【正文】 風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)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(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場優(yōu)勢。一些國家要靠進(jìn)口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。人們開始認(rèn)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(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本約2元/KW左右。下面將主要從經(jīng)濟、環(huán)境、社會和技術(shù)進(jìn)步四方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動因。 經(jīng)濟驅(qū)動力 經(jīng)濟最優(yōu)化能源供應(yīng)的經(jīng)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(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔(dān)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(dá)50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)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(fēng)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(yīng)安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。 環(huán)境驅(qū)動力除了人們早先認(rèn)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(rèn)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(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)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(guān)注風(fēng)能的發(fā)展，并將利用風(fēng)能和其他可再生能源當(dāng)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(fēng)力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場中成功運行。 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀[13]中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。1986年在新疆達(dá)坂城安裝了１臺100KW風(fēng)力發(fā)電機組，1989年又安裝了13臺150KW風(fēng)力發(fā)電機組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風(fēng)電場運行的試驗和示范。 風(fēng)力發(fā)電展望風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)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(jìn)一步改進(jìn)，增強了風(fēng)力機捕捉風(fēng)能的效率。地處平坦地帶的風(fēng)力機。其運行維護(hù)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(fēng)電場項目。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。 目前得到廣泛應(yīng)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(yīng)發(fā)電機。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。同步發(fā)電機的缺點是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本相對于感應(yīng)發(fā)電機也比較高。轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。在并網(wǎng)運行時，感應(yīng)發(fā)電機一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。此外，這種風(fēng)力機在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多優(yōu)越性。主要效果是比以單一轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)運行于最佳葉尖速比附近。1. 采用多臺不同轉(zhuǎn)速的發(fā)動機 通常是采用兩臺轉(zhuǎn)速、功率不同的感應(yīng)發(fā)電機，在某一時間內(nèi)只有一臺被聯(lián)到電網(wǎng)，傳動機構(gòu)的設(shè)計使發(fā)動機在兩章風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下運行在稍貴有各自的頭部轉(zhuǎn)速。它的價格當(dāng)然也比通常的單速電機貴。雙速單繞組極幅調(diào)制感應(yīng)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(yīng)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(fēng)輪變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率，電壓可通過調(diào)節(jié)電機的勵磁電流來進(jìn)行控制。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。它的另一個優(yōu)點是可以使風(fēng)力機在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風(fēng)力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當(dāng)?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風(fēng)力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高，而風(fēng)輪轉(zhuǎn)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(dāng)風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相同，n1為負(fù)），也可以次同步速運行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相同，為正）。這種電機轉(zhuǎn)子類似鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子類似單繞組雙速感應(yīng)電機的定子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網(wǎng)相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網(wǎng)相聯(lián)。可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)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(fēng)能。變速恒頻風(fēng)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(fēng)能。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變速恒頻風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)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(zhuǎn)速無關(guān)。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(fēng)輪機獲取風(fēng)能、使發(fā)電機與風(fēng)輪機達(dá)到最佳配合的方法,下面對風(fēng)能機的功率特性做簡要的分析說明。 齒輪箱 齒輪箱是風(fēng)輪機和風(fēng)力發(fā)電機之間的傳動機構(gòu),屬于機械部分,它的作用是風(fēng)能機轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fēng)能系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器，因為把異步發(fā)電機并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設(shè)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(zhuǎn)速時損失了風(fēng)能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)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(yīng)用的衰退，也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴(yán)重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時，檢測、控制轉(zhuǎn)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(yīng)的轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)子速度的變化轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)子電壓產(chǎn)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(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)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(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)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(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角，靠調(diào)導(dǎo)通角的大小，達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。調(diào)整開關(guān)濾波脈沖控制電路ＵｉＵ０ 　斬波型開關(guān)穩(wěn)壓器方框圖3) 所謂隔離型開關(guān)電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器，由磁場的變化實現(xiàn)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(jīng)開關(guān)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(jié)構(gòu)簡單，控制也比較容易。2) 高頻鏈逆變技術(shù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機儲能，系統(tǒng)()所示。研究表明系統(tǒng)參數(shù)中受風(fēng)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(dǎo)體開關(guān),能使超導(dǎo)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(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 SMES 系統(tǒng)方框圖 （） （） （） （）由()、（）、（）、（） 式和（）可知超導(dǎo)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(fēng)力發(fā)電機發(fā)出或吸收有功功率和無功功率?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1) 風(fēng)能轉(zhuǎn)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(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)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(diào)向的時問等；4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)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(zhì)質(zhì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 風(fēng)力機最佳運行原理一臺風(fēng)輪半徑為的風(fēng)力機，在風(fēng)速下運行時，它所產(chǎn)生的機械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風(fēng)力機的輸出功率系數(shù)（一般Cp=1/3～2/5，最大可達(dá)16/27=）——風(fēng)力機的掃掠面積，——風(fēng)速， 從(1)式可以看出在一定的風(fēng)速下， 值越大，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率就越高。風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)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(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機有三種典型的運行狀態(tài)：1) 低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)值，根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；2) 轉(zhuǎn)速達(dá)到極限后，風(fēng)速進(jìn)一步加大時．按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機運行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能利用系數(shù) 不一定是最大值；3) 超過額定風(fēng)速時，輸出功率達(dá)到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機。性能指標(biāo)： （）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(nèi)，到達(dá)目標(biāo)集，并使性能指標(biāo)為最小。在最優(yōu)控制中，性能指標(biāo)的選取直接表明了設(shè)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(nèi)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(diào)節(jié)電機上功率繞組和控制繞組間的功率流向，降低損耗?？紤]到磁路的飽和問題，給出相應(yīng)電流控制方法，導(dǎo)出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風(fēng)速時風(fēng)能捕獲效率提高6％。2. 控制風(fēng)力機槳距角實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制在一臺可變槳距、可偏航、可控負(fù)載的小型試驗風(fēng)機中應(yīng)用兩個最優(yōu)控制器：一個在額定風(fēng)速以下時起作用，調(diào)節(jié)風(fēng)機獲得最大風(fēng)能；另一個在額定風(fēng)速以上時控制功率或轉(zhuǎn)矩恒定。對于永磁電機風(fēng)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(fēng)速下的最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速_，控制反饋到電網(wǎng)的電流來控制直流側(cè)電壓，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大風(fēng)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(chǎn)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(cè)彎及槳葉的震顫。應(yīng)用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風(fēng)能轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用設(shè)計變速風(fēng)能轉(zhuǎn)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(zhì)、柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。風(fēng)電系統(tǒng)不但要求最大風(fēng)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(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致在力矩傳動鏈中產(chǎn)生大的力矩振蕩：采用一類 LQG 方法，用二次型性能指標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化對風(fēng)能捕獲和傳動鏈負(fù)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(fēng)速變化時，首先減小發(fā)電機力矩，使轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)風(fēng)速變化，直至力矩達(dá)到新的平衡點，可實現(xiàn)速度的快速響應(yīng)，減小力矩波動。這也將是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的出路所在。當(dāng)電網(wǎng)容量足夠大時，電網(wǎng)電壓和頻率均與異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。定子鐵心是主磁路的一部分。小型感應(yīng)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