【正文】 方向。在起動(dòng)和停止的過程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角?？刂葡到y(tǒng)隨時(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件 突然失效時(shí)應(yīng)該緊急停機(jī)。控制系統(tǒng)的功能是過程控制和安全保護(hù)。發(fā)電機(jī)的輸出功率為 3 2 23 c osN N NP U I P?? ? ? （ 13） 式中 P3—— 發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是 W； UN—— 定子三相繞組上的線電壓，單位是 V； IN—— 流過定子繞組線電流，單位是 A； cos N? —— 功率因數(shù) ； ?2—— 發(fā)電系統(tǒng)的總效率。 m； ?2—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s； ?1—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。 m； ?1—— 風(fēng)輪的角速度，單位為 1/s. 風(fēng)輪的輸出功率通過主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能 ，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖 22 所示。一種是能量流，另一種是信息流。 此外，風(fēng)電機(jī)組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對(duì)風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。 （ 3）發(fā)電單元 共 32 頁(yè) 14 發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動(dòng)鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。 （ 2）機(jī)械能傳遞單元 機(jī)械能傳遞單元也可簡(jiǎn)稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈，連接風(fēng)電機(jī)組的一次能源轉(zhuǎn)換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動(dòng)力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)構(gòu)組成。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動(dòng)與制動(dòng)；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)組在任何狀態(tài)下的安全性。 共 32 頁(yè) 13 控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉(zhuǎn)換單元 機(jī)械能傳遞單元 發(fā)電單元 2. 發(fā)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成及工作原理 2． 1 風(fēng)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成 風(fēng)電機(jī)組是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。針對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電面臨的問題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對(duì)研發(fā)的投入，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)電的重視，可再生能源法及實(shí)施辦法出臺(tái)，相信我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展將會(huì)快步前進(jìn)。目前，我國(guó)已有多家企業(yè)的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品通過了低電壓穿越性能試驗(yàn)。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增大，很多國(guó)家的電力系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越（ LVRT）能力做出了規(guī)定。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自 身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，今年來中國(guó)的風(fēng)電機(jī)組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺(tái)風(fēng)、防鹽霧等方面著手進(jìn)行了研究，以確保風(fēng)電機(jī)組在惡劣氣候條件下能可靠運(yùn)行，提高發(fā)電量。 共 32 頁(yè) 12 1． 4． 11 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)組可靠性得到重視 由于中國(guó)的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點(diǎn)，惡劣氣候 環(huán)境已對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成很大的影響，包括增加維護(hù)工作量，減少發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組損壞。在風(fēng)電機(jī)組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也開發(fā)出了成熟軟件。 1． 4． 10 風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的技術(shù)水平日益提高 隨著投資者 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期的評(píng)估工作和建成后運(yùn)行質(zhì)量的越來越高的要求，國(guó)外已經(jīng)針對(duì)風(fēng)資源的測(cè)試與評(píng)估開發(fā)出了許多先進(jìn)測(cè)試設(shè)備和評(píng)估軟件。 熱塑材料的應(yīng)用： LM Glasfibre 公司正開展一項(xiàng)耗資 8 百萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目，目的是用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲去制造葉片。 智力材料例如壓電材料將被使用以使葉片的氣動(dòng)外形能夠快速變化。 為了方便兆瓦級(jí)葉片的道路運(yùn)輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。對(duì)于陸上風(fēng)電機(jī)組來說，不久這種檢測(cè)設(shè)備就會(huì)成為必備品。好的疲勞特性和好的減振結(jié)構(gòu)有助于保證葉片長(zhǎng)期的工作壽命。 共 32 頁(yè) 11 1． 4． 9 葉片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 隨著風(fēng)電機(jī)組尺寸的增大，葉片的長(zhǎng)度也變得更長(zhǎng)，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設(shè)計(jì)的主要思路是增加葉片的剛度。 北京科諾偉業(yè)能源科技有限公司、合肥陽(yáng)光電源有限公司、北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司、天津瑞能電氣、龍?jiān)措姎狻⒕胖蓦姎夂秃掏姎獾?10 多家企業(yè)已具備兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組變流器研發(fā)、生產(chǎn)和供貨能力。從 2021 年上海第四屆風(fēng)能展的情況看，我國(guó)風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。從 2021 年胡蘇姆風(fēng)能展的情況看，歐洲風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在軸承支撐方式上，單個(gè)迥轉(zhuǎn)支承軸承代替主軸和兩軸承成為某些 2 兆瓦以上機(jī)組的選擇，如：富蘭德的 兆瓦風(fēng)機(jī)，這說明無主軸系統(tǒng)正在成為歐洲風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的一個(gè)新動(dòng)向。由于全功率變流技術(shù)對(duì)低電壓穿越技術(shù)有很好且簡(jiǎn)單的解決方案，對(duì) 共 32 頁(yè) 10 下一步發(fā)展占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到。 2021年新增大型風(fēng)電機(jī)組中，直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組已超過 17%。同時(shí)，我國(guó)湘電公司的 2MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組也已批量進(jìn)入市場(chǎng)。 5MW 直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，已有上千臺(tái)安裝在風(fēng)電場(chǎng)。其他主要制造企業(yè)也在積極開發(fā)研制直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。采用無齒輪箱系統(tǒng)的德國(guó) Enercon 公司在 2021 年仍然是德國(guó)、葡萄牙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的第一大供應(yīng)商和印度風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的第二大供應(yīng)商，在新增風(fēng)電裝機(jī)容量中， Enercon 公司已占本國(guó)市場(chǎng)份額的 55％以上。目前，我國(guó)華銳風(fēng)電研發(fā)的 3MW 的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。 我國(guó)內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、東方氣輪機(jī)、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、廣東明陽(yáng)等企業(yè)也在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組。西門子公 司、德國(guó) Nordex 公司、西班牙 Gamesa 公司、美國(guó) GE 風(fēng)能公司和印度 Suzlon 公司都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組， 2021 年新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組仍然占 80％以上。 共 32 頁(yè) 9 1． 4． 5 雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位 以丹麥 Vestas 公司的 V80、 V90 為代表的雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組，在國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)中所占的份額最大。我國(guó) 2021 年安裝的 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，也全部是變槳距機(jī)組。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)電機(jī)組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組，使得在風(fēng)能 轉(zhuǎn)換上有了進(jìn)一步完善和提高。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國(guó)電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制 5MW 或6MW 的大容量風(fēng)電機(jī)組。目前，已經(jīng)開始 810MW 風(fēng) 電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造。我國(guó)主流機(jī)型已經(jīng)從 2021 年的 6001000kW 增加到 2021 年的 8502021kW， 2021 年我國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為 2MW。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過長(zhǎng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動(dòng)、停機(jī)和變槳困難等問題，目前市場(chǎng)份額很小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來，國(guó)際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定進(jìn)展。此外，各大公司在主要市場(chǎng)集中 地都建立了生產(chǎn)基地，一個(gè)大公司相當(dāng)于多個(gè)公司的集成。法國(guó)阿?，m集團(tuán)收購(gòu) Multibrid；丹麥的 Vestas 公司兼并 NEG?？梢钥闯觯菏澜顼L(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)與國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小?！笆濉逼陂g，還開展了 1000 kW、 1500 kW 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及 1200 kW 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國(guó)船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽(yáng)、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國(guó)內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場(chǎng)。 2021 年之前，我國(guó)只有少數(shù)幾 家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)主要依賴進(jìn)口風(fēng)電整機(jī)。 2021 年新增裝機(jī)容量 ，累計(jì)裝機(jī)容量為 26GW，總裝機(jī)容量躍居世界第 2 位。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從 2021 年年末的 567MW 增加到了 2021 年年末的 ，增加了 205 倍。 2021年又新增 裝機(jī)容量 ，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 ，超過丹麥，成為世界第 5 風(fēng)電大國(guó)。 2021 年 2 月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過 60%，總?cè)萘窟_(dá)到了 1260GW。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國(guó)也開始加速發(fā)展風(fēng)電。 2021 年，美國(guó)可再生能源理事會(huì)提出了將可再生能源的比例由目前的 4%左右，提高到 2025 年的 25%的發(fā)展目標(biāo)。 h；2030 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 300GW，發(fā)電量達(dá)到 6000 108kW 發(fā)展規(guī)劃 20 世紀(jì) 90 年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到 2021 年風(fēng)電裝機(jī)容量到 40GW的目標(biāo)，并要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計(jì)劃。 2021 年內(nèi)美國(guó)竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國(guó)所有新增電力裝機(jī)的 42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到，同比增長(zhǎng) 157%，累計(jì)增長(zhǎng) %，完成新增投資 170 億美元。歐洲 2021 年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為 88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了66GW。到 2021 年年底，在世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量中，已有包括美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度等在內(nèi)的 16 個(gè)國(guó)家超過 1GW。 2021 年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了 ，美國(guó)超過德國(guó)，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時(shí)也成為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過 20GW 的風(fēng)電大國(guó)。按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名， 2021 年全球前十名的國(guó)家依次是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)和葡萄牙。到 2021 年年底，全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近 94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量 20GW，分別在全球 70 多個(gè) 國(guó)家和地區(qū)。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價(jià)格完全可以和煤電競(jìng)爭(zhēng)，低于燃?xì)怆妰r(jià)。 共 32 頁(yè) 5 1． 3 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 1． 3． 1 世界風(fēng)電 風(fēng)電成本 不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本 仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國(guó)家采取了諸如價(jià)格、市場(chǎng)配額、稅收等各種激勵(lì)政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。 1986年 5 月，山東榮成建成了我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電從 20 世紀(jì) 80 年代開始真正起步。瑞典、荷蘭、英國(guó)、丹麥、德國(guó)、日本、西班牙等國(guó)，也根據(jù)各自國(guó)家的情況制訂了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃。 1973 年，世界石油危機(jī)爆發(fā)以后，風(fēng)能作為新能源得到重視，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速開始加快，各國(guó)都在積極研制、開發(fā) 1100kW 以上的大型風(fēng)電機(jī)組。這種小型風(fēng)電機(jī)組被廣泛運(yùn)用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村，所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低很多。1891 年，丹麥建成了世界第一座風(fēng)力發(fā)電站。 16 世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車排水。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家。 人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。根據(jù)我國(guó) 900 多個(gè)氣象站陸地上離地 10m 高度資料進(jìn)行估算，全