【正文】 ~10kW）和微型（50~1000W）。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其安裝方便、機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力資源豐富的地區(qū)。目前，我國安裝使用的微小型風(fēng)力機(jī)有50W，100W，150W，200W，300W和500W以及1kW，2 kW，3 kW，6 kW，10 kW和20 kW等11種型號若干種機(jī)型。小型風(fēng)力機(jī)由葉片、發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)體、尾翼、立柱、蓄電池和底座構(gòu)成。葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能就儲(chǔ)存在蓄電池中。由于風(fēng)是間歇性的，利用風(fēng)力發(fā)電并希望得到穩(wěn)定的電能的簡單辦法就是利用蓄電池。具體方法為：強(qiáng)風(fēng)時(shí)，將發(fā)出的電輸入蓄電池中；風(fēng)力不足時(shí)，由蓄電池進(jìn)行放電輸出電能。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常有兩種運(yùn)行方式：又稱離網(wǎng)運(yùn)行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池儲(chǔ)能，以保證無風(fēng)時(shí)的用電。風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機(jī)發(fā)電或太陽能發(fā)電）相結(jié)合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電。獨(dú)立運(yùn)行方式的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是我國遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島和特殊處所發(fā)展風(fēng)力發(fā)電解決其基本用電問題的主要運(yùn)行方式，除具有風(fēng)力發(fā)電的一般優(yōu)點(diǎn)外，其自身優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）機(jī)動(dòng)性高小型發(fā)電機(jī)可配合需要增加或變更組件大?。唬?）安裝方便可根據(jù)需要隨時(shí)安裝，安裝簡單，快速解決日常用電問題；（3）能源使用多元化小型發(fā)電機(jī)可與多種不同的可再生能源組合，方便可靠；（4）量身定做的電力使用某些小型發(fā)電機(jī)種可以配合實(shí)際的電力需求調(diào)節(jié)發(fā)電量，提升發(fā)電效率；（5）減少對環(huán)境的沖擊減少因燃燒木柴、干草以及使用電池后遺留下的重金屬對環(huán)境與地下水的污染。（三）課題的目的和意義風(fēng)能利用的能量密度低且具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和分布的不均勻性，這些給風(fēng)能的利用帶來了許多問題。現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池使用壽命短、控制簡單和缺乏完整的系統(tǒng)功率控制等問題。因此，本文研究的目的是在分析現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)簡單、高效、高可靠性的風(fēng)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)可靠及優(yōu)化運(yùn)行，包括：，提高能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，充分利用風(fēng)能；，改進(jìn)對蓄電池管理和控制，延長蓄電池使用壽命；，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，研究可靠性更高、價(jià)格更廉的小型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，對于增強(qiáng)市場競爭能力，加速小型風(fēng)力發(fā)電的普及和應(yīng)用，具有重要意義。二、風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)形式逐步形成了目前最常見的水平軸、三葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一形式。進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料的涌現(xiàn)以及工藝的不斷完善，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)又向前邁進(jìn)了一大步。（一）世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望自20世紀(jì)的最后兩年以來，全世界風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量快速增長，特別是在歐洲，為了實(shí)現(xiàn)減排溫室氣體的目標(biāo)，對風(fēng)電執(zhí)行較高收購電價(jià)的激勵(lì)政策促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電成本繼續(xù)下降。由于海上風(fēng)能資源比陸地豐富，海上風(fēng)電場在歐洲已經(jīng)從可行性示范進(jìn)入商業(yè)化示范階段。風(fēng)電機(jī)組技術(shù)繼續(xù)向著增大單機(jī)容量的方向發(fā)展，正在研制風(fēng)輪直徑超過100m的5MW機(jī)組，預(yù)計(jì)2013年，單機(jī)容量達(dá)到15MW。1996年至2000年世界上風(fēng)電增長率5年平均達(dá)到31%，2000年末裝機(jī)總?cè)萘繛?770萬MW，2001年末達(dá)到2447萬MW，一年增加677萬kW，增長率為32%，說明風(fēng)電高增率趨勢仍然繼續(xù)。2004年全世界新增裝機(jī)容量為8000MW，2004年底全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?7000MW，并作了2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的規(guī)劃藍(lán)圖（即風(fēng)力12）。2005年世界各國風(fēng)電裝機(jī)容量排在前十名的國家是德國、西班牙、美國、丹麥、印度、意大利、荷蘭、英國、日本和中國。世界上，在小型風(fēng)力發(fā)電方面，中國和美國主要生產(chǎn)制造功率為300W到3kW風(fēng)力機(jī)，其中美國在3kW到10kW小型風(fēng)力機(jī)上占明顯優(yōu)勢。在歐洲，主要生產(chǎn)制造功率為300W到100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。到2020年，美國預(yù)計(jì)安裝小型風(fēng)力機(jī)容量為50000MW，可解決10000人就業(yè)。英國正在研制屋頂用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。世界各國的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在努力向著：運(yùn)動(dòng)部件少、維護(hù)少、壽命長、采用新的電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方向發(fā)展。（二）國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)始于20世紀(jì)50年代，目前已經(jīng)形成一定的規(guī)模。在大型風(fēng)電方面，擁有750kW以下各類風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造能力，2006年1月28日，首臺兆瓦級變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及控制裝置研制成功，填補(bǔ)國內(nèi)空白。2006年1月10日，它是我國自主創(chuàng)新研制的容量最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。到2005年，全國15個(gè)省(自治區(qū))已建風(fēng)電場62座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1864臺。2010年目標(biāo)為總?cè)萘?00萬kW， 2020年目標(biāo)為總?cè)萘?000萬kW，2050年預(yù)計(jì)達(dá)到35億kW裝機(jī)容量。但是，目前我國自行研制和開發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)力量與國外相比相差很多，繼續(xù)加大對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的投入，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化是保證我國風(fēng)電事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。從20世紀(jì)70年代中期，我國開始中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究，經(jīng)過近30年的研制、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，開發(fā)了從50W到200kW容量40多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)品性能良好，運(yùn)行平穩(wěn)，質(zhì)量可靠，價(jià)格較低，使用壽命長等特點(diǎn)。到2000年底，，占總量的73%，為農(nóng)村電氣化做出了貢獻(xiàn)。到2004年底，全國累計(jì)生產(chǎn)微小型機(jī)組293153臺，年發(fā)電量為9246kWh。在滿足國內(nèi)需要的同時(shí)，還遠(yuǎn)銷到印尼、日本、德國、瑞典等23個(gè)國家和地區(qū)，2004年累計(jì)出口各種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組11189臺。我國小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保有量、年產(chǎn)量、生產(chǎn)能力均列世界之首。目前，國內(nèi)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：，生產(chǎn)制造技術(shù)成熟；，如電磁限速、電光儲(chǔ)能等；，提高風(fēng)能利用系數(shù)；，開發(fā)全永磁懸浮發(fā)電機(jī)。針對上述小型風(fēng)電的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，國家經(jīng)貿(mào)委的《20002015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)》之“（四）繼續(xù)做好離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的普及和推廣應(yīng)用”中提出：“引導(dǎo)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)加大技改力度，提高小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能，推動(dòng)風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用”?！笆晃濉毖邪l(fā)重點(diǎn)建議：對現(xiàn)有10kW以下的戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及配套件（逆變控制器、蓄電池）進(jìn)行技術(shù)升級，主要是提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量、可靠性、降低成本；更新?lián)Q代，研發(fā)新一代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；組織規(guī)?；瘜I(yè)生產(chǎn)，加快產(chǎn)業(yè)化步伐。內(nèi)蒙古“十五”科技發(fā)展規(guī)劃中指出：“加快離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在小型風(fēng)力發(fā)電系列產(chǎn)品及新型風(fēng)力發(fā)電裝置、逆變控制器、貯能裝置等方面，加強(qiáng)試點(diǎn)示范，促進(jìn)其形成產(chǎn)業(yè)?！边@些為進(jìn)一步利用風(fēng)能提供了政策保障和支持 。三、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)、電力電子、自動(dòng)控制、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。研究新型高效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，配以新型的高效率的電能變換回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、先進(jìn)的控制理論是提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。（一）發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是將葉片接收的風(fēng)能最終變成電能的設(shè)備。隨著空氣動(dòng)力學(xué)、控制理論、材料科學(xué)，特別是電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)生了巨大變化，產(chǎn)生了許多新型發(fā)電機(jī)，從獨(dú)立和并網(wǎng)運(yùn)行方式來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有：獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。主要類型有永磁式直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)和電容自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)等。主要目的是通過控制勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速和功率變換器來產(chǎn)生恒壓的直流電和恒壓恒頻的交流電。值得一提的是，2006年，在中國廣東誕生了全球首臺全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的研制成功使世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)取得了關(guān)鍵性的突破，完全由我國科技工作者自主研發(fā)的。實(shí)驗(yàn)表明加裝了全永磁懸浮軸承后的發(fā)電機(jī)，發(fā)電輸出功率可提高20%以上，可以說，在相同風(fēng)速下，全永磁懸浮發(fā)電機(jī)可提高發(fā)電量20%。與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，永磁懸浮發(fā)電機(jī)真正做到了“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”，可用以開發(fā)國內(nèi)廣大地區(qū)的低風(fēng)速資源，大幅增加年發(fā)電時(shí)間。（二）儲(chǔ)能技術(shù)與方式風(fēng)能是隨機(jī)性的能源，具有間歇性，并且不能直接儲(chǔ)存起來。因此，即使在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為獲得電能的主