【文章內(nèi)容簡介】 北” (西北、華北和東北 )地區(qū)； 海上 約 有 億 千瓦 可開發(fā)和利用的風(fēng)3 能， 主要分布在東南沿海、遼寧沿海及其島嶼 ，總共 約 有十億千瓦 風(fēng)能儲量可 供開發(fā)利用 [6]。 2021 年中國《可再生能源法》頒布后，各地及各投資方開發(fā)建設(shè)風(fēng)電的積極性空前高漲。 中國風(fēng)能協(xié)會 (CWEA)在今年三月 公布 了 《 2021 年中 國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計》 ，從這份統(tǒng)計報告中可以知道 ， 2021 年中國 大陸 地區(qū) 共增加了 11409 臺 新 裝風(fēng)電機組， 新增 裝機容量 為 兆瓦 ，累計安裝風(fēng)電機組 45894 臺， 累積 裝機容量 為 兆瓦 ，年增長 率高達 %[10]。 圖 11 是 2021~2021 年我國歷年新增和累積風(fēng)電裝機容量趨勢圖，數(shù)據(jù)來源于 中國風(fēng)能協(xié)會 (CWEA)。 圖 11 20212021 中國歷年新增及累計風(fēng)電裝機容量 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)簡介 風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機時會帶動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn) ， 通過 增速機 提高葉片的旋轉(zhuǎn)速度來帶動發(fā)電機發(fā)電，這就是風(fēng)力發(fā)電的基本原理 。 風(fēng)電機組 有多種不同的分類方式，例如 可以按照運行方式 的不同 、控制 方式的不同以及 拓撲結(jié)構(gòu)的不同進 來進行分類 ，例如 恒速風(fēng)機與變速風(fēng)機 是根據(jù)風(fēng)機運行時轉(zhuǎn)速范圍不同來劃分的 ；定槳距 、變槳距風(fēng)電機組 是根據(jù) 風(fēng)電機組葉片 所采用的不同 控制方式 來區(qū)分的 ； 而采用不同 發(fā)電機類型 的 風(fēng)電機組 可以 分為 三類：一是不包含 電力電子變頻器 的 普通異步發(fā)電機 ，二是 采用 了 部分功率電力電子變頻器 的 雙饋感應(yīng)發(fā)電機 ，三是 采用 了 全功率電力電子變頻器 的 多極同步電機的風(fēng)電機組 [7]。 0100002021030000400005000060000700002021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021新增裝機 13803 18928 17631累計裝機 12021 25805 44733 62364單位：MW 4 風(fēng)力機的分類 盡管風(fēng)力發(fā)電機 具有 多種多樣 的類型 ，但 其主要部件 是 風(fēng)輪，在 風(fēng)力作用 下風(fēng)輪 旋轉(zhuǎn)并 將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，因此，大體上可 將風(fēng)力機 分為兩大類：一類是水平軸風(fēng)力發(fā)電機 ， 另 一類是 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 ，這是根據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)的差別及其在氣流中的位置的不同來區(qū)分的 [11]。 1) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機 水平軸風(fēng)力發(fā)電機 的 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 軸 平行于 來 風(fēng)向 ， 風(fēng)輪 的 旋 轉(zhuǎn) 平 面 在 工作時垂直于 來 風(fēng) 方 向。水平軸風(fēng)力發(fā)電機 根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度 的不 方 同 分為升力型和阻力型兩類 前者具有較快的 旋轉(zhuǎn)速度， 后者 旋轉(zhuǎn)速度 相對較 慢。 風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)中采用的較為廣泛的機型 是 升力型水平軸風(fēng)力發(fā)電機 。 由于裝設(shè)了 對風(fēng)裝置， 風(fēng)向改變時水平軸風(fēng)力發(fā)電機 大多 隨之 轉(zhuǎn)動。 在 小型風(fēng)力發(fā)電機 當(dāng)中通常使用 尾舵 作為 這種對風(fēng)裝置，而 在 大型的風(fēng)力發(fā)電機 中 ， 對風(fēng)裝置 則 是通過由 風(fēng)向傳感元件 和 伺服電機組成的傳動機構(gòu) 組成的 [12]。 根據(jù) 風(fēng)力機 風(fēng)輪 與 塔架 的相對位置可以將其分為 兩類 ， 風(fēng)輪在塔架前面 的為 上風(fēng)向風(fēng)力機 ， 相對應(yīng)的， 風(fēng)輪在塔架后面 的是 下風(fēng)向風(fēng)機 。水平軸風(fēng)力發(fā)電機 具有多種不同的樣式 ，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的 將 多個風(fēng)輪安裝 在 一個塔架上， 當(dāng) 輸出功率一定的 情況 下塔架的成本 可以降低 ，風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦 的水平軸風(fēng)機還可以 集中氣流，增加氣流速度 [13]。 2) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 水平軸風(fēng)力發(fā)電機的對風(fēng)方向需要隨著風(fēng)向的改變而調(diào)整，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機卻不需要， 因為它的 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸 和 氣流或地面 之間是相互垂直的 。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的這一特點在簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的同時 也使得 因風(fēng)輪 對風(fēng) 造成的陀螺力 大大減少 。基于阻力旋轉(zhuǎn)原理的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有幾種類型，最具代表性的是利用平板和被子做成風(fēng)輪的 S 型風(fēng)車。此類裝置啟動力矩較大，但是尖速比不高。在考慮 實際使用條件一定（如成本、尺寸、重量等）的條件下，輸出功率較低垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的諸多缺點（如空氣動力效能不高，轉(zhuǎn)動軸重量超出合理范圍等）導(dǎo)致其退出了商業(yè)風(fēng)力 發(fā)電 機的主流設(shè)計。 風(fēng)機功率調(diào)節(jié)及控制方式 風(fēng)力機 對 整個 風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)的性能和效率 有著至關(guān)重要的影響 ， 屬于 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中 比較核心的一大部分 。在實際運行過程中， 系統(tǒng)的性能要受到 發(fā)電機組的額 定機械強度和 發(fā)電機的額定功率等因素的限制，當(dāng)風(fēng)速 大于 額定轉(zhuǎn)速后，風(fēng)力機吸收的功率 必須通過一定的手段加以限制 ，根據(jù)以上要求 產(chǎn)生了三種功率調(diào)節(jié)方式 [14]： 5 1)定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù) 風(fēng)力機 利用 風(fēng)輪 來 捕獲風(fēng)能 并將其 轉(zhuǎn)換為 機械轉(zhuǎn)矩 作用 于 輪轂 之 上。定槳距是指槳葉與輪轂 之間是 是固定 連接 的，槳葉的迎風(fēng)角度 是一個定值，無法跟隨 風(fēng)速 的 變化 而改變 。失速是指當(dāng)風(fēng)速 超出 額定風(fēng)速 的情況下 ，槳葉的表面 會 產(chǎn)生 氣流 渦流 從而 降低效率 產(chǎn)生失速 ， 進而使得 發(fā)電機的 輸出 功率 得到 限制 。 在這種調(diào)節(jié)方式下， 槳 葉和輪轂剛性連接，同時保持 槳距 角度不變。當(dāng)風(fēng)速增大時，功角增大，分離區(qū)形成大的渦流， 減少 上 了 下翼面所產(chǎn)生的壓力差，阻力增加的同時升力較少， 槳 葉失速， 對 功率 的 增加 起到了限制作用 。 為了對 大風(fēng)時風(fēng)機輸出功率的增加 進行限制， 只需調(diào)整 葉片迎風(fēng)面 和 縱向旋轉(zhuǎn)軸 之間的 夾角使 葉片的 阻力 和 受力 發(fā)生變化 ， 從而使輸出功率得以保持恒定。 這種技術(shù) 在 控制結(jié)構(gòu)簡單 的同時還具有較高的 安全系數(shù)。 槳葉本身 就能 完成 失速調(diào)節(jié) ，簡單可靠 ，這是 定槳 距 失速調(diào)節(jié)型 風(fēng)機 的優(yōu)點 。當(dāng)輸出功率 因 風(fēng)速變化 而改變時 ， 不需要控制系統(tǒng)的參與， 只通過槳葉被動失速調(diào)節(jié) 就能調(diào)節(jié)輸出功率，大大簡化了 控制系統(tǒng)。在風(fēng)電發(fā)展 的初期階段 ，由于 這種風(fēng)力機具有簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本再加上 維護 起來比較 方便 ，在 市場 中 一直占有很大的比重 。 然而當(dāng)風(fēng)速較低時這種風(fēng)機效率低下的缺點就十分明顯。氣流速度在全風(fēng)速運行時是不斷變化的，風(fēng)速變化的同時風(fēng)力機轉(zhuǎn)速必須及時跟隨其變化而改變，否則就只能得到很低的運行效率，但此時可以將風(fēng)力機功率調(diào)高的話也是不可取的，因為這將導(dǎo)致槳葉過早進入失速運行狀態(tài) [15]。 另一方面， 由于其葉片有著十分獨特的結(jié)構(gòu)從而使加劇了整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化程度，對機組成的成型工藝提出了很高的要求，生產(chǎn)制造的困難大大增加。同時風(fēng)機的葉片會隨著機組額定功率的提高而變長，這就使得作用于葉片上的氣流推動力增大 ，相當(dāng)于弱化了葉片的剛性程度， 這對機械強度來說是一個嚴(yán)峻的考驗，因此一般大功率機組很少采用這種機組。目前 新型風(fēng)力發(fā)電機組 的性價比不斷降低，再加上各國出臺了新的電網(wǎng)導(dǎo) 則，使得風(fēng)電市場中很少在看到這類風(fēng)機的身影。 2) 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù) 所謂 變槳距是指 ， 安裝在輪轂上的葉片 是可 以被控制 的， 根據(jù)系統(tǒng)的需要能夠通過控制系統(tǒng)能夠?qū)?其槳距角的大小 做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié) 。采用變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)的風(fēng)機， 槳 葉角度隨風(fēng)速變化而變化， 在保證輸出功率穩(wěn)定的同時還大大提高了 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。 在輸出功率達到額定功率之前，風(fēng)機的槳距角一直保持在零度的位置不變，類似于一臺定槳距風(fēng)機；發(fā)電機輸出 的 功率 一旦 達到額定 值 ，閉環(huán)控制系統(tǒng)會根據(jù) 穩(wěn)定輸出功率在額定值這一控制目標(biāo) 及時對槳距角作出調(diào)整 以應(yīng)對輸出功率的變化 。 風(fēng)速高于額定值時， 由于槳葉失速 ， 一部分過剩功率 將會通過定槳矩風(fēng)機分流； 然而當(dāng)風(fēng)速過高的情況下，分流出去的功率也會相應(yīng)地增多，6 這使得風(fēng)力機的輸出功率會降低到額定值以下。 變槳矩風(fēng)機 一般采用 PI 控制器作為控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)槳葉的迎風(fēng)角度，當(dāng)機械轉(zhuǎn)矩比參考值小時減小槳距角，反之則增大槳距角，在風(fēng)速超過額定值是通過這種調(diào)節(jié)能夠使風(fēng)力機的輸出功率保持在額定值附近，因而 使 風(fēng)能的利用效率 得到提高 [16]。 變槳距型風(fēng)力發(fā)電機 對轉(zhuǎn)速、功率和槳距角都能控制調(diào)節(jié)，風(fēng)能吸收利用效率較高，在較高風(fēng)速下也能保證輸出功率的平穩(wěn)，極大的改善了風(fēng)力機的啟動性能和功率輸出特性， 并且塔架、葉片和基礎(chǔ)收到的沖擊小得多，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ， 一套較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu) 是必不可少的 ， 為了 減輕由于風(fēng)的波動引起的功率脈動 ， 風(fēng)力機的變槳距角 調(diào)節(jié) 系統(tǒng) 必須 對陣風(fēng) 的變化 要有 足夠 的 靈敏度 ，故障率相對較高。 3) 主動失速型 調(diào)節(jié) 技術(shù) 定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)與變槳距調(diào)節(jié)技術(shù) 都有各自的優(yōu)缺點，如果將這兩種技術(shù) 相結(jié)合， 槳葉 本身 采用失速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng) 則 采用變槳距調(diào)節(jié) ， 就 構(gòu)成了 主動失速型技術(shù) 的風(fēng)電機 ，它可以 充分 利用 被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點， 風(fēng)速較低 的情況下，通過槳距調(diào)節(jié)使得風(fēng)力機整體輸出功率最優(yōu)化 槳葉節(jié)距 被調(diào)整到與最大功率相對應(yīng)的位置點上； 風(fēng)力機輸出功率超過額定功率時，需要將功率限制在額定值之下，此時將 槳葉節(jié)距 調(diào)整為 失速方向 ，從而限制了輸出的最大功率 不超過額定值 ，在這種情況下只需要將 槳葉維持 在 失速狀態(tài) 下并加以微調(diào)，就能應(yīng)對風(fēng)速的變化 [17]。 主動失速調(diào)節(jié)型 風(fēng)電 組采用了變槳距結(jié)構(gòu) 對 葉片 進行 設(shè)計 ，其優(yōu)點是不僅保留了 定 槳 距失速型 風(fēng)機 的 優(yōu)點，還能 進行變槳距調(diào)節(jié) 。其調(diào)節(jié)方法 可以概括為 ：發(fā)電機起動過程中槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)負責(zé)對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，減小其與同步轉(zhuǎn)速之間的偏差，之后在最優(yōu)時刻平穩(wěn)的并入電網(wǎng)；風(fēng)速未達到額定值之前，根據(jù)風(fēng)速變化情況來調(diào) 整發(fā)電機的反力矩使其相應(yīng)的做出改變從而使葉尖速比能夠處于最佳值以捕獲最大風(fēng)能 ；風(fēng)速超過額定值之后，變槳距與變速兩種調(diào)節(jié)方式均投入使用，前者能夠?qū)︼L(fēng)力機捕獲的風(fēng)能加以限制從而保證系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能以及平穩(wěn)的功率輸出，后者在風(fēng)速變化較快的情況下能夠保證傳動系統(tǒng)具有足夠的柔性，降低槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動作次數(shù) 。 具有良好的調(diào)節(jié)性的 主動失速調(diào)節(jié) 方式 在目前受到普遍的歡迎 ，是未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的 主流方向 。 目前 來說 ， 除了 一些中型機組仍在使用定槳距失速型調(diào)節(jié)技術(shù) 之外 ，一般大功率機組都采用 了變槳距調(diào)節(jié)技術(shù) 。 發(fā)電機 的 控制方式 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中， 發(fā)電機 是 機械能 與 電能 之間轉(zhuǎn)換的核心部件 ，發(fā)電機及7 其控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組 不可或缺的 組成部分。 風(fēng)電系統(tǒng)整體的性能優(yōu)劣以及對電網(wǎng)輸送點的的質(zhì)量與發(fā)電機運行狀況和所采取控制技術(shù)的性能是息息相關(guān)的。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以 根據(jù)不同的發(fā)電機運行特征劃分 為兩種 ： 恒速恒頻 (Constant Speed Constant Frequeney，簡稱 CSCF)技術(shù)和變速恒頻 (Variable Speed Constant Frequeney，簡稱 VSCF)技術(shù) 。 1) 恒速恒頻技術(shù) 在風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)中， 風(fēng)電的頻率 必須等于電網(wǎng)的頻率，否則不允許 風(fēng)力發(fā)電機組 接入電網(wǎng) 。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 和發(fā)出電能的 恒頻 都能保持恒定不變 [18]。 采用 恒速恒頻技術(shù) 的風(fēng)電機組具有簡單的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)以及可靠的技術(shù)性能，是上世紀(jì)八九十年代的熱門技術(shù)， 定槳距失速調(diào)節(jié)或主動失速調(diào)節(jié) 是其主要的調(diào)節(jié)方式， 許多中小型風(fēng)電 機組都 采用了這種 技術(shù) 。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 的 耦合 系統(tǒng) 是剛性的 ， 當(dāng)風(fēng)速發(fā)生突然變化時，為了 維持 機械轉(zhuǎn)速的恒定， 巨大的 機械應(yīng)力和摩擦力 會作用于 風(fēng)機的葉片 之上 ， 使得 部件的疲勞程度增加 ，使用壽命 也大大下降 。 2) 變速恒頻技術(shù) 是 上個 世紀(jì) 七十 年代一種新型發(fā)電方式 逐漸發(fā)展起來 ， 它在 發(fā)電機控制之中引進了 矢量變換控制技術(shù) 、 電力電子技術(shù)、微機信息處理技術(shù) ， 這就是 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) ，該技術(shù)能夠 獲取高質(zhì)量電能， 是目前國內(nèi)外 最優(yōu)化 的 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方案。 在 變速恒頻技術(shù) 中， 風(fēng)速變化時 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ，也就是 發(fā)電機轉(zhuǎn)速 也會隨之做出相應(yīng)的改變 ， 風(fēng)輪和發(fā)電機轉(zhuǎn)速 能夠 在 較大 范圍內(nèi)變化 ，但輸出的電能頻率通過電力電子控制 技術(shù)能夠保持恒定， 這樣，可調(diào)節(jié)風(fēng)力機 保持在 最佳尖速比，從而 使風(fēng)能利用率最高， 這是 這種類型 風(fēng)電機組的運行特點 和優(yōu)勢 [19]。 目前，容量 大型化、變槳距 調(diào)節(jié) 和變速恒頻 控制技術(shù)是 風(fēng)電機組 的總體發(fā)展趨勢 ，采用變速恒頻技術(shù) 有以下一些優(yōu)點 ： a) 在風(fēng)速變化的情況下， 按照捕獲最大風(fēng)能的要求， 采用變速恒頻發(fā)電方式能夠使 風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速 實時可調(diào) ， 風(fēng)力機 能夠以 最佳葉尖速比 在 最大功率點 上 運行 ，從而實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲， 風(fēng)力機的運行效率 得到了 很大的 提高 。 變速恒頻系統(tǒng)理論上能夠比 恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 提高二十個百分點的 發(fā)電量。 b)風(fēng)速上升時，將陣風(fēng)的能量吸收并轉(zhuǎn)化為機械能存儲于風(fēng)機的機械慣性力當(dāng)中，風(fēng)速下降時吧存儲的能量轉(zhuǎn)化為電能釋放給電網(wǎng)，從而減少了陣風(fēng)對風(fēng)機的沖擊產(chǎn)生的機械應(yīng)力，使風(fēng)機與電網(wǎng)之間柔性連接，風(fēng)機的使用壽命得以延長。 c) 變速恒頻發(fā)電 系統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了矢量控制技術(shù)，發(fā)電機輸出的有功、無功功率之間能夠接觸耦合關(guān)系，實現(xiàn)獨立控制。風(fēng)機轉(zhuǎn)速能夠通過有功功率的調(diào)節(jié)來改變從而追蹤最大風(fēng)能；