風(fēng)力并網(wǎng)畢業(yè)論文開題報(bào)告模板
風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)目前商業(yè)化程度較高的可再生能源產(chǎn)業(yè)之一。下面是由學(xué)習(xí)啦小編整理的風(fēng)力并網(wǎng)畢業(yè)論文開題報(bào)告模板，謝謝你的閱讀。
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風(fēng)力發(fā)電最大功率追蹤畢業(yè)論文開題報(bào)告
畢業(yè)論文開題報(bào)告
題 目 學(xué) 院
專 業(yè) 班 級(jí)
學(xué) 生 學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
二一四年三月三十一日
畢業(yè)論文開題報(bào)告
學(xué)院 專業(yè)
學(xué)生 學(xué)號(hào)
論文題目 風(fēng)力發(fā)電最大功率追蹤
一、選題背景與意義
1. (1)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，工業(yè)化和城市化步伐加快，能源供給不足在一定程度上制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，前幾年我國(guó)能源消費(fèi)增長(zhǎng)情況見圖 1-1。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，為解決供需矛盾和資源環(huán)境制約，我國(guó)迫切需要走出一條中國(guó)特色新型能
[1]源發(fā)展道路。以較小的能源資源和環(huán)境代價(jià)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
圖 1-1 近年來中國(guó)能源消費(fèi)增長(zhǎng)情況圖
Fig. 1-1 Bar chart of China’s energy consumption in recent years
按照國(guó)家規(guī)劃，未來 15 年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到 2000 萬至3000 萬 kW。以每千瓦裝機(jī)容量設(shè)備投資 7000 元計(jì)算，近幾年內(nèi)風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)投資將高達(dá) 2000 億元左右。而且據(jù)專家稱，到 2020 年，風(fēng)電平均每年至少增加 1000 萬 kW，累計(jì)需要投資 1.5 萬億。到 2020 年，我國(guó)風(fēng)電開發(fā)裝機(jī)總規(guī)模有望超過 1 億 kW。據(jù)國(guó)家能源局的數(shù)據(jù)，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量截至 2008 年底實(shí)現(xiàn)連續(xù)三年翻番增長(zhǎng)，達(dá)到 1217 萬 kW。2008 年我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組 5130 多臺(tái)，裝機(jī)容量 624.6 萬 kW，新增裝機(jī)增長(zhǎng)率為 89%。居世界第四位。在 2009 年累計(jì)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過西班牙，上升到全球第三位。截至 2009 年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)將達(dá)到 1613 萬 kW，僅內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備容量就超過了 500 萬 kW。預(yù)計(jì) 2010 年底有望突破3000 萬 kW。如今國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)正在從高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)入平穩(wěn)增長(zhǎng)階段，未來三年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 17.4%，2010 年前后整機(jī)供求關(guān)系將趨于平衡，內(nèi)資企業(yè)市場(chǎng)份額繼續(xù)提升。從長(zhǎng)期和全球的角度來看，未來幾十年內(nèi)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍將是高速增長(zhǎng)的朝陽行業(yè)，將給相關(guān)企業(yè)帶來廣闊發(fā)展空間。
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(2)國(guó)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
歐洲風(fēng)電發(fā)展迅猛。20 世紀(jì) 90 年代起，歐洲制定了《風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃》，確立了風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)：2010 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 40 GW，并要求其成員國(guó)基于此發(fā)展目標(biāo)制定本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與計(jì)劃。在 2007 年年底由于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)勢(shì)頭迅猛，原來制定的計(jì)劃已經(jīng)趕不上風(fēng)電發(fā)展的步伐，所以歐洲又進(jìn)一步修訂了風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃和目標(biāo)：2010 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80 GW，到2020 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到 180 GW，2030 年風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到 300 GW。加快實(shí)現(xiàn)歐盟綠色能源的目標(biāo)。 根據(jù)世界兩大風(fēng)能專業(yè)機(jī)構(gòu)“歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)”和“全球風(fēng)能委員會(huì)(GWEC)”最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2009 年全球風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到 37500 MW，相當(dāng)于 23 臺(tái)第三代核反應(yīng)堆核電機(jī)組(EPR)發(fā)電量，風(fēng)電增長(zhǎng)率高達(dá) 31%。世界風(fēng)能市場(chǎng)裝機(jī)建設(shè)資金達(dá) 450 億歐元，
提供 50 萬個(gè)就業(yè)崗位。風(fēng)能每年可以減少 2.04 億噸的二氧化碳排放量。因此在不太遙遠(yuǎn)的未來，風(fēng)電將成為歐洲以至于世界的主要替代能源。
2.選題的研究意義
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和世界各國(guó)在政策上對(duì)可再生能源發(fā)電的重視,風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展期。風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模以及風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的份額都逐漸增大,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)相互影響越來越受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛關(guān)注和深入研究。
風(fēng)力發(fā)電因其原動(dòng)力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性,大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度、分析控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量均產(chǎn)生了一定的影響。為了促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)和保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,歐洲、北美及澳大利亞的一些電力協(xié)會(huì)或電網(wǎng)公司都制定了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則,我國(guó)也在2006 年頒布了有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定。各國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定涉及到一些共性問題,包括功率控制、無功電壓控制、低電壓穿越能力等,各并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定都提出了一些要求。
在風(fēng)電場(chǎng)容量相對(duì)較小并且分散接入電網(wǎng)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)被視作分布式電源,在系統(tǒng)故障時(shí)可立刻退出運(yùn)行。但對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)電場(chǎng)的退出會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)更大的功率缺額,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此各并網(wǎng)導(dǎo)則都要求風(fēng)電場(chǎng)具有低電壓穿越 (Lowvoltageridethrough,LvRT)能力,盡可能避免電網(wǎng)故障引起的風(fēng)電場(chǎng)解列.其中澳大利亞的并網(wǎng)導(dǎo)則要求最高,要求電壓跌到 0%的情況下,風(fēng)電機(jī)組掛網(wǎng)運(yùn)行0.175s。這些規(guī)定不僅保證電網(wǎng)安全,同時(shí)也要求風(fēng)機(jī)制造商改進(jìn)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì),開發(fā)更先進(jìn)的控制系統(tǒng)以滿足并網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則的要求。
二、研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)
可再生能源發(fā)電技術(shù)特別是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已得到長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。目前主流的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組由于采用了齒輪箱連接風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，運(yùn)行成本增加，機(jī)械損耗高，且有雙饋電機(jī)存在電刷和滑環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了系統(tǒng)發(fā)電效率和運(yùn)行可靠性。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，為解決上述問題及提高風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，可采用直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)中采用與風(fēng)力機(jī)直接相連的多級(jí)低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)，利用全容量變頻器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。課題選題的目的是在獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效、可靠的控制系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題。
風(fēng)速變化具有隨機(jī)性和不確定性，在某個(gè)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著不同的輸出功率。如
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果能夠通過控制，使發(fā)電機(jī)在固定的風(fēng)速下得到能使輸出功率最大的轉(zhuǎn)速，無疑提高了系統(tǒng)的效率，這就是最大功率跟蹤的目的所在。風(fēng)力機(jī)最大功率追蹤控制是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)適合風(fēng)力發(fā)電的最大功率控制方法，使得風(fēng)力機(jī)能夠及時(shí)捕獲到隨機(jī)波動(dòng)的最大風(fēng)能，就可以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。
本課題的研究目的就是重點(diǎn)研究 MPPT 的控制策略，尋找更加簡(jiǎn)單有效的控制方法，提高風(fēng)能的利用率和系統(tǒng)輸出功率。
(1)通過查閱大量中英文相關(guān)文獻(xiàn)，掌握風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并確定研究方向。
(2)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)分別進(jìn)行研究，分別建立 Matlab 模型，并分別對(duì)其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證模型的正確性。
(3)研究比較固定步長(zhǎng)的 MPPT 方法與現(xiàn)有幾種變步長(zhǎng) MPPT 方法對(duì)輸出功率的影響，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。
(4)為了驗(yàn)證最大功率跟蹤方法的可行性及效果，設(shè)計(jì)基于三重交錯(cuò)并聯(lián) Boost 的主電路拓?fù)?，利?TMS320F2407 對(duì)電路進(jìn)行控制，編寫 DSP 程序，完成調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
三、研究方法與手段
目前最大功率跟蹤技術(shù)已經(jīng)與并網(wǎng)技術(shù)，低電壓穿越技術(shù)成為近年來研究的三大熱門課題，為了更快速，高效，穩(wěn)定的跟蹤最大功率，國(guó)內(nèi)外提出了許多控制方法，把這些方法進(jìn)行歸類，大致可以歸為兩類：
(1) 反饋控制 該方法通過測(cè)量風(fēng)速或者轉(zhuǎn)速，根據(jù)最大功率曲線得到一個(gè)最大轉(zhuǎn)速的給定值，與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，比較值輸出至PI調(diào)節(jié)器，并實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其始終運(yùn)行于該最佳轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。此方法需要得知風(fēng)力機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速曲線，而且需要測(cè)量風(fēng)速或轉(zhuǎn)速，增加了系統(tǒng)的成本。并且由于風(fēng)速瞬息萬變，對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量有很大的滯后性，精確測(cè)量較為困難。最大功率曲線也必須由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬仿真得到，故此方法實(shí)現(xiàn)起來較為困難，但是由于這是最大功率跟蹤技術(shù)最為直接的控制方法，通過先進(jìn)的儀器可以實(shí)現(xiàn)，控制效果最為快速和穩(wěn)定，所以在一些大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到很多應(yīng)用。
(2)擾動(dòng)控制 擾動(dòng)法控制是目前研究最多的一種控制方法。擾動(dòng)法又叫爬山算法，是從光伏發(fā)電最大功率跟蹤算法移植過來，由于轉(zhuǎn)速-功率曲線像一座山，控制轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，使輸出功率無限接近山頂就像爬山一樣而得名。該方法通過不停擾動(dòng)轉(zhuǎn)速，觀察功率的變化情況改變下一次擾動(dòng)方向，使輸出功率增大至最大功率。該方法不用了解最大功率曲線，也不用測(cè)量風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單方便，故此方法得到較多應(yīng)用。
1.傳統(tǒng)爬山算法
其追蹤最大風(fēng)能的原理：計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率Pt(n) ，并和上個(gè)控制周期的風(fēng)力機(jī)功率Pt(n-1) ，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值dω反號(hào)，否則保持其符號(hào)不變。將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率一直增加
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時(shí)，保持轉(zhuǎn)速指令變化的方向，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的功率減小時(shí)，將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)dω反號(hào)，在控制電路中通過改變占空比D的大小來實(shí)現(xiàn)。圖1-2為最大功率跟蹤流程圖：
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圖1-2 最大功率跟蹤流程
Fig. 1-2 Flowchart of MPPT
傳統(tǒng)爬山算法使用固定步長(zhǎng)的擾動(dòng)，但其有很大缺點(diǎn)。步長(zhǎng)設(shè)置太大，最大功率跟蹤速度加快，但是輸出功率會(huì)在最大功率點(diǎn)附近來回變化，穩(wěn)定性變差，影響系統(tǒng)性能，步長(zhǎng)過小，穩(wěn)定性好，但是又影響了跟蹤速度。所以變步長(zhǎng)的擾動(dòng)方法成為現(xiàn)階段研究的熱門。無論哪種變步長(zhǎng)方法都是為了同時(shí)提高系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性，也就是說功率在山坡位置時(shí)，增大擾動(dòng)步長(zhǎng)，使轉(zhuǎn)速迅速跟蹤到最佳轉(zhuǎn)速，而功率到達(dá)山頂或者接近山頂上時(shí)，減小擾動(dòng)步長(zhǎng)使轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。下面介紹幾種變步長(zhǎng)的 MPPT方法。
2. 變步長(zhǎng)爬山算法
根據(jù)上面分析可以得知固定步長(zhǎng)的占空比擾動(dòng)不能同時(shí)滿足快速性和穩(wěn)定性的要求，也就是說應(yīng)該在擾動(dòng)過程中變化擾動(dòng)步長(zhǎng)，據(jù)此研究人員提出了一種雙變化率的變步長(zhǎng)方法[5-6]。也就是說給功率的變化量設(shè)定一個(gè)限制值，前一時(shí)刻功率與后一時(shí)刻功率之差大于這個(gè)給定值，說明此時(shí) - 4 - 濟(jì)南大學(xué)
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功率之差小于這個(gè)給定值，說明輸出的功率正在逐漸接近最大功率處，那么為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求可以選用較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)。圖1-3為此MPPT方法的原理圖。
圖1-3 變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法流程圖
Fig. 1-3 Flowchart of variable step-size MPPT
該方法在一定程度上同時(shí)滿足了系統(tǒng)對(duì)快速性和穩(wěn)定性的要求，但是a和b的值難以確定，a值過大，系統(tǒng)振蕩嚴(yán)重，過小則滿足不了快速性的要求，當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)難以快速跟蹤對(duì)象。b值過大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且在低風(fēng)速下難以保持穩(wěn)定，如果過小當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)同樣難以穩(wěn)定。實(shí)際中應(yīng)多次調(diào)試尋找最優(yōu)值。
3.改進(jìn)的爬山算法
為了進(jìn)一步提高最大功率跟蹤速度與跟蹤精度，根據(jù)變步長(zhǎng)算法的思想還可以對(duì)變步長(zhǎng)算法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的爬山算法方法仍然通過擾動(dòng)占空比實(shí)現(xiàn)。初始狀態(tài)下為了更快的跟蹤最大功率，可以將步長(zhǎng)設(shè)置較大，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)得到采樣時(shí)刻t2與上一時(shí)刻t1 的功率差ΔP，該差值與0進(jìn)行比較，如果ΔP大于0，說明輸出功率正在上坡，那么繼續(xù)按照原占空比進(jìn)行擾動(dòng)。一旦ΔP小于0，說明此時(shí)的功率正處于最高點(diǎn)附近并且開始下坡，這時(shí)如果步長(zhǎng)不變，系統(tǒng)的輸出功率就會(huì)在P2 與P3 之間來回變化，不能得到輸出的最大功率，見圖1-4所示。為了解決這個(gè)問題，當(dāng)輸出功率下坡時(shí)可以減小步長(zhǎng)至原來的1/2，這時(shí)功率值就會(huì)從P3 降到P4，從圖中可以明顯看出P4 > P3，然后繼續(xù)擾動(dòng)，每當(dāng) ΔP < 0步長(zhǎng)就減小一次，在理想情況下系統(tǒng)一定會(huì)快速準(zhǔn)確地穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)了MPPT，并且使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
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圖1-4 改進(jìn)的變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法原理圖
Fig. 1-4 Schematic of improved variable step-size MPPT 改進(jìn)的變步長(zhǎng)MPPT方法流程圖見圖1-5。
圖1-5 改進(jìn)的變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法流程圖
Fig. 1-5 Flowchart of improved variable step-size MPPT 上面從理論上分析了這種方法的可行性，但是在實(shí)際應(yīng)用中還需要注意 - 6 -
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(1)為了保證擾動(dòng)能夠一直進(jìn)行，應(yīng)設(shè)置擾動(dòng)變化的極小值。如果每當(dāng) Δ P< 0步長(zhǎng)就減小一次，步長(zhǎng)在幾個(gè)周期之內(nèi)就會(huì)接近于0，失去了爬山法的控制作用。該值取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
(2) 應(yīng)當(dāng)設(shè)置 ΔP 的上限值，當(dāng) ΔP 較大時(shí)步長(zhǎng)可以被初始化到原始的較大狀態(tài)。這樣可以防止當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，由于擾動(dòng)步長(zhǎng)太小導(dǎo)致的系統(tǒng)響應(yīng)速度過慢的問題。該方法在固定風(fēng)速下的仿真效果比較理想，快速性和穩(wěn)定性良好，但是當(dāng)風(fēng)速變化較慢時(shí)擾動(dòng)步長(zhǎng)將一直保持最小值，不能很快的跟蹤最大功率輸出。 [8][7]
四、參考文獻(xiàn)
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[8]魯闖,朱東柏.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) MPPT 控制方法的研究.電測(cè)與儀表,2008,(8):47-50
五、指導(dǎo)教師評(píng)語
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濟(jì)南大學(xué)
畢業(yè)論文開題報(bào)告
六、審核意見
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濟(jì)南大學(xué)
風(fēng)力并網(wǎng)畢業(yè)論文
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)
【摘要】風(fēng)能，作為最為成功的可再生能源，其憑借現(xiàn)有科技水平成為發(fā)展最快的清潔能源技術(shù)。隨著全球風(fēng)電的迅速發(fā)展，我國(guó)也在大力發(fā)展風(fēng)電市場(chǎng)。本文描述了目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和世界風(fēng)力發(fā)電的趨勢(shì)進(jìn)行了必要的闡述。同時(shí)針對(duì)我國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展?fàn)顩r，指出了大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電，需要面臨的主要問題與挑戰(zhàn)。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);發(fā)展趨勢(shì);面臨問題
【分類號(hào)】：TM354.9
1 引言
隨著國(guó)際工業(yè)化的進(jìn)程的推進(jìn)，全球能源消耗速度迅速增長(zhǎng)，常規(guī)能源面臨枯竭的窘境，迫使人們積極尋找新的能源。目前世界可再生能源有風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮芰笮问健Ｄ壳霸诒姸嘈履茉磁c可再生能源中，發(fā)展最成熟、最具潛力、競(jìng)爭(zhēng)力和大規(guī)?；_發(fā)條件的就是風(fēng)力發(fā)電。
文中闡述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，綜述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以及風(fēng)力發(fā)展所面臨的問題與挑戰(zhàn)。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
風(fēng)力發(fā)電是依靠風(fēng)以一定的速度和攻角流過槳葉，使風(fēng)輪獲得旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪通過主軸聯(lián)接齒輪箱，經(jīng)齒輪箱增速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)而發(fā)電。典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1]主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、對(duì)風(fēng)裝置(偏航系統(tǒng))、塔架等構(gòu)成。
按風(fēng)輪主軸的方向，風(fēng)力機(jī)分為水平軸、垂直軸兩大類。對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)，需要風(fēng)輪保持迎風(fēng)狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)輪是在塔架前還是在塔架后迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)分為上風(fēng)向和下風(fēng)向兩類?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多數(shù)采用三葉片、上風(fēng)向、水平軸式，在大型機(jī)組中采用變槳距風(fēng)輪，通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的推力軸承或回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接，以使葉片攻角可隨風(fēng)速變化進(jìn)行調(diào)整從而對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行調(diào)速(限速)[2] 。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)一般為異步發(fā)電機(jī)(包括籠型、繞線型)或同步發(fā)電機(jī)(包括永磁、電勵(lì)磁)，采用何種形式的發(fā)電機(jī)主要取決于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的形式。
3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)概述
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從形式上有離網(wǎng)型、并網(wǎng)型。離網(wǎng)型的單機(jī)容量約為0.1～5kW，一般不超過10kW，主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行;并網(wǎng)型的單機(jī)容量大(可達(dá)MW級(jí))，且由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群(風(fēng)電場(chǎng))集中向電網(wǎng)輸送電能。
3.1 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，目前主要用于無電地區(qū)生活用發(fā)電。離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組主要由槳葉、輪轂、發(fā)電機(jī)、槳葉同步電動(dòng)變矩機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)向、風(fēng)速傳感器、塔架、電動(dòng)保護(hù)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、蓄電池組、逆變電源等部分組成。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬小型發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電容量從幾百瓦至上千瓦不等。按照發(fā)電類型的不同，離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組可分為直流發(fā)電機(jī)型、交流發(fā)電機(jī)型兩大類。直流發(fā)電機(jī)型在早期的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用，主要包括永磁及電勵(lì)磁兩種類型。隨著離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電機(jī)類型逐漸由直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣靼l(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)型主要包括永磁、硅整流自勵(lì)及電容自勵(lì)三種類型，其效率高于同容量的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有滑環(huán)，轉(zhuǎn)時(shí)更安全可靠，電機(jī)重量輕，體積小，工藝簡(jiǎn)便，因此被廣泛應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組中。
3.2 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
相對(duì)于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組是較為大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，且與公共電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組一般由槳葉、輪轂、增速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、塔架和控制系統(tǒng)等部分組成。在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。其中，單機(jī)容量為750kW 以下的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速恒頻運(yùn)行方式：容量范圍1MW 以上的風(fēng)電機(jī)組一般采用變速恒頻運(yùn)行方式。
4 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)1955年左右開始研制風(fēng)力發(fā)電裝置，20世紀(jì)80年代初期成立了全國(guó)性的風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)，90年代中期開始擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)規(guī)模，最大單機(jī)容量為1500kW。1993年我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量為1.71萬千瓦， 2009年總裝機(jī)容量已達(dá)到25.104GW，成為全球風(fēng)電市場(chǎng)最具潛力的國(guó)家之一。
伴隨裝機(jī)容量的巨大增長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，采用變速恒頻、變槳距技術(shù)取代恒速、定槳距技術(shù)，由雙饋異步發(fā)電發(fā)展為永磁同步發(fā)電技術(shù)，同時(shí)各種海上風(fēng)電技術(shù)也逐漸成熟，產(chǎn)品已走向市場(chǎng)。風(fēng)電制造企業(yè)擴(kuò)充產(chǎn)能，逐漸進(jìn)行批量化生產(chǎn)，不斷采用“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的方式，從而推動(dòng)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。
5 我國(guó)大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電面臨的問題與挑戰(zhàn)
5.1 核心技術(shù)
目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)來其主要技術(shù)來源大致可分為以下五類：1、引進(jìn)國(guó)外的設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)，或者是與國(guó)外設(shè)計(jì)技術(shù)公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行制造和生產(chǎn);2、購(gòu)買國(guó)外成熟的風(fēng)電技術(shù)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行許可生產(chǎn);3、與國(guó)外公司合資，引進(jìn)國(guó)外的成熟技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn);4、國(guó)外的風(fēng)電機(jī)組制造公司在國(guó)內(nèi)建立獨(dú)資企業(yè)，將其成熟的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn);5、采用國(guó)內(nèi)大學(xué)和科技公司自行開發(fā)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組。雖然近年來，我國(guó)風(fēng)電裝備的技術(shù)能力有了較大提高，但是在風(fēng)機(jī)整機(jī)的研發(fā)和設(shè)計(jì)上，我們依然沒有掌握核心技術(shù)。目前，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組尚未形成掌握風(fēng)電整機(jī)總體設(shè)計(jì)方法的核心技術(shù)人員隊(duì)伍，載技術(shù)上還是受制于人，很多關(guān)鍵設(shè)備核心技術(shù)主要依賴進(jìn)口， 造成我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的價(jià)格偏高，這成為新能源無法市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。
5.2 設(shè)備質(zhì)量
國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備質(zhì)量有待提高，由于部分國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備質(zhì)量欠佳，造成風(fēng)電場(chǎng)可利用率不高。采用國(guó)產(chǎn)機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，其機(jī)組可利用率明顯低于采用國(guó)際先進(jìn)品牌的機(jī)組，粗略估算整體上要低7%左右。
5.3 電網(wǎng)建設(shè)
電網(wǎng)瓶頸是風(fēng)電發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。截至2008年底我國(guó)有超過1200萬kW的風(fēng)電機(jī)組完成吊裝，其中1000萬kW風(fēng)電機(jī)組已通過調(diào)試可以發(fā)電，但由于電網(wǎng)建設(shè)滯后以及風(fēng)電并網(wǎng)中的一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理障礙， 2008年底實(shí)際并入電網(wǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H為800萬kW，由電網(wǎng)因素導(dǎo)致的裝機(jī)容量浪費(fèi)約200萬kW。風(fēng)力資源時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性，小規(guī)模的風(fēng)電電源會(huì)引起電能質(zhì)量、電壓的問題，大規(guī)模的風(fēng)電電源會(huì)引起電網(wǎng)穩(wěn)定性等問題。因此，如果不加大對(duì)電網(wǎng)的投入，區(qū)域性電網(wǎng)就會(huì)受到嚴(yán)重威脅;而一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)造成大面積停電，后果不堪設(shè)想。另，經(jīng)濟(jì)效益差、運(yùn)行管理復(fù)雜也是影響風(fēng)電上網(wǎng)的重要原因。
6結(jié)語
風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景，作為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的清潔能源， 風(fēng)能利用必將為我國(guó)的環(huán)保事業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整作出巨大貢獻(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的崛起勢(shì)在必行，在這個(gè)過程中，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研制和電網(wǎng)建設(shè)將制約行業(yè)的發(fā)展，要想使風(fēng)電發(fā)電行業(yè)保持高速、穩(wěn)定、長(zhǎng)期的發(fā)展，必須解決這兩個(gè)方面的問題。目前盡管有著各種各樣的困難，隨著科技的進(jìn)步、政策資金以及投資方信心的增強(qiáng)，風(fēng)電在開發(fā)、運(yùn)行、管理方面都將取得進(jìn)步和提高。風(fēng)力發(fā)電必將有美好的前景。
(參考文獻(xiàn))
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[2]葉杭冶，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M]嗎， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2版， 2008.
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