【正文】 風能開發(fā)利用已經成為熱點問題，得到了公眾的支持。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。一個國家如果開發(fā)利用風能技術早，就有可能占據風能利用的技術和市場優(yōu)勢。一些國家要靠進口化石能源來滿足本國內能源的消費。人們開始認識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。例如在內蒙古農牧區(qū)，利用小型離網風力發(fā)電系統(tǒng)供電，農牧戶承擔的成本約2元/KW左右。下面將主要從經濟、環(huán)境、社會和技術進步四方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。 經濟驅動力 經濟最優(yōu)化能源供應的經濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。如果用電網延伸的方法，農牧戶承擔的成本高于8元/KW。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計今后25年中平均年消耗量將達50億噸，即使加上新發(fā)現的油田，專家估計總儲量也不會超過2000億噸，石油資源在四五十年后也將枯竭。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內的化石能源價格變化較小，社會經濟穩(wěn)定性也因此而增強。 環(huán)境驅動力除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。風能在能源轉化工程中不會產生任何排放量，因此除了不產生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。同時單機容量在1MW以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。 中國風力發(fā)電現狀[13]中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。1986年在新疆達坂城安裝了１臺100KW風力發(fā)電機組，1989年又安裝了13臺150KW風力發(fā)電機組，同年在內蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。 風力發(fā)電展望風力發(fā)電技術目前還在不斷發(fā)展，主要體現在單機容量不斷增大上。目前最長的葉片以做到50m。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。地處平坦地帶的風力機。其運行維護費用也較低。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在規(guī)劃較大的海上風電場項目。因此，研制和選用適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。 目前得到廣泛應用的主要有恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)。即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。其輸出聯接到鄰近的三相電網或輸配電線。同步發(fā)電機的缺點是它的結構以及控制系統(tǒng)比較復雜，成本相對于感應發(fā)電機也比較高。轉子采用籠型結構，轉子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。在并網運行時，感應發(fā)電機一方面向電網輸出有功功率，另一方面又必須從電網吸收落后的無功功率。此外，這種風力機在結構上和實用中還有很多優(yōu)越性。主要效果是比以單一轉速的風電機組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風速范圍內運行于最佳葉尖速比附近。1. 采用多臺不同轉速的發(fā)動機 通常是采用兩臺轉速、功率不同的感應發(fā)電機，在某一時間內只有一臺被聯到電網，傳動機構的設計使發(fā)動機在兩章風輪轉速下運行在稍貴有各自的頭部轉速。它的價格當然也比通常的單速電機貴。雙速單繞組極幅調制感應發(fā)電機可以得到與雙繞組雙速發(fā)電機極不相同的性能，但重量輕、體積小，因而造價也較低，它的效率與單速發(fā)動機大致相同。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運行，但都存在這樣或那樣的缺點和問題，在實際應用中難以推廣。[9]1. 同步發(fā)電機交流/直流/交流系統(tǒng) 其中同步發(fā)電機可隨風輪變速旋轉，產生頻率變化的電功率，電壓可通過調節(jié)電機的勵磁電流來進行控制。通過并聯橋式整流器整流，然后通過可控硅開關電路，將波形的一半反向，最后經濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉速無關頻率為的恒頻正弦波輸出。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內按最佳效率運行，提高了風能轉化效率，且簡化風力機的調速機構，只需采取適當的限速措施即可，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。磁場調制發(fā)電機系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機的轉速較高，而風輪轉速較低，故系統(tǒng)需要速比較大的增速器，也提高了系統(tǒng)的成本。當風速變化時轉速n2隨之而變化。這種系統(tǒng)中的發(fā)電機可以超同步運行（轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，n1為負），也可以次同步速運行（轉子旋轉磁場方向與機械旋轉方向相同，為正）。這種電機轉子類似鼠籠型轉子，定子類似單繞組雙速感應電機的定子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網相聯?？梢酝ㄟ^適當的控制，使風力機的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點：1) 最大限度的捕捉風能。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構變速恒頻風力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結構包括：風能機、齒輪箱、異步發(fā)電機、整流裝置、儲能裝置、控制系統(tǒng)六部分組成。發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉速無關。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。為了闡明充分利用風輪機獲取風能、使發(fā)電機與風輪機達到最佳配合的方法,下面對風能機的功率特性做簡要的分析說明。 齒輪箱 齒輪箱是風輪機和風力發(fā)電機之間的傳動機構,屬于機械部分,它的作用是風能機轉動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉動起來。本系統(tǒng)選用雙輸出異步發(fā)電機,其性能及優(yōu)越性如下：異步發(fā)電機一直是風能系統(tǒng)中常用的能量轉換器，因為把異步發(fā)電機并入電網的手續(xù)極為簡單，只要將轉子帶動到盡可能接近同步轉速，并注意轉子轉向與定子旋轉磁場轉向一致，即可并入電網。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風速變化，因此可以降低機械傳動的能量損耗。利用兩臺發(fā)電機無疑會增加風力發(fā)電機組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設備的成本，增加折舊的運行費用。這個特征在速度高于電機額定轉速時損失了風能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風能轉換系統(tǒng)運行的。控制逆變器的逆變角，就可以改變逆變器的電壓。但由于SCR的應用的衰退，也由于網側諧波嚴重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉子側接交交變頻器時，檢測、控制轉差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。有功功率和相應的轉子電流隨轉子速度的變化轉子速度增加時，異步發(fā)電機發(fā)出的有功功率也增加，直到它達到最大值為止，然后再下降（也就是電機失步）。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉子電壓產生。4. 效率隨速度的變化在額定速度之上時，雙輸出異步發(fā)電的效率比普通異步發(fā)電機的效率高，這是因為在超同步運行時，由于發(fā)電機額定輸出轉矩不變而轉速提高，所以電機的輸出功率提高，同時因為銅耗、鐵耗基本保持不變，所以電機的效率也得到提高。另外，直流側的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等，還會引起逆變器的提前短路，形成環(huán)流。2) 各種整流電路優(yōu)缺點的比較a) 單相半波可控整流電路的特點是：簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個，相應地，晶閘管的門極驅動電路也少2個；但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋式整流電路的2倍。電路簡化。在可工作的半波內，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導通的正弦曲線的后一部分稱為導通角，靠調導通角的大小，達到調整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。調整開關濾波脈沖控制電路ＵｉＵ０ 　斬波型開關穩(wěn)壓器方框圖3) 所謂隔離型開關電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經過高頻變壓器，由磁場的變化實現能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。直流變換器是指直流電壓供電，經開關電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。3. 逆變電路的選擇策略1) 直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V這種方法電路結構簡單，控制也比較容易。2) 高頻鏈逆變技術逆變出交流220V電壓這種方法因為使用高頻變壓器，因此體積小、重量輕、成本也低。3) 高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓這種方法不但控制簡單，而且也避免了使用工頻變壓器。 儲能裝置一般的風力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風力發(fā)電機儲能，系統(tǒng)()所示。研究表明系統(tǒng)參數中受風速變化影響的依次是發(fā)電機電流、整流器電流、電池電流。鋰離子電池：工作電壓高，比能量大，充電速度快等優(yōu)點，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。強制換向變換器是基于晶閘管的半導體開關,能使超導儲能（SMES）單元發(fā)出或吸收有功和無功功率。到90年代已被應用于風力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風力發(fā)電系統(tǒng)。 系統(tǒng)結構圖 SMES 系統(tǒng)方框圖 （） （） （） （）由()、（）、（）、（） 式和（）可知超導儲能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機滑差的變化Δs 和發(fā)電機出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號, 使輸出到母線上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，從而影響風力發(fā)電機發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。考慮到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：1) 風能轉換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價?。磳Σ煌斎胄盘柕姆涤幸欢ㄏ拗?，如調向的時問等；4) 最大限度地將風能轉換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質質量。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率通過變頻器進行轉換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉換。 風力機最佳運行原理一臺風輪半徑為的風力機，在風速下運行時，它所產生的機械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風力機的輸出功率系數（一般Cp=1/3～2/5，最大可達16/27=）——風力機的掃掠面積，——風速， 從(1)式可以看出在一定的風速下， 值越大，風能轉化為機械能的效率就越高。風力發(fā)電機組控制目標通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風能的最大捕獲以提高風能轉換效率以及改善電能質量問題為實現最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態(tài)：1) 低風速段實行變速運行，可保持一個恒定的風能利用系數值，根據風速變化控制風力機轉速，使葉尖速比不變，直到轉速達到極限；2) 轉速達到極限后，風速進一步加大時．按恒定轉速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能利用系數 不一定是最大值；3) 超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調節(jié)風力機。性能指標： （）其中：為終端時間；為終端狀態(tài)；由此最優(yōu)控制問題可表述為：求一允許控制使：系統(tǒng)由初始狀態(tài))出發(fā)在時間間隔內，到達目標集，并使性能指標為最小。在最優(yōu)控制中，性能指標的選取直接表明了設計者的控制目的．若選時間，則為時間最優(yōu)；若選狀態(tài)，則為狀態(tài)最優(yōu)；若選擇控制，則為能量最優(yōu)；若選擇諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制。從目前的國內外研究來看，雙饋或無刷雙饋發(fā)電機是一個較為理想的選擇．這類電機不僅可使功率變換器的容量降低為機組額定容量的20％ ～50％ ，而且對一個固定的功率或速度運行點，可調節(jié)電機上功率繞組和控制繞組間的功率流向，降低損耗。考慮到磁路的飽和問題，給出相應電流控制方法，導出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風速時風能捕獲效率提高6％。2. 控制風力機槳距角實現最大風能捕獲控制在一臺可變槳距、可偏航、可控負載的小型試驗風機中應用兩個最優(yōu)控制器：一個在額定風速以下時起作用，調節(jié)風機獲得最大風能；另一個在額定風速以上時控制功率或轉矩恒定。對于永磁電機風電系統(tǒng)，以槳距角和葉尖速比為自變量，采用適于非線性尋優(yōu)的單純形加速法給定不同風速下的最佳風輪轉速_，控制反饋到電網的電流來控制直流側電壓，調節(jié)電機轉速，實現最大風能捕獲。在獲取希望的控制性能時，環(huán)與環(huán)之間的相互作用會產生很多困難?？刂品椒ú煌^在不同方向上的運動模式也不同。抑制塔身側彎及槳葉的震顫。應用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風能轉換系統(tǒng)中，重點是為一階傳動鏈模式提供阻尼，控制中使用了槳距控制環(huán)和發(fā)電機勵磁電壓控制環(huán)：傳統(tǒng)控制器包括一個電功率的 PI 環(huán)及一個軸速度的 P 環(huán)，發(fā)電機使用傳統(tǒng)的 AVR。3. 最優(yōu)控制定槳矩風力發(fā)電機組中的應用設計變速風能轉換系統(tǒng)控制器時，必須考慮湍流引起的非線性動態(tài)系統(tǒng)共振問題，尤其對于輕質、柔性結構系統(tǒng)。風電系統(tǒng)不但要求最大風能捕獲，還要求有平穩(wěn)的力矩傳遞動態(tài)，而最佳葉尖速比跟蹤必須根據風速調節(jié)風機轉速，導致在力矩傳動鏈中產生大的力矩振蕩：采用一類 LQG 方法，用二次型性能指標函數來優(yōu)化對風能捕獲和傳動鏈負載限制要求，與線性控制方法對比：線性控制器因采用恒值參考速度以及非線性化空氣動力特性的引入，力矩的動態(tài)特性不好；而 LQG 非線性控制器在風速變化時，首先減小發(fā)電機力矩，使轉速快速響應風速變化，直至力矩達到新的平衡點，可實現速度的快速響應，減小力矩波動。這也將是風力發(fā)電系統(tǒng)控制的出路所在。當電網容量足夠大時，電網電壓和頻率均與異步發(fā)電機的轉速無關。定子鐵心是主磁路的一部分。小型感應電機通常采用半閉口槽和有高強度漆包線繞成的單層繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。為了得到較好的電