【正文】 的解耦、轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)的解耦，使電機功率因數(shù)可調(diào)。 最大風能捕獲控制1. 控制發(fā)電機轉(zhuǎn)距實現(xiàn)最大風能捕獲控制為實現(xiàn)最大風能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡稱MPPT)，風力發(fā)電系統(tǒng)必須實行變速運行，使系統(tǒng)能夠在不同風速下都能獲得一個最佳葉尖速比；變速方法分為兩大類：一為主動變速，即通過改變風輪的槳距角，改變風電系統(tǒng)的總的輸入氣動轉(zhuǎn)矩；另一為被動變速，即根據(jù)測量風速，調(diào)節(jié)與發(fā)電機部分相聯(lián)的逆變器的導通角，調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。對二次性能指標，如何選擇權(quán)矩陣是一項較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對由該所確定的性能指標而言的。線性最優(yōu)控制是目前諸多現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用最多、最成熟的一個分支，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交流傳動、電力電子等領(lǐng)域。如果當風速變化的時候，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得為某一個特定值不變，從而能保持最大的，即能最大限度的利用風能。因此，額定風速以下運行是變速恒頻發(fā)電運行的主要工作方式，也是經(jīng)濟高效的運行方式，這種情況下變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標就是追蹤與捕獲最大風能。5) 變壓器通過變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ?1kV或33kV等）。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機把風力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所以本系統(tǒng)采用超導儲能單元,可以提高整個系統(tǒng)的輸出。在并網(wǎng)型供電形式中應(yīng)用超導儲能SMES 技術(shù)。超導儲能單元的儲能容量大,響應(yīng)速度快,在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用,如解決次同步振蕩、多機系統(tǒng)穩(wěn)定等問題,其應(yīng)用前景非常光明。超導儲能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種。 采用電池儲能的風力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點的比較：鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價低廉，電氣性能良好。根據(jù)風場的風速條件計算出發(fā)電機電流、整流器電流、負荷電流、電池充電電流及電池電壓。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結(jié)構(gòu)形式，也可以選擇不隔離的電路結(jié)構(gòu)形式。另外，目前采用高頻鏈逆變技術(shù)的逆變器只能用于低功率范疇。另外，逆變時由于輸入電壓低，造成電流大，功率管的選擇比較困難。從輸出取樣，經(jīng)放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。直流變換器不都是隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器，因為直流變換器中，將輸入的直流變成交變電壓的逆變器不都是工作在開關(guān)狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能。這種穩(wěn)壓電源的開關(guān)元件常由晶體三極管擔任。從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據(jù)本文研究的風力發(fā)電機輸出的電的要求，本系統(tǒng)采用電容濾波的單相不可控整流電路2. 穩(wěn)壓電路的選擇策略開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展迅速，種類繁多，從工作方式上，可分為可控整流型、斬波型和隔離型三大類。從上述比較考慮，單相全波電路適宜于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。b) 單相橋式全控整流電路與單相全波二者的區(qū)別在于：單相全波可控整流電路中變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復雜。 整流裝置1. 整流電路的選擇策略[20]1) 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。另外，應(yīng)當指出的是，由于在轉(zhuǎn)子回路中采用了直流耦合變換器，在轉(zhuǎn)子和定子中都會引起諧波電流，從而產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩和增加機械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機的特性帶來了一些影響。和同步電機過激時的情況類似，增加轉(zhuǎn)子側(cè)的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。3. 無功功率和功率因數(shù)隨速度的變化普通異步發(fā)電機的無功功率比雙輸出異步發(fā)電機的高得多。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）。這實際上是異步電機的串級調(diào)速在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)和效率都較普通感應(yīng)發(fā)電機的高，也就是說它比普通感應(yīng)發(fā)電機具有很大的優(yōu)越性。為此在風力發(fā)電機組的機電變換器線路中利用不同極對數(shù)和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機的方法，可以達到增加輸出的目的。而且，變速運行的風力發(fā)電機能捕捉更多的風能，這可從三個方面來說明：當風速低于用來發(fā)出與電網(wǎng)同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風能。但飛輪的使用受場地限制,且飛輪必須與柴油機配套使用。一般的, 對水平軸風輪機而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速風輪(少葉片風輪屬于高速風輪) 的大于低速風輪的, 同時考慮到在風場中風輪機會受到風速與風向波動的影響, 左右, 。風輪機的設(shè)計及其空氣動力特性的分析一直是風力發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)的一個重要方向。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當?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，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。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。采用一定的控制策略（如矢量PWM）可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)可起到功率因數(shù)補償?shù)淖饔谩６L力發(fā)電機采取變速運行時，當風速躍升產(chǎn)生的巨大風能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風輪中，從而避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力。這種發(fā)電機系統(tǒng)除具有普通雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)點外，還有一個很大的優(yōu)點就是電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于沒有電刷和滑環(huán)，基本上不需要維護。上述系統(tǒng)由于發(fā)電機與傳統(tǒng)的繞線式感應(yīng)電機類似，一般具有電刷和滑環(huán)，需要一定的維護和檢修。系統(tǒng)中所采用的循環(huán)變流器是將一種頻率變換成另一種較低頻率的電力變換裝置，半導體開關(guān)器件采用線路換向，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一。3. 雙饋發(fā)電機系統(tǒng)雙饋發(fā)電機的機構(gòu)類似繞組型感應(yīng)電機，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺頻率、電壓可調(diào)的低頻電源（一般采用交/交循環(huán)變流器）供給三相低頻勵磁電流，當轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速n2相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n3。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。由上述可以看出磁場調(diào)制發(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)。2. 磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)采用的發(fā)電機為磁場調(diào)制型發(fā)電機，磁場調(diào)制型變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的三相高頻交流發(fā)電機和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成。發(fā)電機可以是市場上已有的通常電機如同步發(fā)電機、鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機、繞線型感應(yīng)發(fā)電機等，也有近來研制的新型發(fā)電機如磁場調(diào)制發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。 連續(xù)變速系統(tǒng)連續(xù)變速系統(tǒng)可以通過多種方法來得到，包括機械方法、電/機械方法、電氣方法及電子學方法等。它的每相繞組由匝數(shù)相同的兩部分組成，對于一種轉(zhuǎn)速是并聯(lián)，對于另一種轉(zhuǎn)速是串聯(lián)，從而使磁場在兩種情況下有不同的極數(shù)，導致兩種不同的運行速度。電機有兩種轉(zhuǎn)速，分別決定于兩個繞組的極數(shù)。更重要的是，它不能利用轉(zhuǎn)子的慣性來吸收峰值轉(zhuǎn)矩，所以這種方法不能改善風力機的疲勞壽命。變速運行的風力發(fā)電機有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類，下面分別作一概要介紹。自勵的條件，一個是電機本身存在一定的剩磁；另一個是在發(fā)電機的定子輸出端與負載并聯(lián)一組適當容量的電容器，使發(fā)電機的磁化曲線與電容特性曲線交于正常的運行點，產(chǎn)生所需的額定電壓。轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結(jié)構(gòu)簡單、堅固，基本上無需維護。在恒速恒頻系統(tǒng)中，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機。同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負載提供無功功率，一臺額定容量125KVA、向電網(wǎng)提供,+75KW和75KW之間的任何無功功率值。 風力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單。2). 高效率的實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本。為便于浮吊的施工，海上風電場一般建在水深為3～8m處，因而同容量裝機要比陸上成本增加60%（海上基礎(chǔ)占23%，線路占20%，陸上僅占5%）左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。[14]風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向?qū)⒓性冢禾岣邫C群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性；提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制；進一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在1MW以上的風力發(fā)電場將占據(jù)主導地位，風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。尤其值得注意的是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。目前，丹麥、 美國、德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進的設(shè)備和技術(shù)條件致力與新葉型的從理論到應(yīng)用的研究開發(fā)。槳葉也向柔性方向發(fā)展。這就必然要采用一些新的復合材料和新的技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，到2001年底，中國共建有27座風電場，裝機812臺。20世紀80年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設(shè)。歐洲風能協(xié)會預計，全世界到2020年風力發(fā)電裝機容量將超過1億KW，占歐洲總發(fā)電量的20%以上。進入20世紀80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。 技術(shù)驅(qū)動力隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動控制技術(shù)的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術(shù)的成熟，為風電技術(shù)向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設(shè)備維護方面也會提供就業(yè)機會。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。風力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟的一種新的經(jīng)濟增長點。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。 化石能源資源枯竭與供應(yīng)安全[5]進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴/汽油機發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。風力發(fā)電機的設(shè)計及風力發(fā)電系統(tǒng)項目設(shè)計方案 開發(fā)利用風能的動因風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。在偏遠地區(qū)，電力供應(yīng)困難。在這些地區(qū)，利用汽油/柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運輸成本，農(nóng)牧戶承擔的成本也要高于6元/KW。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務(wù)之急是尋找和研究利用其他可再生資源。 促進能源產(chǎn)業(yè)升級風力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應(yīng)更加明顯，各國都認識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。 社會驅(qū)動力風能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例子，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。安裝于魁北克省的凱普柴特。世界風電總裝機容量1997年底為746萬KW,1998年底為1015萬KW，1999年底為1393萬KW，2000年達1845萬KW，2001年達2493萬KW，2002年達3112KW,平均年增長率在30%以上。目前風力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW以下獨力運行的小型風力發(fā)電機組，二是100KW以上并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組。特別近年來，中國的風力風電場建設(shè)取得了較好的經(jīng)濟效益和巨大的發(fā)展。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到600～750KW，MW級的機組也成批生產(chǎn)，24MW級的機組已在實驗生產(chǎn)。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風力機槳葉捕捉風能的能力要大20%。在50m高處捕捉的風能要比30m高處多20%。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。這是由于海上風速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風電場平均設(shè)備利用為2000h，好的為2600h，而在海上則可達3000h以上。在考慮發(fā)電機系統(tǒng)方案時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點解決以下問題： 1) 高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。下面分別作一概要介紹。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。因為三相電機比起相同額定功率的單相電機來，一般體積較小、效率較高、而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下才了考慮采用單相發(fā)電機。感應(yīng)發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接。在單獨運行時，感應(yīng)發(fā)電機電壓的建立需要有一個自勵過程。利用電力電子學是實現(xiàn)變速運行最佳的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。但它對風速的快速變化實際上只是一臺單速風力機，因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風能。2. 雙繞組雙速感應(yīng)發(fā)電機 這種電機有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內(nèi)，在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作，轉(zhuǎn)子仍是通常的鼠籠型。3. 雙速極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機 這種感應(yīng)發(fā)電機只有一個定子繞組，轉(zhuǎn)子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設(shè)計不同于普通單速發(fā)動機。缺點是電機的旋轉(zhuǎn)磁場不是理想正弦形，因此產(chǎn)生的電流中有不需要的諧波分量。目前看來最有前景的當屬電力電子學方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機和