【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)建設風電的積極性空前高漲。 中國風能協(xié)會 (CWEA)在今年三月 公布 了 《 2021 年中 國風電裝機容量統(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 裝風電機組， 新增 裝機容量 為 兆瓦 ，累計安裝風電機組 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電裝機容量趨勢圖，數(shù)據(jù)來源于 中國風能協(xié)會 (CWEA)。 圖 11 20212021 中國歷年新增及累計風電裝機容量 風力發(fā)電技術簡介 風經(jīng)過風力機時會帶動風機葉片旋轉(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，這就是風力發(fā)電的基本原理 。 風電機組 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 恒速風機與變速風機 是根據(jù)風機運行時轉(zhuǎn)速范圍不同來劃分的 ；定槳距 、變槳距風電機組 是根據(jù) 風電機組葉片 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 風力機的分類 盡管風力發(fā)電機 具有 多種多樣 的類型 ，但 其主要部件 是 風輪，在 風力作用 下風輪 旋轉(zhuǎn)并 將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，因此，大體上可 將風力機 分為兩大類：一類是水平軸風力發(fā)電機 ， 另 一類是 垂直軸風力發(fā)電機 ，這是根據(jù)風輪的結(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) 水平軸風力發(fā)電機 水平軸風力發(fā)電機 的 風 輪 旋 轉(zhuǎn) 軸 平行于 來 風向 ， 風輪 的 旋 轉(zhuǎn) 平 面 在 工作時垂直于 來 風 方 向。水平軸風力發(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 升力型水平軸風力發(fā)電機 。 由于裝設了 對風裝置， 風向改變時水平軸風力發(fā)電機 大多 隨之 轉(zhuǎn)動。 在 小型風力發(fā)電機 當中通常使用 尾舵 作為 這種對風裝置，而 在 大型的風力發(fā)電機 中 ， 對風裝置 則 是通過由 風向傳感元件 和 伺服電機組成的傳動機構(gòu) 組成的 [12]。 根據(jù) 風力機 風輪 與 塔架 的相對位置可以將其分為 兩類 ， 風輪在塔架前面 的為 上風向風力機 ， 相對應的， 風輪在塔架后面 的是 下風向風機 。水平軸風力發(fā)電機 具有多種不同的樣式 ，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風輪，有的 將 多個風輪安裝 在 一個塔架上， 當 輸出功率一定的 情況 下塔架的成本 可以降低 ，風輪周圍產(chǎn)生漩渦 的水平軸風機還可以 集中氣流，增加氣流速度 [13]。 2) 垂直軸風力發(fā)電機 水平軸風力發(fā)電機的對風方向需要隨著風向的改變而調(diào)整，而垂直軸風力發(fā)電機卻不需要， 因為它的 風輪的旋轉(zhuǎn)軸 和 氣流或地面 之間是相互垂直的 。垂直軸風力發(fā)電機的這一特點在簡化結(jié)構(gòu)設計要求的同時 也使得 因風輪 對風 造成的陀螺力 大大減少 ?；谧枇πD(zhuǎn)原理的垂直軸風力發(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輪的 S 型風車。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）導致其退出了商業(yè)風力 發(fā)電 機的主流設計。 風機功率調(diào)節(jié)及控制方式 風力機 對 整個 風力發(fā)電 系統(tǒng)的性能和效率 有著至關重要的影響 ， 屬于 風力發(fā)電系統(tǒng)當中 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，當風速 大于 額定轉(zhuǎn)速后，風力機吸收的功率 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 風力機 利用 風輪 來 捕獲風能 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，槳葉的迎風角度 是一個定值，無法跟隨 風速 的 變化 而改變 。失速是指當風速 超出 額定風速 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。當風速增大時，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 大風時風機輸出功率的增加 進行限制， 只需調(diào)整 葉片迎風面 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 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 風機 的優(yōu)點 。當輸出功率 因 風速變化 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)。在風電發(fā)展 的初期階段 ，由于 這種風力機具有簡單的結(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 。 然而當風速較低時這種風機效率低下的缺點就十分明顯。氣流速度在全風速運行時是不斷變化的，風速變化的同時風力機轉(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，但此時可以將風力機功率調(diào)高的話也是不可取的，因為這將導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 ，相當于弱化了葉片的剛性程度， 這對機械強度來說是一個嚴峻的考驗，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 則，使得風電市場中很少在看到這類風機的身影。 2) 變槳距調(diào)節(jié)技術 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?shù)恼{(diào)節(jié) 。采用變槳距調(diào)節(jié)技術的風機， 槳 葉角度隨風速變化而變化， 在保證輸出功率穩(wěn)定的同時還大大提高了 風能轉(zhuǎn)換效率。 在輸出功率達到額定功率之前，風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 及時對槳距角作出調(diào)整 以應對輸出功率的變化 。 風速高于額定值時， 由于槳葉失速 ， 一部分過剩功率 將會通過定槳矩風機分流； 然而當風速過高的情況下，分流出去的功率也會相應地增多，6 這使得風力機的輸出功率會降低到額定值以下。 變槳矩風機 一般采用 PI 控制器作為控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)槳葉的迎風角度，當機械轉(zhuǎn)矩比參考值小時減小槳距角，反之則增大槳距角，在風速超過額定值是通過這種調(diào)節(jié)能夠使風力機的輸出功率保持在額定值附近，因而 使 風能的利用效率 得到提高 [16]。 變槳距型風力發(fā)電機 對轉(zhuǎn)速、功率和槳距角都能控制調(diào)節(jié)，風能吸收利用效率較高，在較高風速下也能保證輸出功率的平穩(wěn)，極大的改善了風力機的啟動性能和功率輸出特性， 并且塔架、葉片和基礎收到的沖擊小得多，缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜 ， 一套較復雜的變槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu) 是必不可少的 ， 為了 減輕由于風的波動引起的功率脈動 ， 風力機的變槳距角 調(diào)節(jié) 系統(tǒng) 必須 對陣風 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 定槳距失速調(diào)節(jié)技術與變槳距調(diào)節(jié)技術 都有各自的優(yōu)缺點，如果將這兩種技術 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 的風電機 ，它可以 充分 利用 被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點， 風速較低 的情況下，通過槳距調(diào)節(jié)使得風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的位置點上； 風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)，就能應對風速的變化 [17]。 主動失速調(diào)節(jié)型 風電 組采用了變槳距結(jié)構(gòu) 對 葉片 進行 設計 ，其優(yōu)點是不僅保留了 定 槳 距失速型 風機 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)；風速未達到額定值之前，根據(jù)風速變化情況來調(diào) 整發(fā)電機的反力矩使其相應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能 ；風速超過額定值之后，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力機捕獲的風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 ，是未來風力發(fā)電技術的 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 之外 ，一般大功率機組都采用 了變槳距調(diào)節(jié)技術 。 發(fā)電機 的 控制方式 在風力發(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)是風力發(fā)電機組 不可或缺的 組成部分。 風電系統(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的性能是息息相關的。 風力發(fā)電技術可以 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)技術和變速恒頻 (Variable Speed Constant Frequeney，簡稱 VSCF)技術 。 1) 恒速恒頻技術 在風力發(fā)電 系統(tǒng)中， 風電的頻率 必須等于電網(wǎng)的頻率，否則不允許 風力發(fā)電機組 接入電網(wǎng) 。恒速恒頻即在風力發(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 的風電機組具有簡單的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)以及可靠的技術性能，是上世紀八九十年代的熱門技術， 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， 許多中小型風電 機組都 采用了這種 技術 。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 的 耦合 系統(tǒng) 是剛性的 ， 當風速發(fā)生突然變化時，為了 維持 機械轉(zhuǎn)速的恒定， 巨大的 機械應力和摩擦力 會作用于 風機的葉片 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 是 上個 世紀 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 、 電力電子技術、微機信息處理技術 ， 這就是 變速恒頻風力發(fā)電技術 ，該技術能夠 獲取高質(zhì)量電能， 是目前國內(nèi)外 最優(yōu)化 的 風力發(fā)電技術方案。 在 變速恒頻技術 中， 風速變化時 風輪轉(zhuǎn)速 ，也就是 發(fā)電機轉(zhuǎn)速 也會隨之做出相應的改變 ， 風輪和發(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 技術能夠保持恒定， 這樣，可調(diào)節(jié)風力機 保持在 最佳尖速比，從而 使風能利用率最高， 這是 這種類型 風電機組的運行特點 和優(yōu)勢 [19]。 目前，容量 大型化、變槳距 調(diào)節(jié) 和變速恒頻 控制技術是 風電機組 的總體發(fā)展趨勢 ，采用變速恒頻技術 有以下一些優(yōu)點 ： a) 在風速變化的情況下， 按照捕獲最大風能的要求， 采用變速恒頻發(fā)電方式能夠使 風輪機的轉(zhuǎn)速 實時可調(diào) ， 風力機 能夠以 最佳葉尖速比 在 最大功率點 上 運行 ，從而實現(xiàn)最大風能的捕獲， 風力機的運行效率 得到了 很大的 提高 。 變速恒頻系統(tǒng)理論上能夠比 恒速恒頻風電系統(tǒng) 提高二十個百分點的 發(fā)電量。 b)風速上升時，將陣風的能量吸收并轉(zhuǎn)化為機械能存儲于風機的機械慣性力當中，風速下降時吧存儲的能量轉(zhuǎn)化為電能釋放給電網(wǎng)，從而減少了陣風對風機的沖擊產(chǎn)生的機械應力，使風機與電網(wǎng)之間柔性連接，風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，發(fā)電機輸出的有功、無功功率之間能夠接觸耦合關系，實現(xiàn)獨立控制。風機轉(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能；