【正文】 石,是目前大量燃用的化石能源的替代能源。在當(dāng)今的世界能源結(jié)構(gòu)中,人類所利用的能源主要是不可再生的石油、天然氣和煤炭等化石能源。在1997年的世界一次能源消費(fèi)構(gòu)成中,%,%,煤占27%,%,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加以及社會(huì)生活水平的提高,預(yù)計(jì)未來世界能源消費(fèi)量將以每年的速度增長。根據(jù)目前國際上通行的能源預(yù)測方法,石油資源將在40年內(nèi)枯竭,天燃?xì)赓Y源將在60年內(nèi)用光,煤炭資源也只能使用220年。所以人類必須未雨綢繆,及早尋求新的替代能源,而新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境,是國際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源。（2）新能源和可再生能源清潔干凈、污染物排放很少,是與人類賴以生存的地球的生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源?；茉吹拇罅块_發(fā)利用是造成大氣和其他類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源的同時(shí),保護(hù)好人類賴以生存的地球的生態(tài)與環(huán)境,己經(jīng)成為一個(gè)全球性的重大問題。目前,世界各國都在紛紛采取提高能源效率和改善能源結(jié)構(gòu)的措施,以解決這一與能源消費(fèi)相關(guān)的重大環(huán)境問題。這就是所謂的能源效率革命和清潔能源革命,也就是我們所說的節(jié)約能源和發(fā)展新能源和可再生能源。（3）新能源與可再生能源是不發(fā)達(dá)國家20多億無電、缺能人口和特殊用途解決供電、用能問題的現(xiàn)實(shí)能源。風(fēng)能作為太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式,是一種不產(chǎn)生任何污染物排放的可再生的自然資源。風(fēng)能的開發(fā)利用己有數(shù)千年歷史。在蒸氣機(jī)發(fā)明以前,風(fēng)能就曾作為重要的動(dòng)力,用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。在幾千年前,埃及的風(fēng)帆船就在尼羅河上航行。中國是最早使用帆船和風(fēng)車的國家之一,至少在三千年前的商代就出現(xiàn)了帆船。受化石能源資源日趨枯竭、能源供應(yīng)安全和保護(hù)環(huán)境等的驅(qū)動(dòng),自20世紀(jì)70年代中期以來,世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家都重視風(fēng)能的開發(fā)利用。特別是自20世紀(jì)90年代初以來,現(xiàn)代風(fēng)能最主要的利用形式風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展十分迅速,世界風(fēng)電機(jī)裝機(jī)容量的年平均增長率超過了30%,從1993年的216萬kW上升到2003年的4030萬kW。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì),歐洲年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將超過1億kW,占?xì)W洲總發(fā)電量的20%。隨著風(fēng)力資源開發(fā)的進(jìn)展,發(fā)電量占世界電力消費(fèi)量的12%。因此,風(fēng)能將是世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色能源,是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要新動(dòng)力源。把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)電是最具競爭力、最有發(fā)展前景的一項(xiàng)可再生能源技術(shù),21世紀(jì)將會(huì)在能源供應(yīng)中發(fā)揮越來越重要的作用,研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將會(huì)對我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化及推動(dòng)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展有著重要意義[1]。 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢近年來，全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅猛，風(fēng)電機(jī)組的可靠性大大提高，發(fā)電成本顯著降低，逐步接近常規(guī)能源發(fā)電的水平。風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量逐步加大，從早期的失速調(diào)節(jié)向變速變槳恒頻發(fā)展；傳動(dòng)技術(shù)從有齒輪箱的結(jié)構(gòu)發(fā)展到直接驅(qū)動(dòng)。世界上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)開發(fā)，近十年來取得了驚人的進(jìn)步，其中最顯著的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化。目前，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在世界上40多個(gè)國家陸地和近海并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電增長率高于其它電源增長率的趨勢仍在繼續(xù)。商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量從55kW增加到2500kW，風(fēng)電成本從20美分/kWh持續(xù)下降到3美分/kWh，運(yùn)行可靠性的發(fā)電成本接近常規(guī)火電。目前，MW級風(fēng)電機(jī)組已成為風(fēng)電市場中的主流機(jī)型。2005年世界風(fēng)電市場統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，1997年以前MW級風(fēng)電機(jī)組的市場份額還不及10%，2001年則超過一半，%，2005年高達(dá)76%。近年來，近海風(fēng)能資源的開發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到5MW，6MW風(fēng)電機(jī)組也已研制成功。20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的舊式機(jī)組單機(jī)容量僅為20～60kW，而今天在風(fēng)電市場上銷售的商業(yè)化機(jī)組容量一般為600～2500kW。目前單機(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組是由德國Repower公司生產(chǎn)的，容量為5MW。預(yù)計(jì)2010年將開發(fā)出10MW的風(fēng)電機(jī)組。對容量在2MW以上的機(jī)組歐洲主要考慮在海上安裝。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新能源技術(shù)，一開始就受到世界各國的高度重視，因而迅速實(shí)現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是隨著計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。當(dāng)前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有以下幾種功率凋節(jié)控制技術(shù)：(1)定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，來限制發(fā)電機(jī)的功率輸出。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，通常采用雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。其缺點(diǎn)是葉片重量大（與變槳距風(fēng)機(jī)葉片比較），槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。(2)變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。其調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到45度，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，再調(diào)節(jié)到零度，直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在零度位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)在高風(fēng)速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高。(3)主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出。機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時(shí)，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；在額定風(fēng)速以上時(shí)，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，保證發(fā)電機(jī)功率輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動(dòng)態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來響應(yīng)快速變化的風(fēng)速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動(dòng)作，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性。變速變槳風(fēng)電機(jī)組技術(shù)分為雙饋式和直驅(qū)式兩大類。雙饋式技術(shù)的主要特點(diǎn)是風(fēng)輪可變速變槳運(yùn)行，傳動(dòng)系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)要采用交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式技術(shù)采用了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)直接耦合的傳動(dòng)方式，發(fā)電機(jī)多采用多極同步電機(jī)，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅(qū)技術(shù)使風(fēng)電機(jī)組的可靠性和效率都進(jìn)一步得到了提高。目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種：同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)備的方案可分為兩類：恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)[4]。(1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此葉尖比k不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片)，Cp值往往與最大值相差很大，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。多采用籠型感應(yīng)電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。(2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)雖然目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的感應(yīng)發(fā)電機(jī)都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點(diǎn)越來越引起人們的重視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速保護(hù)并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖比k，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率。例如目前已投入應(yīng)用的一項(xiàng)變速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位來追求Cp最優(yōu)和輸出。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有多種，如交直交系統(tǒng)、變流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步感應(yīng)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)等。這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，它們各有特點(diǎn)，適用場合也不一樣。近來國內(nèi)外比較關(guān)注的變速恒頻發(fā)電方案是交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，它通常使用繞線式感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由于繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)有滑環(huán)、電刷存在，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)不適合運(yùn)行環(huán)境比較惡劣的風(fēng)力發(fā)電裝置。無刷雙饋電機(jī)由兩臺(tái)繞線式感應(yīng)電機(jī)組成，兩轉(zhuǎn)子的同軸連接省去了滑環(huán)和電刷。無刷雙饋發(fā)電機(jī)可在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的條件下，通過控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流頻率來確保發(fā)電機(jī)輸出電頻率保持50Hz不變。因此，無刷雙饋發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固可靠，比較適合風(fēng)力發(fā)電等運(yùn)行環(huán)境比較惡劣的發(fā)電系統(tǒng)使用。若無刷雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行在中速區(qū)和高速區(qū)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)經(jīng)變流器向電網(wǎng)輸出能量。要利用這部分能量，變流器的整流側(cè)則應(yīng)該是可控的[5]。 變速恒頻發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)變速恒頻發(fā)電是20世紀(jì)70年代中期逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。它將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)控制之中，改變了以往恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電概念，在變水頭的水力發(fā)電、能量隨機(jī)變化的風(fēng)力發(fā)電，以及艦船、飛機(jī)、車輛等變速主軸驅(qū)動(dòng)的特殊發(fā)電場合中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出了卓越的運(yùn)行性能，成為電力技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。在發(fā)電過程中讓風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻的特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大的范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)葉尖速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能。同時(shí)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)