【文章內(nèi)容簡介】 6,270 %丹麥 3,136 %中國大陸 2,604 %意大利 2,123 %英國 1,963 %葡萄牙 1,716 %法國 1,567 %前十大總市場占有率 85% 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 我國有著豐富的風(fēng)能資源,幅員遼闊、海岸線較長,風(fēng)能資源比較充足,風(fēng)能資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙古等北部地區(qū)和東部至東南沿海地帶及島嶼?！笆澜缒茉蠢硎聲?huì)”1994 年風(fēng)能評估報(bào)告指出,中國理論風(fēng)力資源潛力是17,000TWh/年。我國可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為 10 億 kW,其中,陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW(依據(jù)陸地上離地面 10m 高度計(jì)算),海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW。但是,由于我國地形復(fù)雜、國土廣闊,風(fēng)能資源的地區(qū)性差異很大,即使在同一地區(qū),風(fēng)能也有較大的差別。 風(fēng)能利用歷史可追溯到公元前，但進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電科研的工作起步較晚，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全國陸地上離地 10m 高度層上風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 3226GW 和4350GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有 253GW 和 297GW。如果風(fēng)能資源的開發(fā)和利用率實(shí)現(xiàn) 60%，那么僅風(fēng)能就可以支撐中國目前每年全部的電力需求 [11]。我國利用風(fēng)力發(fā)電是從 20 世紀(jì) 50 年代開始的，到 20 世紀(jì)80 年代初，起步較晚，同發(fā)達(dá)國家相比，我們還有相當(dāng)大的差距。 至今，我國已經(jīng)在河北張家口、遼寧營口、黑龍江富錦等等地區(qū)建成10 多個(gè)百萬千瓦級的大型風(fēng)電基地，并初步形成幾個(gè)千萬千瓦級風(fēng)電基地，并且計(jì)劃在甘肅酒泉、江蘇南通等地興建 GW 級風(fēng)電場。2022 年全國并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電容量又一次實(shí)現(xiàn)飛躍性的發(fā)展。繼 2022022 年實(shí)現(xiàn)年增長率分別為 %、% 后 [15]，再次實(shí)現(xiàn)了年增長率為 %。全年新增2022 級電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文19 風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 萬 kW，占 2022 年全國新增發(fā)電裝機(jī)容量的 %。近 10 多年來全國新增風(fēng)電裝機(jī)容量及年增長率情況如圖 23 示。近幾年，尤其是 2022—2022 年，我國風(fēng)電裝機(jī)連續(xù) 3 年增長翻番，風(fēng)電在我國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐械谋戎赜辛舜蠓忍岣摺１M管同期全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康脑鲩L也很快，但風(fēng)電裝機(jī)比重仍從 2022 年的 %提高到了 2022 年的%。1992 年以來全國歷年的累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量及其占全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康谋戎刈兓闆r如圖 24 所示。圖 23 全國風(fēng)電近年新增裝機(jī)及年增長率（未含臺(tái)灣省數(shù)據(jù)）圖 24 19922022 年全國風(fēng)電裝機(jī)及其占全國發(fā)電裝機(jī)的比重第 3 章 風(fēng)電機(jī)組的分類及控制 風(fēng)電機(jī)組類型何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究20 風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其基本原理為：風(fēng)輪捕獲風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出三相交流電。對于非直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，不符合發(fā)電機(jī)的要求，因此還配備齒輪箱，將風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)主軸，同時(shí)通過齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行增速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能輸送給負(fù)荷或電力系統(tǒng)，這就是風(fēng)力發(fā)電的工作過程 [16],如圖31 所示。圖 31 風(fēng)力發(fā)電的工作過程由于風(fēng)電機(jī)組的組成復(fù)雜，因此，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，風(fēng)電機(jī)組有不同的分類方式。例如，按裝機(jī)容量，按運(yùn)行方式，按風(fēng)輪軸方向，按功率調(diào)節(jié)方式，按傳動(dòng)形式等可分為以下幾種。（1）按裝機(jī)容量可以分為小型、中型、大型和特大型風(fēng)電機(jī)組。小型機(jī)組指容量在 ~1kW；中型機(jī)組指容量在 1~100kW；大型機(jī)組指容量在100~1000kW，特大型為 1000kW 以上。（2）按運(yùn)行方式可分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不與電網(wǎng)連接，運(yùn)行不受電網(wǎng)電壓及頻率的限制，因此不必設(shè)置控制運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，一般用于沒有電網(wǎng)地區(qū)。而并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能向電網(wǎng)輸送，電壓和頻率必須與電網(wǎng)一致。（3）按風(fēng)輪軸方向分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)輪軸基本上平行于風(fēng)向的機(jī)組，工作時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按風(fēng)輪與塔架的相對位置可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向，如圖 32（a）所示。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，垂直軸風(fēng)輪按形成轉(zhuǎn)矩的機(jī)理又可分為阻力型和升力型，阻力型的效率低于升力型，如圖 32（b）所示。風(fēng)能風(fēng)輪機(jī)械能 電能機(jī)械能風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)2022 級電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文21 (a)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (b)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 圖 32 兩種風(fēng)輪軸方向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（4）按功率調(diào)節(jié)方式分為定槳距風(fēng)機(jī)、普通變槳距風(fēng)機(jī)和主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)。 定槳距風(fēng)機(jī)：其風(fēng)輪葉片直接與輪轂固定，安裝角固定不變。失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理是在一定迎角范圍內(nèi)葉片翼型的升力系數(shù)與迎角成正比，超出一定迎角后氣流開始分離，不再保持正比關(guān)系，當(dāng)迎角大到一定程度后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加稱為失速。失速型風(fēng)電機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)是，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可靠性高。但失速型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)低，葉片上有較復(fù)雜的氣動(dòng)制動(dòng)裝置，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，需要比較大的安全系數(shù)。 普通變槳距風(fēng)機(jī)：這種風(fēng)機(jī)當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過減小葉片翼型上合成氣流方向與翼型幾何弦的攻角，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，能使功率輸出保持穩(wěn)定。同時(shí)風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過程也需要通過變距來獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。采用變槳距技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還可使葉片和整機(jī)的受力狀況大為改善，這對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組十分有利。 主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)：主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是定槳距型與變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)合。葉片采用失速葉片，在低風(fēng)速時(shí)將槳距角調(diào)節(jié)到可獲取最大功率輸出的位置；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，槳距角主動(dòng)調(diào)到失速范圍，使功率穩(wěn)定在額定值或以下，限制功率超載。隨著風(fēng)速的不斷變化，葉片僅需微調(diào)就能維持額定功率輸出 [17]。主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究22是既具備定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，又可進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，輸出功率較平穩(wěn)。（5）按傳動(dòng)形式可分為高傳動(dòng)比齒輪箱型、直接驅(qū)動(dòng)型和半直驅(qū)型。 高傳動(dòng)比齒輪箱機(jī)組中的齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，通常達(dá)不到風(fēng)電機(jī)發(fā)電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)。 直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)組應(yīng)用多極同步發(fā)電機(jī)可以去掉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護(hù)成本大等問題，提高了運(yùn)行可靠性。 而半直驅(qū)型機(jī)組的工作原理是以上兩種形式的綜合，這種風(fēng)機(jī)減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動(dòng)比，同時(shí)也相應(yīng)地減少了多極同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，從而減小了發(fā)電機(jī)的體積。（6）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制方式分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 恒速恒頻 ( constant speed constant frequency，CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這是 20 世紀(jì) 80、90 年代常見的一種類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，機(jī)組容量已發(fā)展到兆瓦級，具有性能可靠、控制與結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。但這種風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)力機(jī)必偏離最佳轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率 Cp 值也會(huì)偏離最大值，導(dǎo)致輸出功率下降，浪費(fèi)了風(fēng)力資源，發(fā)電效率大大降低。 變速恒頻 ( variable speed constant frequency，VSCF) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變化，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，可適時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù) Cp 接近或達(dá)到最佳，可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能最大限度地捕獲，由此優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高 [18]。相對 CSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，VSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍較寬，可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功。目前，國內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組多采用這種運(yùn)行方式，尤其是兆瓦級的大容量風(fēng)電系統(tǒng)已成為主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 目前在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域主要采用水平軸風(fēng)電機(jī)組形式，其基本結(jié)構(gòu)2022 級電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文23 如圖 33 所示，由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。圖 33 水平軸風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖表 31 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型分類風(fēng)輪軸方向功率調(diào)節(jié)方式 傳動(dòng)形式 轉(zhuǎn)速變化變槳距 有齒輪箱結(jié)構(gòu)形式功率水平垂直定槳距 主動(dòng)失速普通變距高傳動(dòng)比中傳動(dòng)比直接驅(qū)動(dòng)定速 多態(tài)定速變速~1kW小型風(fēng)機(jī)無 無 無 無 有 有 無 無1~100kW中型風(fēng)機(jī)有 有 有 無 無 有 有 有100~1000kW大型風(fēng)機(jī)有，常見有，不常見有，不常見有 有 有，常見1000kW 以上特大型風(fēng)機(jī)有，常見有，不常見有，不常見有，不常見有，常見有，常見有，不常見有，常見有，不常見有，不常見有，常見何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究24 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)組 根據(jù)基本結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，發(fā)電機(jī)通?？煞譃橹绷麟姍C(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)和同步電機(jī)幾大類。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)類型繁多，包括以下類型。在 CSCF 風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)包括異步機(jī)感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步機(jī)。異步機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)，適用于各種惡劣的工況條件，但轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄。電機(jī)定子一般通過變換器或軟啟動(dòng)器與電網(wǎng)相連，如圖 34 所示，通常還需并聯(lián)無功補(bǔ)償器，提供足夠的無功補(bǔ)償以維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。軟啟動(dòng)器的主要作用是限制并網(wǎng)時(shí)過大的沖擊電流對電網(wǎng)的不利影響。圖 34 帶軟啟動(dòng)器的異步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)圖 35 雙 PWM 結(jié)構(gòu)的異步恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 電勵(lì)磁同步電機(jī)，帶有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，是同步電機(jī)必不可缺的組成部分，必須通過勵(lì)磁系統(tǒng)的激磁才能建立旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式可分為直流勵(lì)磁、靜止交流整流勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁無需電刷及滑環(huán)，可靠性大為提高。調(diào)節(jié)勵(lì)磁可以改變電機(jī)無功功率以及功率因素，且并網(wǎng)運(yùn)行供電可靠性高，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量好，這是同步機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)。電勵(lì)磁同步機(jī)恒2022 級電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文25 速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)如圖 36 所示。圖 36 電勵(lì)磁同步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 在 VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)中所采用的電機(jī)種類比較多，常見的有以下幾種：( 1) 籠型異步電機(jī) 因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)像鼠籠而得名，風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟隨調(diào)整，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率不是恒定的，利用電機(jī)定子和電網(wǎng)間的變換器，將頻率轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相同的恒定頻率，可見變速恒頻控制是在定子側(cè)實(shí)現(xiàn)的 [19]。由于電機(jī)定子與變換器相連，變換器容量與發(fā)電機(jī)的相同，特別在大容量風(fēng)電系統(tǒng)中將導(dǎo)致變換器成本、體積以及重量都明顯增加，一般多應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)。( 2) 繞線式異步電機(jī) 。這類發(fā)電機(jī)的滑差變化小，調(diào)速范圍較窄，通常不超過 5%。利用改變轉(zhuǎn)子回路外串電阻阻值大小的方式，就能改變轉(zhuǎn)子回路中外串電阻所消耗的轉(zhuǎn)差功率，以此達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但在轉(zhuǎn)子回路串入電阻，使系統(tǒng)損耗加大。 。這種發(fā)電機(jī)具有 2 種不同的同步轉(zhuǎn)速，即低同步轉(zhuǎn)速和高同步轉(zhuǎn)速。風(fēng)速較低時(shí)采用低同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，維持低功率輸出。 風(fēng)速較高時(shí)采用高同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，與之對應(yīng)則是高功率輸出。根據(jù)異步電機(jī)理論，在電網(wǎng)頻率恒定的情況下，只需改變極對數(shù) p，就能改變同步轉(zhuǎn)速。通常通過安裝 2 套不同繞組或改變定子繞組的接線方式就可改變極對數(shù) p。 。根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變，風(fēng)能利用效率 Cp 必將偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率將明何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究26顯降低。若風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也可跟隨變化，此時(shí)利用電力電子元件構(gòu)成的控制機(jī)構(gòu)，調(diào)整滑差可調(diào)繞線式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻值的大小就可保持轉(zhuǎn)子電流恒定，不需要進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)便可保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，避免了風(fēng)速頻繁變化引起輸出功率的波動(dòng)，供電質(zhì)量明顯改善； 變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也無須頻繁操縱、控制，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有效地延長了機(jī)組的使用年限。 。這類發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接與電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變換器與電網(wǎng)相連，定子、轉(zhuǎn)子均可與電網(wǎng)雙向傳遞功率，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相角及幅值實(shí)現(xiàn)恒頻輸出。這種電機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，也可發(fā)電運(yùn)行，調(diào)速范圍較寬，而定子側(cè)輸出電壓與頻率均可保持恒定； 對輸出有功和無功可分別獨(dú)立控制；對網(wǎng)側(cè)有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，可有效提高電網(wǎng)的功率