123.1 定桨距失速风力发电技术............................................................................123.2 变桨距风力发电技术....................................................................................123.3 主动失速/混合失速发电技术.......................................................................133.4 变速风力发电技术........................................................................................144 风力发电系统的智能控制.........................................................................................15 4.1 模糊控制........................................................................................................154.2 神经网络控制................................................................................................155 结 论..........................................................................................................................17参考文献.........................................................................................................................18 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。风力发电的运行方式主要有两类。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 100W~10KW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，系统的容量约为 10~200KW，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。机组单机容量范围在 200~2500kW 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，目前许多电网内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克服。风电正成为快速增长的重要能源，是环境友好型发电的最大来源，与潮汐、波浪和太阳能相比，风电效率最高，最高效率可达 50%。丹麦政府 20 世纪 70 年代以来就坚持鼓励风电等可再生能源的发展，2005 年，风电在丹麦混合发电量中的份额约达到 20%。美国风能协会预测，到 2030 年全国全部能源的 20% 将由风力发电提供。据欧盟政府首脑会议达成的共识，到 2020 年，欧盟总能源供给的 20% 将来自于可再生能源。中国将风力发电作为调整能源结构，应对气候变化的主要替代能源之一 ，2020 年计划投入运行的容量将达 30GW。世界各国也出台相应的政策鼓励装机和并网发电。与此同时，风力发电技术也取得了很大发展，然而大规模风电并网却给传统电力系统带来了很多问题，尤其是电力系统稳定问题。 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。2011 年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风电行业发展势头迅猛，全球年度市场增长率达 41%，行业市场格局基本没有发生实质性的改变，美国、欧盟和亚洲仍处于全球风电发展的主要领导地位，明显的变化是中国超越美国，成为了 2011 年新增装机容量全球第一的国家。根据全球风能理事会 GWEC 统计报告显示，截止 2002 年，全球风电装机容量累计已达 1.58 亿 kW，增长率累计达31.9%，产出总值为 450 亿欧元，从业人数约 50 万，该产业已经成为世界能源市场的重要组成部分。到 2012 年底，全球已有 100 多个国家涉足风电领域，目前 17 国累计装机容量超过百万 kW。1.2.2 我国风力发电发展现状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。进入 90 年代以后，我国在大型(并网型)风力发电机组的国产化方面取得了有效的进展。浙江省机电设计研究院研制的 200kW 风力发电机组，于 1997 年 4 月通过了国家级技术成果鉴定，同年 12 月又完成了中试样机的研制。由上海蓝天公司主持研制的 300kW 风力发电机组，1998 年初在南澳风电场投入并网运行，目前运行情况良好。 在 600kW 风力机研制方面，由国家科委立项，新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化项目也迈出了坚实的一步。在我国无论是已经开发成功的 200kW 和 300kW 风力发电机组，还是正在研制的600kW 机组，都是在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上进行的。其中由浙江省机电设计研究院研制的 200kW 风力机，在参考国外 150kW 机型的基础上，为便于国产化，又做了重新设计，目前该型机组的国产化率达到了 95%(仅控制器模块进口);上海蓝天公司研制的 300kW 风力机，除控制系统外也全部实现了国产化。600kW 机组的技术正在通过多种方式引进，一种是支付技术转让费购进全套制造技术，再经过自主开发逐步完善，提供商业化产品。如 1996 年航天工业总公司购买奥地利 Pier 公司和 1997 年新疆风能公司购买了德国 Jacobs 公司 600kW 风电机的制造技术。另一种是通过技贸结合的方式购进一批成熟的风力发电机组，同时引进制造技术，严格按照原装部件标准在国内生产，逐步提高部件的国产化率。如 1995 年国家经贸委利用技改经费，在“双加工程”中列入“新能源示范工程”，提供专项贷款，以技贸结合的方式为内蒙古和浙江各引进了 33 台 600kW 机组，合同中还包含主机制造技术的转让，先从组装 33 台 600kW 机组开始，再逐步提高国产化程度，这为我国下一步自行研制、开发大型风力发电机组积累了经验。　　目前, 我国国产化机组产量仍然偏小, 远未达到规模效益, 使得零部件采购价格偏高, 利润空间很小。因此, 我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术, 加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量, 提高国产机组可靠性, 以取得风电场建设者的认可,逐步加大市场份额。据相关资料报道 , 到 2020 年, 预 计 我 国 将 新增发电能力500GW, 其中 121GW 为可再生能源。1.3 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。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。 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同步发电机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