【正文】 (2— 1) 2AR?? (2— 2) 式中： P 為輸出功率， pC 為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)， ρ 為空氣密度， R 為風(fēng)輪半徑， v 為風(fēng)速。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。風(fēng)力機(jī) 風(fēng) 輪 的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與 地面呈水 平 狀態(tài)稱為 水平軸風(fēng)力機(jī) 如圖 11； 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、 塔架構(gòu)成。 （ 2） 風(fēng)速隨時(shí)變化 ，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 萬(wàn) KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī) 200KW，總裝機(jī)容量 千 KW。 中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富。 （ 3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。最近 ,又發(fā)展了無齒風(fēng)機(jī)等 ,進(jìn)一步提高了安全性和效率。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。 2020 年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了《風(fēng)力 12—— 關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的 12%的藍(lán)圖》的報(bào)告，“風(fēng)力 12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。 [1] 1 風(fēng)力發(fā)電概述 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計(jì)約 53 106 億 kWh /年。第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。作為可再生的清潔能源，受到世界各國(guó)的高度重視。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì) 2020～ 2020 年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為 20%，以后到 2020 年期間為 15%，2017～ 2020 年期間為 10%。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從 600KW 發(fā)展到 2020～ 5000KW,如德國(guó)在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī) 5000KW 的風(fēng)機(jī) ,丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量2020～ 2200KW 的 風(fēng)機(jī)。 （ 2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。根據(jù)全國(guó) 900 多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，中國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 億 KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 億 KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有 億 KW，總計(jì)為 10 億 KW。 第二階段是 1991～ 1995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率 在向大型化方向發(fā)展。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。 （ 3） 風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。常見的風(fēng)力機(jī)有由三個(gè)葉片，葉片安裝在輪轂上構(gòu)成風(fēng)輪，風(fēng)吹風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)艙 內(nèi)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，塔架是整個(gè)風(fēng)力機(jī)的支撐 其結(jié)構(gòu)圖如圖 12 圖 11 水平軸風(fēng)力機(jī) 圖 12 水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu) 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向 稱為 垂直軸風(fēng)力機(jī) 如圖 13 圖 13 垂直軸風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng) 風(fēng)力機(jī)的功率 風(fēng)的動(dòng)能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計(jì)算。 眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動(dòng)能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動(dòng)了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總是小于 1 2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)問題 由于扮能的特殊性 ,與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風(fēng)電系統(tǒng)具有很大的差別 ,風(fēng)能的隨機(jī)性風(fēng)能也就 是隨機(jī)的和不可控制的。換句話說 ,風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的異步發(fā)電機(jī)。隨著電力電子的發(fā)展 ,新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以選用變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī) ,則無須配備補(bǔ)償電容器組。但目前這個(gè)問題已經(jīng)得到解決，因?yàn)槲覀兛偪梢酝ㄟ^吸收電抗儲(chǔ)能的方法來限 制電路中的電壓升高。 值得一提的是，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用的就是由此裝置衍生出來的軟并網(wǎng)方式，即采用電力電子轉(zhuǎn)換裝置在發(fā)電機(jī) 機(jī)軸轉(zhuǎn)速同電力網(wǎng)絡(luò)頻率之間建立一種柔性連接。 由圖 1(b)可見， 是造成電壓降落的主要原因， 垂直，造成的電壓降落可以忽略不計(jì)。影響風(fēng)電機(jī)組輸出功率的因素很多，其中風(fēng)速的自然變化是主要因素。葉輪轉(zhuǎn)速 ω 和槳距角 β 的變化由風(fēng)電機(jī)組類型和控制系統(tǒng)決定，先進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠減小風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。 塔影效應(yīng)是指風(fēng)電機(jī)組塔筒對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙作用，當(dāng)葉片經(jīng)過塔筒時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小。由于葉片掃風(fēng)面積內(nèi)垂直風(fēng)速梯度的存在，風(fēng)剪切同樣會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。此外，頻率為塔筒諧振頻率的波動(dòng)分量也比較明顯，它可能是由于輪轂的橫向擺動(dòng)引起的。 諧波污染 風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)電流質(zhì)量影響主要體現(xiàn)在諧波上。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行期間產(chǎn)生的各種擾動(dòng)的程度，主要依賴于其裝備的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的形式。實(shí)際運(yùn)行中，曾觀測(cè)在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)有大量諧波的現(xiàn)象。其中 ，雙饋式異步式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子直接饋入電網(wǎng)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過經(jīng)直流環(huán)節(jié)連接的兩個(gè)變流器接入電網(wǎng)（如圖）。 圖 1 雙饋式異步式風(fēng)電機(jī)組 對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī)，軟啟動(dòng)階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧 波，不過因?yàn)檫^程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。隨著風(fēng)電場(chǎng)注入電網(wǎng)的功率的加大，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率會(huì)超出額定范圍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)潰。 （ 2）對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響 風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性使得輸出功率呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，對(duì)電網(wǎng)電壓造成不利影響，電壓波動(dòng)和閃變是其中最主要的表現(xiàn)形式。 低電壓穿越 (LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間 (區(qū)域 )。這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越 (LVRT)能力，同時(shí)能方便地為電網(wǎng)提供無功功率支持，但目前的雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是否能夠應(yīng)對(duì)自如，學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)論，而永磁直接驅(qū)動(dòng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實(shí)在這方面擁有出色的性能。 （ c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的 90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。這就是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)問內(nèi)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)的原因。這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，即可自