网络高等教育专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 浅谈风力发电技术 学习中心： 层 次： 高中起点专科 专 业： 电力系统自动化技术 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 202 2 年 9 月 5 日 浅谈风力发电技术性、提高风力发电的品质和效率、延民风电机组的寿命是风力发电控制系统的基本目标。3.1 最优控制最优控制是寻求使得动态系统的性能指标达到最优的控制，是现代控制理论的一个重要组成部分。风力发电系统所应用的控制方法中，最优控制技术应用最早，相对比较成熟。但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础，这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、鲁棒控制方法结合起来的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题:提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。研究指出在光伏－风能混合发电系统中应用一种分解－协调式的分层非线性最优控制方法获得最大电功率，即将整个上层系统分解为光伏和风能两个下层子系统，首先预测协调变量的初值，然后采用适当的非线性方法(如梯度法)求解每个子系统及其变量,检验系统收敛性，其中下层问题是一类确定性非线性最优化问题。3.2 自适应控制自适应控制的目标是自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制系统需要不断进行系统结构，和参数的辨识或系统性能的指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况，按一定的规律确定当前的控制策略，在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。有研究者采用自适应控制器，以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器中的增益是可调节的。也有研究者采用超前自适应控制方法控制风力发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，在负载与风速变化时,控制方法具有可靠快速响应和有限的最大跟踪误差。应用非线性自适应控制理论对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励磁绕组电压，此控制方法可在获得平稳渐进的转子速度跟踪的基础上达到最大风能捕获的目的。3.3 滑膜变结构控制方式滑膜变结构控制方式是一种有效的非线性鲁棒控制方法，利用开关切换。使系统在开关面上沿着固定的轨迹运动。有人提出以功率给定与实际输出功率之差作为开关面切换条件，在风力机工作的各个区域采用不同的滑动模控制律进行控制，仿真结果与常规控制器相比；模型参数错误或者不确定的情况下，滑膜变结构控制的鲁棒性更7 浅谈风力发电技术高，实现更加简单；在电能转换装置与主轴传动机械之间提供软连接；在各个工作区间都可以很好的抗外界扰动。也有人研究认为对采用鼠笼式感应发电机的风力发电系统进行了研究，根据风力机的尖速比将系统工作区域划分为正常和失速两种区域，并以功率相对误差为切换面，分别采用不同的滑膜控制结构进行仿真，实现了无差跟踪和最大风能捕获，并通过李亚普诺夫定理论证了系统的稳定性。 4 风力发电技术发展趋势4.1 风力发电技术发展趋势风电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电品种，受到世界各国的重视。世界风力发电发展迅速,未来数年的趋势可表现为:8 浅谈风力发电技术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。我国的风力发电技术自 20 世纪 70 年代起步，在大型风电机组的自主研发、风电机组及零部件的检错手段、风电机组认证体系等方面都和世界先进国家还存在较大的差距，但是经过几个五年计划的科技攻关，我国在风电机组整机及零部件制造技术、风电接入系统仿真技术、风电场选择及建设技术等方面都取得了长足的进步。同时，我国已开始发展近海风能资源的近海风电机组和风电场技术。可以预测，随着风电产业和技术的快速发展，风力发电将成为我国可再生能源中极具规模化开发条件和商业化发展前景的一种新能源，是成本最低的温室气体减排方案之一 。4.2 风力发电技术发展趋势1.发展风/柴联合供电系统从 80 年代起,一些发达国家在兴建并网风电场的同时,开展了风力发电机组与柴油发电机组联合运行的研究和试验工作,并获得了初步成功。国际能源界普遍认为这种运行方式对用电量不大但以柴油发电为电源的地区实行局部独立供电,既可获得稳定的电力供应,又能充分利用风能,还具有显著的节油效果,是风电发展的一个重要方向。我国在一些大电网还难以普及的边远地区,主要是靠柴油发电机组来进行局部供电的。但柴油发电存在着电价偏高、供电质量和可靠性较差等问题,不利于当地社会和经济的发展。因此,在风力资源丰富的地区实行风/柴联合供电,将具有良好的社会与环境效益。2.发展风电场我国风能资源丰富,实际可开发利用的储量为 2.53×108kW。西北、东北、华东和华南沿海、近海岛屿及沿海内陆千米左右的山顶都具备建设风电场的条件,开发潜力巨大。如内蒙古自治区的风能储量高达 1.01 亿 kW,居全国各省(市、自治区)之首,大中型风电场资源有近 20 处之多,其中正在开发的辉腾锡勒风电场远期规划装机容量为120 万 kW,具备国家级大型风电场开发建设条件。在沿海地区风能的季节分布还可与水电资源形成互补。可见,在我国发展风电既有丰富的资源条件,又有以往成功的经验和国外先进成熟的技术可借鉴,同时风电本身还有其它发电方式所无法比拟的优势,如建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等,我国应该大力9 浅谈风力发电技术发展。在部分发达国家(如丹麦),风电占电网总容量已超过 5%。而我国风电在电网中所占比重至今仍很小,国家应将风电的开发纳入我国电力发展的总体规划之中,但考虑我国国情和风电技术发展的情况,以电网容量的 1%作为 2010 年风力发电的发展目标是适宜的。值得注意的是我国在开发陆域和岛屿风电场的同时,应借鉴德国、丹麦等风电开发先进国家的经验,积极开展海上风电场建设的调研和规划,为可持续发展打下基础。参考文献[1] 王丞煦,张源.风力发电[M].北京:电力出版社,2003.[2] 王建录 ,郭慧文 ,吴雪霞.风力发电技术丛书风力机械技术标准精编[M].北京:化学工业出版社,2010,3.[3] 明夫.风力发电技术[M].西安 :西北工业大学出版社,2009,3.[4] 吴佳梁,李成锋.海上风力发电技术[M].北京:化学工业出版社,2010,6.[5] 侯建朝.世界风能资源开发现状和政策分析及对我国的启示.中国电力,2008．10 浅谈风力发电技术[6] 张新房.风力发电技术的发展及若干问题.现代电力，2003．11 浅谈风力发电技术内容摘要风能是一种取之不尽，用之不竭的特殊能源，尤其是在发电这一领域有其广泛的用途，其无污染，可循环等一些特点在常规能源日渐稀少和可持续发展为主题的今天越来越受到重视。随着我国的十二五规划中关于新能源战略规划的提出，我国的风电发展事业开始进入一个全新的阶段，本文从风能的发展史和现状入手，对水平轴风力机和垂直轴风力机进行了深入探讨和分析，进一步对风力发电控制技术进行了探讨，最后对风力发电技术的发展趋势进行了展望。关键词：风力发电；水平轴；垂直轴；控制技术I 浅谈风力发电技术目 录内容摘要............................................................................................................................I引 言.................................................................................................................................11 风能的发展史和现状...................................................................................................21.1 风能利用历史...................................................................................................21.2 风能利用现状...................................................................................................22 风力发电机比较...........................................................................................................42.1 水平轴风力机...................................................................................................42.2 垂直轴风力机...................................................................................................42.3 水平轴力机和垂直轴力机比较.......................................................................53 风力发电控制技术........................................................................................................73.1 最优控制.............................................................................................................73.2 自适应控制.........................................................................................................73.3 滑膜变结构控制方式.........................................................................................74 风力发电技术发展趋势...............................................................................................94.1 风力发电技术发展趋势...................................................................................94.2 风力发电技术发展趋势...................................................................................9参考文献.........................................................................................................................11II 浅谈风力发电技术引 言19 世纪末丹麦人研制出世界上第一台风力发电机组,建成了世界上第一座风力发电站,随后多个国家相继研制了类型各异的风力发电设备。但由于当时风机技术较为落后、风电成本昂贵、人类对于能源和环境存在的潜在危机认识不足等原因,风力发电的发展速度缓慢。第二次世界大战爆发,使世界风能技术的发展处于停滞。战后,到 20 世纪 60 年代,廉价石油的大量使用又使得包括风能在内的所有可再生能源都不受重视。1973 年爆发的世界石油危机,使各国政府对新能源和可再生能源的利用给予高度重视 。于是风电技术和国家政策等方面都有了长足进步。1 浅谈风力发电技术1 风能的发展史和现状1.1 风能利用历史1.世界风能利用历史人类利用风能的历史，至少可以追溯到 5000 多年以前。埃及可能是最先利用风能的国家。2000 多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能。公元 10 世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到 11 世纪，风车在中东地区已经获得广泛的应用。12 世纪，风车的概念和设计从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？（可以查阅相关资料进行了解）。除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，在比利时等地势较低国家还用风车来排水。2.中国风能利用历史至少在 3000 年以前，我国就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋，庞大的风帆船（见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。1300 多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式” ，一直沿用到新中国成立。中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非常盛行，仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达 20 万台。我国使用最广泛的是“斜杆式”风车，直到今天，沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。1.2 风能利用现状1.世界风能利用现状19 世纪末丹麦人研制出世界上第一台风力发电机组,建成了世界上第一座风力发电站，随后多个国家相继研制了类型各异的风力发电设备。但由于当时风机技术较为落后、风电成本昂贵、人类对于能源和环境存在的潜在危机认识不足等原因,风力发电的发展速度缓慢。第二次世界大战爆发，使世界风能技术的发展处于停滞。战后 ,到20 世纪 60 年代,廉价石油的大量使用又使得包括风能在内的所有可再生能源都不受重视。1973 年爆发的世界石油危机,使各国政府对新能源和可再生能源的利用给予高度重视。于是风电技术和国家政策等方面都有了长足进步。2.我国风能利用现状我国从上世纪 50 年代就开始了风力发电的研究和试验。70 年代中期，内蒙古进行了微型风力发电机的试制和使用。1978 年，原水利部将研制风力发电设备列为国2 浅谈风力发电技术家重点科技项目，1983 年又开展了风力发电的试点和推广。进入 90 年代，风力发电开始由试验阶段步入商业化发展阶段，并形成了“大、中、小”一起上的局面。它不仅解决了电网没有到达的海岛、牧区、边防哨所的生活、生产用电问题,还逐渐成为大电网中一支令人瞩目的方面军。我国是一个风力资源极其丰富的国家，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53 亿 kW。自 2006 年《中国可再生能源法》实施以来，我国风电累计装机容量增长率连续 5 年超过 100%，从而成为全球增长速度最快的风力发电市场。2009 年11 月 25 日，国务院召开常务会议，决定通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，到 2020 年中国非化石能源占一次能源消费的比重达到 15% 左右。为实现这一承诺，我国风电发电量需要在 2020 年达到 3000～4000 亿 kW•h。根据这一目标，以及 2010 年装机量，我国到 2020 年风电装机容量将达到 1.5 亿～2 亿kW。3 浅谈风力发电技术2 风力发电机比较各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。按转轴与风向的关系，风力机大体上可分为两类：水平轴风力机（风轮的旋转轴与风向平行）；垂直轴风力机（风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向）。2.1 水平轴风力机1、荷兰式风力机12 世纪初荷兰人发明，曾在欧洲(荷、比、西等国)广泛使用。这可能是出现最早的水平轴风力机。2、螺旋桨式风力机螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多的一种。其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少量用单叶片或四叶片以上的。3、多翼式风力机也叫多叶式风力机，一般装有 20 枚左右的叶片，是典型的低转速大扭矩风力机。 4、离心甩出式风力机离心甩出式风力机采用空心叶片。是一种不直接利用自然风的独特设计。结构比较复杂，通道内空气流动的摩擦损失大，总体效率很低。5、透平式风力机透平式风力机也叫涡轮式风力机，其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类似，由静叶片和动叶片组成。这种风力机的叶片短，强度高，尤其适用于强风场合，例如南极和北极地区。6、压缩风能型风力机压缩风能型风力机是一种特殊设计的风力机，利用装在叶轮外面的集风器或扩散筒，提高经过风轮的空气密度，或者增加风轮两侧的气压差，从而提高风能吸收的效果。还有安装和成本上的问题需要解决。2.2 垂直轴风力机1、萨布纽斯式（S 式）风力机芬兰工程师萨布纽斯发明，我国简称为 S 式。通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用 3～4 枚的。主要靠两侧叶片的阻力差驱动，能产生很大的扭矩。但是能够提供的功率输出较低，效率最大不超过 10%。为提高效率，可多层重叠2、达里厄型（D 式）风力机4 浅谈风力发电技术法国工程师达里厄发明。常见有 Φ、H 形结构等。有较高的功率输出，不过它的起动扭矩低。装置简单，成本也比较低，是水平轴风力机的主要竞争者。3、S 式和 D 式组合风力机把输出性能好的 D 式风力机和启动性能好的 S 式风力机组合在一起使用，可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。4、旋转涡轮式风力机靠压差推动的横流式风力机，其原理受通风机的启发演变而得。结构复杂价格也较高，有些能改变桨距，起动性能好，能保持一定的转速，效率极高。5、美格劳斯效应风力机美格劳斯效应风力机由自旋的圆柱体组成，在气流中工作时，产生的移动力由美格劳斯效应引起，大小与风速成正比。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。2.3 水平轴力机和垂直轴力机比较1、风能利用率目前，大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方计算所得，一般在 40%以上。由于设计方法本身的缺陷，这样计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。当然，风电厂的风力发电机都会根据测得的风速和输出功率绘制风功率曲线，但是此时的风速是风轮后部测风仪测得的风速，要小于来流风速，这样测下来的风功率曲线偏高，必须进行修正。根据文献的修正方法修正后，水平轴的风能利用率要降低 30%-50%左右。对于小型水平轴风力发电机的风能利用率，中国空气动力研究与发展中心曾作过相关的风洞实验，实测的利用率在 23%-29%左右。2、起动风速水平轴风轮的起动性能好已经是个共识，但是根据中国空气动力研究与发展中心对小型水平轴风力发电机所做的风洞实验来看，起动风速一般在 4~5 米/秒之间，最大的居然达到了 5.9 米/秒，这样的起动性能显然是不能令人满意的。 垂直轴风轮的起动性能差也是目前业内的共识，特别是对于 Darrieus 式 Ф 型风轮，完全没有自起动能力，这也是限制垂直轴风力发电机应用的一个原因。但是，对于Darrieus 式 H 型风轮却有相反的结论，根据笔者的研究发现，只要翼型和安装角选择合适，完全能得到相当不错的起动性能，通过对麟风 P-200 垂直轴风力发电机的风洞实验来看，这种 Darrieus 式 H 型风轮的起动风速只需要 2 米/秒，这无疑要比上述的水平轴风力发电机好的多。5 浅谈风力发电技术3、结构特点水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样叶片所受的就是一个交变载荷，这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。另外，水平轴的发电机都置于几十米的高空，这给发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。 垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多，由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要比水平轴的长。同时，垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装维护。3 风力发电控制技术众所周知，风能是一种能量密度低、稳定性差的能源，保证运行的可靠性和安全6