电气与新能源学院本科教学课程教案
课程名称：风能及新能源发电技术
授课教师：王凌云
开课时间：二O一一至二O一二学年秋季学期
课程基本情况
第一章太阳能及其利用
教学重点：太阳能的主要利用方式，太阳能热发电技术
作业：1.1，1.2，1.5，1.6
主要教学内容：
第一节太阳能概述
一、太阳能利用概述
太阳能量来源：核聚变反应H·H →He ；
太阳辐射到地球的能量：2.5亿桶（158.98L，128-142kg）石油/天；500万t标煤/s ；
风能、水能、海洋能、生物质能、化石燃料等几乎所有的能源均来自太阳；
我国太阳能资源丰富，陆地每年辐射总量3.3×103-8.4×106 kJ/（m2·年），相当于2.4×104亿t标煤，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h，日照在5×106kJ/（m2·年）以上；
丰富地区：大兴安岭向西南，经北京西侧，兰州，昆明再折向北到西藏南部，这一条线以西、以北广大地区；
二、太阳能的特点
1、取之不尽、用之不竭；从地球诞生起，太阳已向地球提供能源47亿年，太阳寿命还可有60亿年。
2、清洁、无污染；不会造成环境污染，不影响生态平衡。
3、太阳能能量密度低，并且受地区、昼夜、气候等自然条件限制；即便是晴天中午，每平方米太阳能最多仅1kW。
三、太阳对地球的辐射
1、太阳常数
指的是地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位面积上每秒所接受的太阳辐射能量强度。太阳可视为一个温度为5762K的黑体，经长期实测与推算，太阳常数为1353w/m2。
2、大气质量
到达地面的太阳辐射受大气层厚度的影响，大气层越厚对太阳辐射的吸收、散射、反射越严重，到达地面的辐射能量就越少；而太阳辐射穿过大气层路径的长短与太阳辐射方向有关。
3、太阳辐射在大气层中的衰减
各种气体（臭氧、温室气体、水汽等）、尘埃等对太阳辐射的吸收、反射、散射。太阳辐射能够到达地面的是很少一部分，波长范围在0.29-2.5μm，占太阳辐射能量的95%，其中紫外区（0.3-0.4μm）能量很少，可见光区（0.4-0.76μm）和红外区（0.76-2.5μm）各占50%。
太阳辐射强度的峰值随太阳高度减少向长波方向移动，因此日出和日落时太阳光呈橘（暗）红色。
4、到达地面太阳辐射（日射）的强度
直射（直接接受且方向没有改变）+ 散射（反射和散射，来自半球天空各个方向）
四、太阳辐射的测量
太阳直射强度：太阳光垂直的表面上单位面积单位时间内所接收到的太阳辐射能。
总辐射强度：水平面上单位面积单位时间内所接收到的来自整个半球形天空的太阳辐射能总和，包括直射和散射。
第二节太阳能集热器
太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并转化为热量向工质传热的基本部件。
一、平板型太阳能集热器
（一）概述
平板型集热器属于非聚光型太阳能集热器，特点是：直接采集自然光，其采光面积= 集热面积= 散热面积，因此，一般集热温度较低（小于100℃）。
1、分类（以工质种类不同）：
（1）热水器：工质为液体（一般为水）；
（2）空气集热器：工质为气体（常为空气）；
2、特点（相对于聚光型）
（1）整体结构简单，不许跟踪；
（2）可同时利用直射辐射和散射辐射；
（3）接受副照度较低，故工质温度较低；
（4）成本较低，使用方便，安全可靠。
3、应用范围
原则上温度低于100℃的环境都可应用。
（1）供给热水；（生活、工业）
（2）工农业生产方面；（干燥、养鱼、温室加温等）
（3）采暖、空调与制冷；（室内采暖、泳池加温等）
（二）工作原理、结构和温度分级
1、工作原理：“热箱”原理。
2、基本结构：由“集热板、透明盖板、隔热层、外壳”四部分组成
（1）集热器应符合特性
①吸收表面的阳光热吸收率高，热辐射率低；②传热结构设计合理，热效率高；③具有良好的耐候性和耐热性，适合长期自然环境下使用；④对集热介质具有良好的耐腐蚀性；⑤加工工艺简单；⑥省材料，价格便宜。
（2）透明盖板应具备的特性
①阳光透过率高，吸收率和反射率低；②对热辐射具有低的透过率；③具有较强的机械强度，能够抵御风雪载荷及小规模的意外撞击；④不透水；⑤对环境中腐蚀性气体、雨水等具备一定的耐受能力；
⑥长期暴露在自然环境中，上述特性无严重恶化。
（3）隔热层应具备特性
①材料导热系数低；②工作温度超过200℃；③浸水或受自然环境作用后，无有毒、有害物质泄露。
（4）外壳应具备特性
①良好的机械强度；②良好的耐腐蚀性。
（四）平板型太阳能集热器的板型结构
1、管板式；
2、管式；
3、扁盒式
二、聚光型太阳能集热器
特点：太阳能利用效率更高，能量密度高，吸收器尺寸小，热损低。
（一）聚光型太阳能集热器的构成：聚光器、吸收器、跟踪系统。
（二）聚光系统的分类
1、根据所使用光学系统分
①抛物面/球形聚光器，反射系统；②菲涅尔透镜，折射系统；
2、根据焦斑形状分类
①一维聚光（线聚焦）系统；②二维聚光（点聚焦）系统；
第三节太阳能热水器
一、概述
太阳能热水器是现实的、比较经济的，并且已经得到广泛应用的太阳能热利用装置。1929年，美国加利福尼亚州最早使用；20世纪40年代中期，澳大利亚、以色列、日本等能源短缺国家广泛使用；目前，太阳能热水器已在全球范围内得到普遍关注与大规模应用。
二、太阳能热水器的类型及系统
根据流动方式而言，分为三类：循环式、直流式和整体式。
（一）循环式
自然循环式和强制循环式。
1、自然循环式：动力来源为“温差压头”。
优点：结构简单、运行可靠且控制不需要外来能源。
缺点：蓄水箱必须置于上方；不适用于大型装置；要求良好保温。
2、自然循环定温放水式
原理：在自然循环基础上增加电磁控制阀，当温度达到设定温度时，热水自动流入贮水箱。
3、强制循环式
当集热器底部与底部温差达到一定值时，采用水泵强制循环，适用于大型热水系统，例如太阳能集中供热系统。
（二）直流式
1、热虹吸式
原理：补水箱水位由球阀控制，阳光照射形成温差压头。
2、定温放水型
原理：增加电磁控制阀，根据出口温度来控制调节流量。
直流式优点：不需要水泵（仍靠自然循环），但可避免自然循环缺点（水箱必须位于上方、不适用于大型装置等）。
（三）整体式
特点：集热器与蓄水箱合二为一。
分类：开放式、塑料薄膜袋式、圆筒式、方箱式。
三、真空管太阳能热水器
具有中国特色的太阳能热水器。
（一）类型和结构
类型：全玻璃真空管太阳能集热管和玻璃—金属结构真空太阳能集热管。
1、全玻璃真空管太阳能集热管：“拉长的暖水瓶”。
2、玻璃—金属结构太阳能集热管：美国康宁（Corning）公司、日本三洋、（Sanyo）公司、原联邦德国Pring公司、荷兰菲利浦（Philips）公司。
原理：具有选择性吸收层的翅片紧贴金属管，金属管与玻璃真空熔封。
（二）材料与工艺流程概述
1、玻璃要求：透光性好，SiO2和B2O3含量超过90%的高硼硅玻璃；热膨胀系数低、耐热冲击；具有较强的机械强度。
2、选择性涂层材料
要求：不破坏真空、耐高温（400℃以上）、吸收率高（大于90%）。
工艺：磁控溅射工艺。目前我国大部分企业采用“铝—氮/铝选择性吸收涂层”，少数企业采用“不锈钢—碳/铝选择性吸收涂层”。
第四节太阳能的热贮存
解决地表太阳能受昼夜和季节变化以及天气等随机因素的影响具有的不稳定性、不均匀性。
根据存贮时间长短，分为：
1）短期热存贮：贮热时间16h左右，调整1d内热量供给与消费的不平衡；
2）中期热存贮：贮热时间3-5d（最多1周），满足阴雨天热负荷需要；
3）长期热存贮：贮热时间1个月甚至跨季度几个月，为了调整季度间热量供给和消费之间的不平衡。
根据贮热原理不同，分为：显热贮热、潜热贮热和化学贮热。
显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。
潜热：物质发生相变（物态变化），在温度不发生变化时吸收或放出的热量。物质由低能状态转变为
高能状态时吸收潜热，反之则放出潜热。例如，液体沸腾时吸收的潜热一部分用来克服分子间的引力，另一部分用来在膨胀过程中反抗大气压强做功。熔解热、汽化热、升华热都是潜热。潜热的量值常常用每单位质量的物质或用每摩尔物质在相变时所吸收或放出的热量来表示。
一、显热贮存
原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉、实际使用较为普遍。
原理：当对蓄热介质加热时，其温度升高，内能增加，从而将热能以显热的形式贮存起来；
分类（存贮介质不同）：液体显热贮热和固体显热贮热；单介质（液体，水）和双介质（固体，岩石）。
低温范围内，显热贮热的液体材料较好，若固体以砂、石较为适宜；当温度较高时，可视情况选用石块、卵石或无机氧化物材料。
（一）液体显热贮热
低温贮热，水为介质（经济，既是载体，又是介质）；
1、贮热水箱
2、地下含水层蓄热
原理：通过井孔将温度高于含水层原有温度的热水灌入地下含水层，利用含水层作为贮热介质来贮存热量，待需要时再抽取使用。可大规模跨季度贮热，贮热温度可达150-200℃，能量回收率达70%。
3、太阳池
水温4℃后密度随温度升高而减小，从而引起热损。采取一定的技术尽量减少或防止吸收到的热量散失掉的水池就是现代意义的太阳池。
（二）固体显热贮热
液体贮热具有经济、设备简单、低温效果好的优点，但高温段（100℃以上）其缺点明显：加压防止气化、设备要求较高。固体介质贮热在岩石等资源丰富地区，成本低廉，使用方便。
3种方式：石块床贮热、被动式太阳房墙体贮热和地下土壤贮热。
地下土壤贮热，当输热管插入土壤深度25m以上时，蓄热效率可达75%以上。
二、潜热贮热
原理：利用物质相变时需要吸收（或放出）大量热量的性质来实现贮热和放热，又称为相变贮热或溶解贮热。
优点：蓄能密度高（几百至几千千焦）、温度波动小（2-3℃）；
材料多为水合盐类（无机盐水合物）和有机化合物。
（一）水合盐类贮热
贮能密度多在120-300kJ/kg，与冰的溶解潜热相当。常用Na2SO4·10H2O。
（二）有机化合物贮热
常用碳氢化合物（石蜡）、某些聚合物（塑料）、天然生成的有机酸等。
三、化学贮热
利用可逆的热化学反应贮热：AB+热﹤﹦﹥A+B。
四、长期贮热
常采用地下土壤贮热、地下含水层贮热、岩石井孔贮热等。
第五节太阳房
一、太阳房概述
是一种集取、蓄存和分配太阳能的建筑。分为被动式太阳房和主动式太阳房。
被动式太阳房：温室，偿还年限短、供暖效果好，易与传统建筑相结合，目前应用较为广泛；
主动式太阳房：热泵，供暖、制冷和空调相结合。
集热、贮热、保温是太阳房中三个重要环节，缺一不可。
二、太阳房的分类和构造
（一）主动式太阳房
组成：太阳能集热器、贮能装置、供暖房间及相关设备；备用系统（辅助热源）
（二）被动式太阳房
特点：不需要专门的太阳能集热器、热交换器、水泵（或风机）等主动式太阳房所需不见，而是利用建筑物本身作为集热装置，依靠建筑物方位的合理布置，提高建筑物的门、窗、屋顶等构件，以自然热交换方式（辐射、传导、对流）使建筑物在冬季尽可能地多吸收和贮存热量，以达到供暖的目的。
分类：①直接收益式；②集热蓄热墙式；③附加温室式；④屋顶集热蓄热式；⑤热虹吸式。
三、被动式太阳房设计
（一）建房位置的选择
1、与周围环境相协调，注意周围环境对太阳能建筑及装置的不良影响；
2、供暖为主要目的的太阳房，应考虑东至9：00-15：00阳光尽量照射；
3、注意当地气候、气象环境的变化特点（风等）。
（二）太阳房的形状和方位
1、平面形状：矩形设置；
2、北方地区“坐北朝南，冬暖夏凉”；华北可朝南偏东（8°—10°）。
（三）太阳房构件的设计
1、窗的设计：采光、通风之外，考虑热工性能（集热，热损等）；
a、朝南；
b、采用双层中空玻璃。与单层相比，传热系数由21kJ/（m2·h·℃）下降到9.61kJ/（m2·h·℃），但太阳辐射透过率由0.9减小到0.81。
2、遮阳与日照间距
主要考虑夏天遮阳、冬天采暖，以及前方（南面）建筑物遮挡；房檐长度一般根据夏至和东至日正午太阳直射角度计算。
3、外围结构最佳隔热层厚度的确定
一般当室内外温差为20℃时，单位供暖面积的最大热损失控制在126-251kJ/（m2·h ·℃）；隔热层厚度应根据年供暖成本与年保温成本之和的年总费用取最小值时的厚度确定。
（四）太阳房的层高与建筑进深
一般要求不低于2.8m，进深不超过层高的2.5倍（7m以内），可获得比较满意的节能率。
（五）太阳房的蓄热和出入口的防冷风渗透措施
1、太阳房的蓄热
要求建筑材料（地级、墙体、屋顶等）具有较高的体积热容和导热系数，常用砖石和混凝土结构，地面适当加厚，铺设防潮材料（油毡或塑料薄膜），再铺干炉渣保暖，以及鹅卵石等来贮热，表面按常规处理。
2、太阳房出入口的防冷风渗透措施
（1）设置门斗；（2）出入口设阳光间；（3）增设冬季使用的辅助出入口；
第六节太阳能干燥技术
太阳能干燥是指利用太阳辐射能，利用太阳能干燥装置所进行的干燥作业。一般农产品要求的干燥温度在40-70℃，与太阳能热利用领域中低温热利用相匹配；太阳能干燥系统设备简单、投资少，节省燃料、避免污染，经济效益显著。
一、太阳能干燥系统及应用
（一）特点
1、节省常规能源；
2、缩短干燥时间；
3、提高产品质量。
（二）温室干燥系统
受结构限制，干燥室单位容积所占采光面积较小，因此，接受太阳辐射量较小，不宜用来干燥含水量大且要求干燥周期短的物料。
（三）集热器型干燥系统
适宜干燥不允许直接接收阳光暴晒，或干燥温度要求较高的物料；将集热器和干燥室分开，利用太阳
甘肃机电职业技术学院 现代装备制造工程系毕业论文风能和风力发电技术 姓名：酸菜 学号：G1******* 班级： G142701 年级： 2014级 指导老师：酸菜
摘要 (Ⅰ) 第1章风力发电的现状背景 (1) 1.1、风力发电的现状 (1) 1.2、风力发电的潜力 (2) 第2章风力发电类型特点 (4) 2.1风力发电特点 (4) 2.2风能发电优缺点 (4) 2.3风力发电结构 (4) 第3章发电机主要类型 (7) 3.1恒速风力发电机 (7) 3.2有限变速风力发电机 (7) 3.3变速风力发电机 (7) 第4章风力发电控制技术 (9) 4.1变桨距风力发电技术 (9) 4.2风力发电系统控制 (9) 4.3不同发电机的比较 (10) 第5章发展趋势建议 (12) 第6章总结 (13) 参考文献 (14) 致谢 (15)
风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将转速提高促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理是最简单的风力风力发电机可由叶片和发电机两部分构成，空气流动作用在叶轮上，将动能转化为机械能，从而推动叶片旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发电，从而产生电能。 关键词：风能，风力发电；
风力发电机及风力发电控制技术综述姜礼龙 发表时间：2019-06-11T17:39:57.053Z 来源：《电力设备》2019年第1期作者：姜礼龙 [导读] 摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。 （我是国华（科左中旗）风电有限公司内蒙古通辽 028000） 摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。由于风能的能量密度低，具有不稳定性和随机性，控制技术是大型风力发电机组安全高效运行的关键。本文就风力发电的现状及风力发电机工作原理进行分析，着重探讨风力发电控制技术，提升风力发电经济效益。 关键词：风力发电；控制技术 随着我国经济发展有中低端迈向中高端的转型升级发展，更加各种清洁能源在经济社会发展中的作用、环保价值与开发前景。作为清洁可再生能源，风能的应用正在我国逐步推进。但是我国风能研究理论与应用技术落后于欧美国家。 1 风力发电的现状及原理 1.风力发电在能源开发企业中属于重点开发的项目。历经多年的发展，风力发电获得了较好的成绩。现阶段风力发电技术发展的现状较为良好。风力发电技术的单机容量近年一直在增加，能满足更多场合的发电需求。同时，风力发电技术需要投入较高的成本，日常运营过程中风力发电的运营费用却较少。另外，随 着能源公司规模的不断发展与扩大，整个发电行业中风能发电的占有比例也随之增大。从技术发展的层面进行分析我们不难发现，我国现有的市场经济环境中，风电企业从最开始的单存引进阶段到将国外的技术经过革新本土化后应用，最后到自主创新的阶段，当前已经有了基本的技术积累。尤其是兆瓦级机组在国内市场中的普及，更是标志着我国自主研发能力，已经进入了全新的阶段。 2.风力发电机的工作原理。风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递：水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。 2 风力发电控制技术 1.定桨距失速风力发电技术。定桨距风力发电机迈入风力发电市场是在20世纪80年代中期，其研制成功解决了发电机组的并网问题，运行安全可靠定桨距风力发电机主要是软并网技术、空气动力刹车技术、偏行与自动解缆技术三种技术的结合。定桨距风力发电机组的特点是桨叶与轮毅固定连接，在风速发生变化时，桨叶的迎风角度不发生变化结合桨叶翼型本身的失速特性，在风速高于额定值时，气流的功角就会达到失速状态，可使桨叶的表面的表面产生紊流，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠，但是为了达到限制功率的目的，导致叶片重，结构复杂，机组的整体效率较低，所以说当风速达到某一限度时必须要停比使用。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，其起到重大作用的是叶片独特的翼型结构，在遇到强风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能量捕获，产生失速失速是一个较为复杂的过程，在风速不稳定时，很难得出失速的效果，因此很少用来控制MW级以上的大型风力发电机。 2.变桨距风力发电技术。从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转知，以保持稳定的输出功率采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，在阵风时，塔筒、叶片、基础受到的冲击较失速调节型风力发电机要小，可减少材料使用率，降低整机重量它能自动调节叶片桨距角度，适应不同风况下功率的调节，特别是使得在接近额定风速附近得功率曲线充实，增加风力发电机的年发电量但其也有一定的缺点，即其需要一套复杂的变桨距机构，变桨距机构的设计要求对阵风的响应速度足够快，以减小由于风的波动引起的功率脉动同时，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，其成本也较高。 3.主动失速、混合失速发电技术。主动失速。混合失速发电技术是上述两种技术的组合低风速时采用变桨距调节可提高气动效率，使桨距角向减小的方向转过一个角度，增大相应的攻角，加深叶片的失速效应，从而限制风能的捕获这种方变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小风力发电机组在超过额定风速（一般为14-16m/s）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风力机的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受负荷和整个风力机收到的冲击，从而有效避免风力机受到损害这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，使功率输出更加平滑。 4.变速风力发电技术。风力发电机组分恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术是改变了风力机的恒速运动规律，可以根据风速的变化调整运行，保持恒频发电，当风速小时争取获得更大的风能，风速过大时调整储存转化能量，比恒速风力发电机组的实用范围更广泛。变速风力发电技术可以根据风速的变化保证恒定的最佳叶尖速比，低风速时尽量获取多的风能，以保证平稳输出；高风速时及时调整风轮转速储存能量，避免功率过大当风速变大风能变强时风轮可以吸收储存部分的风能，提高了传动系统的柔性，减轻了主轴承受的应力及扭知通过电力电子装置的作用，变速风力的风能转化为可以输入电网的电能，使风力机组安全平稳的运行，能量传输机构系统也平稳运行。 3 技术发展趋势展望 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展： 1.风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。
风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，
浅谈风力发电及其控制技术 发表时间：2020-03-10T13:22:48.110Z 来源：《中国电业》2019年20期作者：黄晓芳[导读] 随着我国电力事业的快速发展，新能源的应用也日益成熟摘要：随着我国电力事业的快速发展，新能源的应用也日益成熟，文章主要以风力发电为基础，对我国风力发电现状进行分析，并探讨控制技术在其中的应用，结合实际情况提出几点建议。 关键词：风力发电；控制技术；风力技术；发电控制引言 近年来，我国风力发电事业迅猛发展，在理论研究和技术应用两方面都取得了较突出的成果。随着风力发电的广泛应用，风能的最大化利用成为当前研究的重要课题。风能的最大化利用关键在于风力发电机组的最大风能捕获以及与风电场内其他风力发电设备的合理配套，从而实现风能资源的优化利用。 1我国风力发电的产能现状我国地大物博,风场资源丰富,利用风能可发电量超过10亿千瓦,这些风力资源地区主要分布在地广人稀的地区,例如西北地区、华北、东北以及东南沿海部分地区。我国20世纪实现了对小型发电机的自主研发和批量生产,缓解和满足了农牧民和岛屿地区人们的用电需求。东部沿海地区风能资源丰富,目前许多重大的风力发电设备就主要建于东部沿海地区,如建于重大的跨海大桥周边,其他主要分布于风能较丰富的丘陵地区。当然,我国风电事业也不是一帆风顺的,前些年由于风电行业的无序发展导致一系列的问题,例如风机事故、弃风限电等问题。之后国家要求各地区相关部门在审核风电项目时,要向国家能源局提交申请,有效地遏制了地方政府无限制的风能资源开发,也解决了风能过剩的问题。近两年,部分经营不好实力较弱的风电企业也退出市场,我国风电行业走向成熟化,并实现稳定发展的业态。 2风力发电控制技术的应用 2.1风轮的控制技术 第一，利用功率信号的反馈进行控制。利用功率信号的反馈进一步控制风轮的功率信号,当风轮运行时,它们的功率与实际条件的改变是一致的,然后再对功率的关系作出分析,之后绘制出最大功率的曲线图,完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时,还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率,获取它们的差值大小,之后再进行风轮桨矩的调整工作,这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多,但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。第二，对叶尖速比的控制。受到风力作用的影响,风轮中叶片尖端转动时具有线速度,并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与同一时间风速的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶轮的转速,从而进一步改善风机的运行系统。因为风速是不断变化的,所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比,应该适当地改变和调节叶尖速,并调节好风轮转矩,从而更好地调整风轮外边缘的速度,使叶尖速比得到最优控制。 2.2自适应控制技术的应用 自适应控制技术是信息控制技术中的一种,其应用对业务理解要求比较高,将这项技术应用到风力发电机组控制系统中,可以对系统的各项性能情况进行分析并优化控制,确保各项控制参数的合理性及最优化。传统的风力发电机组控制系统需要构建参数模型来对各项参数进行调节,其对模型的完整性要求比较高。但是这类模型在工程实践转化过程中具有较大的难度,所以无法保证风力发电机组的控制效果。而自适应控制技术的合理应用可以对系统中各方面的变化情况进行实时掌握,并根据外界环境进行调整,具有明显的应用优势,提升风力发电机组的控制效率及发电性能。 2.3现代化的控制技术 风力发电中现代化的控制技术可以分为以下几种类型:鲁棒控制技术、变结构控制技术、智能控制技术以及自适应控制技术,风力发电机组控制系统中,以变结构控制技术为主,该技术运用广泛是因为具有很快的反应力、设计较为简单、实现难度不大;处理一些多变量问题时,鲁棒控制技术可以发挥出很好的作用,具有较强稳定性的鲁棒控制技术还能有效地处理好参数不准、建模出现误差或者物质系统受影响的问题;而智能控制技术最突出的方法是模糊控制,它无须过度依赖数学模型,只需凭借专家经验就能克服一些非线性因素带来的影响。目前,一套准确的风力发电机组被控对象数学模型的实现概难度很大,所以对风力发电机组进行控制的过程中,可以多使用模糊控制方法。 2.4风电无功电压自动控制技术 该技术主要是由多个系统共同参与实现风电场无功自动化控制的一种方法,具体包括风电场无功电压自动控制子站及相关的监控系统等。其中子站可作为模块集成到综合监控系统中,也可采用外挂的方法使其独立运行,其负责对风电场内设备的无功电压运行状态进行监视,利用通信线路将调节设备的无功电压控制指令发给相应的监控系统。监控系统的控制方式有两种,一种是远程控制,另一种是就地控制。在远控模式下,子站会自动对无功电压控制目标进行追踪,而在就地控制模式下,子站可按预先给定的并网点电压目标曲线进行控制。子站的运行及控制状态可以通过人工进行设置,同时,风电场内的各类控制设备可通过人工进行闭锁和解锁,设备的投退则可由系统自动控制。当电网处于稳定运行状态的条件下,子站能够对风电机组的无功调节能力进行充分利用,实现调节电压的目标,如果机组的无功调节能力不足,则会由动态无功补偿装置完成无功调节。此外,子站能够对风电机组的无功补偿状态进行协调,从而有效避免了不合理的无功输出。 3风力发电并网控制技术的发展策略 3.1做好谐波抑制措施 风力发电机组并网过程中,要提升其电能质量控制效果,并结合静止无功补偿器来有效抑制谐波危害问题,这种补偿器是用多台可投切电容器、电抗器和谐波滤波装置构成的,这一设备最大的特点是反应速度快,对于无功功率的变化能够实现实时跟踪。针对风速变化导致的电压变化也能够实现有效的调节,实现有效的谐波滤除,提升整体电网的电能供应质量。 3.2优化风能发电的输电结构 目前我国风力资源地区分布不均衡,必须加大对远距离电力传输装备和技术的研发力度。第一,要研发适合我国国情的远距离电力传输装备和技术,逐步解决我国不同地区风电资源分布平衡的问题;第二,要加大投资力度,全世界范围内引进优秀人才,让风力发电技术给风力资源匮乏地区带去便利和经济效益,与此同时,让环境欠发达地区享受风电资源带来的益处。通过发电与用电地区的分配平衡,将风能的利用率持续提升,减少对于化石燃料的依赖,减低污染性气体的排放,坚持走低碳环保路线,促进生态平衡。 3.3电压波动与闪变控制
风能技术 内容简介 《风能技术》是“新能源技术”丛书之一。风能作为一种重要的可再生能源，其具有清洁、无污染、安全、储量丰富的特点，受到世界各国的普遍重视。《风能技术》主要讲解了风车和风力发电发展史、风的特性和风能资源、风力发电机组的布置、风力发电机组基础理论、风力发电系统设计、风力发电系统控制等内容。《风能技术》内容丰富、图文并茂、重点突出、应用性强。 《风能技术》可供风力发电技术领域的工程技术人员、研发人员、管理等相关人员阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。 图书目录 1 风车和风力发电发展史 1．1 20世纪以前的风力利用技术 1．2 风力发电发展简史 1．2．1 风力发电机组诞生的背景 1．2．2 风力发电的先驱者 1．2．3 以丹麦为中心的风力发电的发展史 1．2．4 20世纪风力发电机组技术的发展 2 风的特性和风能资源 2．1 风速功率谱 2．2 风速随高度变化 2．2．1 对数率分布 2．2．2 指数率分布 2．3 风速频率分布 2．4 风能 2．5 地形和风 2．5．1 日本各地由于区域地理环境形成的地形风 2．5．2 峡谷风 2．5．3 山脉对气流的抬升作用 2．6 风况分布图 2．6．1 局部地区风况预测模型LAwEPS
2．6．2 风况分布图 2．6．3 风速的历年变化 3 风力发电机组的布置 3．1 风和风能 3．2 风的特性 3．2．1 海陆风 3．2．2 山谷风 3．2．3 季风 3．2．4 高压低压引起的风 3．2．5 台风 3．2．6 地理环境形成的地形风 3．3 风的统计分析 3．3．1 逐时、月、年平均风速 3．3．2 风向玫瑰图 3．3．3 风速频率分布 3．3．4 威布尔分布 3．3．5 风功率密度 3．4 年发电量 3．5 风况数据的利用 3．5．1 风况观测站 3．5．2 日本的风况分布图 3．6 影响风况的各种因素 3．6．1 地表面的粗糙度 3．6．2 地形 3．6．3 障碍物 3．7 风况预测 3．7．1 基于风况观测数据进行风况预测的方法 3．7．2 利用气象模型进行风况预测方法
风力发电及其控制技术研究 风力发电是当前我国经济社会发展中，是具有代表性的一种环保型的发电方式，对于推动社会经济可持续性增长具有不可比拟的积极作用。本文以风力发电为切入点分析其现存问题，就提出具体的控制技术要点进行深入探究，旨在为相关从业人员积累更多的实践经验。 标签：风力发电;控制技术;发展前景 我国风力发电技术水平在不断提高，但是仍旧有许多问题亟待解决，所以要正视目前风力发電技术存在的问题，积极争取社会各方的支持，在原有的基础上不断突破创新，投入一定的资金，不断完善相关政策，从而实现风力发电技术的良性发展，让风力发电技术真正成为我国电力供应的主流技术。 1加强风力发电控制的重要性 由于自然风速度快慢及方向大小存在着明显差异性，客观上要求相关技术人员重视风力发电控制技术，例如：控制机组切入及切出电网、限制输出功率、检测风轮运行期间中各种故障予以保护等。近几年来我国风力发电控制技术日趋成熟，即由定桨距恒速运行技术向变桨距变速运行技术转变，基本达到预期的生产目标。从风力发电机组角度来看，以调节机组功率为核心技术之一，其调节方法可划分为变桨距调节、定桨距失速调节及主动失速度调节。目前我国风力发电机组基本实现变桨距变速运行，结合风速风向的变化情况基本实现脱网、并网及调向控制各个发电机组，充分发挥变距系统作用，控制机组转速及功率。 2当前我国风力发电技术存在的问题 2.1风力资源分布不均 我国的国土面积十分广阔，每个地区的自然环境也有着很大差异，所以不同地区的风力资源分布十分不均匀，这就给风力发电工作带来了一定的困难。目前我国风力发电影视工作呈现出了，东南沿海和西北内陆发达，中部落后的趋势，风力发电事业发展十分不均衡。 2.2产业结构不合理 风力发电技术在我国不断更新发展，单机容量不断扩充，目前已经取得瞩目的进步，但是当前整个行业的产业结构仍然缺乏完善性，在零部件生产和产品创新方面，大多数发电技术都已经取得良好成果，实现了经济效益，但在核心零件生产过程中，仍没有实现自主式创新和开发，电力企业在进行风力发电技术改造时，大部分设备都来源于国外，国内缺乏独立资助的研发团队，这也进一步导致风力产业结构发展失衡，所以，还需要进一步加速产业结构变革，促进产业结构转型，形成完整的、具有发展潜力的风力发电产业结构。
摘要 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下，获得较稳定的电压输出。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需要，达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。 本文介绍了世界风力发电控制系统的发展历程和我国的研究现状以及对风力发电系统控制技术的前景分析。分析并得出风力发电系统中，控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。关键词：风力发电、控制系统技术、发展历程。
目录 第一章风力发电技术的前景 (1) 第二章风力发电系统控制技术的介绍 (3) 一风电控制系统简述 (4) 二风力发电控制技术的发展历程 (4) 三控制目的 (5) 结束语 (6) 参考文献 (7)
风力发电系统控制技术发展历程 第一章风力发电技术的前景 人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。 从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定
关于新能源风能发电论文 姓名：王刚 班级：0801013328
风能发电 在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。 我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。 一风力发电的现状 21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值。在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外，在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。据资料显示，2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权项目。 江西都昌老爷庙风电场风能资源丰富，建设条件较好，已被列为全国大型风电场预可研项目。目前，江西省能源结构性矛盾突出，一次能源只有煤炭和水电；而且电煤大部分需要从省外运入，水电开发程度又较低。风电和水电具有不同步发生规律，风力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高峰期处于春季和夏季，风电和水电具有季节性特性，可实现季节性互补；风力发电是环保型可再生能源，可改善电源结构，替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污染，保护环境。 据资料显示，“十一五”末九江电网电力开始出现缺额，2010年缺额将达158兆瓦。老爷庙风电场的建设，可以缓解九江电网电力不足的矛盾，满足九江电网日益增长的电力需要；同时可就近向当地供电，减少了长距离输送的网损，提高供电可靠性和经济性。 据初步测算，目前风电场造价成本约为8000～9000元/KW，机组（设备）占75%左右，基础设施占20%，其它占5%。风能利用小时数在2700～3200小
风力发电机及风力发电控制技术研究 摘要：基于对风力发电机及风力发电控制技术的研究，首先，阐述风力发电机 基本内容。然后，分析风力发电控制技术具有减少环境污染、减少能源消耗等重 要作用。最后，对风力发电控制技术进行分析，包括传统控制技术、智能控制技 术等。 关键词：风力；发电机；风力发电控制技术 社会的快速发展带来的是，环境污染、能源消耗、资源浪费等一系列问题。此类 问题的出现，对人们生活质量与生活水平的提升会产生很大影响。实现人类与环 境的和谐发展与共同进步，我国针对环境污问题、能源资源浪费问题，出台各种 政策条例，将发展清洁能源作为重点与关键。因此，风能以及风力发电受到更多 人的重视与关注，无论是风力发电机，还是风力发电控制技术，都得到进步与完善。所以，本文将针对风力发电机及风力发电控制技术相应内容进行阐述。 1、风力发电机基本概述 风力发电在缓解能源危机中发挥着不可替代的作用，因为风力发电具备可再生、 清洁等优势，在全世界范围内得到重视与关注（如图一）。传统风力发电机的类 型有很多，比如，有刷双馈异步发电机、垄型异步发电机等。垄型异步发电机在 实际工作过程中，要对电容器进行合理应用，使用电容器的主要原因就是无功补偿。垄型异步发电机同步转速，相较附近的恒速转速要高，在垄型异步发电机运 行期间，可以使定桨距失速方式。有刷双馈异步发电机在应用过程中，促使功率 变化器的功率降低。同步发电机其转速相对较低、轴向尺寸较小，因此，可以将 其应用在启动力矩较大的电机并网中，这样可以将同步发电机的作用与价值发挥 出来。在如今社会快速发展背景下，使得风力发电机也得到一定完善与创新，比如，目前使用较为广泛的永磁无刷同步发电机、永磁同步发电机以及无刷双馈异 步发电机等。在这其中无刷双馈异步发电机的自身优势较为明显，比如，结构较 为简单、有着较强裹在能力，有着较高的运行效率，运行的可靠性与安全性能够 得到保障。将传统标准型的双馈电机运行中存在的问题在最大程度上弥补，具有 垄型异步发电机优点。不同风力发电机都有着自身优势与特点，因此，对于不同 风力发电机都要有正确认识，这样才能达到良好风力发电效果。 2、风力发电控制技术的重要作用 风力发电控制技术应用的重要作用主要体现在以下几点中：（1）在风力发电中，通过对风力发电控制技术的科学合理应用，使得风力发电控制技术的应用范围与 推广范围得到拓展。在一定程度上，缓解我国能源紧张与能源压力问题，减少对 资源的消耗。提升工作质量与工作效率，促使风力发电能够在我国得到更好发展，同时推动风力发电能够朝着智能化与现代胡方向进步。（2）特别是在大型风力 发电控制工作中，将风力发电控制技术优势发挥出来[1]。可以减少对土地资源的 占用，系统运行功率也将会得到提高。变桨距以及变速恒频技术的优化与完善， 将规模局限性问题更好解决。特别是在对直驱技术的应用中，可以节约更多风力 发电费用成本，提升资源利用率。通过该种方式，可以创造更多经济效益、社会 效益以及生态效益，防止对周围环境造成破坏。 3、风力发电控制技术分析 3.1传统控制技术
国内外风力发电技术现状与发展 风能是一种可再生的清洁能源。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 1 引言 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。 风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一[1]。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。 2 风力发电基本知识 2.1 风能的计算公式 空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V 的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为 （1） 其中：单位时间质量流量m=ρAV （2） 在实际中，（3） 式中： P W—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W； C p—叶轮的风能利用系数； ηm—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0； ηe—发电机效率，一般为0.70—0.98； ρ—空气密度，kg/m3； A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。 2.2 贝茨（Betz）理论 第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。 贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速
风力发电机组控制技术研究李斌 发表时间：2019-09-19T08:52:32.897Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：李斌 [导读] 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。 （国华(乾安)风电有限公司吉林省 131400） 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。所以，世界各地都在关注可再生能源，而风电有许多优点，所以，利用可再生能源已成为各国的重点发展方向。我国的风能资源并不匮乏，所以开发潜力很大。我国的风力发电产业和控制技术的发展很快，因而，通过分析现阶段我国风力发电的情况和控制技术水平的发展情况，为实现可持续发展战略提供一些有价值的信息。 关键词：风力；发电机组；控制技术 1问题分析 1.1风能能源的评估有待完善 对于风能资源进行评估并以此制定风力发电的规划是我国风力发电进行管理的基础。目前我国的相关机构在开展的风力能源评估还处于有点完善的状态，距离世界上的发达国家还存在明显的差距，因此，开展对于风力发电的相关资料整理以及重新进行调查评估是非常有必要的，相关部门应该更加严格的对我国沿海地区和内陆地区的风力分别进行检测和评估，同时还需要不断对我国现有的风力发电场所产能进行更科学合理的长远规划。 1.2自主创新需要提升 在目前我国对于风力发电产业生态圈建设尚未完成的过程中，我国的企业对于大型兆瓦发电机的信息技术吸收还没有充分进行。与此同时，我国对于风力发电机组中的核心设备和相关零件还无法进行自主生产，这是制约我国风力发电发展的关键问题。因此更快地进行我国风力发电设备制作的自主创新，同时加强完整知识产权的风力发电机组设备的研究，都是保障我国风力发电事业发展的重要目标。 1.3国家电力网络与风力发电的发展不协调 目前我国电力网络设施的管理和运用并没有与风力发电产生足够的协调性。在风力发电场所接入电网的工作并没有很好地得到完成，整个国家电网的发展规划也缺乏对于风力发电场所的重视。就这个问题，还需要我国的政府相关部门更好地制定相应的管理办法，从而保证风力发电场所与国家电网之间可以共同协调发展，更好地为风力发电的发展提供保障。 1.4电价制定需要重新规划 在目前的供电市场中，风力发电项目经常面临亏损的危机。造成这种情况的主要原因在于我国的电价制定，只有政府进行充分的规范和引导，同时为风力发电提供一些优惠的政策。目前风力发电的电价过低，使得投资方在工程中的经济效益明显降低，这也是我国风力发电发展缓慢的重要原因。 2我国风力发电的现况 我国风力发电的发展在技术方面上分为三步，一是引进新技术，二是把技术消化吸收三是进行自主创新。现如今，在这方面我国以快速发展起来。例如，我国的风力制造业不断提升。还有随着国内5WM 容量等级风电产品的不断改进，我国的兆瓦级机组在风力发电市场被大量使用。虽然我国的风力发电机组制造业和配置零组件的发展足以满足所需，但是一些高级配置仍然需要从国外进口。所以，培养自主创新能力和不断探索新技术迫在眉睫。 目前，是创新的年代，是需要快速发展的时代，新能源就是一个活生生的例子。作为新能源的一个重要部分，风力发电近年来的发展越来越好。全球的能源越来越少，之前的能源已经不足人们也已经意识到了这个问题，风力发电无污染，施工时间比较短，投资也不多，而且需要的地区也不多，这就使得各个国家对其越来越关注。在风力发电系统中，并网逆电器是一个非常重要的装置，其特性的好坏决定了发电是否灵活。随着信息技术的发展，人们也将风力发电系统做出了很多改变，使其性能得到了很大改进，促进了其进一步发展。 3双馈变速恒频型风力发电机组 该种类型的发电机组可以实现对叶片桨距角的全面调节，还可以利用具备变速功能的双馈性发电机，实现恒频恒压状态下的电能输出。如果整个风速比额定风速还要低，则该种类型的发电机组便可以通过叶片桨距角以及转速变化，将发电机组的整个运行状态改善，确保输出始终保持在最大状态。如果风速超过了额定速率，人们可以通过叶片桨距角的改变，将发电机组的功率控制在额定功率范围之内，这样一来，整个风力发电机组将会得到有效控制。 4风力发电机组控制技术的分析 4.1最优控制 在风力发电过程中，其发电机组的基本组成均处于非线性、干扰较大等特点，而且由于环境的不确定性，风速变量也会呈现出一定的不规则特点，从而无法利用精确的数学控制来实现机组控制，但人们可以利用最优的系统性控制实现风力发电机组的最优控制。在该项控制技术实施过程中，可以通过线性化模型设计来实现，并通过周围工作点的精确把握，提升控制工作的控制效果。而且在该种控制技术实施过程中，可以根据具体的线性化模型设计，对周围的工作点进行快速寻找，与此同时，还能通过大范围的反馈内容，对偶线性化实现精确性破解，以此来实现风力和风能的全面性捕捉。另外，针对于电功率波动较小、无功功率输出要求等矛盾，聚能在最优系统的作用下，将上述问题解决，避免由于线路故障而出现较大的电压波动。与此同时，在最优系统的应用过程中，工作人员还能将风能变化情况以及自动控制进行合理掌握，避免在后续工作之中出现新的问题。 4.2模糊控制技术 模糊控制技术以模糊推理及语言规则作为基础，能够避免受到非线性因素的影响。在风力发电机组中使用模糊控制技术，能够显著的提升风能的使用率，同时，还能够跟踪最大功率。对于风力发电机组来说，模糊控制技术的使用推动了其向着智能化控制的方向发展，优化了风力发电机组的控制效果。例如，在变桨距并网型风力发电机组中，通过模糊控制技术的使用，能有对风力机转速进行控制，并对抖振现象进行了降低，提升了风力发电机组的运行效率。 4.3滑模变结构控制技术 风力发电机组是一种非线性的系统，在实际的运行过程中，有着复杂且多变的特性。当在实际运行的过程中，发生了风向变化、风力
风力发电及其控制技术 摘要: 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求 一、风电控制系统简述 风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。 风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。 风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋 转，再通过增速器将旋转的速度提高来促 使发电机发电的。依据目前的风车技术， 大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风 力发电的原理说起来非常简单，最简单的 风力发电机可由叶片和发电机两部分构成 如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶 轮上，将动能转换成机械能，从而推动片 叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转
2007.01 Renewable Energy Industry 51 风能是一种可再生的清洁能源。近３０年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到５ＭＷ，叶轮直径达到１２６ｍ。截止２００５年世界装机容量已达５８，９８２ＭＷ，风力发电量占全球电量的１％。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第８位，２００５年新增装机容量居世界第６位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 １ 引 言 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（ＷＭＯ）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为２００亿ｋＷ，是地球上可利用水能的２０倍。中国陆地１０ｍ高度层可利用的风能为２．５３亿ｋＷ，海上可利用的风能是陆地上的３倍，５０ｍ高度层可利用的风能是１０ｍ高度层的２倍，风能资源非常丰富。 风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一［１］。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。 ２ 风力发电基本知识 ２．１ 风能的计算公式 空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为Ａ，则当风速为Ｖ的风流 经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为 其中：单位时间质量流量ｍ＝ρ ＡＶ 在实际中，式中： ＰＷ—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，Ｗ； Ｃｐ—叶轮的风能利用系数； ?ｍ—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为０．８０—０． ９５，直驱式风力发电机为１．０；?ｅ—发电机效率，一般为０．７０—０．９８；?—空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，ｍ２； Ｖ—风速，ｍ／ｓ。 田 德 （内蒙古农业大学新能源技术研究所，呼和浩特 ０１００１８） 国内外风力发电技术 的现状与发展趋势