风力发电的现状及开展趋势

知识来源:专业液压扳手生产厂-江苏海力机械制造有限公司
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发布时间:2013-01-13

1。导言(Introduction) 　　国际上越来越多的国家认识到；一个能够继续开展的社会应该是一个既能满意社会的需求；而又不危及子孙后代出路的社会.因而节约动力(Save Energy)；前进动力运用功率(Energy Using Efficiency)；尽能够多地运用洁净动力(Green Energy)替代高含碳量的矿藏燃料；应是各国动力建造遵从的准则.这些年；大家现已逐步认识到风力发电(Wind Power Generation)在减轻环境污染、调整电网中的动力布局、处理偏远区域居民用电难题等方面的杰出效果；无论从调整电网布局；仍是从商业化方面都推进大家开端注重开展风力发电. 　　国际上运用风力发电是上个世纪开展壮大起来的.从八十年代中期到九十年代中期；国际风力发电技能获得了日新月异的开展；九十年代以来；国际风力发电容量以均匀每年30%的速度添加；已成为国际动力中添加最快的一种；而且风力机的描绘、制作技能趋向老练；产物进入商品化期间；功率等级从几十kW跃升至600kW；并有兆瓦级风力发电机面世；发电本钱竞赛力越来越强；一起；风电场建造和办理的水平以及方案也上升到簇新的期间.近十几年来风力发电机产物质量有了显着前进；作为一种新的、安全牢靠的、洁净的动力而遭到国际优势资源丰富国家的注重与大方案开发.图1示出了上世纪九十年代前期到本世纪初的国际风力发电的添加趋势. 图1 风力发电装机容量的快速添加 Fig。1 Fast increase of wind power generation 1。国际风力发电的开展状况(Global status of wind power generation) 　　跟着风力发电在技能上日益老练；已开端具有同燃油、燃煤、核能等发电技能相竞赛的技能经济性.风力机的单机容量也越来越大；国际上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7。3MW；风车直径到达112米.当前国际商品化的大型风力机功率也现已到达两兆瓦以上；我国当前作业的最大风力发电机为4台Nordex公司出产的1。3MW风力发电机；坐落辽宁营口仙人岛风力发电厂. 　　跟着制作和作业本钱不断下降；大型风力发电机组单位电价现已挨近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年杰出作业的记载；作业的牢靠性到达98%以上.对风力机设备的配套技能也日益完善；风力发电机组悉数完结会集和长途操控；商业性风力发电场已形成了适当的方案和经济效益.风力发电场逐步从陆地转移到海上；其开展空间和远景愈加宽广. 　　近五年；欧洲商场的年均匀添加率为35%.2013年全年；欧洲新增装机容量到达587lMW；表1示出了2013年欧盟首要国家风力机装机状况.德国、西班牙和丹麦占其间的90%；当前德国风电总装机容量现已到达12001MW；占其国家电力总需求的4。7％；丹麦风电总装机容量到达2880MW；占国内电力需求的20%.当今国际风电开展较快的国家还有美国、荷兰等；这些国家也一起开发了大型的商业化风力发电机组.丹麦是国际上大型风力发电机产值最多的国家；出口量也居国际首位. 　　首届国际风能大会2013年4月2日至5日在法国巴黎举办；这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会一起主办的.欧洲风能协会剖析指出；与其他区域比拟；欧洲的风能发电开展最快；欧洲风能发电的总功率到达1。9万MW；占全国际风能发电才能的70%以上.国际优势能运用最棒、开展最快、技能比拟先进的国家别离是德国、美国、丹麦、荷兰. 表1 2013年欧盟首要国家风力机装机计算(单位:MW) Tab。1 EU country’s capacity of wind turbine in 2002 1。我国风力发电的开展状况(Domestic status of wind power generation) 　　我国地域宽广；地处北纬阳光充分的亚热带区域.据教授猜测；我国风能储量大；散布广；全国大约有2/3的区域为多风地带.全年均匀风速3m/s及以上的时刻达3000～5000h。均匀风能密度为100W/m2；可开发的风能资源约2。53亿kW.因而我国具有大方案开展风电的资源条件.我国风能资源的散布如表2. 表2 中国有些省风能储量(单位：GW) Tab。2 Wind power reserve of Chinese province 　　我国风力发电从20世纪80年代末开端起步；到2013年末；全国累计风电装机总容量到达近47万kW左右；风电场开展到32个；如表3所示.其间新疆达坂城风电场累计设备风力发电机组179台；装机容量到达7。7万kW；广东南澳风电场设备风力发电机组130台；装机容量到达5。7万kW；内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超越4万kW；福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在方案建造500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电.饩鑫薜绲厍┠撩裆钣玫绶⒒恿酥匾饔.2013年进入施工期间和可行性研讨期间的别离到达91。6MW和223MW；我国风力发电作业将有一个更大的开展.辽宁、新疆、广东现已成为我国风力发电最多的三个省区；其他各个省区也依据当地的风资源状况大力开展风力发电作业. 表3 2013年我国风电厂装机容量排序 Tab。3 Order of Chinese wind power factory capacity in 2002 　　我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超越90%，600kW机组样机的国产化率到达80%左右.我国具有了自行研发开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的才能；还开发了一批风/光、风/柴联合发电体系. 1。国外的风力发电技能的开展概略(Global status of wind power generation technology) 　　风力发电体系的通常组成布局如图2；首要经过桨叶将风能转化为风机转变的机械能；因为风机的转速大多比拟低；需求用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额外转速邻近；再经过发电机将机械能转化为电能；电力电子变流器将发电机输出的电能改换为适宜幅值或频率的电压、电流；经过并网变压器升压后接入大电网.关于当前呈现的一些低转速发电机；图中的齿轮箱能够省去.体系转速、功率等作业状况的操控能够经过改动风机桨叶的节距角完结；也可经过电力电子变流器来调理发电机的电磁力矩完结.关于小型风力发电机组来说；经过电力电子变流器来调理发电机电磁力矩的办法更便利；能够省掉变桨距组织；减小体系描绘制作的难度. 图2 风力发电体系组成布局框图 Fig。2 Diagram of wind power generation system 　　现代风力机的开展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机；它的首要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、劣势式风力机.自从那时开端；许多新的想象被提出并运用于实践中；特别1973年的石油危愈加快了这一进程的开展.七十年代末；名为“Riisager”的22kW风力机；拓荒了一个新的范畴；它是用并不贵重的汽车标准零件制成的；在许多的私家庄园和农舍得到成功的运用. 　　比来二十年的时刻里；风力机的输出功率从20kW开展到2MW.风力发电技能方面也获得了很大开展：一是在风力机自身的操控技能.在曩昔的十四年里运用了浆距操控技能；比来失速调理技能又得到实践运用，二是在电气技能上.自从1993年开端；有些出产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机.三在风力发电体系中电力电子技能的前进也引出了新的操控思维──变速恒频操控. 风力发电体系的两个首要部件是风力机和发电机；而风力机的变桨距功率调理技能和发电机的变速恒频发电技能是风力发电技能开展的必定趋势；别的用于变流器体系的电力电子技能直接决议了发作的电能质量；这三项技能一起也是风力发电中的要害中心技能.下面侧重剖析一下这三方面技能的研讨概略. 一、风力机的变桨距功率调理技能 a) 风力机的特性曲线 　　风力机经过叶轮捕获风能；将风能改换为效果在轮毂上的机械转矩.由空气动力学特性可知；经过叶轮旋转面的风能不能悉数被叶轮吸收运用；能够定义出一个风能运用系数Cp： 式中： ——t时刻内叶轮吸收的风能， ——t时刻内经过叶轮旋转面的悉数风能， ——单位时刻内叶轮吸收且改换的机械能；即风力机的机械输出功率， ——单位时刻内经过叶轮扫掠面的风能；即风力机的输入功率. 对一台实践的风力机；其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为： 式中： ——空气密度(kg/m3)， A——叶轮的扫掠面积(m2)， D——叶轮的直径(m). 系数 ；反映了风力机吸收运用风能的功率；是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有联系的量.风力机的特性通常用风能运用系数 （叶尖速比 ）曲线来表明；如图3所示. 图3 风力机的特性曲线 Fig。3 Curve of wind turbine characteristic 不相同浆距角 时；风能运用系数 对应的叶尖速比 不相同.叶尖速比： 式中： ——为叶轮半径(m)， ——风力机的机械转速(rad/s)， ——效果于风力机的迎面风速(m/s). 关于同一 ；风力机能够有两个作业点；它们别离对应于风力机的高风速作业区和低风速作业区.当风速改动时风力机的作业点即将发作改动. 　　风力机的全体描绘和相应的作业操控战略应尽能够寻求 最大；然后添加其输出功率.但是实践运用中输出功率的前进却遭到两方面的约束：一方面是电气回路中元器材的功率约束，另一方面是机械传动体系布局部件存在转速上限.因而风机存在三个典型作业状况：保证安稳 ；操控风力机转速（坚持 不变）直到转速到达极限，风力机以安稳速度作业；经过调理风力机可使 具有较大数值；直到最大输出功率，当风速过大；输出功率到达极限时风力机按安稳功率操控；使输出功率约束在额外值邻近. b)风力机的功率调理 　　功率调理是风力机的要害技能之一； 当前投入作业的机组首要有两类功率调理办法：一类是定浆距失速操控，另一类是变浆距操控. (1)定浆距失速操控 　　风力机的功率调理彻底依托叶片的气动特性；称为定浆距风力发电机组.这种机组的输出功率随风速的改动而改动；从 的联系看；难以保证在额外风速之前 最大；特别是在低风速段.这种机组通常描绘有两个不相同功率、不相同极对数的异步发电机.大功率高转速的发电机作业于高风速区；小功率低转速的发电机作业于低风速区； 由此来调整 ；寻求最佳 .当风速超越额外风速时；经过叶片的失速或偏航操控下降 ；然后坚持功率安稳.实践上难以做到功率安稳；通常有些下降. (2)变浆距操控 　　为了尽能够前进风力机风能改换功率和保证风力机输出功率平稳；风力机将进行浆距调整.在定浆距基础上加装浆距调理环节；称为变浆距风力机组.变浆距风力发电机组的功率调理不彻底依托叶片的气动特性；它要依托与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改动来进行调理.在额外风速以下时攻角处于零度邻近；此刻；叶片视点受操控环节精度的影响；改动方案很.煽醋鞯韧诙喾缁.在额外风速以上时；变浆距组织发挥效果；调整叶片攻角；保证发电机的输出功率在答应方案以内.变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低；停时传动机械的冲击应力相对平缓.风机正常作业时；首要选用功率操控.关于功率调理速度的反响取决于风机浆距调理体系的灵敏度.在实践运用中；因为功率与风速的三次方成正比；风速的较小改动将形成风能较大的改动.风机输出功率处于不断改动中；浆距调理组织频频举措.风机浆距调理组织对风速的反响有必定的时延；在阵风呈现时；浆距调理组织来不及举措而形成风机瞬时过载；不利于风机的作业. 　　比拟来看；定浆距失速操控风力机整机组织简略；部件少；造价低；并具有较高的安全系数；利于商场竞赛.但失速型叶片自身布局杂乱；成型工艺难度也较大. 　　跟着功率增大；叶片加长；所接受的气动推力增大；叶片的失速动态特性不易操控；使制作更大机组遭到约束.变浆距型风力机能使叶片的设备角随风速而改动；然后便风力机在各种工况下（起动、正常作业、停）按最佳参数作业.它能够使发电机在额外风速以下的作业区段有较高的发电量；而在额外风速以上高风速区段不超载；不需求过载才能大的发电机等等.当然它的缺陷是需求有一套比拟杂乱的变距调理布局.如今这两种功率调理方案在技能上都比曩昔的有很大改进；都为大、中型风力发电机组广泛选用. 二、发电机的变速恒频发电技能 　　异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电体系和变速恒频发电体系. a）恒速恒频发电体系 　　恒速作业的风力机转速不变；而风速常常改动；因而叶尖速比 不能够常常坚持在最佳值； 值往往与最大值相差很大；使风力机常常作业于低效状况. 图4 异步电机输出功率曲线 Fig。4 Curve of IM output power 　　恒速恒频发电体系中；多选用笼型异步电机作为并网作业的发电机；并网后在电机机械特性曲线的安稳区内作业；如图4所示；异步发电机的转子速度高于同步转速.当风力机传给发电机的机械功率随风速而添加时；发电机的输出功率及其反转矩也相应增大.作业点发作改动.当转子速度高于同步转速3%～5%时到达最大值；若超越这个转速；异步发电机进入不安稳区；发作的反转矩减.贾伦傺杆偕撸灰鸱沙担徽馐鞘治Ｏ盏. b）变速恒频发电体系 　　当前风力发电体系选用最多的异步发电机都归于恒速恒频发电体系；但变速恒频发电体系能够使风力机在很大风速方案内按最佳功率作业的重要长处；越来越导致大家的注重.从风力机的作业原理可知；这就需求风力机的转速正比于风速并坚持一个安稳的最佳叶尖速比 ；然后使风力机的风能运用系数 坚持最大值不变；风力发电机组输出最大的功率；最大极限的运用风能；前进了风力机的作业功率.自上世纪90年代开端；国外新建的大型风力发电体系大多选用变速恒频办法；特别是兆瓦级以上大容量风电体系；因为此刻最大极限捕获风能、前进发电功率的含义非常重要. 　　可用于风力发电的变速恒频发电体系多种；如交─直─交体系、磁场调制发电机体系、沟通励磁双馈发电机体系、无刷双馈发电机体系、爪极式发电机体系、开关磁阻发电机体系等；这些变速恒频发电体系有的是发电机与电力电子设备相结合完结变速恒频的；有的是经过改造发电机自身布局而完结变速恒频的.这些体系都有个人的特色；能够适用于各种不相同场合. 为充分运用风能；应深化研讨各种变速恒频技能.下面将对各种电机体系加以简略剖析. （1）交─直─交风力发电体系 　　这种体系中的变速恒频操控是在电机的定子电路中完结的.因为风速的不断改动；风力机和发电机也随之变速旋转；发作频率改动的电功率.发电机宣布频率改动的沟通电首要经过三相桥式整流器整流成直流电；再经过逆变器直流电改换为安稳电网频率的沟通电.因而；变频器的容量和发电机体系的容量相同. 　　这种体系在并网时没有电流冲击；对体系几乎没有影响.在此体系中能够选用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等.而在这几种发电机中；鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用；因为其转子布局都很简略简略制作和保护；而且没有滑环和电刷；励磁办法也比拟简略；特别是永磁同步电机不需求外部励磁. （2）磁场调制发电机体系 　　这种变速恒频发电体系由一台专门描绘的高频沟通发电机和一套电力电子改换电路组成.发电机自身具有较高的旋转频率 ；与通常同步电机不相同的是；它不必直流电励磁；而是用频率为 的低频沟通电励磁（ 即为所需求的输出频率；通常为50Hz）；当频率 远低于频率 时；发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个重量组成的调幅波；这个调幅波的包络线的频率是 ；包络线所包含的高频波的频率是 .将三个相绕组接到一组并联桥式整流器；得到根本频率为 的全波整流正弦脉动波.再经过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向.最终经滤波器滤去高次谐波；即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波.输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位；正是这一特色使得磁场调制发电机非常适宜于并网风力发电体系.与前而的交─直─交体系比拟；磁场调制发电机体系的特色是： ① 因为经桥式整流器后得到的是正弦脉动波；输入晶闸管开关电路后根本上是在波形过零点时开关换向.因而换向简略简略；换向损耗.低承式细. ② 晶闸管开关电路输出波形中谐波重量很.倚巢ㄆ德屎芨撸缓芤茁巳ィ灰虼丝梢缘玫较嗟焙玫恼沂涑霾ㄐ. ③ 磁场调制发电机体系的输出频率在原理上与励磁电流频率相同；因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联作业非常简略牢靠.这种发电机体系的首要缺陷与交─直─交体系相似；即电力电子改换设备处在主电路中；因而容量较大.比拟适宜用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电体系. ④ 发电机要经特别描绘；不能运用通常办法的发电机. （3）沟通励磁双馈发电机体系 　　体系如图5（d）所示；选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机；其布局与绕线式异步电机相似.当风速改动导致发电机转速 改动时；操控转子电流的频率；可使定子频率安稳. 　　当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时；处于亚同步状况；此刻变频器向发电机转子供应沟通励磁；发电机由定子宣布电能给电网，当 时；处于超同步状况；此刻发电机一起由定子和转子宣布电能给电网；变频器的能量逆向流向，当 时；处于同步状况；此刻发电机作为同步电机作业；变频器向转子供应直流励磁. 　　因而；当发电机的转速 改动时；若操控变频器励磁相应改动；即能够使定子电流频率坚持安稳不变；即与电网频率坚持一致；也就完结了变速恒频操控. 　　因为这种变速恒频操控方案是在转子电路完结的；流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速作业方案所决议的转差功率；该转差功率仅为定子额外功率的一有些；因而变频器的容量仅为发电机容量的一小有些；这样变频器的本钱将会大大下降. 　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；减小变频器的容量外；在磁场定向矢量操控下还可完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果.但交─交变频器输出特性差；6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波；严重影响发电质量；有必要进行谐波按捺.只要12脉波、72管交─交变频器布局契合励磁电源需求；但布局、操控杂乱；不适宜风力发电体系.当前国际上开发运用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源；具有功率双向活动才能；布局、操控便利；是一种有用的励磁变频器.此外绕线式沟通励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊.匀徊皇恢帜苁迪止ひ涤τ玫幕. （4）无刷双馈发电机体系 　　体系选用的发电机为无刷双馈发电机.其定子有两套极数不相同的绕组；一个称为功率绕组；直接接电网，另一个称为操控绕组；经过双向变频器接电网.其转子为鼠笼型布局；取消了电刷和滑环；转子的极数应为定子两个绕组极对数之和.这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和操控绕组的效果别离适当于有刷沟通励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组；因而；尽管这两种发电机的作业机制有着实质的差异；但却能够经过相同的操控战略完结变速恒频操控；不再赘述. 　　尽管这种变速恒频操控方案是在定子电路完结的；但流过定子操控绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小有些；双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小有些. 　　相同；这种选用无刷双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；下降变频器的容量外；还可在矢量操控战略下完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果；一起发电机自身没有滑环和电刷；既下降了电机的本钱；又前进了体系作业的牢靠性.该种变速恒频风电体系如今已被工业界遍及选用. （5）爪极式发电机体系 　　无刷爪极自励发电机与通常同步电机的差异仅在于它的励磁体系有些.其定子铁心及电枢绕组与通常同步电机根本相同.因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路布局；一切各对极的磁势均来自一套一起的励磁绕组；因而与通常同步发电机比拟；励磁绕组所用的资料较.璧睦殴β室步闲.关于一台8极电机；在每极磁通及磁路磁密相同的条件下；爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所耗费的励磁功率将不到通常同步电机的一半；故具有较高的功率.别的无刷爪极电机与永磁电机相同均系无刷布局；根本上不需求保护.与永磁发电机比拟；无刷爪极发电机除了机械冲突力矩外根本上没有什么起动阻力矩.另一个长处是具有很好的调理功能；经过调理励磁能够很便利地操控它的输出特性；并有能够使风力机完结最佳叶尖速比作业；得到最棒的作业功率.这种发电机非常适宜用于千瓦级的风力发电设备中.但该项技能的最大功率盯梢（MPPT）尚处在研讨期间. （6）开关磁阻发电机体系 　　开关磁阻式风力发电体系是以开关磁阻发电机为机电能量改换中心.开关磁阻发电机为双凸极电机；定子、转子均为凸极齿槽布局；定子上设有会集绕组；转子上既无绕组也无永磁体.由此带来改换器及操控、驱动的简洁性.风力机的功率特性有其自身的特色；为了使风能捕获的效果最佳；就有必要使开关磁阻发电机与风力机能够杰出的合作；经过对发电体系的操控；使风力机作业在最佳功率负载线上；开关磁阻发电机自身也具有可控参数多、非线性、短少清晰的数学模型的特色.与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机比拟；开关磁阻发电机具有显着的容错才能强、组合起动与发电简略、适宜高温（>250°C）和高速（>30000r/min）环境作业以及大容量、高功率、高功率密度作业等长处.该发电机气隙磁场和相磁链随转子方位和绕组相电流而继续、周期性改动；没有传统电机的安稳磁路作业点；而是一个动态三维磁空间.开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组；而是与会集嵌放的定子电枢合二为一；并经过操控器分时操控完结励磁与发电；因而简化了布局；前进了牢靠性.一起；该发电机相绕组间无电耦合；其容错才能大大增强.别的；开关磁阻发电机机械布局简略、巩固牢靠. 　　总归；经过以上的比照剖析；可知： ① 若是将风力机和发电机直接耦合；省去变速箱；这样能够大大下降本钱；削减保护；而且能够下降体系噪音；防止齿轮箱漏油的难题. ② 风力发电机坐落室外高空狭小而关闭的机舱内；通风条件较差；而电机大多是密闭布局；靠外壳故热；因而需求发电机耐高温功能好；开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势. ③ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系的变频器容量仅为体系总容量的一有些；所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电体系；其他方案适用于小容量的风力发电体系. ④ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系可在亚同步和超同步状况下作业；因而具有更宽的风速作业方案. ⑤ 无刷双馈电机省去了滑环和电刷；布局简略；巩固牢靠.在转子转速改动的条件下；经过操控励磁绕组的励磁电流频率来保证发电机输出电流的频率坚持在50Hz不变；非常适用于风力发电体系；是当今国际风力发电的开展趋势. 这几种变速恒频体系的功能比照剖析见表4所示. 表4 几种变速恒频方案的比照剖析 Tab。4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器体系 　　由发电机和电力电子器材构成的广泛运用的6种风力发电体系布局如图5所示.下面临图5中的风力发电体系布局加以简略阐明. 图a是二十世纪八十年代到九十年代被许多风机制作商运用的比拟传统的布局；如运用鼠笼型转子的异步发电机的优势式、失速调理、三桨叶风力机就是这种布局.在八十年代这种布局被扩大；为抵偿无功功率运用了电容器组；为滑润并网运用了电机软起动器. 　　图b是用全程方案或“低风速区域”巨细的变频器替代了图a中的电容器组和电机软起动器.“低风速区域”巨细的变频器的功率仅为发电机额外功率的20-30％；而全程方案的变频器功率大约为发电机额外功率的120％；但它能使风力发电机在一切风速下变速作业. 　　图c这种布局是二十世纪九十年代中期；Vestas风力机厂出产的名为“Optislip”风力机所选用的布局.这种布局的根本思维是运用电力电子改换器改动外部的转子电阻；来改动总的转子电阻；然后使转差率有10％的改动方案.操控了转差率也就操控了体系的输出功率. 　　图d这种布局运用双馈异步发电机；用变频器直接操控转子绕组里的电流.用功率为发电机额外功率的20-30％电力电子改换器；即可操控整个的发电机输出功率.有两个缘由推进这种布局得到广泛运用：1）较图c的布局有更宽的调速方案， 2）较全功率改换器更经济. 　　图e这种个功率操控布局的典型运用是在帆海船舶上作为电源.无齿轮箱；经过两个或三个叶片的优势式风力机与永磁发电机相连；宣布的电能经整流器给蓄电池充电.这种布局的风力机也能够运用于家庭风电体系或混合风电体系；这时风力机通常大于1kW小于20kW.ABB公司在2013年运用这种布局提出一个新的想象：用多极3。 5MW永磁发电机宣布电能后经二极管整流器发作21kV直流电；然后经高压直流输电并入电网.因而能够这种布局将是国际风力发电的开展的另一个趋势. 鼠笼型转子异步电机： （a） （b） 绕线型转子异步电机： （对应内反响调速） （对应串级调速） 绕线型转子同步电机： 图5 广泛运用的风力发电体系布局图 Fig。5 Applied widely diagram of wind power generation system 　　图f这种布局运用多极的绕线式同步发电机.因为它运用的是多极发电机；所以它不需求齿轮箱.它是经过整流器从电机外部来励磁的.与前几种布局比拟.这种布局吸引力不大是因为三种缘由：1）需求励磁电路，2）需求滑环，3）风力机愈加杂乱的保战略. 　　当前；电力电子变流设备许多；表5列出运用于风力发电的六种典型电气拓扑的开展现状. 表5 几种典型变流器拓扑布局的技能现状 Tab。5 Technology status of several typical converter 1。中国风力发电技能的研讨开展现状(Domestic status of wind power generation technology) 　　风能作为一种绿色动力；日益遭到教授学者的注重.一起；风力发电技能也逐步成为科研人员研讨的热门.风力发电的进程就是风能经由机械能改换为电能的进程；其间风力发电机及其操控体系担任将机械能改换为电能；这一有些是整个体系的中心；直接影响着整个体系的功能、功率和电能质量；也影响到风能吸收设备的作业办法、功率和布局.因而；研发适用于风电改换的高牢靠性、高功率、操控及供电功能杰出的发电机体系；是风力发电技能的研讨要点.当前国内对风力发电技能研讨较深化的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研讨所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等. 　　当前；在政府方针及资金撑持和出产厂家的不断尽力下；当前；国产大中型风力机组的研发获得了长足的开展；200kW、600kW风力机国产化作业获得很好效果；金风公司出产的风力发电机组的国产化率现已到达96%；商品化才能也得到了很大的前进；尽管在一些要害部件和技能上仍然依托进口；但因为价钱低、售后修理便利等优势；现已开端在国内商场具有和国外大型风力发电设备出产厂商竞赛的才能.尽管国产大型风力发电设备出产刚刚开展和起步；还无法占有国内商场的较大分额；但当前在我国新装机容量中现已占有较大比重；在2013年新增的风力机装机容量中；国产份额现已到达42。6%；如表6所示；仅金风和西安维德两公司占有的商场份额就到达了36。7％.我国风力机制作业刚刚起步；从占有国内商场到走向国际商场还需求更多的尽力；把握更多的中心和要害技能.表7列出了我国　　　风力机总装机各制作厂商的商场份额排序.因而我国的风力发电技能还有很长一段路要走. 表6 2013年我国风力机新增装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory in new increase in 2002 表7当前我国风力机总装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory at present 1。国家方针(National policy) 　　尽管我国近几年风电开展很快；装机量以每年20%～30％以上的速度递加；但风电仍仅占全国电力总装机的0。11%；因而我国的风力发电当前仍处于起步期间.公司出产方案.ひ占际趼浜螅灰恍┰牧虾筒饭潭鹊停患哟罅瞬返纳杀.为非常好地施行国家可继续开展和西部大开发战略；国家发改委、科技部、国家经贸委拟定了新动力和可再生动力工业开展的“十一五”方案；其间包含国家的“乘风方案”、光亮工程和“863”方案后续动力技能主题等国家严重科技开展方案.指导思维是以商场为导向；挑选老练的、具有商场远景的技能产物作为工业开展的要点；提出合理的开展方针；拟定契合商场开展的工业方针.采纳标准商场的办法；进一步推进新动力和可再生动力技能的开发和运用.要点是开发600kW及以优势力发电机组；完结方案出产，研讨开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新式风力发电机组前进10kW以下离网型风力发电机的出产技能水平；推行风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电体系.首要方针是：到2013年；新动力和可再生动力年开发量到达4300万吨标准煤；占我国其时动力耗费总量的2%，该工业将成为国民经济的一个新式职业；拉动机械、电子、化工、资料等关联职业的开展；对减轻大气污染、改进大气环境质量效果显着；将削减3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供应近50万个作业岗位.可见；有了国家的注重和方针的撑持；作为首要可再生动力的风力发电职业；也必将有宽广的开展远景. 2。结束语(Conclusion) 　　我国从1986年树立第一个风电场起到1994年电力部出飓风电并网和还本付息电价的规则；风电场是运用本国政府拨款或外国政府赠款建造的；首要对风电并网技能的可行性进行演示.在1995年由电力部主办的北京国际风能会议上；正式提出2013年末我国风电装机方案为1000MW的方针.当前各省电力公司现已成为出资风电项目、树立风电公司的主体.融资办法有来自国家经贸委“双加工程”的贴息借款；有来自许多国家的优惠软借款以及一些商业银行借款. 　　作为一种有出路的新动力；风力发电职业必定股动风力机工业的迅速开展；据开端估量在本世纪的前五十年中；我国的风力机工业及其关联工业将有7000亿元的商场潜力；均匀每年到达140亿元；可望成为我国21世纪经济与社会效益都非常显着的新式工业.当前国际风力发电设备制作厂商纷繁进驻中国；运用中国大力开展风力发电的要害；占有中国风力发电市.绕涫谴蠊β史缌Ψ⒌缁谐. 　　当前国外的风力机厂商供应我国的风力机归纳造价现已从每千瓦10000元以上下降到每千瓦9500元（600kw风电机组）左右；国产机组（600kw风电机组）归纳造价为每千瓦7650元以下；并有进一步下降的空间.因而在寻求国家方针撑持的前提下；完结和进一步前进大型风力发电体系国产化；将大大下降我国风力发电的本钱；推进我国风力发电作业的开展；一起也为社会供应了一个新的经济添加点；并供应许多作业机会.

1。导言(Introduction) 　　国际上越来越多的国家认识到；一个能够继续开展的社会应该是一个既能满意社会的需求；而又不危及子孙后代出路的社会.因而节约动力(Save Energy)；前进动力运用功率(Energy Using Efficiency)；尽能够多地运用洁净动力(Green Energy)替代高含碳量的矿藏燃料；应是各国动力建造遵从的准则.这些年；大家现已逐步认识到风力发电(Wind Power Generation)在减轻环境污染、调整电网中的动力布局、处理偏远区域居民用电难题等方面的杰出效果；无论从调整电网布局；仍是从商业化方面都推进大家开端注重开展风力发电. 　　国际上运用风力发电是上个世纪开展壮大起来的.从八十年代中期到九十年代中期；国际风力发电技能获得了日新月异的开展；九十年代以来；国际风力发电容量以均匀每年30%的速度添加；已成为国际动力中添加最快的一种；而且风力机的描绘、制作技能趋向老练；产物进入商品化期间；功率等级从几十kW跃升至600kW；并有兆瓦级风力发电机面世；发电本钱竞赛力越来越强；一起；风电场建造和办理的水平以及方案也上升到簇新的期间.近十几年来风力发电机产物质量有了显着前进；作为一种新的、安全牢靠的、洁净的动力而遭到国际优势资源丰富国家的注重与大方案开发.图1示出了上世纪九十年代前期到本世纪初的国际风力发电的添加趋势. 图1 风力发电装机容量的快速添加 Fig。1 Fast increase of wind power generation 1。国际风力发电的开展状况(Global status of wind power generation) 　　跟着风力发电在技能上日益老练；已开端具有同燃油、燃煤、核能等发电技能相竞赛的技能经济性.风力机的单机容量也越来越大；国际上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7。3MW；风车直径到达112米.当前国际商品化的大型风力机功率也现已到达两兆瓦以上；我国当前作业的最大风力发电机为4台Nordex公司出产的1。3MW风力发电机；坐落辽宁营口仙人岛风力发电厂. 　　跟着制作和作业本钱不断下降；大型风力发电机组单位电价现已挨近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年杰出作业的记载；作业的牢靠性到达98%以上.对风力机设备的配套技能也日益完善；风力发电机组悉数完结会集和长途操控；商业性风力发电场已形成了适当的方案和经济效益.风力发电场逐步从陆地转移到海上；其开展空间和远景愈加宽广. 　　近五年；欧洲商场的年均匀添加率为35%.2013年全年；欧洲新增装机容量到达587lMW；表1示出了2013年欧盟首要国家风力机装机状况.德国、西班牙和丹麦占其间的90%；当前德国风电总装机容量现已到达12001MW；占其国家电力总需求的4。7％；丹麦风电总装机容量到达2880MW；占国内电力需求的20%.当今国际风电开展较快的国家还有美国、荷兰等；这些国家也一起开发了大型的商业化风力发电机组.丹麦是国际上大型风力发电机产值最多的国家；出口量也居国际首位. 　　首届国际风能大会2013年4月2日至5日在法国巴黎举办；这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会一起主办的.欧洲风能协会剖析指出；与其他区域比拟；欧洲的风能发电开展最快；欧洲风能发电的总功率到达1。9万MW；占全国际风能发电才能的70%以上.国际优势能运用最棒、开展最快、技能比拟先进的国家别离是德国、美国、丹麦、荷兰. 表1 2013年欧盟首要国家风力机装机计算(单位:MW) Tab。1 EU country’s capacity of wind turbine in 2002 1。我国风力发电的开展状况(Domestic status of wind power generation) 　　我国地域宽广；地处北纬阳光充分的亚热带区域.据教授猜测；我国风能储量大；散布广；全国大约有2/3的区域为多风地带.全年均匀风速3m/s及以上的时刻达3000～5000h。均匀风能密度为100W/m2；可开发的风能资源约2。53亿kW.因而我国具有大方案开展风电的资源条件.我国风能资源的散布如表2. 表2 中国有些省风能储量(单位：GW) Tab。2 Wind power reserve of Chinese province 　　我国风力发电从20世纪80年代末开端起步；到2013年末；全国累计风电装机总容量到达近47万kW左右；风电场开展到32个；如表3所示.其间新疆达坂城风电场累计设备风力发电机组179台；装机容量到达7。7万kW；广东南澳风电场设备风力发电机组130台；装机容量到达5。7万kW；内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超越4万kW；福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在方案建造500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电.饩鑫薜绲厍┠撩裆钣玫绶⒒恿酥匾饔.2013年进入施工期间和可行性研讨期间的别离到达91。6MW和223MW；我国风力发电作业将有一个更大的开展.辽宁、新疆、广东现已成为我国风力发电最多的三个省区；其他各个省区也依据当地的风资源状况大力开展风力发电作业. 表3 2013年我国风电厂装机容量排序 Tab。3 Order of Chinese wind power factory capacity in 2002 　　我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超越90%，600kW机组样机的国产化率到达80%左右.我国具有了自行研发开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的才能；还开发了一批风/光、风/柴联合发电体系. 1。国外的风力发电技能的开展概略(Global status of wind power generation technology) 　　风力发电体系的通常组成布局如图2；首要经过桨叶将风能转化为风机转变的机械能；因为风机的转速大多比拟低；需求用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额外转速邻近；再经过发电机将机械能转化为电能；电力电子变流器将发电机输出的电能改换为适宜幅值或频率的电压、电流；经过并网变压器升压后接入大电网.关于当前呈现的一些低转速发电机；图中的齿轮箱能够省去.体系转速、功率等作业状况的操控能够经过改动风机桨叶的节距角完结；也可经过电力电子变流器来调理发电机的电磁力矩完结.关于小型风力发电机组来说；经过电力电子变流器来调理发电机电磁力矩的办法更便利；能够省掉变桨距组织；减小体系描绘制作的难度. 图2 风力发电体系组成布局框图 Fig。2 Diagram of wind power generation system 　　现代风力机的开展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机；它的首要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、劣势式风力机.自从那时开端；许多新的想象被提出并运用于实践中；特别1973年的石油危愈加快了这一进程的开展.七十年代末；名为“Riisager”的22kW风力机；拓荒了一个新的范畴；它是用并不贵重的汽车标准零件制成的；在许多的私家庄园和农舍得到成功的运用. 　　比来二十年的时刻里；风力机的输出功率从20kW开展到2MW.风力发电技能方面也获得了很大开展：一是在风力机自身的操控技能.在曩昔的十四年里运用了浆距操控技能；比来失速调理技能又得到实践运用，二是在电气技能上.自从1993年开端；有些出产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机.三在风力发电体系中电力电子技能的前进也引出了新的操控思维──变速恒频操控. 风力发电体系的两个首要部件是风力机和发电机；而风力机的变桨距功率调理技能和发电机的变速恒频发电技能是风力发电技能开展的必定趋势；别的用于变流器体系的电力电子技能直接决议了发作的电能质量；这三项技能一起也是风力发电中的要害中心技能.下面侧重剖析一下这三方面技能的研讨概略. 一、风力机的变桨距功率调理技能 a) 风力机的特性曲线 　　风力机经过叶轮捕获风能；将风能改换为效果在轮毂上的机械转矩.由空气动力学特性可知；经过叶轮旋转面的风能不能悉数被叶轮吸收运用；能够定义出一个风能运用系数Cp： 式中： ——t时刻内叶轮吸收的风能， ——t时刻内经过叶轮旋转面的悉数风能， ——单位时刻内叶轮吸收且改换的机械能；即风力机的机械输出功率， ——单位时刻内经过叶轮扫掠面的风能；即风力机的输入功率. 对一台实践的风力机；其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为： 式中： ——空气密度(kg/m3)， A——叶轮的扫掠面积(m2)， D——叶轮的直径(m). 系数 ；反映了风力机吸收运用风能的功率；是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有联系的量.风力机的特性通常用风能运用系数 （叶尖速比 ）曲线来表明；如图3所示. 图3 风力机的特性曲线 Fig。3 Curve of wind turbine characteristic 不相同浆距角 时；风能运用系数 对应的叶尖速比 不相同.叶尖速比： 式中： ——为叶轮半径(m)， ——风力机的机械转速(rad/s)， ——效果于风力机的迎面风速(m/s). 关于同一 ；风力机能够有两个作业点；它们别离对应于风力机的高风速作业区和低风速作业区.当风速改动时风力机的作业点即将发作改动. 　　风力机的全体描绘和相应的作业操控战略应尽能够寻求 最大；然后添加其输出功率.但是实践运用中输出功率的前进却遭到两方面的约束：一方面是电气回路中元器材的功率约束，另一方面是机械传动体系布局部件存在转速上限.因而风机存在三个典型作业状况：保证安稳 ；操控风力机转速（坚持 不变）直到转速到达极限，风力机以安稳速度作业；经过调理风力机可使 具有较大数值；直到最大输出功率，当风速过大；输出功率到达极限时风力机按安稳功率操控；使输出功率约束在额外值邻近. b)风力机的功率调理 　　功率调理是风力机的要害技能之一； 当前投入作业的机组首要有两类功率调理办法：一类是定浆距失速操控，另一类是变浆距操控. (1)定浆距失速操控 　　风力机的功率调理彻底依托叶片的气动特性；称为定浆距风力发电机组.这种机组的输出功率随风速的改动而改动；从 的联系看；难以保证在额外风速之前 最大；特别是在低风速段.这种机组通常描绘有两个不相同功率、不相同极对数的异步发电机.大功率高转速的发电机作业于高风速区；小功率低转速的发电机作业于低风速区； 由此来调整 ；寻求最佳 .当风速超越额外风速时；经过叶片的失速或偏航操控下降 ；然后坚持功率安稳.实践上难以做到功率安稳；通常有些下降. (2)变浆距操控 　　为了尽能够前进风力机风能改换功率和保证风力机输出功率平稳；风力机将进行浆距调整.在定浆距基础上加装浆距调理环节；称为变浆距风力机组.变浆距风力发电机组的功率调理不彻底依托叶片的气动特性；它要依托与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改动来进行调理.在额外风速以下时攻角处于零度邻近；此刻；叶片视点受操控环节精度的影响；改动方案很.煽醋鞯韧诙喾缁.在额外风速以上时；变浆距组织发挥效果；调整叶片攻角；保证发电机的输出功率在答应方案以内.变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低；停时传动机械的冲击应力相对平缓.风机正常作业时；首要选用功率操控.关于功率调理速度的反响取决于风机浆距调理体系的灵敏度.在实践运用中；因为功率与风速的三次方成正比；风速的较小改动将形成风能较大的改动.风机输出功率处于不断改动中；浆距调理组织频频举措.风机浆距调理组织对风速的反响有必定的时延；在阵风呈现时；浆距调理组织来不及举措而形成风机瞬时过载；不利于风机的作业. 　　比拟来看；定浆距失速操控风力机整机组织简略；部件少；造价低；并具有较高的安全系数；利于商场竞赛.但失速型叶片自身布局杂乱；成型工艺难度也较大. 　　跟着功率增大；叶片加长；所接受的气动推力增大；叶片的失速动态特性不易操控；使制作更大机组遭到约束.变浆距型风力机能使叶片的设备角随风速而改动；然后便风力机在各种工况下（起动、正常作业、停）按最佳参数作业.它能够使发电机在额外风速以下的作业区段有较高的发电量；而在额外风速以上高风速区段不超载；不需求过载才能大的发电机等等.当然它的缺陷是需求有一套比拟杂乱的变距调理布局.如今这两种功率调理方案在技能上都比曩昔的有很大改进；都为大、中型风力发电机组广泛选用. 二、发电机的变速恒频发电技能 　　异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电体系和变速恒频发电体系. a）恒速恒频发电体系 　　恒速作业的风力机转速不变；而风速常常改动；因而叶尖速比 不能够常常坚持在最佳值； 值往往与最大值相差很大；使风力机常常作业于低效状况. 图4 异步电机输出功率曲线 Fig。4 Curve of IM output power 　　恒速恒频发电体系中；多选用笼型异步电机作为并网作业的发电机；并网后在电机机械特性曲线的安稳区内作业；如图4所示；异步发电机的转子速度高于同步转速.当风力机传给发电机的机械功率随风速而添加时；发电机的输出功率及其反转矩也相应增大.作业点发作改动.当转子速度高于同步转速3%～5%时到达最大值；若超越这个转速；异步发电机进入不安稳区；发作的反转矩减.贾伦傺杆偕撸灰鸱沙担徽馐鞘治Ｏ盏. b）变速恒频发电体系 　　当前风力发电体系选用最多的异步发电机都归于恒速恒频发电体系；但变速恒频发电体系能够使风力机在很大风速方案内按最佳功率作业的重要长处；越来越导致大家的注重.从风力机的作业原理可知；这就需求风力机的转速正比于风速并坚持一个安稳的最佳叶尖速比 ；然后使风力机的风能运用系数 坚持最大值不变；风力发电机组输出最大的功率；最大极限的运用风能；前进了风力机的作业功率.自上世纪90年代开端；国外新建的大型风力发电体系大多选用变速恒频办法；特别是兆瓦级以上大容量风电体系；因为此刻最大极限捕获风能、前进发电功率的含义非常重要. 　　可用于风力发电的变速恒频发电体系多种；如交─直─交体系、磁场调制发电机体系、沟通励磁双馈发电机体系、无刷双馈发电机体系、爪极式发电机体系、开关磁阻发电机体系等；这些变速恒频发电体系有的是发电机与电力电子设备相结合完结变速恒频的；有的是经过改造发电机自身布局而完结变速恒频的.这些体系都有个人的特色；能够适用于各种不相同场合. 为充分运用风能；应深化研讨各种变速恒频技能.下面将对各种电机体系加以简略剖析. （1）交─直─交风力发电体系 　　这种体系中的变速恒频操控是在电机的定子电路中完结的.因为风速的不断改动；风力机和发电机也随之变速旋转；发作频率改动的电功率.发电机宣布频率改动的沟通电首要经过三相桥式整流器整流成直流电；再经过逆变器直流电改换为安稳电网频率的沟通电.因而；变频器的容量和发电机体系的容量相同. 　　这种体系在并网时没有电流冲击；对体系几乎没有影响.在此体系中能够选用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等.而在这几种发电机中；鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用；因为其转子布局都很简略简略制作和保护；而且没有滑环和电刷；励磁办法也比拟简略；特别是永磁同步电机不需求外部励磁. （2）磁场调制发电机体系 　　这种变速恒频发电体系由一台专门描绘的高频沟通发电机和一套电力电子改换电路组成.发电机自身具有较高的旋转频率 ；与通常同步电机不相同的是；它不必直流电励磁；而是用频率为 的低频沟通电励磁（ 即为所需求的输出频率；通常为50Hz）；当频率 远低于频率 时；发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个重量组成的调幅波；这个调幅波的包络线的频率是 ；包络线所包含的高频波的频率是 .将三个相绕组接到一组并联桥式整流器；得到根本频率为 的全波整流正弦脉动波.再经过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向.最终经滤波器滤去高次谐波；即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波.输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位；正是这一特色使得磁场调制发电机非常适宜于并网风力发电体系.与前而的交─直─交体系比拟；磁场调制发电机体系的特色是： ① 因为经桥式整流器后得到的是正弦脉动波；输入晶闸管开关电路后根本上是在波形过零点时开关换向.因而换向简略简略；换向损耗.低承式细. ② 晶闸管开关电路输出波形中谐波重量很.倚巢ㄆ德屎芨撸缓芤茁巳ィ灰虼丝梢缘玫较嗟焙玫恼沂涑霾ㄐ. ③ 磁场调制发电机体系的输出频率在原理上与励磁电流频率相同；因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联作业非常简略牢靠.这种发电机体系的首要缺陷与交─直─交体系相似；即电力电子改换设备处在主电路中；因而容量较大.比拟适宜用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电体系. ④ 发电机要经特别描绘；不能运用通常办法的发电机. （3）沟通励磁双馈发电机体系 　　体系如图5（d）所示；选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机；其布局与绕线式异步电机相似.当风速改动导致发电机转速 改动时；操控转子电流的频率；可使定子频率安稳. 　　当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时；处于亚同步状况；此刻变频器向发电机转子供应沟通励磁；发电机由定子宣布电能给电网，当 时；处于超同步状况；此刻发电机一起由定子和转子宣布电能给电网；变频器的能量逆向流向，当 时；处于同步状况；此刻发电机作为同步电机作业；变频器向转子供应直流励磁. 　　因而；当发电机的转速 改动时；若操控变频器励磁相应改动；即能够使定子电流频率坚持安稳不变；即与电网频率坚持一致；也就完结了变速恒频操控. 　　因为这种变速恒频操控方案是在转子电路完结的；流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速作业方案所决议的转差功率；该转差功率仅为定子额外功率的一有些；因而变频器的容量仅为发电机容量的一小有些；这样变频器的本钱将会大大下降. 　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；减小变频器的容量外；在磁场定向矢量操控下还可完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果.但交─交变频器输出特性差；6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波；严重影响发电质量；有必要进行谐波按捺.只要12脉波、72管交─交变频器布局契合励磁电源需求；但布局、操控杂乱；不适宜风力发电体系.当前国际上开发运用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源；具有功率双向活动才能；布局、操控便利；是一种有用的励磁变频器.此外绕线式沟通励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊.匀徊皇恢帜苁迪止ひ涤τ玫幕. （4）无刷双馈发电机体系 　　体系选用的发电机为无刷双馈发电机.其定子有两套极数不相同的绕组；一个称为功率绕组；直接接电网，另一个称为操控绕组；经过双向变频器接电网.其转子为鼠笼型布局；取消了电刷和滑环；转子的极数应为定子两个绕组极对数之和.这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和操控绕组的效果别离适当于有刷沟通励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组；因而；尽管这两种发电机的作业机制有着实质的差异；但却能够经过相同的操控战略完结变速恒频操控；不再赘述. 　　尽管这种变速恒频操控方案是在定子电路完结的；但流过定子操控绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小有些；双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小有些. 　　相同；这种选用无刷双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；下降变频器的容量外；还可在矢量操控战略下完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果；一起发电机自身没有滑环和电刷；既下降了电机的本钱；又前进了体系作业的牢靠性.该种变速恒频风电体系如今已被工业界遍及选用. （5）爪极式发电机体系 　　无刷爪极自励发电机与通常同步电机的差异仅在于它的励磁体系有些.其定子铁心及电枢绕组与通常同步电机根本相同.因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路布局；一切各对极的磁势均来自一套一起的励磁绕组；因而与通常同步发电机比拟；励磁绕组所用的资料较.璧睦殴β室步闲.关于一台8极电机；在每极磁通及磁路磁密相同的条件下；爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所耗费的励磁功率将不到通常同步电机的一半；故具有较高的功率.别的无刷爪极电机与永磁电机相同均系无刷布局；根本上不需求保护.与永磁发电机比拟；无刷爪极发电机除了机械冲突力矩外根本上没有什么起动阻力矩.另一个长处是具有很好的调理功能；经过调理励磁能够很便利地操控它的输出特性；并有能够使风力机完结最佳叶尖速比作业；得到最棒的作业功率.这种发电机非常适宜用于千瓦级的风力发电设备中.但该项技能的最大功率盯梢（MPPT）尚处在研讨期间. （6）开关磁阻发电机体系 　　开关磁阻式风力发电体系是以开关磁阻发电机为机电能量改换中心.开关磁阻发电机为双凸极电机；定子、转子均为凸极齿槽布局；定子上设有会集绕组；转子上既无绕组也无永磁体.由此带来改换器及操控、驱动的简洁性.风力机的功率特性有其自身的特色；为了使风能捕获的效果最佳；就有必要使开关磁阻发电机与风力机能够杰出的合作；经过对发电体系的操控；使风力机作业在最佳功率负载线上；开关磁阻发电机自身也具有可控参数多、非线性、短少清晰的数学模型的特色.与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机比拟；开关磁阻发电机具有显着的容错才能强、组合起动与发电简略、适宜高温（>250°C）和高速（>30000r/min）环境作业以及大容量、高功率、高功率密度作业等长处.该发电机气隙磁场和相磁链随转子方位和绕组相电流而继续、周期性改动；没有传统电机的安稳磁路作业点；而是一个动态三维磁空间.开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组；而是与会集嵌放的定子电枢合二为一；并经过操控器分时操控完结励磁与发电；因而简化了布局；前进了牢靠性.一起；该发电机相绕组间无电耦合；其容错才能大大增强.别的；开关磁阻发电机机械布局简略、巩固牢靠. 　　总归；经过以上的比照剖析；可知： ① 若是将风力机和发电机直接耦合；省去变速箱；这样能够大大下降本钱；削减保护；而且能够下降体系噪音；防止齿轮箱漏油的难题. ② 风力发电机坐落室外高空狭小而关闭的机舱内；通风条件较差；而电机大多是密闭布局；靠外壳故热；因而需求发电机耐高温功能好；开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势. ③ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系的变频器容量仅为体系总容量的一有些；所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电体系；其他方案适用于小容量的风力发电体系. ④ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系可在亚同步和超同步状况下作业；因而具有更宽的风速作业方案. ⑤ 无刷双馈电机省去了滑环和电刷；布局简略；巩固牢靠.在转子转速改动的条件下；经过操控励磁绕组的励磁电流频率来保证发电机输出电流的频率坚持在50Hz不变；非常适用于风力发电体系；是当今国际风力发电的开展趋势. 这几种变速恒频体系的功能比照剖析见表4所示. 表4 几种变速恒频方案的比照剖析 Tab。4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器体系 　　由发电机和电力电子器材构成的广泛运用的6种风力发电体系布局如图5所示.下面临图5中的风力发电体系布局加以简略阐明. 图a是二十世纪八十年代到九十年代被许多风机制作商运用的比拟传统的布局；如运用鼠笼型转子的异步发电机的优势式、失速调理、三桨叶风力机就是这种布局.在八十年代这种布局被扩大；为抵偿无功功率运用了电容器组；为滑润并网运用了电机软起动器. 　　图b是用全程方案或“低风速区域”巨细的变频器替代了图a中的电容器组和电机软起动器.“低风速区域”巨细的变频器的功率仅为发电机额外功率的20-30％；而全程方案的变频器功率大约为发电机额外功率的120％；但它能使风力发电机在一切风速下变速作业. 　　图c这种布局是二十世纪九十年代中期；Vestas风力机厂出产的名为“Optislip”风力机所选用的布局.这种布局的根本思维是运用电力电子改换器改动外部的转子电阻；来改动总的转子电阻；然后使转差率有10％的改动方案.操控了转差率也就操控了体系的输出功率. 　　图d这种布局运用双馈异步发电机；用变频器直接操控转子绕组里的电流.用功率为发电机额外功率的20-30％电力电子改换器；即可操控整个的发电机输出功率.有两个缘由推进这种布局得到广泛运用：1）较图c的布局有更宽的调速方案， 2）较全功率改换器更经济. 　　图e这种个功率操控布局的典型运用是在帆海船舶上作为电源.无齿轮箱；经过两个或三个叶片的优势式风力机与永磁发电机相连；宣布的电能经整流器给蓄电池充电.这种布局的风力机也能够运用于家庭风电体系或混合风电体系；这时风力机通常大于1kW小于20kW.ABB公司在2013年运用这种布局提出一个新的想象：用多极3。 5MW永磁发电机宣布电能后经二极管整流器发作21kV直流电；然后经高压直流输电并入电网.因而能够这种布局将是国际风力发电的开展的另一个趋势. 鼠笼型转子异步电机： （a） （b） 绕线型转子异步电机： （对应内反响调速） （对应串级调速） 绕线型转子同步电机： 图5 广泛运用的风力发电体系布局图 Fig。5 Applied widely diagram of wind power generation system 　　图f这种布局运用多极的绕线式同步发电机.因为它运用的是多极发电机；所以它不需求齿轮箱.它是经过整流器从电机外部来励磁的.与前几种布局比拟.这种布局吸引力不大是因为三种缘由：1）需求励磁电路，2）需求滑环，3）风力机愈加杂乱的保战略. 　　当前；电力电子变流设备许多；表5列出运用于风力发电的六种典型电气拓扑的开展现状. 表5 几种典型变流器拓扑布局的技能现状 Tab。5 Technology status of several typical converter 1。中国风力发电技能的研讨开展现状(Domestic status of wind power generation technology) 　　风能作为一种绿色动力；日益遭到教授学者的注重.一起；风力发电技能也逐步成为科研人员研讨的热门.风力发电的进程就是风能经由机械能改换为电能的进程；其间风力发电机及其操控体系担任将机械能改换为电能；这一有些是整个体系的中心；直接影响着整个体系的功能、功率和电能质量；也影响到风能吸收设备的作业办法、功率和布局.因而；研发适用于风电改换的高牢靠性、高功率、操控及供电功能杰出的发电机体系；是风力发电技能的研讨要点.当前国内对风力发电技能研讨较深化的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研讨所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等. 　　当前；在政府方针及资金撑持和出产厂家的不断尽力下；当前；国产大中型风力机组的研发获得了长足的开展；200kW、600kW风力机国产化作业获得很好效果；金风公司出产的风力发电机组的国产化率现已到达96%；商品化才能也得到了很大的前进；尽管在一些要害部件和技能上仍然依托进口；但因为价钱低、售后修理便利等优势；现已开端在国内商场具有和国外大型风力发电设备出产厂商竞赛的才能.尽管国产大型风力发电设备出产刚刚开展和起步；还无法占有国内商场的较大分额；但当前在我国新装机容量中现已占有较大比重；在2013年新增的风力机装机容量中；国产份额现已到达42。6%；如表6所示；仅金风和西安维德两公司占有的商场份额就到达了36。7％.我国风力机制作业刚刚起步；从占有国内商场到走向国际商场还需求更多的尽力；把握更多的中心和要害技能.表7列出了我国　　　风力机总装机各制作厂商的商场份额排序.因而我国的风力发电技能还有很长一段路要走. 表6 2013年我国风力机新增装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory in new increase in 2002 表7当前我国风力机总装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory at present 1。国家方针(National policy) 　　尽管我国近几年风电开展很快；装机量以每年20%～30％以上的速度递加；但风电仍仅占全国电力总装机的0。11%；因而我国的风力发电当前仍处于起步期间.公司出产方案.ひ占际趼浜螅灰恍┰牧虾筒饭潭鹊停患哟罅瞬返纳杀.为非常好地施行国家可继续开展和西部大开发战略；国家发改委、科技部、国家经贸委拟定了新动力和可再生动力工业开展的“十一五”方案；其间包含国家的“乘风方案”、光亮工程和“863”方案后续动力技能主题等国家严重科技开展方案.指导思维是以商场为导向；挑选老练的、具有商场远景的技能产物作为工业开展的要点；提出合理的开展方针；拟定契合商场开展的工业方针.采纳标准商场的办法；进一步推进新动力和可再生动力技能的开发和运用.要点是开发600kW及以优势力发电机组；完结方案出产，研讨开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新式风力发电机组前进10kW以下离网型风力发电机的出产技能水平；推行风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电体系.首要方针是：到2013年；新动力和可再生动力年开发量到达4300万吨标准煤；占我国其时动力耗费总量的2%，该工业将成为国民经济的一个新式职业；拉动机械、电子、化工、资料等关联职业的开展；对减轻大气污染、改进大气环境质量效果显着；将削减3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供应近50万个作业岗位.可见；有了国家的注重和方针的撑持；作为首要可再生动力的风力发电职业；也必将有宽广的开展远景. 2。结束语(Conclusion) 　　我国从1986年树立第一个风电场起到1994年电力部出飓风电并网和还本付息电价的规则；风电场是运用本国政府拨款或外国政府赠款建造的；首要对风电并网技能的可行性进行演示.在1995年由电力部主办的北京国际风能会议上；正式提出2013年末我国风电装机方案为1000MW的方针.当前各省电力公司现已成为出资风电项目、树立风电公司的主体.融资办法有来自国家经贸委“双加工程”的贴息借款；有来自许多国家的优惠软借款以及一些商业银行借款. 　　作为一种有出路的新动力；风力发电职业必定股动风力机工业的迅速开展；据开端估量在本世纪的前五十年中；我国的风力机工业及其关联工业将有7000亿元的商场潜力；均匀每年到达140亿元；可望成为我国21世纪经济与社会效益都非常显着的新式工业.当前国际风力发电设备制作厂商纷繁进驻中国；运用中国大力开展风力发电的要害；占有中国风力发电市.绕涫谴蠊β史缌Ψ⒌缁谐. 　　当前国外的风力机厂商供应我国的风力机归纳造价现已从每千瓦10000元以上下降到每千瓦9500元（600kw风电机组）左右；国产机组（600kw风电机组）归纳造价为每千瓦7650元以下；并有进一步下降的空间.因而在寻求国家方针撑持的前提下；完结和进一步前进大型风力发电体系国产化；将大大下降我国风力发电的本钱；推进我国风力发电作业的开展；一起也为社会供应了一个新的经济添加点；并供应许多作业机会.

1。导言(Introduction) 　　国际上越来越多的国家认识到；一个能够继续开展的社会应该是一个既能满意社会的需求；而又不危及子孙后代出路的社会.因而节约动力(Save Energy)；前进动力运用功率(Energy Using Efficiency)；尽能够多地运用洁净动力(Green Energy)替代高含碳量的矿藏燃料；应是各国动力建造遵从的准则.这些年；大家现已逐步认识到风力发电(Wind Power Generation)在减轻环境污染、调整电网中的动力布局、处理偏远区域居民用电难题等方面的杰出效果；无论从调整电网布局；仍是从商业化方面都推进大家开端注重开展风力发电. 　　国际上运用风力发电是上个世纪开展壮大起来的.从八十年代中期到九十年代中期；国际风力发电技能获得了日新月异的开展；九十年代以来；国际风力发电容量以均匀每年30%的速度添加；已成为国际动力中添加最快的一种；而且风力机的描绘、制作技能趋向老练；产物进入商品化期间；功率等级从几十kW跃升至600kW；并有兆瓦级风力发电机面世；发电本钱竞赛力越来越强；一起；风电场建造和办理的水平以及方案也上升到簇新的期间.近十几年来风力发电机产物质量有了显着前进；作为一种新的、安全牢靠的、洁净的动力而遭到国际优势资源丰富国家的注重与大方案开发.图1示出了上世纪九十年代前期到本世纪初的国际风力发电的添加趋势. 图1 风力发电装机容量的快速添加 Fig。1 Fast increase of wind power generation 1。国际风力发电的开展状况(Global status of wind power generation) 　　跟着风力发电在技能上日益老练；已开端具有同燃油、燃煤、核能等发电技能相竞赛的技能经济性.风力机的单机容量也越来越大；国际上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7。3MW；风车直径到达112米.当前国际商品化的大型风力机功率也现已到达两兆瓦以上；我国当前作业的最大风力发电机为4台Nordex公司出产的1。3MW风力发电机；坐落辽宁营口仙人岛风力发电厂. 　　跟着制作和作业本钱不断下降；大型风力发电机组单位电价现已挨近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年杰出作业的记载；作业的牢靠性到达98%以上.对风力机设备的配套技能也日益完善；风力发电机组悉数完结会集和长途操控；商业性风力发电场已形成了适当的方案和经济效益.风力发电场逐步从陆地转移到海上；其开展空间和远景愈加宽广. 　　近五年；欧洲商场的年均匀添加率为35%.2013年全年；欧洲新增装机容量到达587lMW；表1示出了2013年欧盟首要国家风力机装机状况.德国、西班牙和丹麦占其间的90%；当前德国风电总装机容量现已到达12001MW；占其国家电力总需求的4。7％；丹麦风电总装机容量到达2880MW；占国内电力需求的20%.当今国际风电开展较快的国家还有美国、荷兰等；这些国家也一起开发了大型的商业化风力发电机组.丹麦是国际上大型风力发电机产值最多的国家；出口量也居国际首位. 　　首届国际风能大会2013年4月2日至5日在法国巴黎举办；这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会一起主办的.欧洲风能协会剖析指出；与其他区域比拟；欧洲的风能发电开展最快；欧洲风能发电的总功率到达1。9万MW；占全国际风能发电才能的70%以上.国际优势能运用最棒、开展最快、技能比拟先进的国家别离是德国、美国、丹麦、荷兰. 表1 2013年欧盟首要国家风力机装机计算(单位:MW) Tab。1 EU country’s capacity of wind turbine in 2002 1。我国风力发电的开展状况(Domestic status of wind power generation) 　　我国地域宽广；地处北纬阳光充分的亚热带区域.据教授猜测；我国风能储量大；散布广；全国大约有2/3的区域为多风地带.全年均匀风速3m/s及以上的时刻达3000～5000h。均匀风能密度为100W/m2；可开发的风能资源约2。53亿kW.因而我国具有大方案开展风电的资源条件.我国风能资源的散布如表2. 表2 中国有些省风能储量(单位：GW) Tab。2 Wind power reserve of Chinese province 　　我国风力发电从20世纪80年代末开端起步；到2013年末；全国累计风电装机总容量到达近47万kW左右；风电场开展到32个；如表3所示.其间新疆达坂城风电场累计设备风力发电机组179台；装机容量到达7。7万kW；广东南澳风电场设备风力发电机组130台；装机容量到达5。7万kW；内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超越4万kW；福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在方案建造500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电.饩鑫薜绲厍┠撩裆钣玫绶⒒恿酥匾饔.2013年进入施工期间和可行性研讨期间的别离到达91。6MW和223MW；我国风力发电作业将有一个更大的开展.辽宁、新疆、广东现已成为我国风力发电最多的三个省区；其他各个省区也依据当地的风资源状况大力开展风力发电作业. 表3 2013年我国风电厂装机容量排序 Tab。3 Order of Chinese wind power factory capacity in 2002 　　我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超越90%，600kW机组样机的国产化率到达80%左右.我国具有了自行研发开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的才能；还开发了一批风/光、风/柴联合发电体系. 1。国外的风力发电技能的开展概略(Global status of wind power generation technology) 　　风力发电体系的通常组成布局如图2；首要经过桨叶将风能转化为风机转变的机械能；因为风机的转速大多比拟低；需求用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额外转速邻近；再经过发电机将机械能转化为电能；电力电子变流器将发电机输出的电能改换为适宜幅值或频率的电压、电流；经过并网变压器升压后接入大电网.关于当前呈现的一些低转速发电机；图中的齿轮箱能够省去.体系转速、功率等作业状况的操控能够经过改动风机桨叶的节距角完结；也可经过电力电子变流器来调理发电机的电磁力矩完结.关于小型风力发电机组来说；经过电力电子变流器来调理发电机电磁力矩的办法更便利；能够省掉变桨距组织；减小体系描绘制作的难度. 图2 风力发电体系组成布局框图 Fig。2 Diagram of wind power generation system 　　现代风力机的开展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机；它的首要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、劣势式风力机.自从那时开端；许多新的想象被提出并运用于实践中；特别1973年的石油危愈加快了这一进程的开展.七十年代末；名为“Riisager”的22kW风力机；拓荒了一个新的范畴；它是用并不贵重的汽车标准零件制成的；在许多的私家庄园和农舍得到成功的运用. 　　比来二十年的时刻里；风力机的输出功率从20kW开展到2MW.风力发电技能方面也获得了很大开展：一是在风力机自身的操控技能.在曩昔的十四年里运用了浆距操控技能；比来失速调理技能又得到实践运用，二是在电气技能上.自从1993年开端；有些出产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机.三在风力发电体系中电力电子技能的前进也引出了新的操控思维──变速恒频操控. 风力发电体系的两个首要部件是风力机和发电机；而风力机的变桨距功率调理技能和发电机的变速恒频发电技能是风力发电技能开展的必定趋势；别的用于变流器体系的电力电子技能直接决议了发作的电能质量；这三项技能一起也是风力发电中的要害中心技能.下面侧重剖析一下这三方面技能的研讨概略. 一、风力机的变桨距功率调理技能 a) 风力机的特性曲线 　　风力机经过叶轮捕获风能；将风能改换为效果在轮毂上的机械转矩.由空气动力学特性可知；经过叶轮旋转面的风能不能悉数被叶轮吸收运用；能够定义出一个风能运用系数Cp： 式中： ——t时刻内叶轮吸收的风能， ——t时刻内经过叶轮旋转面的悉数风能， ——单位时刻内叶轮吸收且改换的机械能；即风力机的机械输出功率， ——单位时刻内经过叶轮扫掠面的风能；即风力机的输入功率. 对一台实践的风力机；其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为： 式中： ——空气密度(kg/m3)， A——叶轮的扫掠面积(m2)， D——叶轮的直径(m). 系数 ；反映了风力机吸收运用风能的功率；是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有联系的量.风力机的特性通常用风能运用系数 （叶尖速比 ）曲线来表明；如图3所示. 图3 风力机的特性曲线 Fig。3 Curve of wind turbine characteristic 不相同浆距角 时；风能运用系数 对应的叶尖速比 不相同.叶尖速比： 式中： ——为叶轮半径(m)， ——风力机的机械转速(rad/s)， ——效果于风力机的迎面风速(m/s). 关于同一 ；风力机能够有两个作业点；它们别离对应于风力机的高风速作业区和低风速作业区.当风速改动时风力机的作业点即将发作改动. 　　风力机的全体描绘和相应的作业操控战略应尽能够寻求 最大；然后添加其输出功率.但是实践运用中输出功率的前进却遭到两方面的约束：一方面是电气回路中元器材的功率约束，另一方面是机械传动体系布局部件存在转速上限.因而风机存在三个典型作业状况：保证安稳 ；操控风力机转速（坚持 不变）直到转速到达极限，风力机以安稳速度作业；经过调理风力机可使 具有较大数值；直到最大输出功率，当风速过大；输出功率到达极限时风力机按安稳功率操控；使输出功率约束在额外值邻近. b)风力机的功率调理 　　功率调理是风力机的要害技能之一； 当前投入作业的机组首要有两类功率调理办法：一类是定浆距失速操控，另一类是变浆距操控. (1)定浆距失速操控 　　风力机的功率调理彻底依托叶片的气动特性；称为定浆距风力发电机组.这种机组的输出功率随风速的改动而改动；从 的联系看；难以保证在额外风速之前 最大；特别是在低风速段.这种机组通常描绘有两个不相同功率、不相同极对数的异步发电机.大功率高转速的发电机作业于高风速区；小功率低转速的发电机作业于低风速区； 由此来调整 ；寻求最佳 .当风速超越额外风速时；经过叶片的失速或偏航操控下降 ；然后坚持功率安稳.实践上难以做到功率安稳；通常有些下降. (2)变浆距操控 　　为了尽能够前进风力机风能改换功率和保证风力机输出功率平稳；风力机将进行浆距调整.在定浆距基础上加装浆距调理环节；称为变浆距风力机组.变浆距风力发电机组的功率调理不彻底依托叶片的气动特性；它要依托与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改动来进行调理.在额外风速以下时攻角处于零度邻近；此刻；叶片视点受操控环节精度的影响；改动方案很.煽醋鞯韧诙喾缁.在额外风速以上时；变浆距组织发挥效果；调整叶片攻角；保证发电机的输出功率在答应方案以内.变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低；停时传动机械的冲击应力相对平缓.风机正常作业时；首要选用功率操控.关于功率调理速度的反响取决于风机浆距调理体系的灵敏度.在实践运用中；因为功率与风速的三次方成正比；风速的较小改动将形成风能较大的改动.风机输出功率处于不断改动中；浆距调理组织频频举措.风机浆距调理组织对风速的反响有必定的时延；在阵风呈现时；浆距调理组织来不及举措而形成风机瞬时过载；不利于风机的作业. 　　比拟来看；定浆距失速操控风力机整机组织简略；部件少；造价低；并具有较高的安全系数；利于商场竞赛.但失速型叶片自身布局杂乱；成型工艺难度也较大. 　　跟着功率增大；叶片加长；所接受的气动推力增大；叶片的失速动态特性不易操控；使制作更大机组遭到约束.变浆距型风力机能使叶片的设备角随风速而改动；然后便风力机在各种工况下（起动、正常作业、停）按最佳参数作业.它能够使发电机在额外风速以下的作业区段有较高的发电量；而在额外风速以上高风速区段不超载；不需求过载才能大的发电机等等.当然它的缺陷是需求有一套比拟杂乱的变距调理布局.如今这两种功率调理方案在技能上都比曩昔的有很大改进；都为大、中型风力发电机组广泛选用. 二、发电机的变速恒频发电技能 　　异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电体系和变速恒频发电体系. a）恒速恒频发电体系 　　恒速作业的风力机转速不变；而风速常常改动；因而叶尖速比 不能够常常坚持在最佳值； 值往往与最大值相差很大；使风力机常常作业于低效状况. 图4 异步电机输出功率曲线 Fig。4 Curve of IM output power 　　恒速恒频发电体系中；多选用笼型异步电机作为并网作业的发电机；并网后在电机机械特性曲线的安稳区内作业；如图4所示；异步发电机的转子速度高于同步转速.当风力机传给发电机的机械功率随风速而添加时；发电机的输出功率及其反转矩也相应增大.作业点发作改动.当转子速度高于同步转速3%～5%时到达最大值；若超越这个转速；异步发电机进入不安稳区；发作的反转矩减.贾伦傺杆偕撸灰鸱沙担徽馐鞘治Ｏ盏. b）变速恒频发电体系 　　当前风力发电体系选用最多的异步发电机都归于恒速恒频发电体系；但变速恒频发电体系能够使风力机在很大风速方案内按最佳功率作业的重要长处；越来越导致大家的注重.从风力机的作业原理可知；这就需求风力机的转速正比于风速并坚持一个安稳的最佳叶尖速比 ；然后使风力机的风能运用系数 坚持最大值不变；风力发电机组输出最大的功率；最大极限的运用风能；前进了风力机的作业功率.自上世纪90年代开端；国外新建的大型风力发电体系大多选用变速恒频办法；特别是兆瓦级以上大容量风电体系；因为此刻最大极限捕获风能、前进发电功率的含义非常重要. 　　可用于风力发电的变速恒频发电体系多种；如交─直─交体系、磁场调制发电机体系、沟通励磁双馈发电机体系、无刷双馈发电机体系、爪极式发电机体系、开关磁阻发电机体系等；这些变速恒频发电体系有的是发电机与电力电子设备相结合完结变速恒频的；有的是经过改造发电机自身布局而完结变速恒频的.这些体系都有个人的特色；能够适用于各种不相同场合. 为充分运用风能；应深化研讨各种变速恒频技能.下面将对各种电机体系加以简略剖析. （1）交─直─交风力发电体系 　　这种体系中的变速恒频操控是在电机的定子电路中完结的.因为风速的不断改动；风力机和发电机也随之变速旋转；发作频率改动的电功率.发电机宣布频率改动的沟通电首要经过三相桥式整流器整流成直流电；再经过逆变器直流电改换为安稳电网频率的沟通电.因而；变频器的容量和发电机体系的容量相同. 　　这种体系在并网时没有电流冲击；对体系几乎没有影响.在此体系中能够选用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等.而在这几种发电机中；鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用；因为其转子布局都很简略简略制作和保护；而且没有滑环和电刷；励磁办法也比拟简略；特别是永磁同步电机不需求外部励磁. （2）磁场调制发电机体系 　　这种变速恒频发电体系由一台专门描绘的高频沟通发电机和一套电力电子改换电路组成.发电机自身具有较高的旋转频率 ；与通常同步电机不相同的是；它不必直流电励磁；而是用频率为 的低频沟通电励磁（ 即为所需求的输出频率；通常为50Hz）；当频率 远低于频率 时；发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个重量组成的调幅波；这个调幅波的包络线的频率是 ；包络线所包含的高频波的频率是 .将三个相绕组接到一组并联桥式整流器；得到根本频率为 的全波整流正弦脉动波.再经过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向.最终经滤波器滤去高次谐波；即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波.输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位；正是这一特色使得磁场调制发电机非常适宜于并网风力发电体系.与前而的交─直─交体系比拟；磁场调制发电机体系的特色是： ① 因为经桥式整流器后得到的是正弦脉动波；输入晶闸管开关电路后根本上是在波形过零点时开关换向.因而换向简略简略；换向损耗.低承式细. ② 晶闸管开关电路输出波形中谐波重量很.倚巢ㄆ德屎芨撸缓芤茁巳ィ灰虼丝梢缘玫较嗟焙玫恼沂涑霾ㄐ. ③ 磁场调制发电机体系的输出频率在原理上与励磁电流频率相同；因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联作业非常简略牢靠.这种发电机体系的首要缺陷与交─直─交体系相似；即电力电子改换设备处在主电路中；因而容量较大.比拟适宜用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电体系. ④ 发电机要经特别描绘；不能运用通常办法的发电机. （3）沟通励磁双馈发电机体系 　　体系如图5（d）所示；选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机；其布局与绕线式异步电机相似.当风速改动导致发电机转速 改动时；操控转子电流的频率；可使定子频率安稳. 　　当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时；处于亚同步状况；此刻变频器向发电机转子供应沟通励磁；发电机由定子宣布电能给电网，当 时；处于超同步状况；此刻发电机一起由定子和转子宣布电能给电网；变频器的能量逆向流向，当 时；处于同步状况；此刻发电机作为同步电机作业；变频器向转子供应直流励磁. 　　因而；当发电机的转速 改动时；若操控变频器励磁相应改动；即能够使定子电流频率坚持安稳不变；即与电网频率坚持一致；也就完结了变速恒频操控. 　　因为这种变速恒频操控方案是在转子电路完结的；流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速作业方案所决议的转差功率；该转差功率仅为定子额外功率的一有些；因而变频器的容量仅为发电机容量的一小有些；这样变频器的本钱将会大大下降. 　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；减小变频器的容量外；在磁场定向矢量操控下还可完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果.但交─交变频器输出特性差；6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波；严重影响发电质量；有必要进行谐波按捺.只要12脉波、72管交─交变频器布局契合励磁电源需求；但布局、操控杂乱；不适宜风力发电体系.当前国际上开发运用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源；具有功率双向活动才能；布局、操控便利；是一种有用的励磁变频器.此外绕线式沟通励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊.匀徊皇恢帜苁迪止ひ涤τ玫幕. （4）无刷双馈发电机体系 　　体系选用的发电机为无刷双馈发电机.其定子有两套极数不相同的绕组；一个称为功率绕组；直接接电网，另一个称为操控绕组；经过双向变频器接电网.其转子为鼠笼型布局；取消了电刷和滑环；转子的极数应为定子两个绕组极对数之和.这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和操控绕组的效果别离适当于有刷沟通励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组；因而；尽管这两种发电机的作业机制有着实质的差异；但却能够经过相同的操控战略完结变速恒频操控；不再赘述. 　　尽管这种变速恒频操控方案是在定子电路完结的；但流过定子操控绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小有些；双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小有些. 　　相同；这种选用无刷双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；下降变频器的容量外；还可在矢量操控战略下完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果；一起发电机自身没有滑环和电刷；既下降了电机的本钱；又前进了体系作业的牢靠性.该种变速恒频风电体系如今已被工业界遍及选用. （5）爪极式发电机体系 　　无刷爪极自励发电机与通常同步电机的差异仅在于它的励磁体系有些.其定子铁心及电枢绕组与通常同步电机根本相同.因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路布局；一切各对极的磁势均来自一套一起的励磁绕组；因而与通常同步发电机比拟；励磁绕组所用的资料较.璧睦殴β室步闲.关于一台8极电机；在每极磁通及磁路磁密相同的条件下；爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所耗费的励磁功率将不到通常同步电机的一半；故具有较高的功率.别的无刷爪极电机与永磁电机相同均系无刷布局；根本上不需求保护.与永磁发电机比拟；无刷爪极发电机除了机械冲突力矩外根本上没有什么起动阻力矩.另一个长处是具有很好的调理功能；经过调理励磁能够很便利地操控它的输出特性；并有能够使风力机完结最佳叶尖速比作业；得到最棒的作业功率.这种发电机非常适宜用于千瓦级的风力发电设备中.但该项技能的最大功率盯梢（MPPT）尚处在研讨期间. （6）开关磁阻发电机体系 　　开关磁阻式风力发电体系是以开关磁阻发电机为机电能量改换中心.开关磁阻发电机为双凸极电机；定子、转子均为凸极齿槽布局；定子上设有会集绕组；转子上既无绕组也无永磁体.由此带来改换器及操控、驱动的简洁性.风力机的功率特性有其自身的特色；为了使风能捕获的效果最佳；就有必要使开关磁阻发电机与风力机能够杰出的合作；经过对发电体系的操控；使风力机作业在最佳功率负载线上；开关磁阻发电机自身也具有可控参数多、非线性、短少清晰的数学模型的特色.与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机比拟；开关磁阻发电机具有显着的容错才能强、组合起动与发电简略、适宜高温（>250°C）和高速（>30000r/min）环境作业以及大容量、高功率、高功率密度作业等长处.该发电机气隙磁场和相磁链随转子方位和绕组相电流而继续、周期性改动；没有传统电机的安稳磁路作业点；而是一个动态三维磁空间.开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组；而是与会集嵌放的定子电枢合二为一；并经过操控器分时操控完结励磁与发电；因而简化了布局；前进了牢靠性.一起；该发电机相绕组间无电耦合；其容错才能大大增强.别的；开关磁阻发电机机械布局简略、巩固牢靠. 　　总归；经过以上的比照剖析；可知： ① 若是将风力机和发电机直接耦合；省去变速箱；这样能够大大下降本钱；削减保护；而且能够下降体系噪音；防止齿轮箱漏油的难题. ② 风力发电机坐落室外高空狭小而关闭的机舱内；通风条件较差；而电机大多是密闭布局；靠外壳故热；因而需求发电机耐高温功能好；开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势. ③ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系的变频器容量仅为体系总容量的一有些；所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电体系；其他方案适用于小容量的风力发电体系. ④ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系可在亚同步和超同步状况下作业；因而具有更宽的风速作业方案. ⑤ 无刷双馈电机省去了滑环和电刷；布局简略；巩固牢靠.在转子转速改动的条件下；经过操控励磁绕组的励磁电流频率来保证发电机输出电流的频率坚持在50Hz不变；非常适用于风力发电体系；是当今国际风力发电的开展趋势. 这几种变速恒频体系的功能比照剖析见表4所示. 表4 几种变速恒频方案的比照剖析 Tab。4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器体系 　　由发电机和电力电子器材构成的广泛运用的6种风力发电体系布局如图5所示.下面临图5中的风力发电体系布局加以简略阐明. 图a是二十世纪八十年代到九十年代被许多风机制作商运用的比拟传统的布局；如运用鼠笼型转子的异步发电机的优势式、失速调理、三桨叶风力机就是这种布局.在八十年代这种布局被扩大；为抵偿无功功率运用了电容器组；为滑润并网运用了电机软起动器. 　　图b是用全程方案或“低风速区域”巨细的变频器替代了图a中的电容器组和电机软起动器.“低风速区域”巨细的变频器的功率仅为发电机额外功率的20-30％；而全程方案的变频器功率大约为发电机额外功率的120％；但它能使风力发电机在一切风速下变速作业. 　　图c这种布局是二十世纪九十年代中期；Vestas风力机厂出产的名为“Optislip”风力机所选用的布局.这种布局的根本思维是运用电力电子改换器改动外部的转子电阻；来改动总的转子电阻；然后使转差率有10％的改动方案.操控了转差率也就操控了体系的输出功率. 　　图d这种布局运用双馈异步发电机；用变频器直接操控转子绕组里的电流.用功率为发电机额外功率的20-30％电力电子改换器；即可操控整个的发电机输出功率.有两个缘由推进这种布局得到广泛运用：1）较图c的布局有更宽的调速方案， 2）较全功率改换器更经济. 　　图e这种个功率操控布局的典型运用是在帆海船舶上作为电源.无齿轮箱；经过两个或三个叶片的优势式风力机与永磁发电机相连；宣布的电能经整流器给蓄电池充电.这种布局的风力机也能够运用于家庭风电体系或混合风电体系；这时风力机通常大于1kW小于20kW.ABB公司在2013年运用这种布局提出一个新的想象：用多极3。 5MW永磁发电机宣布电能后经二极管整流器发作21kV直流电；然后经高压直流输电并入电网.因而能够这种布局将是国际风力发电的开展的另一个趋势. 鼠笼型转子异步电机： （a） （b） 绕线型转子异步电机： （对应内反响调速） （对应串级调速） 绕线型转子同步电机： 图5 广泛运用的风力发电体系布局图 Fig。5 Applied widely diagram of wind power generation system 　　图f这种布局运用多极的绕线式同步发电机.因为它运用的是多极发电机；所以它不需求齿轮箱.它是经过整流器从电机外部来励磁的.与前几种布局比拟.这种布局吸引力不大是因为三种缘由：1）需求励磁电路，2）需求滑环，3）风力机愈加杂乱的保战略. 　　当前；电力电子变流设备许多；表5列出运用于风力发电的六种典型电气拓扑的开展现状. 表5 几种典型变流器拓扑布局的技能现状 Tab。5 Technology status of several typical converter 1。中国风力发电技能的研讨开展现状(Domestic status of wind power generation technology) 　　风能作为一种绿色动力；日益遭到教授学者的注重.一起；风力发电技能也逐步成为科研人员研讨的热门.风力发电的进程就是风能经由机械能改换为电能的进程；其间风力发电机及其操控体系担任将机械能改换为电能；这一有些是整个体系的中心；直接影响着整个体系的功能、功率和电能质量；也影响到风能吸收设备的作业办法、功率和布局.因而；研发适用于风电改换的高牢靠性、高功率、操控及供电功能杰出的发电机体系；是风力发电技能的研讨要点.当前国内对风力发电技能研讨较深化的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研讨所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等. 　　当前；在政府方针及资金撑持和出产厂家的不断尽力下；当前；国产大中型风力机组的研发获得了长足的开展；200kW、600kW风力机国产化作业获得很好效果；金风公司出产的风力发电机组的国产化率现已到达96%；商品化才能也得到了很大的前进；尽管在一些要害部件和技能上仍然依托进口；但因为价钱低、售后修理便利等优势；现已开端在国内商场具有和国外大型风力发电设备出产厂商竞赛的才能.尽管国产大型风力发电设备出产刚刚开展和起步；还无法占有国内商场的较大分额；但当前在我国新装机容量中现已占有较大比重；在2013年新增的风力机装机容量中；国产份额现已到达42。6%；如表6所示；仅金风和西安维德两公司占有的商场份额就到达了36。7％.我国风力机制作业刚刚起步；从占有国内商场到走向国际商场还需求更多的尽力；把握更多的中心和要害技能.表7列出了我国　　　风力机总装机各制作厂商的商场份额排序.因而我国的风力发电技能还有很长一段路要走. 表6 2013年我国风力机新增装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory in new increase in 2002 表7当前我国风力机总装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory at present 1。国家方针(National policy) 　　尽管我国近几年风电开展很快；装机量以每年20%～30％以上的速度递加；但风电仍仅占全国电力总装机的0。11%；因而我国的风力发电当前仍处于起步期间.公司出产方案.ひ占际趼浜螅灰恍┰牧虾筒饭潭鹊停患哟罅瞬返纳杀.为非常好地施行国家可继续开展和西部大开发战略；国家发改委、科技部、国家经贸委拟定了新动力和可再生动力工业开展的“十一五”方案；其间包含国家的“乘风方案”、光亮工程和“863”方案后续动力技能主题等国家严重科技开展方案.指导思维是以商场为导向；挑选老练的、具有商场远景的技能产物作为工业开展的要点；提出合理的开展方针；拟定契合商场开展的工业方针.采纳标准商场的办法；进一步推进新动力和可再生动力技能的开发和运用.要点是开发600kW及以优势力发电机组；完结方案出产，研讨开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新式风力发电机组前进10kW以下离网型风力发电机的出产技能水平；推行风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电体系.首要方针是：到2013年；新动力和可再生动力年开发量到达4300万吨标准煤；占我国其时动力耗费总量的2%，该工业将成为国民经济的一个新式职业；拉动机械、电子、化工、资料等关联职业的开展；对减轻大气污染、改进大气环境质量效果显着；将削减3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供应近50万个作业岗位.可见；有了国家的注重和方针的撑持；作为首要可再生动力的风力发电职业；也必将有宽广的开展远景. 2。结束语(Conclusion) 　　我国从1986年树立第一个风电场起到1994年电力部出飓风电并网和还本付息电价的规则；风电场是运用本国政府拨款或外国政府赠款建造的；首要对风电并网技能的可行性进行演示.在1995年由电力部主办的北京国际风能会议上；正式提出2013年末我国风电装机方案为1000MW的方针.当前各省电力公司现已成为出资风电项目、树立风电公司的主体.融资办法有来自国家经贸委“双加工程”的贴息借款；有来自许多国家的优惠软借款以及一些商业银行借款. 　　作为一种有出路的新动力；风力发电职业必定股动风力机工业的迅速开展；据开端估量在本世纪的前五十年中；我国的风力机工业及其关联工业将有7000亿元的商场潜力；均匀每年到达140亿元；可望成为我国21世纪经济与社会效益都非常显着的新式工业.当前国际风力发电设备制作厂商纷繁进驻中国；运用中国大力开展风力发电的要害；占有中国风力发电市.绕涫谴蠊β史缌Ψ⒌缁谐. 　　当前国外的风力机厂商供应我国的风力机归纳造价现已从每千瓦10000元以上下降到每千瓦9500元（600kw风电机组）左右；国产机组（600kw风电机组）归纳造价为每千瓦7650元以下；并有进一步下降的空间.因而在寻求国家方针撑持的前提下；完结和进一步前进大型风力发电体系国产化；将大大下降我国风力发电的本钱；推进我国风力发电作业的开展；一起也为社会供应了一个新的经济添加点；并供应许多作业机会.

1。导言(Introduction) 　　国际上越来越多的国家认识到；一个能够继续开展的社会应该是一个既能满意社会的需求；而又不危及子孙后代出路的社会.因而节约动力(Save Energy)；前进动力运用功率(Energy Using Efficiency)；尽能够多地运用洁净动力(Green Energy)替代高含碳量的矿藏燃料；应是各国动力建造遵从的准则.这些年；大家现已逐步认识到风力发电(Wind Power Generation)在减轻环境污染、调整电网中的动力布局、处理偏远区域居民用电难题等方面的杰出效果；无论从调整电网布局；仍是从商业化方面都推进大家开端注重开展风力发电. 　　国际上运用风力发电是上个世纪开展壮大起来的.从八十年代中期到九十年代中期；国际风力发电技能获得了日新月异的开展；九十年代以来；国际风力发电容量以均匀每年30%的速度添加；已成为国际动力中添加最快的一种；而且风力机的描绘、制作技能趋向老练；产物进入商品化期间；功率等级从几十kW跃升至600kW；并有兆瓦级风力发电机面世；发电本钱竞赛力越来越强；一起；风电场建造和办理的水平以及方案也上升到簇新的期间.近十几年来风力发电机产物质量有了显着前进；作为一种新的、安全牢靠的、洁净的动力而遭到国际优势资源丰富国家的注重与大方案开发.图1示出了上世纪九十年代前期到本世纪初的国际风力发电的添加趋势. 图1 风力发电装机容量的快速添加 Fig。1 Fast increase of wind power generation 1。国际风力发电的开展状况(Global status of wind power generation) 　　跟着风力发电在技能上日益老练；已开端具有同燃油、燃煤、核能等发电技能相竞赛的技能经济性.风力机的单机容量也越来越大；国际上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7。3MW；风车直径到达112米.当前国际商品化的大型风力机功率也现已到达两兆瓦以上；我国当前作业的最大风力发电机为4台Nordex公司出产的1。3MW风力发电机；坐落辽宁营口仙人岛风力发电厂. 　　跟着制作和作业本钱不断下降；大型风力发电机组单位电价现已挨近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年杰出作业的记载；作业的牢靠性到达98%以上.对风力机设备的配套技能也日益完善；风力发电机组悉数完结会集和长途操控；商业性风力发电场已形成了适当的方案和经济效益.风力发电场逐步从陆地转移到海上；其开展空间和远景愈加宽广. 　　近五年；欧洲商场的年均匀添加率为35%.2013年全年；欧洲新增装机容量到达587lMW；表1示出了2013年欧盟首要国家风力机装机状况.德国、西班牙和丹麦占其间的90%；当前德国风电总装机容量现已到达12001MW；占其国家电力总需求的4。7％；丹麦风电总装机容量到达2880MW；占国内电力需求的20%.当今国际风电开展较快的国家还有美国、荷兰等；这些国家也一起开发了大型的商业化风力发电机组.丹麦是国际上大型风力发电机产值最多的国家；出口量也居国际首位. 　　首届国际风能大会2013年4月2日至5日在法国巴黎举办；这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会一起主办的.欧洲风能协会剖析指出；与其他区域比拟；欧洲的风能发电开展最快；欧洲风能发电的总功率到达1。9万MW；占全国际风能发电才能的70%以上.国际优势能运用最棒、开展最快、技能比拟先进的国家别离是德国、美国、丹麦、荷兰. 表1 2013年欧盟首要国家风力机装机计算(单位:MW) Tab。1 EU country’s capacity of wind turbine in 2002 1。我国风力发电的开展状况(Domestic status of wind power generation) 　　我国地域宽广；地处北纬阳光充分的亚热带区域.据教授猜测；我国风能储量大；散布广；全国大约有2/3的区域为多风地带.全年均匀风速3m/s及以上的时刻达3000～5000h。均匀风能密度为100W/m2；可开发的风能资源约2。53亿kW.因而我国具有大方案开展风电的资源条件.我国风能资源的散布如表2. 表2 中国有些省风能储量(单位：GW) Tab。2 Wind power reserve of Chinese province 　　我国风力发电从20世纪80年代末开端起步；到2013年末；全国累计风电装机总容量到达近47万kW左右；风电场开展到32个；如表3所示.其间新疆达坂城风电场累计设备风力发电机组179台；装机容量到达7。7万kW；广东南澳风电场设备风力发电机组130台；装机容量到达5。7万kW；内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超越4万kW；福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在方案建造500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电.饩鑫薜绲厍┠撩裆钣玫绶⒒恿酥匾饔.2013年进入施工期间和可行性研讨期间的别离到达91。6MW和223MW；我国风力发电作业将有一个更大的开展.辽宁、新疆、广东现已成为我国风力发电最多的三个省区；其他各个省区也依据当地的风资源状况大力开展风力发电作业. 表3 2013年我国风电厂装机容量排序 Tab。3 Order of Chinese wind power factory capacity in 2002 　　我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超越90%，600kW机组样机的国产化率到达80%左右.我国具有了自行研发开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的才能；还开发了一批风/光、风/柴联合发电体系. 1。国外的风力发电技能的开展概略(Global status of wind power generation technology) 　　风力发电体系的通常组成布局如图2；首要经过桨叶将风能转化为风机转变的机械能；因为风机的转速大多比拟低；需求用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额外转速邻近；再经过发电机将机械能转化为电能；电力电子变流器将发电机输出的电能改换为适宜幅值或频率的电压、电流；经过并网变压器升压后接入大电网.关于当前呈现的一些低转速发电机；图中的齿轮箱能够省去.体系转速、功率等作业状况的操控能够经过改动风机桨叶的节距角完结；也可经过电力电子变流器来调理发电机的电磁力矩完结.关于小型风力发电机组来说；经过电力电子变流器来调理发电机电磁力矩的办法更便利；能够省掉变桨距组织；减小体系描绘制作的难度. 图2 风力发电体系组成布局框图 Fig。2 Diagram of wind power generation system 　　现代风力机的开展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机；它的首要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、劣势式风力机.自从那时开端；许多新的想象被提出并运用于实践中；特别1973年的石油危愈加快了这一进程的开展.七十年代末；名为“Riisager”的22kW风力机；拓荒了一个新的范畴；它是用并不贵重的汽车标准零件制成的；在许多的私家庄园和农舍得到成功的运用. 　　比来二十年的时刻里；风力机的输出功率从20kW开展到2MW.风力发电技能方面也获得了很大开展：一是在风力机自身的操控技能.在曩昔的十四年里运用了浆距操控技能；比来失速调理技能又得到实践运用，二是在电气技能上.自从1993年开端；有些出产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机.三在风力发电体系中电力电子技能的前进也引出了新的操控思维──变速恒频操控. 风力发电体系的两个首要部件是风力机和发电机；而风力机的变桨距功率调理技能和发电机的变速恒频发电技能是风力发电技能开展的必定趋势；别的用于变流器体系的电力电子技能直接决议了发作的电能质量；这三项技能一起也是风力发电中的要害中心技能.下面侧重剖析一下这三方面技能的研讨概略. 一、风力机的变桨距功率调理技能 a) 风力机的特性曲线 　　风力机经过叶轮捕获风能；将风能改换为效果在轮毂上的机械转矩.由空气动力学特性可知；经过叶轮旋转面的风能不能悉数被叶轮吸收运用；能够定义出一个风能运用系数Cp： 式中： ——t时刻内叶轮吸收的风能， ——t时刻内经过叶轮旋转面的悉数风能， ——单位时刻内叶轮吸收且改换的机械能；即风力机的机械输出功率， ——单位时刻内经过叶轮扫掠面的风能；即风力机的输入功率. 对一台实践的风力机；其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为： 式中： ——空气密度(kg/m3)， A——叶轮的扫掠面积(m2)， D——叶轮的直径(m). 系数 ；反映了风力机吸收运用风能的功率；是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有联系的量.风力机的特性通常用风能运用系数 （叶尖速比 ）曲线来表明；如图3所示. 图3 风力机的特性曲线 Fig。3 Curve of wind turbine characteristic 不相同浆距角 时；风能运用系数 对应的叶尖速比 不相同.叶尖速比： 式中： ——为叶轮半径(m)， ——风力机的机械转速(rad/s)， ——效果于风力机的迎面风速(m/s). 关于同一 ；风力机能够有两个作业点；它们别离对应于风力机的高风速作业区和低风速作业区.当风速改动时风力机的作业点即将发作改动. 　　风力机的全体描绘和相应的作业操控战略应尽能够寻求 最大；然后添加其输出功率.但是实践运用中输出功率的前进却遭到两方面的约束：一方面是电气回路中元器材的功率约束，另一方面是机械传动体系布局部件存在转速上限.因而风机存在三个典型作业状况：保证安稳 ；操控风力机转速（坚持 不变）直到转速到达极限，风力机以安稳速度作业；经过调理风力机可使 具有较大数值；直到最大输出功率，当风速过大；输出功率到达极限时风力机按安稳功率操控；使输出功率约束在额外值邻近. b)风力机的功率调理 　　功率调理是风力机的要害技能之一； 当前投入作业的机组首要有两类功率调理办法：一类是定浆距失速操控，另一类是变浆距操控. (1)定浆距失速操控 　　风力机的功率调理彻底依托叶片的气动特性；称为定浆距风力发电机组.这种机组的输出功率随风速的改动而改动；从 的联系看；难以保证在额外风速之前 最大；特别是在低风速段.这种机组通常描绘有两个不相同功率、不相同极对数的异步发电机.大功率高转速的发电机作业于高风速区；小功率低转速的发电机作业于低风速区； 由此来调整 ；寻求最佳 .当风速超越额外风速时；经过叶片的失速或偏航操控下降 ；然后坚持功率安稳.实践上难以做到功率安稳；通常有些下降. (2)变浆距操控 　　为了尽能够前进风力机风能改换功率和保证风力机输出功率平稳；风力机将进行浆距调整.在定浆距基础上加装浆距调理环节；称为变浆距风力机组.变浆距风力发电机组的功率调理不彻底依托叶片的气动特性；它要依托与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改动来进行调理.在额外风速以下时攻角处于零度邻近；此刻；叶片视点受操控环节精度的影响；改动方案很.煽醋鞯韧诙喾缁.在额外风速以上时；变浆距组织发挥效果；调整叶片攻角；保证发电机的输出功率在答应方案以内.变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低；停时传动机械的冲击应力相对平缓.风机正常作业时；首要选用功率操控.关于功率调理速度的反响取决于风机浆距调理体系的灵敏度.在实践运用中；因为功率与风速的三次方成正比；风速的较小改动将形成风能较大的改动.风机输出功率处于不断改动中；浆距调理组织频频举措.风机浆距调理组织对风速的反响有必定的时延；在阵风呈现时；浆距调理组织来不及举措而形成风机瞬时过载；不利于风机的作业. 　　比拟来看；定浆距失速操控风力机整机组织简略；部件少；造价低；并具有较高的安全系数；利于商场竞赛.但失速型叶片自身布局杂乱；成型工艺难度也较大. 　　跟着功率增大；叶片加长；所接受的气动推力增大；叶片的失速动态特性不易操控；使制作更大机组遭到约束.变浆距型风力机能使叶片的设备角随风速而改动；然后便风力机在各种工况下（起动、正常作业、停）按最佳参数作业.它能够使发电机在额外风速以下的作业区段有较高的发电量；而在额外风速以上高风速区段不超载；不需求过载才能大的发电机等等.当然它的缺陷是需求有一套比拟杂乱的变距调理布局.如今这两种功率调理方案在技能上都比曩昔的有很大改进；都为大、中型风力发电机组广泛选用. 二、发电机的变速恒频发电技能 　　异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电体系和变速恒频发电体系. a）恒速恒频发电体系 　　恒速作业的风力机转速不变；而风速常常改动；因而叶尖速比 不能够常常坚持在最佳值； 值往往与最大值相差很大；使风力机常常作业于低效状况. 图4 异步电机输出功率曲线 Fig。4 Curve of IM output power 　　恒速恒频发电体系中；多选用笼型异步电机作为并网作业的发电机；并网后在电机机械特性曲线的安稳区内作业；如图4所示；异步发电机的转子速度高于同步转速.当风力机传给发电机的机械功率随风速而添加时；发电机的输出功率及其反转矩也相应增大.作业点发作改动.当转子速度高于同步转速3%～5%时到达最大值；若超越这个转速；异步发电机进入不安稳区；发作的反转矩减.贾伦傺杆偕撸灰鸱沙担徽馐鞘治Ｏ盏. b）变速恒频发电体系 　　当前风力发电体系选用最多的异步发电机都归于恒速恒频发电体系；但变速恒频发电体系能够使风力机在很大风速方案内按最佳功率作业的重要长处；越来越导致大家的注重.从风力机的作业原理可知；这就需求风力机的转速正比于风速并坚持一个安稳的最佳叶尖速比 ；然后使风力机的风能运用系数 坚持最大值不变；风力发电机组输出最大的功率；最大极限的运用风能；前进了风力机的作业功率.自上世纪90年代开端；国外新建的大型风力发电体系大多选用变速恒频办法；特别是兆瓦级以上大容量风电体系；因为此刻最大极限捕获风能、前进发电功率的含义非常重要. 　　可用于风力发电的变速恒频发电体系多种；如交─直─交体系、磁场调制发电机体系、沟通励磁双馈发电机体系、无刷双馈发电机体系、爪极式发电机体系、开关磁阻发电机体系等；这些变速恒频发电体系有的是发电机与电力电子设备相结合完结变速恒频的；有的是经过改造发电机自身布局而完结变速恒频的.这些体系都有个人的特色；能够适用于各种不相同场合. 为充分运用风能；应深化研讨各种变速恒频技能.下面将对各种电机体系加以简略剖析. （1）交─直─交风力发电体系 　　这种体系中的变速恒频操控是在电机的定子电路中完结的.因为风速的不断改动；风力机和发电机也随之变速旋转；发作频率改动的电功率.发电机宣布频率改动的沟通电首要经过三相桥式整流器整流成直流电；再经过逆变器直流电改换为安稳电网频率的沟通电.因而；变频器的容量和发电机体系的容量相同. 　　这种体系在并网时没有电流冲击；对体系几乎没有影响.在此体系中能够选用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等.而在这几种发电机中；鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用；因为其转子布局都很简略简略制作和保护；而且没有滑环和电刷；励磁办法也比拟简略；特别是永磁同步电机不需求外部励磁. （2）磁场调制发电机体系 　　这种变速恒频发电体系由一台专门描绘的高频沟通发电机和一套电力电子改换电路组成.发电机自身具有较高的旋转频率 ；与通常同步电机不相同的是；它不必直流电励磁；而是用频率为 的低频沟通电励磁（ 即为所需求的输出频率；通常为50Hz）；当频率 远低于频率 时；发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个重量组成的调幅波；这个调幅波的包络线的频率是 ；包络线所包含的高频波的频率是 .将三个相绕组接到一组并联桥式整流器；得到根本频率为 的全波整流正弦脉动波.再经过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向.最终经滤波器滤去高次谐波；即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波.输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位；正是这一特色使得磁场调制发电机非常适宜于并网风力发电体系.与前而的交─直─交体系比拟；磁场调制发电机体系的特色是： ① 因为经桥式整流器后得到的是正弦脉动波；输入晶闸管开关电路后根本上是在波形过零点时开关换向.因而换向简略简略；换向损耗.低承式细. ② 晶闸管开关电路输出波形中谐波重量很.倚巢ㄆ德屎芨撸缓芤茁巳ィ灰虼丝梢缘玫较嗟焙玫恼沂涑霾ㄐ. ③ 磁场调制发电机体系的输出频率在原理上与励磁电流频率相同；因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联作业非常简略牢靠.这种发电机体系的首要缺陷与交─直─交体系相似；即电力电子改换设备处在主电路中；因而容量较大.比拟适宜用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电体系. ④ 发电机要经特别描绘；不能运用通常办法的发电机. （3）沟通励磁双馈发电机体系 　　体系如图5（d）所示；选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机；其布局与绕线式异步电机相似.当风速改动导致发电机转速 改动时；操控转子电流的频率；可使定子频率安稳. 　　当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时；处于亚同步状况；此刻变频器向发电机转子供应沟通励磁；发电机由定子宣布电能给电网，当 时；处于超同步状况；此刻发电机一起由定子和转子宣布电能给电网；变频器的能量逆向流向，当 时；处于同步状况；此刻发电机作为同步电机作业；变频器向转子供应直流励磁. 　　因而；当发电机的转速 改动时；若操控变频器励磁相应改动；即能够使定子电流频率坚持安稳不变；即与电网频率坚持一致；也就完结了变速恒频操控. 　　因为这种变速恒频操控方案是在转子电路完结的；流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速作业方案所决议的转差功率；该转差功率仅为定子额外功率的一有些；因而变频器的容量仅为发电机容量的一小有些；这样变频器的本钱将会大大下降. 　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；减小变频器的容量外；在磁场定向矢量操控下还可完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果.但交─交变频器输出特性差；6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波；严重影响发电质量；有必要进行谐波按捺.只要12脉波、72管交─交变频器布局契合励磁电源需求；但布局、操控杂乱；不适宜风力发电体系.当前国际上开发运用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源；具有功率双向活动才能；布局、操控便利；是一种有用的励磁变频器.此外绕线式沟通励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊.匀徊皇恢帜苁迪止ひ涤τ玫幕. （4）无刷双馈发电机体系 　　体系选用的发电机为无刷双馈发电机.其定子有两套极数不相同的绕组；一个称为功率绕组；直接接电网，另一个称为操控绕组；经过双向变频器接电网.其转子为鼠笼型布局；取消了电刷和滑环；转子的极数应为定子两个绕组极对数之和.这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和操控绕组的效果别离适当于有刷沟通励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组；因而；尽管这两种发电机的作业机制有着实质的差异；但却能够经过相同的操控战略完结变速恒频操控；不再赘述. 　　尽管这种变速恒频操控方案是在定子电路完结的；但流过定子操控绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小有些；双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小有些. 　　相同；这种选用无刷双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；下降变频器的容量外；还可在矢量操控战略下完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果；一起发电机自身没有滑环和电刷；既下降了电机的本钱；又前进了体系作业的牢靠性.该种变速恒频风电体系如今已被工业界遍及选用. （5）爪极式发电机体系 　　无刷爪极自励发电机与通常同步电机的差异仅在于它的励磁体系有些.其定子铁心及电枢绕组与通常同步电机根本相同.因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路布局；一切各对极的磁势均来自一套一起的励磁绕组；因而与通常同步发电机比拟；励磁绕组所用的资料较.璧睦殴β室步闲.关于一台8极电机；在每极磁通及磁路磁密相同的条件下；爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所耗费的励磁功率将不到通常同步电机的一半；故具有较高的功率.别的无刷爪极电机与永磁电机相同均系无刷布局；根本上不需求保护.与永磁发电机比拟；无刷爪极发电机除了机械冲突力矩外根本上没有什么起动阻力矩.另一个长处是具有很好的调理功能；经过调理励磁能够很便利地操控它的输出特性；并有能够使风力机完结最佳叶尖速比作业；得到最棒的作业功率.这种发电机非常适宜用于千瓦级的风力发电设备中.但该项技能的最大功率盯梢（MPPT）尚处在研讨期间. （6）开关磁阻发电机体系 　　开关磁阻式风力发电体系是以开关磁阻发电机为机电能量改换中心.开关磁阻发电机为双凸极电机；定子、转子均为凸极齿槽布局；定子上设有会集绕组；转子上既无绕组也无永磁体.由此带来改换器及操控、驱动的简洁性.风力机的功率特性有其自身的特色；为了使风能捕获的效果最佳；就有必要使开关磁阻发电机与风力机能够杰出的合作；经过对发电体系的操控；使风力机作业在最佳功率负载线上；开关磁阻发电机自身也具有可控参数多、非线性、短少清晰的数学模型的特色.与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机比拟；开关磁阻发电机具有显着的容错才能强、组合起动与发电简略、适宜高温（>250°C）和高速（>30000r/min）环境作业以及大容量、高功率、高功率密度作业等长处.该发电机气隙磁场和相磁链随转子方位和绕组相电流而继续、周期性改动；没有传统电机的安稳磁路作业点；而是一个动态三维磁空间.开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组；而是与会集嵌放的定子电枢合二为一；并经过操控器分时操控完结励磁与发电；因而简化了布局；前进了牢靠性.一起；该发电机相绕组间无电耦合；其容错才能大大增强.别的；开关磁阻发电机机械布局简略、巩固牢靠. 　　总归；经过以上的比照剖析；可知： ① 若是将风力机和发电机直接耦合；省去变速箱；这样能够大大下降本钱；削减保护；而且能够下降体系噪音；防止齿轮箱漏油的难题. ② 风力发电机坐落室外高空狭小而关闭的机舱内；通风条件较差；而电机大多是密闭布局；靠外壳故热；因而需求发电机耐高温功能好；开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势. ③ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系的变频器容量仅为体系总容量的一有些；所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电体系；其他方案适用于小容量的风力发电体系. ④ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系可在亚同步和超同步状况下作业；因而具有更宽的风速作业方案. ⑤ 无刷双馈电机省去了滑环和电刷；布局简略；巩固牢靠.在转子转速改动的条件下；经过操控励磁绕组的励磁电流频率来保证发电机输出电流的频率坚持在50Hz不变；非常适用于风力发电体系；是当今国际风力发电的开展趋势. 这几种变速恒频体系的功能比照剖析见表4所示. 表4 几种变速恒频方案的比照剖析 Tab。4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器体系 　　由发电机和电力电子器材构成的广泛运用的6种风力发电体系布局如图5所示.下面临图5中的风力发电体系布局加以简略阐明. 图a是二十世纪八十年代到九十年代被许多风机制作商运用的比拟传统的布局；如运用鼠笼型转子的异步发电机的优势式、失速调理、三桨叶风力机就是这种布局.在八十年代这种布局被扩大；为抵偿无功功率运用了电容器组；为滑润并网运用了电机软起动器. 　　图b是用全程方案或“低风速区域”巨细的变频器替代了图a中的电容器组和电机软起动器.“低风速区域”巨细的变频器的功率仅为发电机额外功率的20-30％；而全程方案的变频器功率大约为发电机额外功率的120％；但它能使风力发电机在一切风速下变速作业. 　　图c这种布局是二十世纪九十年代中期；Vestas风力机厂出产的名为“Optislip”风力机所选用的布局.这种布局的根本思维是运用电力电子改换器改动外部的转子电阻；来改动总的转子电阻；然后使转差率有10％的改动方案.操控了转差率也就操控了体系的输出功率. 　　图d这种布局运用双馈异步发电机；用变频器直接操控转子绕组里的电流.用功率为发电机额外功率的20-30％电力电子改换器；即可操控整个的发电机输出功率.有两个缘由推进这种布局得到广泛运用：1）较图c的布局有更宽的调速方案， 2）较全功率改换器更经济. 　　图e这种个功率操控布局的典型运用是在帆海船舶上作为电源.无齿轮箱；经过两个或三个叶片的优势式风力机与永磁发电机相连；宣布的电能经整流器给蓄电池充电.这种布局的风力机也能够运用于家庭风电体系或混合风电体系；这时风力机通常大于1kW小于20kW.ABB公司在2013年运用这种布局提出一个新的想象：用多极3。 5MW永磁发电机宣布电能后经二极管整流器发作21kV直流电；然后经高压直流输电并入电网.因而能够这种布局将是国际风力发电的开展的另一个趋势. 鼠笼型转子异步电机： （a） （b） 绕线型转子异步电机： （对应内反响调速） （对应串级调速） 绕线型转子同步电机： 图5 广泛运用的风力发电体系布局图 Fig。5 Applied widely diagram of wind power generation system 　　图f这种布局运用多极的绕线式同步发电机.因为它运用的是多极发电机；所以它不需求齿轮箱.它是经过整流器从电机外部来励磁的.与前几种布局比拟.这种布局吸引力不大是因为三种缘由：1）需求励磁电路，2）需求滑环，3）风力机愈加杂乱的保战略. 　　当前；电力电子变流设备许多；表5列出运用于风力发电的六种典型电气拓扑的开展现状. 表5 几种典型变流器拓扑布局的技能现状 Tab。5 Technology status of several typical converter 1。中国风力发电技能的研讨开展现状(Domestic status of wind power generation technology) 　　风能作为一种绿色动力；日益遭到教授学者的注重.一起；风力发电技能也逐步成为科研人员研讨的热门.风力发电的进程就是风能经由机械能改换为电能的进程；其间风力发电机及其操控体系担任将机械能改换为电能；这一有些是整个体系的中心；直接影响着整个体系的功能、功率和电能质量；也影响到风能吸收设备的作业办法、功率和布局.因而；研发适用于风电改换的高牢靠性、高功率、操控及供电功能杰出的发电机体系；是风力发电技能的研讨要点.当前国内对风力发电技能研讨较深化的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研讨所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等. 　　当前；在政府方针及资金撑持和出产厂家的不断尽力下；当前；国产大中型风力机组的研发获得了长足的开展；200kW、600kW风力机国产化作业获得很好效果；金风公司出产的风力发电机组的国产化率现已到达96%；商品化才能也得到了很大的前进；尽管在一些要害部件和技能上仍然依托进口；但因为价钱低、售后修理便利等优势；现已开端在国内商场具有和国外大型风力发电设备出产厂商竞赛的才能.尽管国产大型风力发电设备出产刚刚开展和起步；还无法占有国内商场的较大分额；但当前在我国新装机容量中现已占有较大比重；在2013年新增的风力机装机容量中；国产份额现已到达42。6%；如表6所示；仅金风和西安维德两公司占有的商场份额就到达了36。7％.我国风力机制作业刚刚起步；从占有国内商场到走向国际商场还需求更多的尽力；把握更多的中心和要害技能.表7列出了我国　　　风力机总装机各制作厂商的商场份额排序.因而我国的风力发电技能还有很长一段路要走. 表6 2013年我国风力机新增装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory in new increase in 2002 表7当前我国风力机总装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory at present 1。国家方针(National policy) 　　尽管我国近几年风电开展很快；装机量以每年20%～30％以上的速度递加；但风电仍仅占全国电力总装机的0。11%；因而我国的风力发电当前仍处于起步期间.公司出产方案.ひ占际趼浜螅灰恍┰牧虾筒饭潭鹊停患哟罅瞬返纳杀.为非常好地施行国家可继续开展和西部大开发战略；国家发改委、科技部、国家经贸委拟定了新动力和可再生动力工业开展的“十一五”方案；其间包含国家的“乘风方案”、光亮工程和“863”方案后续动力技能主题等国家严重科技开展方案.指导思维是以商场为导向；挑选老练的、具有商场远景的技能产物作为工业开展的要点；提出合理的开展方针；拟定契合商场开展的工业方针.采纳标准商场的办法；进一步推进新动力和可再生动力技能的开发和运用.要点是开发600kW及以优势力发电机组；完结方案出产，研讨开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新式风力发电机组前进10kW以下离网型风力发电机的出产技能水平；推行风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电体系.首要方针是：到2013年；新动力和可再生动力年开发量到达4300万吨标准煤；占我国其时动力耗费总量的2%，该工业将成为国民经济的一个新式职业；拉动机械、电子、化工、资料等关联职业的开展；对减轻大气污染、改进大气环境质量效果显着；将削减3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供应近50万个作业岗位.可见；有了国家的注重和方针的撑持；作为首要可再生动力的风力发电职业；也必将有宽广的开展远景. 2。结束语(Conclusion) 　　我国从1986年树立第一个风电场起到1994年电力部出飓风电并网和还本付息电价的规则；风电场是运用本国政府拨款或外国政府赠款建造的；首要对风电并网技能的可行性进行演示.在1995年由电力部主办的北京国际风能会议上；正式提出2013年末我国风电装机方案为1000MW的方针.当前各省电力公司现已成为出资风电项目、树立风电公司的主体.融资办法有来自国家经贸委“双加工程”的贴息借款；有来自许多国家的优惠软借款以及一些商业银行借款. 　　作为一种有出路的新动力；风力发电职业必定股动风力机工业的迅速开展；据开端估量在本世纪的前五十年中；我国的风力机工业及其关联工业将有7000亿元的商场潜力；均匀每年到达140亿元；可望成为我国21世纪经济与社会效益都非常显着的新式工业.当前国际风力发电设备制作厂商纷繁进驻中国；运用中国大力开展风力发电的要害；占有中国风力发电市.绕涫谴蠊β史缌Ψ⒌缁谐. 　　当前国外的风力机厂商供应我国的风力机归纳造价现已从每千瓦10000元以上下降到每千瓦9500元（600kw风电机组）左右；国产机组（600kw风电机组）归纳造价为每千瓦7650元以下；并有进一步下降的空间.因而在寻求国家方针撑持的前提下；完结和进一步前进大型风力发电体系国产化；将大大下降我国风力发电的本钱；推进我国风力发电作业的开展；一起也为社会供应了一个新的经济添加点；并供应许多作业机会.

1。导言(Introduction) 　　国际上越来越多的国家认识到；一个能够继续开展的社会应该是一个既能满意社会的需求；而又不危及子孙后代出路的社会.因而节约动力(Save Energy)；前进动力运用功率(Energy Using Efficiency)；尽能够多地运用洁净动力(Green Energy)替代高含碳量的矿藏燃料；应是各国动力建造遵从的准则.这些年；大家现已逐步认识到风力发电(Wind Power Generation)在减轻环境污染、调整电网中的动力布局、处理偏远区域居民用电难题等方面的杰出效果；无论从调整电网布局；仍是从商业化方面都推进大家开端注重开展风力发电. 　　国际上运用风力发电是上个世纪开展壮大起来的.从八十年代中期到九十年代中期；国际风力发电技能获得了日新月异的开展；九十年代以来；国际风力发电容量以均匀每年30%的速度添加；已成为国际动力中添加最快的一种；而且风力机的描绘、制作技能趋向老练；产物进入商品化期间；功率等级从几十kW跃升至600kW；并有兆瓦级风力发电机面世；发电本钱竞赛力越来越强；一起；风电场建造和办理的水平以及方案也上升到簇新的期间.近十几年来风力发电机产物质量有了显着前进；作为一种新的、安全牢靠的、洁净的动力而遭到国际优势资源丰富国家的注重与大方案开发.图1示出了上世纪九十年代前期到本世纪初的国际风力发电的添加趋势. 图1 风力发电装机容量的快速添加 Fig。1 Fast increase of wind power generation 1。国际风力发电的开展状况(Global status of wind power generation) 　　跟着风力发电在技能上日益老练；已开端具有同燃油、燃煤、核能等发电技能相竞赛的技能经济性.风力机的单机容量也越来越大；国际上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7。3MW；风车直径到达112米.当前国际商品化的大型风力机功率也现已到达两兆瓦以上；我国当前作业的最大风力发电机为4台Nordex公司出产的1。3MW风力发电机；坐落辽宁营口仙人岛风力发电厂. 　　跟着制作和作业本钱不断下降；大型风力发电机组单位电价现已挨近传统火力发电水平;商业化机组已有十余年杰出作业的记载；作业的牢靠性到达98%以上.对风力机设备的配套技能也日益完善；风力发电机组悉数完结会集和长途操控；商业性风力发电场已形成了适当的方案和经济效益.风力发电场逐步从陆地转移到海上；其开展空间和远景愈加宽广. 　　近五年；欧洲商场的年均匀添加率为35%.2013年全年；欧洲新增装机容量到达587lMW；表1示出了2013年欧盟首要国家风力机装机状况.德国、西班牙和丹麦占其间的90%；当前德国风电总装机容量现已到达12001MW；占其国家电力总需求的4。7％；丹麦风电总装机容量到达2880MW；占国内电力需求的20%.当今国际风电开展较快的国家还有美国、荷兰等；这些国家也一起开发了大型的商业化风力发电机组.丹麦是国际上大型风力发电机产值最多的国家；出口量也居国际首位. 　　首届国际风能大会2013年4月2日至5日在法国巴黎举办；这次会议是由欧洲风能协会及美国风能协会一起主办的.欧洲风能协会剖析指出；与其他区域比拟；欧洲的风能发电开展最快；欧洲风能发电的总功率到达1。9万MW；占全国际风能发电才能的70%以上.国际优势能运用最棒、开展最快、技能比拟先进的国家别离是德国、美国、丹麦、荷兰. 表1 2013年欧盟首要国家风力机装机计算(单位:MW) Tab。1 EU country’s capacity of wind turbine in 2002 1。我国风力发电的开展状况(Domestic status of wind power generation) 　　我国地域宽广；地处北纬阳光充分的亚热带区域.据教授猜测；我国风能储量大；散布广；全国大约有2/3的区域为多风地带.全年均匀风速3m/s及以上的时刻达3000～5000h。均匀风能密度为100W/m2；可开发的风能资源约2。53亿kW.因而我国具有大方案开展风电的资源条件.我国风能资源的散布如表2. 表2 中国有些省风能储量(单位：GW) Tab。2 Wind power reserve of Chinese province 　　我国风力发电从20世纪80年代末开端起步；到2013年末；全国累计风电装机总容量到达近47万kW左右；风电场开展到32个；如表3所示.其间新疆达坂城风电场累计设备风力发电机组179台；装机容量到达7。7万kW；广东南澳风电场设备风力发电机组130台；装机容量到达5。7万kW；内蒙辉腾锡勒风电场装机容量也超越4万kW；福建的坪潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在方案建造500kW、600kW、800kW容量不等的风力发电.饩鑫薜绲厍┠撩裆钣玫绶⒒恿酥匾饔.2013年进入施工期间和可行性研讨期间的别离到达91。6MW和223MW；我国风力发电作业将有一个更大的开展.辽宁、新疆、广东现已成为我国风力发电最多的三个省区；其他各个省区也依据当地的风资源状况大力开展风力发电作业. 表3 2013年我国风电厂装机容量排序 Tab。3 Order of Chinese wind power factory capacity in 2002 　　我国自主开发的200～300kW级风电机组的国产化率已超越90%，600kW机组样机的国产化率到达80%左右.我国具有了自行研发开发容量从100W到10kW的10多种小型风力发电机的才能；还开发了一批风/光、风/柴联合发电体系. 1。国外的风力发电技能的开展概略(Global status of wind power generation technology) 　　风力发电体系的通常组成布局如图2；首要经过桨叶将风能转化为风机转变的机械能；因为风机的转速大多比拟低；需求用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额外转速邻近；再经过发电机将机械能转化为电能；电力电子变流器将发电机输出的电能改换为适宜幅值或频率的电压、电流；经过并网变压器升压后接入大电网.关于当前呈现的一些低转速发电机；图中的齿轮箱能够省去.体系转速、功率等作业状况的操控能够经过改动风机桨叶的节距角完结；也可经过电力电子变流器来调理发电机的电磁力矩完结.关于小型风力发电机组来说；经过电力电子变流器来调理发电机电磁力矩的办法更便利；能够省掉变桨距组织；减小体系描绘制作的难度. 图2 风力发电体系组成布局框图 Fig。2 Diagram of wind power generation system 　　现代风力机的开展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机；它的首要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、劣势式风力机.自从那时开端；许多新的想象被提出并运用于实践中；特别1973年的石油危愈加快了这一进程的开展.七十年代末；名为“Riisager”的22kW风力机；拓荒了一个新的范畴；它是用并不贵重的汽车标准零件制成的；在许多的私家庄园和农舍得到成功的运用. 　　比来二十年的时刻里；风力机的输出功率从20kW开展到2MW.风力发电技能方面也获得了很大开展：一是在风力机自身的操控技能.在曩昔的十四年里运用了浆距操控技能；比来失速调理技能又得到实践运用，二是在电气技能上.自从1993年开端；有些出产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机.三在风力发电体系中电力电子技能的前进也引出了新的操控思维──变速恒频操控. 风力发电体系的两个首要部件是风力机和发电机；而风力机的变桨距功率调理技能和发电机的变速恒频发电技能是风力发电技能开展的必定趋势；别的用于变流器体系的电力电子技能直接决议了发作的电能质量；这三项技能一起也是风力发电中的要害中心技能.下面侧重剖析一下这三方面技能的研讨概略. 一、风力机的变桨距功率调理技能 a) 风力机的特性曲线 　　风力机经过叶轮捕获风能；将风能改换为效果在轮毂上的机械转矩.由空气动力学特性可知；经过叶轮旋转面的风能不能悉数被叶轮吸收运用；能够定义出一个风能运用系数Cp： 式中： ——t时刻内叶轮吸收的风能， ——t时刻内经过叶轮旋转面的悉数风能， ——单位时刻内叶轮吸收且改换的机械能；即风力机的机械输出功率， ——单位时刻内经过叶轮扫掠面的风能；即风力机的输入功率. 对一台实践的风力机；其捕获风能转变为机械输出功率 的表达式为： 式中： ——空气密度(kg/m3)， A——叶轮的扫掠面积(m2)， D——叶轮的直径(m). 系数 ；反映了风力机吸收运用风能的功率；是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有联系的量.风力机的特性通常用风能运用系数 （叶尖速比 ）曲线来表明；如图3所示. 图3 风力机的特性曲线 Fig。3 Curve of wind turbine characteristic 不相同浆距角 时；风能运用系数 对应的叶尖速比 不相同.叶尖速比： 式中： ——为叶轮半径(m)， ——风力机的机械转速(rad/s)， ——效果于风力机的迎面风速(m/s). 关于同一 ；风力机能够有两个作业点；它们别离对应于风力机的高风速作业区和低风速作业区.当风速改动时风力机的作业点即将发作改动. 　　风力机的全体描绘和相应的作业操控战略应尽能够寻求 最大；然后添加其输出功率.但是实践运用中输出功率的前进却遭到两方面的约束：一方面是电气回路中元器材的功率约束，另一方面是机械传动体系布局部件存在转速上限.因而风机存在三个典型作业状况：保证安稳 ；操控风力机转速（坚持 不变）直到转速到达极限，风力机以安稳速度作业；经过调理风力机可使 具有较大数值；直到最大输出功率，当风速过大；输出功率到达极限时风力机按安稳功率操控；使输出功率约束在额外值邻近. b)风力机的功率调理 　　功率调理是风力机的要害技能之一； 当前投入作业的机组首要有两类功率调理办法：一类是定浆距失速操控，另一类是变浆距操控. (1)定浆距失速操控 　　风力机的功率调理彻底依托叶片的气动特性；称为定浆距风力发电机组.这种机组的输出功率随风速的改动而改动；从 的联系看；难以保证在额外风速之前 最大；特别是在低风速段.这种机组通常描绘有两个不相同功率、不相同极对数的异步发电机.大功率高转速的发电机作业于高风速区；小功率低转速的发电机作业于低风速区； 由此来调整 ；寻求最佳 .当风速超越额外风速时；经过叶片的失速或偏航操控下降 ；然后坚持功率安稳.实践上难以做到功率安稳；通常有些下降. (2)变浆距操控 　　为了尽能够前进风力机风能改换功率和保证风力机输出功率平稳；风力机将进行浆距调整.在定浆距基础上加装浆距调理环节；称为变浆距风力机组.变浆距风力发电机组的功率调理不彻底依托叶片的气动特性；它要依托与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改动来进行调理.在额外风速以下时攻角处于零度邻近；此刻；叶片视点受操控环节精度的影响；改动方案很.煽醋鞯韧诙喾缁.在额外风速以上时；变浆距组织发挥效果；调整叶片攻角；保证发电机的输出功率在答应方案以内.变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低；停时传动机械的冲击应力相对平缓.风机正常作业时；首要选用功率操控.关于功率调理速度的反响取决于风机浆距调理体系的灵敏度.在实践运用中；因为功率与风速的三次方成正比；风速的较小改动将形成风能较大的改动.风机输出功率处于不断改动中；浆距调理组织频频举措.风机浆距调理组织对风速的反响有必定的时延；在阵风呈现时；浆距调理组织来不及举措而形成风机瞬时过载；不利于风机的作业. 　　比拟来看；定浆距失速操控风力机整机组织简略；部件少；造价低；并具有较高的安全系数；利于商场竞赛.但失速型叶片自身布局杂乱；成型工艺难度也较大. 　　跟着功率增大；叶片加长；所接受的气动推力增大；叶片的失速动态特性不易操控；使制作更大机组遭到约束.变浆距型风力机能使叶片的设备角随风速而改动；然后便风力机在各种工况下（起动、正常作业、停）按最佳参数作业.它能够使发电机在额外风速以下的作业区段有较高的发电量；而在额外风速以上高风速区段不超载；不需求过载才能大的发电机等等.当然它的缺陷是需求有一套比拟杂乱的变距调理布局.如今这两种功率调理方案在技能上都比曩昔的有很大改进；都为大、中型风力发电机组广泛选用. 二、发电机的变速恒频发电技能 　　异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电体系和变速恒频发电体系. a）恒速恒频发电体系 　　恒速作业的风力机转速不变；而风速常常改动；因而叶尖速比 不能够常常坚持在最佳值； 值往往与最大值相差很大；使风力机常常作业于低效状况. 图4 异步电机输出功率曲线 Fig。4 Curve of IM output power 　　恒速恒频发电体系中；多选用笼型异步电机作为并网作业的发电机；并网后在电机机械特性曲线的安稳区内作业；如图4所示；异步发电机的转子速度高于同步转速.当风力机传给发电机的机械功率随风速而添加时；发电机的输出功率及其反转矩也相应增大.作业点发作改动.当转子速度高于同步转速3%～5%时到达最大值；若超越这个转速；异步发电机进入不安稳区；发作的反转矩减.贾伦傺杆偕撸灰鸱沙担徽馐鞘治Ｏ盏. b）变速恒频发电体系 　　当前风力发电体系选用最多的异步发电机都归于恒速恒频发电体系；但变速恒频发电体系能够使风力机在很大风速方案内按最佳功率作业的重要长处；越来越导致大家的注重.从风力机的作业原理可知；这就需求风力机的转速正比于风速并坚持一个安稳的最佳叶尖速比 ；然后使风力机的风能运用系数 坚持最大值不变；风力发电机组输出最大的功率；最大极限的运用风能；前进了风力机的作业功率.自上世纪90年代开端；国外新建的大型风力发电体系大多选用变速恒频办法；特别是兆瓦级以上大容量风电体系；因为此刻最大极限捕获风能、前进发电功率的含义非常重要. 　　可用于风力发电的变速恒频发电体系多种；如交─直─交体系、磁场调制发电机体系、沟通励磁双馈发电机体系、无刷双馈发电机体系、爪极式发电机体系、开关磁阻发电机体系等；这些变速恒频发电体系有的是发电机与电力电子设备相结合完结变速恒频的；有的是经过改造发电机自身布局而完结变速恒频的.这些体系都有个人的特色；能够适用于各种不相同场合. 为充分运用风能；应深化研讨各种变速恒频技能.下面将对各种电机体系加以简略剖析. （1）交─直─交风力发电体系 　　这种体系中的变速恒频操控是在电机的定子电路中完结的.因为风速的不断改动；风力机和发电机也随之变速旋转；发作频率改动的电功率.发电机宣布频率改动的沟通电首要经过三相桥式整流器整流成直流电；再经过逆变器直流电改换为安稳电网频率的沟通电.因而；变频器的容量和发电机体系的容量相同. 　　这种体系在并网时没有电流冲击；对体系几乎没有影响.在此体系中能够选用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等.而在这几种发电机中；鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用；因为其转子布局都很简略简略制作和保护；而且没有滑环和电刷；励磁办法也比拟简略；特别是永磁同步电机不需求外部励磁. （2）磁场调制发电机体系 　　这种变速恒频发电体系由一台专门描绘的高频沟通发电机和一套电力电子改换电路组成.发电机自身具有较高的旋转频率 ；与通常同步电机不相同的是；它不必直流电励磁；而是用频率为 的低频沟通电励磁（ 即为所需求的输出频率；通常为50Hz）；当频率 远低于频率 时；发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个重量组成的调幅波；这个调幅波的包络线的频率是 ；包络线所包含的高频波的频率是 .将三个相绕组接到一组并联桥式整流器；得到根本频率为 的全波整流正弦脉动波.再经过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向.最终经滤波器滤去高次谐波；即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波.输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位；正是这一特色使得磁场调制发电机非常适宜于并网风力发电体系.与前而的交─直─交体系比拟；磁场调制发电机体系的特色是： ① 因为经桥式整流器后得到的是正弦脉动波；输入晶闸管开关电路后根本上是在波形过零点时开关换向.因而换向简略简略；换向损耗.低承式细. ② 晶闸管开关电路输出波形中谐波重量很.倚巢ㄆ德屎芨撸缓芤茁巳ィ灰虼丝梢缘玫较嗟焙玫恼沂涑霾ㄐ. ③ 磁场调制发电机体系的输出频率在原理上与励磁电流频率相同；因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联作业非常简略牢靠.这种发电机体系的首要缺陷与交─直─交体系相似；即电力电子改换设备处在主电路中；因而容量较大.比拟适宜用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电体系. ④ 发电机要经特别描绘；不能运用通常办法的发电机. （3）沟通励磁双馈发电机体系 　　体系如图5（d）所示；选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机；其布局与绕线式异步电机相似.当风速改动导致发电机转速 改动时；操控转子电流的频率；可使定子频率安稳. 　　当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时；处于亚同步状况；此刻变频器向发电机转子供应沟通励磁；发电机由定子宣布电能给电网，当 时；处于超同步状况；此刻发电机一起由定子和转子宣布电能给电网；变频器的能量逆向流向，当 时；处于同步状况；此刻发电机作为同步电机作业；变频器向转子供应直流励磁. 　　因而；当发电机的转速 改动时；若操控变频器励磁相应改动；即能够使定子电流频率坚持安稳不变；即与电网频率坚持一致；也就完结了变速恒频操控. 　　因为这种变速恒频操控方案是在转子电路完结的；流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速作业方案所决议的转差功率；该转差功率仅为定子额外功率的一有些；因而变频器的容量仅为发电机容量的一小有些；这样变频器的本钱将会大大下降. 　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；减小变频器的容量外；在磁场定向矢量操控下还可完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果.但交─交变频器输出特性差；6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波；严重影响发电质量；有必要进行谐波按捺.只要12脉波、72管交─交变频器布局契合励磁电源需求；但布局、操控杂乱；不适宜风力发电体系.当前国际上开发运用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源；具有功率双向活动才能；布局、操控便利；是一种有用的励磁变频器.此外绕线式沟通励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊.匀徊皇恢帜苁迪止ひ涤τ玫幕. （4）无刷双馈发电机体系 　　体系选用的发电机为无刷双馈发电机.其定子有两套极数不相同的绕组；一个称为功率绕组；直接接电网，另一个称为操控绕组；经过双向变频器接电网.其转子为鼠笼型布局；取消了电刷和滑环；转子的极数应为定子两个绕组极对数之和.这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和操控绕组的效果别离适当于有刷沟通励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组；因而；尽管这两种发电机的作业机制有着实质的差异；但却能够经过相同的操控战略完结变速恒频操控；不再赘述. 　　尽管这种变速恒频操控方案是在定子电路完结的；但流过定子操控绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小有些；双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小有些. 　　相同；这种选用无刷双馈发电机的操控方案除了可完结变速恒频操控；下降变频器的容量外；还可在矢量操控战略下完结有功、无功功率的灵敏操控；对电网而言可起到无功抵偿的效果；一起发电机自身没有滑环和电刷；既下降了电机的本钱；又前进了体系作业的牢靠性.该种变速恒频风电体系如今已被工业界遍及选用. （5）爪极式发电机体系 　　无刷爪极自励发电机与通常同步电机的差异仅在于它的励磁体系有些.其定子铁心及电枢绕组与通常同步电机根本相同.因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路布局；一切各对极的磁势均来自一套一起的励磁绕组；因而与通常同步发电机比拟；励磁绕组所用的资料较.璧睦殴β室步闲.关于一台8极电机；在每极磁通及磁路磁密相同的条件下；爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所耗费的励磁功率将不到通常同步电机的一半；故具有较高的功率.别的无刷爪极电机与永磁电机相同均系无刷布局；根本上不需求保护.与永磁发电机比拟；无刷爪极发电机除了机械冲突力矩外根本上没有什么起动阻力矩.另一个长处是具有很好的调理功能；经过调理励磁能够很便利地操控它的输出特性；并有能够使风力机完结最佳叶尖速比作业；得到最棒的作业功率.这种发电机非常适宜用于千瓦级的风力发电设备中.但该项技能的最大功率盯梢（MPPT）尚处在研讨期间. （6）开关磁阻发电机体系 　　开关磁阻式风力发电体系是以开关磁阻发电机为机电能量改换中心.开关磁阻发电机为双凸极电机；定子、转子均为凸极齿槽布局；定子上设有会集绕组；转子上既无绕组也无永磁体.由此带来改换器及操控、驱动的简洁性.风力机的功率特性有其自身的特色；为了使风能捕获的效果最佳；就有必要使开关磁阻发电机与风力机能够杰出的合作；经过对发电体系的操控；使风力机作业在最佳功率负载线上；开关磁阻发电机自身也具有可控参数多、非线性、短少清晰的数学模型的特色.与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机比拟；开关磁阻发电机具有显着的容错才能强、组合起动与发电简略、适宜高温（>250°C）和高速（>30000r/min）环境作业以及大容量、高功率、高功率密度作业等长处.该发电机气隙磁场和相磁链随转子方位和绕组相电流而继续、周期性改动；没有传统电机的安稳磁路作业点；而是一个动态三维磁空间.开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组；而是与会集嵌放的定子电枢合二为一；并经过操控器分时操控完结励磁与发电；因而简化了布局；前进了牢靠性.一起；该发电机相绕组间无电耦合；其容错才能大大增强.别的；开关磁阻发电机机械布局简略、巩固牢靠. 　　总归；经过以上的比照剖析；可知： ① 若是将风力机和发电机直接耦合；省去变速箱；这样能够大大下降本钱；削减保护；而且能够下降体系噪音；防止齿轮箱漏油的难题. ② 风力发电机坐落室外高空狭小而关闭的机舱内；通风条件较差；而电机大多是密闭布局；靠外壳故热；因而需求发电机耐高温功能好；开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势. ③ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系的变频器容量仅为体系总容量的一有些；所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电体系；其他方案适用于小容量的风力发电体系. ④ 沟通励磁双馈发电机体系和无刷双馈发电机体系可在亚同步和超同步状况下作业；因而具有更宽的风速作业方案. ⑤ 无刷双馈电机省去了滑环和电刷；布局简略；巩固牢靠.在转子转速改动的条件下；经过操控励磁绕组的励磁电流频率来保证发电机输出电流的频率坚持在50Hz不变；非常适用于风力发电体系；是当今国际风力发电的开展趋势. 这几种变速恒频体系的功能比照剖析见表4所示. 表4 几种变速恒频方案的比照剖析 Tab。4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器体系 　　由发电机和电力电子器材构成的广泛运用的6种风力发电体系布局如图5所示.下面临图5中的风力发电体系布局加以简略阐明. 图a是二十世纪八十年代到九十年代被许多风机制作商运用的比拟传统的布局；如运用鼠笼型转子的异步发电机的优势式、失速调理、三桨叶风力机就是这种布局.在八十年代这种布局被扩大；为抵偿无功功率运用了电容器组；为滑润并网运用了电机软起动器. 　　图b是用全程方案或“低风速区域”巨细的变频器替代了图a中的电容器组和电机软起动器.“低风速区域”巨细的变频器的功率仅为发电机额外功率的20-30％；而全程方案的变频器功率大约为发电机额外功率的120％；但它能使风力发电机在一切风速下变速作业. 　　图c这种布局是二十世纪九十年代中期；Vestas风力机厂出产的名为“Optislip”风力机所选用的布局.这种布局的根本思维是运用电力电子改换器改动外部的转子电阻；来改动总的转子电阻；然后使转差率有10％的改动方案.操控了转差率也就操控了体系的输出功率. 　　图d这种布局运用双馈异步发电机；用变频器直接操控转子绕组里的电流.用功率为发电机额外功率的20-30％电力电子改换器；即可操控整个的发电机输出功率.有两个缘由推进这种布局得到广泛运用：1）较图c的布局有更宽的调速方案， 2）较全功率改换器更经济. 　　图e这种个功率操控布局的典型运用是在帆海船舶上作为电源.无齿轮箱；经过两个或三个叶片的优势式风力机与永磁发电机相连；宣布的电能经整流器给蓄电池充电.这种布局的风力机也能够运用于家庭风电体系或混合风电体系；这时风力机通常大于1kW小于20kW.ABB公司在2013年运用这种布局提出一个新的想象：用多极3。 5MW永磁发电机宣布电能后经二极管整流器发作21kV直流电；然后经高压直流输电并入电网.因而能够这种布局将是国际风力发电的开展的另一个趋势. 鼠笼型转子异步电机： （a） （b） 绕线型转子异步电机： （对应内反响调速） （对应串级调速） 绕线型转子同步电机： 图5 广泛运用的风力发电体系布局图 Fig。5 Applied widely diagram of wind power generation system 　　图f这种布局运用多极的绕线式同步发电机.因为它运用的是多极发电机；所以它不需求齿轮箱.它是经过整流器从电机外部来励磁的.与前几种布局比拟.这种布局吸引力不大是因为三种缘由：1）需求励磁电路，2）需求滑环，3）风力机愈加杂乱的保战略. 　　当前；电力电子变流设备许多；表5列出运用于风力发电的六种典型电气拓扑的开展现状. 表5 几种典型变流器拓扑布局的技能现状 Tab。5 Technology status of several typical converter 1。中国风力发电技能的研讨开展现状(Domestic status of wind power generation technology) 　　风能作为一种绿色动力；日益遭到教授学者的注重.一起；风力发电技能也逐步成为科研人员研讨的热门.风力发电的进程就是风能经由机械能改换为电能的进程；其间风力发电机及其操控体系担任将机械能改换为电能；这一有些是整个体系的中心；直接影响着整个体系的功能、功率和电能质量；也影响到风能吸收设备的作业办法、功率和布局.因而；研发适用于风电改换的高牢靠性、高功率、操控及供电功能杰出的发电机体系；是风力发电技能的研讨要点.当前国内对风力发电技能研讨较深化的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研讨所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等. 　　当前；在政府方针及资金撑持和出产厂家的不断尽力下；当前；国产大中型风力机组的研发获得了长足的开展；200kW、600kW风力机国产化作业获得很好效果；金风公司出产的风力发电机组的国产化率现已到达96%；商品化才能也得到了很大的前进；尽管在一些要害部件和技能上仍然依托进口；但因为价钱低、售后修理便利等优势；现已开端在国内商场具有和国外大型风力发电设备出产厂商竞赛的才能.尽管国产大型风力发电设备出产刚刚开展和起步；还无法占有国内商场的较大分额；但当前在我国新装机容量中现已占有较大比重；在2013年新增的风力机装机容量中；国产份额现已到达42。6%；如表6所示；仅金风和西安维德两公司占有的商场份额就到达了36。7％.我国风力机制作业刚刚起步；从占有国内商场到走向国际商场还需求更多的尽力；把握更多的中心和要害技能.表7列出了我国　　　风力机总装机各制作厂商的商场份额排序.因而我国的风力发电技能还有很长一段路要走. 表6 2013年我国风力机新增装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory in new increase in 2002 表7当前我国风力机总装机各制作厂商商场份额排序 Tab。6 Market share of wind turbine factory at present 1。国家方针(National policy) 　　尽管我国近几年风电开展很快；装机量以每年20%～30％以上的速度递加；但风电仍仅占全国电力总装机的0。11%；因而我国的风力发电当前仍处于起步期间.公司出产方案.ひ占际趼浜螅灰恍┰牧虾筒饭潭鹊停患哟罅瞬返纳杀.为非常好地施行国家可继续开展和西部大开发战略；国家发改委、科技部、国家经贸委拟定了新动力和可再生动力工业开展的“十一五”方案；其间包含国家的“乘风方案”、光亮工程和“863”方案后续动力技能主题等国家严重科技开展方案.指导思维是以商场为导向；挑选老练的、具有商场远景的技能产物作为工业开展的要点；提出合理的开展方针；拟定契合商场开展的工业方针.采纳标准商场的办法；进一步推进新动力和可再生动力技能的开发和运用.要点是开发600kW及以优势力发电机组；完结方案出产，研讨开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新式风力发电机组前进10kW以下离网型风力发电机的出产技能水平；推行风/光互补、风/柴互补和风/光/柴联合供电体系.首要方针是：到2013年；新动力和可再生动力年开发量到达4300万吨标准煤；占我国其时动力耗费总量的2%，该工业将成为国民经济的一个新式职业；拉动机械、电子、化工、资料等关联职业的开展；对减轻大气污染、改进大气环境质量效果显着；将削减3000多万吨的温室气体及200多万吨二氧化硫等污染物的排放；供应近50万个作业岗位.可见；有了国家的注重和方针的撑持；作为首要可再生动力的风力发电职业；也必将有宽广的开展远景. 2。结束语(Conclusion) 　　我国从1986年树立第一个风电场起到1994年电力部出飓风电并网和还本付息电价的规则；风电场是运用本国政府拨款或外国政府赠款建造的；首要对风电并网技能的可行性进行演示.在1995年由电力部主办的北京国际风能会议上；正式提出2013年末我国风电装机方案为1000MW的方针.当前各省电力公司现已成为出资风电项目、树立风电公司的主体.融资办法有来自国家经贸委“双加工程”的贴息借款；有来自许多国家的优惠软借款以及一些商业银行借款. 　　作为一种有出路的新动力；风力发电职业必定股动风力机工业的迅速开展；据开端估量在本世纪的前五十年中；我国的风力机工业及其关联工业将有7000亿元的商场潜力；均匀每年到达140亿元；可望成为我国21世纪经济与社会效益都非常显着的新式工业.当前国际风力发电设备制作厂商纷繁进驻中国；运用中国大力开展风力发电的要害；占有中国风力发电市.绕涫谴蠊β史缌Ψ⒌缁谐. 　　当前国外的风力机厂商供应我国的风力机归纳造价现已从每千瓦10000元以上下降到每千瓦9500元（600kw风电机组）左右；国产机组（600kw风电机组）归纳造价为每千瓦7650元以下；并有进一步下降的空间.因而在寻求国家方针撑持的前提下；完结和进一步前进大型风力发电体系国产化；将大大下降我国风力发电的本钱；推进我国风力发电作业的开展；一起也为社会供应了一个新的经济添加点；并供应许多作业机会.

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