风力（11篇）
1.风力 篇一
风力发电机组论文：自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用
【中文摘要】本文主要研究了风力发电变桨距控制系统。首先介绍了风力发电机组的运行原理,在此基础上建立了大型变桨距变速风力发电机的模型,设计出PID控制器。然后重点讨论了在高风速情况下桨距角控制问题。为了改善系统在恒功率输出运行区域内的动态性能,本文设计了自抗扰控制方法的风力发电系统变桨距控制器,仿真结果表明这种方法可以有效抑制随机风扰动下电机转速偏差,实现恒功率控制。
【英文摘要】This paper mainly studied pitch control system of wind turbine.Firstly, it introduced the development of wind power at home and abroad, the operating principles of wind turbines, and constructed the models of a large-scale variable pitch variable speed wind turbine based on those principals and design a PID controller.Then it focused on the variable blade pitch control in the case of high wind speed.In this thesis, a new pitch controller based on the control theory of active disturbance rejection is deve...【关键词】风力发电机组 变桨距控制 自抗扰控制
【英文关键词】wind turbine variable pitch control active disturbance rejection control
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【目录】自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用5-6
Abstract6
第一章 绪论9-181.2 国内外风力发电现状
摘要
1.1 风力发
电的意义和研究背景9-1010-1410-1212-14
1.3 风力发电技术目前的研究现状和难题1.3.1 定桨距失速调节技术与变桨距技术1.3.2 恒速恒频风力发电技术与变速恒频发电技术1.4 风力发电控制技术的发展14-17
1.4.1 风
力发电系统的传统控制方法14制方法14-17
1.4.2 风力发电机组的现代控
第二
1.5 论文的主要内容及安排17-18
18-33
章 变桨距风力发电机组结构与工作原理机组的结构形式18-1919-21建立23-26型24-25
2.1 风力发电
2.2 风力机空气动力学理论
2.4 风机机理模型的2.4.2 传动机构模
2.5 风力发电
2.3 风能利用系数21-23
2.4.1 风轮模型23-24
2.4.3 异步发电机模型25-26
26-32
控制系统仿真实例26-2828-3032-33用33-48
2.5.1 系统模型的搭建
2.5.2 PID控制器及MATLAB系统仿真图2.5.3 仿真结果30-32
2.6 本章小结
第三章 自抗扰控制在风力发电变桨距控制系统中的应3.1 自抗扰控制基本原理
33-36
3.2 自抗扰
控制器的离散算法实现36-373.3 自抗扰控制器的高阶扩展
37-393.4 自抗扰控制器参数整定39-42
3.6 本章小结47-48
3.5 仿真与第四章 结论和展
结果分析42-47望48-50
参考文献50-55在学期间发表的学术论文和
作者简介57
参加科研情况55-56致谢56-57
2.风力 篇二
近年来全球地震频发,由于缺乏足够的预测手段,地震往往具有很强的不可预见性和突发性。对于风力发电机这样的工业设施,应对地震灾害,除了优化选址外,加强设施本身的抗震能力至关重要。大功率风力机由于其结构特点,在地震中除了会受到地震力载荷外,还会受到风力的作用。抗震技术的开发有赖于对风力设施在地震-风力联合作用下的性能分析研究。然而,目前我国在此方面开展的研究工作很少,尤其是对整机进行系统的动力响应特性研究的报道寥寥无几。因此,结合国内外风力发电结构的理论研究和工程背景,开展系统的结构动力响应特性研究已成为当前需要解决的重要课题[1,2,3]。
目前,通过了GL认证的国际风力发电专用计算软件GH Bladed是开展风力机结构动力学研究的重要工具和手段,但该软件代码都是封闭的,用户无法将不同的算法和模型应用在系统建模当中,在一些场合的应用受到限制。本文以某企业开发的大型风力机为研究对象,采用多柔体系统动力学理论建立风力发电机结构动力学分析模型,在FORTRAN下进行风力发电机系统结构动力学分析编程实现,采用动态入流理论进行气动载荷计算,用Euro code 8生成地震谱,计算风力机在地震-风力联合作用下的受力情况。作为参考和验证,将分析数据同权威计算软件GH Bladed的计算结果进行了比较。
1 多柔体系统动力学模型
Kane方法是建立多自由系统动力学方程的一种方法,其基本思想源于阿贝尔提出的伪坐标概念,即利用广义速率代替广义坐标作为独立变量描述系统的运动,Kane方法可以避免动力学函数求导的复杂步骤,而直接利用达朗贝尔原理建立系统动力学方程,兼有矢量力学和分析力学的特点,既适用于完整系统,也适用于非完整系统。对于自由度较多的复杂系统,Kane方法可以减少计算步骤[4,5,6]。
对于风力发电机组系统,当确定了每个刚体的偏速度和偏角速度,以及相应的广义主动力Fr和广义惯性力F*r之后,其Kane动力学方程可表示为
Fr+F*r=0 r=1,2,…,n (1)
即每个广义速率对应的广义主动力和广义惯性力之和等于零。设风力发电机组系统由w个刚体组成。假设对于刚体Ni,主动力施加在其质心Xi,则风力发电机组系统的广义主动力和其对应的广义惯性力分别为
式中,Eω(Ni)r和Ev(Xi)r分别为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的第r偏角速度矢量和第r偏线速度质心处矢量;M(Ni)和F(Xi)分别为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的主动力矩和主动力;m(Ni)为第Ni个刚体质量;Ea(Xi)为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的第r偏角加速度矢量。
风力发电机组系统各个刚体所受的广义惯性力之和等于风力发电机组系统的广义惯性力,即
式中,F*r|X为基座的广义惯性力;F*r|T为塔架的广义惯性力;F*r|N为机舱的广义惯性力;F*r|H为轮毂的广义惯性力;F*r|B1为叶片1的广义惯性力;F*r|B2为叶片2的广义惯性力;F*r|B3为叶片3的广义惯性力;F*r|G为发电机的广义惯性力。
广义主动力由所有作用于风力机系统的力、不同刚体之间相互的作用力以及柔性部件的内力所产生。包括叶片和塔架上的气动力;作用在基座、塔架、偏航轴承、机舱、轮毂、叶片、叶尖刹车、尾翼的重力;发电机扭矩;高速轴刹车力以及齿轮箱摩擦力;偏航运动时,部件所受的约束力;柔性部件,如叶片、塔架和传动链的弹性和阻尼内力。
因此风力发电机组系统的广义主动力为
其中,广义主动力依次为:塔架所受气动力产生的广义主动力、叶片1所受气动力产生的广义主动力、叶片2所受气动力产生的广义主动力、叶片3所受气动力产生的广义主动力、基座所受重力产生的广义主动力、塔架所受重力产生的广义主动力、机舱所受重力产生的广义主动力、轮毂所受重力产生的广义主动力、叶片1所受重力产生的广义主动力、叶片2所受重力产生的广义主动力、叶片3所受重力产生的广义主动力、偏航弹簧力产生的广义主动力、偏航阻尼力产生的广义主动力、发电机扭矩产生的广义主动力、高速轴刹车产生的广义主动力、齿轮箱摩擦力产生的广义主动力、柔性塔架的弹性力产生的广义主动力、柔性塔架的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片1的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片1的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片2的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片2的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片3的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片3的阻尼力产生的广义主动力、柔性传动链的弹性力产生的广义主动力、柔性传动链的阻尼力产生的广义主动力。
将式(4)和式(5)代入Kane动力学方程(式(1))中,可以得到风力发电机组系统动力学方程,其矩阵形式为
式中,C(q,t)为系统加速度的系数矩阵;
求解时,在每个时间步,方程的数值解的第一步是采用4阶Adams-Beshforth预测-修正算法的预测方法确定低阶项的值,并以此构成方程的右边项,然后采用Gauss消元法求解系统自由度的加速度,这些计算得到的加速度值用于修正预测值,以提高预测精度。经过几次迭代后,采用4阶Adams-Mounton预测-修正算法的修正方法确定加速度的值,并给出该时间步的最终解。由于该预测-修正算法不是自发的,前4个时间步的解需要用4阶Runge-Kutta法确定。
2 风载荷
风力机气动性能计算方法采用GDW理论,它基于无黏性、不可压缩气体流动的La place方程的势能流解,相较于叶素动量理论(BEM)可以描述风轮盘上的更一般的压力分布[7,8]。GDW理论中,关于诱导速度沿半径方向和方位角方向分布的规律可以表示为
式(5)中的径向形函数
为了确定诱导速度的分布,在式(9)中还需要知道系数αrj和βrj。因为连续的无黏性不可压缩流体的压强梯度分布满足La place方程,所以GDW理论的主控制方程为
式中,M为显式质量矩阵;V[Ls]-1为入流系数矩阵;τ为叶片的压力系数。
解该微分方程组,可以得到入流系数αrj、βrj和风轮上的诱导速度分布,从而计算出轴向、切向诱导速度因子a、a′。
3 地震载荷
地震载荷以加速度历程的形式作用于风力发电机组上,而加速度则依据结构规范中设计加速度的反应谱生成[9,10,11]。在工程设计中,欧洲规范(Euro code8)在世界上得到了广泛的使用。为具有普适性,在本文中,地震荷载以加速度时程的形式作用于风力发电高塔系统基底,而加速度则依据结构规范中设计加速度反应谱生成。因风力发电高塔系统属高耸结构,竖向地震荷载不可忽略,故本文生成了水平和竖直2个方向的加速度时程并作用于结构上。不失一般性,现以生成水平向加速度时程为例进行说明。依据Euro code8,地震荷载水平向加速度反应谱可表示为
式中,T为线性单自由度系统自振周期,取T=1s;TB、TC为加速度谱常数段界限,取TB=0.15s,TC=0.4s;TD为定义谱中常数位移反应范围的值,取TD=2s;ag为A类场地的地面设计加速度峰值,取ag=0.35g;S为土系数,与场地类别有关,取S=1;q为性能系数,与横截面类型有关,取q=1;β为动力系数,规范建议取β=0.2;η为阻尼修正系数,式中取ξ=0.05。
4 功率控制策略
大功率风力发电机组控制策略保证低风速时最大吸收风能,高于额定风速时,使功率稳定在额定值。当风速低于额定风速时,采用电机变速控制,以最大吸收风能,保证功率系数最大。其表达式为
式中,Cp,max为最大功率系数。
当风速高于额定风速时,对风力发电机进行变浆距控制,变浆距角随风速的变化计算公式为
式中,Prated为额定功率。
5 风力机系统分析模型编程实现
根据风机的系统特性,按照式(1)～式(14)在Fortran下进行风力发电机系统建模。风力发电机动力学建模简图见图1。
同时生成文件.adm和.acf,并建立adams_plant.dll动态链接文件。建立的Fortran风力机仿真模型主要部件包括风轮、塔架、齿轮箱、电机等部件模型,如图2所示。其中风轮和塔架均为柔性体,齿轮箱和电机只需要考虑传动比和电机反应扭矩以及质量分布即可,不必建立详细模型。
6 计算分析结果
对某2MW变速变桨风力发电机组进行动力学仿真分析。该2MW变速变桨风力机基本结构是三叶片上风向风力机,功率调节方式为变速变桨调节,主要参数如表1所示。
6.1 模态分析
先进行模态分析,分析结果与GH Bladed计算结果的比较如表2、图3和图4所示。结果显示,除塔架的2阶纵向模态相差比例在-18.62%,相对较大外,其他数据的相差 比例均在8%以内,差异不大,表明该结构动力学分析模型是正确的。
注*:相差比例=(本文计算结果-Bladed结果)/ Bladed结果
6.2 地震载荷谱
地震载荷谱的仿真结果如图5所示,其与GH Bladed计算结果的比较如表3所示,结果显示,本文的计算数据均比GH Bladed的计算数据偏小;此外,两者结果除塔架的变形量和变形速度
相差较大外(约18%),其他数据的差异均在合理范围,进一步验证了本文建立分析模型的正确性。
6.3 载荷分析
在验证完模型的正确性后,对模型风力发电机组的塔基载荷、叶根载荷和主轴载荷最大值进行了计算,结果如表4～表6所示。
注**:相差比例=(地震-不考虑地震)/不考虑地震
从上述数据及比较来看,地震对风力机载荷最大值的影响是很大的,最大影响出现在主轴载荷最大值上(增加了413.19%)。计算结果对风力机的抗震结构设计具有很好的参考意义。
7 结论
(1)通过将本文计算结果与GL认证软件Bladed的计算结果进行对比表明,本文所建立并使用的计算模型不仅正确可行,而且可以根据用户使用的算法和模型的需要修改子模型。
(2)将本文建立的模型应用于某大功率风力机地震-风力联合作用下的载荷仿真计算,比较准确、实时地模拟了其在各种工况下的受载情况。结果表明,地震时风力发电机载荷比正常情况下所受载荷要高出许多。
参考文献
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3.风力发电不如猫 篇三
一只鸟的3％代表什么意思?天鹅翼展最尖端的7厘米?鸵鸟的右脚?还是平均每具风力发电机造成鸟的死亡数目?据美国国家科学院《风能计划对环境冲击》的报告，是指第三种说法，这是统计30具涡轮扇叶一年对一只鸟杀伤率的数据。
写报告的科学家共搜集了14项自认可信的研究，很自然地对得到的数字附加了许多警告。他们知道死亡率会因地点不同而大有差异，正如哈姆雷特的名旬“一只麻雀的死生，都是命运预先注定的”，因此即使死的是一只秃鹰，也不值得去设法避免。
分析的结论是，不论怎么算，在美国被风力发电扇叶打死的小鸟一年不超过4万只，这个数目显然不能与每年被猫咬死的以“亿”为单位的小鸟比较。执笔者写到，涡轮扇叶虽然比用棒子挥击的伤害大些，最近的研究也发现鸟尸比预期多，但数目仍然微不足道。然而，有关连雀死亡阴影的研究未能平息爱鸟人士的忧虑，这批人看到风力发电机就会反感。以无碳能源来说，风力发电在环保人士眼中声名狼藉，大部分的抱怨都是为了鸟类安全及景观问题。风力发电厂并未拿到完全清白的“健康证书”，正如美国国家科学院报告中所指出的，大部分的资料都有局限性，英国实证保育中心主持人普林也认为证据十分薄弱。
拥有大量会员且颇具实力的英国皇家鸟类保护协会，反对在沿海岸发展大面积风力发电，因为陆地上的小规模装置被证实效果有限。这个组织坚决反对在苏格兰赫布里底群岛中的路易斯岛设立234座风力发电机的计划。
风力发电排名世界第三，仅次于美国、德国的西班牙也表发布研究指称，造成鸟类死亡的数目很小。但是西班牙环境保护论者认为，该数字未说出全部实情，环保顾问卡米尼亚曾监视140座风力发电厂中的70座。他说，2004年发表的研究，野外调查却是在10年前完成的，那个时代的涡轮扇叶要少得多。
卡米尼亚受雇于里奥哈、瓦伦西亚及安达卢西亚三个地方政府。他最近向马德里环保署递出的一项即将发表的报告指出，重点是猛禽被伤害的数量。举例来说，自2000年起，共有886只鲁氏粗毛秃鹫因此死亡。他表示，了解大型鸟类的死亡很重要，这是因为它们的繁衍较慢，只要有少数死亡就会影响到整体数量。
猛禽类在美国也引起重大争议，20世纪80年代开始运作的加州阿特蒙隘口风力发电机就曾有扫落金鹰的记录。但是拥有阿特蒙涡轮发电机的总裁柯埃比则辩称，这种说法是“欲加之罪，何患无辞”。“我听说每年有1000只鸟会撞上华盛顿纪念碑，这是否也应拆除?我们做的是拯救地球的事，甚至也救了鸟类，因为污染对鸟类的伤害是人类的2倍。”
4.风力发电课程设计 篇四
1.1世界风力发电的现状
近20年风电技术取得了巨大的进步。1995—2006年风力发电能力以平均每年30%以上的速度增长，已经成为各种能源中增长速度最快的一种。今年来欧洲、北美的风力发电装机容量所提供的电力2成为仅次于天然气发电电力的第二大能源。欧洲的风力风力发电已经开始从“补充能源”向“战略替代能源”的方向发展。
到2008年，世界风能利用嘴发达的国家是德国、美国和西班牙，中国名列世界第四位。丹麦是世界上使用风能比例最高的国家，丹麦能源消费的1/5来自于风力。
欧洲在开发海上风能方面也依然走在世界前列，其中丹麦、美国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快。尤其是在一些人口密度较高的国家，随着陆地风电场殆尽，发展海上风电场已成为新的风机应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国家都在计划较大的海上风电场项目。目前海上风电机组的平均单机容量在3MW左右，最大已达6MW。世界海上风电总装机容量超过80万千瓦。
有余风力发电技术已经相对成熟，因此许多国家对风发电的投入较大，其发展较快，从而使风电价格不断下降。若考虑环保及地理因素，加上政府税收优惠政策和相关支持，在有些地区风力发电已可与火力发电等展开竞争。在全球范围内，风力发电已形年产值超过50亿美元的产业。
1.2我过风力发电的发展现状
我国风力发电从20世纪80年代开始起步，到1985年以后逐步走向产业化发展阶段。
自2005年起，我国风电规模连续三年实现翻倍增长。风电新增容量每年都增加超过100%，仅次于美国、西班牙，成为世界风电快速增长的市场之一。根据国家能源局2009年公布的统计数据，截止2008年底，我国风电装机容量已达1271万千瓦，居世界第4位，但是风电在我国整个电力能源结构中所占的比重仍然比较低。
我国将在内蒙古、甘肃、河北、吉林、新疆、江苏沿海等省区建设十多个百万千瓦级和几个千瓦级风电基地。根据目前国内增长趋势，预计到2020年，中国风电总装机容量将达到1.3亿~1.5亿千瓦。风力发电机
2.1恒速恒频的笼式感应发电机
恒速恒频式风力发电系统，特点是在有效风速范围内，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；发电机输出的交流电能频率恒定。通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。
恒速恒频式发电机组都是定桨距失速调节型。通过定桨距失速控制的风力机使发电机转速保持在恒定的数值，继而使风电机并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，因而转子、风轮的速度变化范围较小，不能保持在最佳叶尖速比，捕获风能的效率低。
2.2变速恒频的双馈感应式发电机
变速恒频式风力发电系统，特点是在有效风速范围内，允许发电机组的运行转速变化，而发电机定子发出的交流电能的频率恒定。通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应式异步发电机组。
双馈感应式发电机结合了同步发电机和异步发电机的特点。这种发电机的定子和转子都可以和电网交换功率，双馈因此而得名。
双馈感应式发电机，一般都采用升级齿轮箱将风轮的转速增加若干倍，传递给发电机转子转速明显提高，因而可以采用高速发电机，体积小，质量轻。双馈交流器的容量仅与发电机的转差容量相关，效率高、价格低廉。这种方案的缺点是升速轮箱价格贵，噪声大、易疲劳损坏。
2.3变速变频的直驱式永磁同步发电机
变速变频式风力发电系统，特点是在有效风速范围内，发电机组的转速和发电机组定子侧产生的交流电能的频率都是变化的。因此，此类风力 需要在定子侧串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。
直驱式风力发电机组，风轮与发电机的转子直接耦合，而不经过齿轮箱，“直驱式”因此而得名。由于风轮的转速一般较低，因此只能采用低速的永磁式发电机。因而无齿轮箱，可靠性高；但采用低速永磁发电机，体积大，造价高；而且发电机的全部功率都需要交流器送入电网，变流器的容量大，成本高。
如果将电力变流装置也算作是发电机组的一部分，只观察最终送入电网的电能特征，那么直驱式永磁同步发电机组也属于变速恒频的风力发电系统。
3介绍相关风力发电控制技术
3.1风力发电控制系统的目的由于风力发电机组是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标分为4个层次：保证可靠运行，获取最大能量，提供良好电力质量，延长机组寿命。控制系统实现以下具体功能:
(1)运行风俗范围内，确保系统稳定运行。
(2)低风速时，跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获。
(3)高风速时，限制风能捕获，保持风力发电机组的额定输出功率。
(4)减少阵风引起的转矩峰值变化，减少风轮机械应力和输出功率波动。
(5)控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制，比如桨距角的调节范围和变桨距速率有一
定限制。
(6)抑制可能引起机械共振的频率。
(7)调节机组功率，控制电网电压、频率稳定。
3.2风力发电控制系统
除了风轮和发电机这两个核心部分，风力发电机组换包括一些辅助部件，用来安全、高效的利用风能，输出高质量的电能。
（1）传动机构
虽说用于风力发电的现代水平轴风力机大多采用高速风轮，但相对于发电的要求而言，风轮的转速其实并没有那么高。考虑到叶片材料的强度和最佳叶尖速必的要求，风轮转速大约是18~33r/min。而常规发电机的转速多为800r/min或1500r/min。
对于容量较大的风电机组，由于风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，因而可以通过齿轮箱的增速作用来实现。风力发电机组中的齿轮箱也称增速箱。在双馈式风力发电机组中，齿轮箱就是一个不可缺少的重要部件。大型风力发电机的传动装置，增速比一般为40~50。这样，可以减轻发电机质量，从而节省成本。
也有一些采用永磁同步发电机的风力发电系统，在设计时由风轮直接驱动发电机的转子，而省去齿轮箱，以减轻质量和噪声。
对于小型的风电机组，由于风轮的转速和发电机的额定转速比较接近，通常可以将发电机的轴直接连到风轮的轮毂。
（2）对风系统（偏航系统）
自然界的风方向多变。只有让风垂直地吹向风轮转动面，风力机才能最大限度地获得风能。为此，常见的水平轴的风力机需要配备调向系统，使风轮的旋转面经常对准风向。
对于小容量风力发电机组，往往在风轮后面装一个类似风向标的尾舵，来实现对风功能。对于容量较大的风力发电机组，通常配有专门的对风装置——偏航系统，一般由风向传感器
和伺服电动机组合而成。大型机组都采用主动偏航系统，即采用电力或液压拖动来完成对风动作，偏航方式通常采用齿轮驱动。
一般大型风力机在机舱后面的顶部有两个互相独立的传感器。当风向发生改变时，风向标登记这个方位，并传递信号到控制器，然后控制器控制偏航系统转动机舱。
（3）限速装置
风轮转速和功率随着风速的提高而增加，风速过高会导致风轮转速过高和发电机超负荷，危及风力发电机组的运行安全。限速安全机构的作用是使风轮单位转速在一定的风速范围内基本保持不变。
（4）液压制动装置
机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动，当风速过高时使风轮停转，保证强风下风电机组安全。
机组正常时，需维持额定压力区间运行。液压泵控制液压系统压力，当压力下降至设定值后，启动油泵运行，当压力升高至某设定值后，停泵。
4风力发电技术发展趋势的展望
4.1风力发电的发展方向
风力发电技术是目前可再生能源利用中技术最成熟的、最具商业化发展前景的利用方式，也是本世纪最具规模开发前景的新能源之一合理利用风能，既可减少环境污染，有可减轻目前越来越大的能源短缺给人类带来的压力。
未来风力发电技术将向着以下几个方向发展。
（1）单机容量大。主流的新增风力机的单机容量将从750KW~1.5MW向2MW甚至更大的容量发展。目前世界上单机容量最大的风机，为5MW风力发电机，海上风力发电的6MW风电机组也已研制成功。
（2）风电场规模增大。将从10MW级向100MW、1000MW级发展。
（3）从陆地向海上发展。
（4）生产成本进一步降低。
4.2未来风力发电的展望
5.风力发电的特点 篇五
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。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。依据风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，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。
6.风力发电技术综述 篇六
地球表面各处接受太阳照射受热不同而产生温差,引起大气对流运动形成风。地球上风能蕴藏量巨大,而且取之不尽,用之不竭,是一种重要的可再生能源。据世界气象组织于1954年估计,地球上可为人们利用的风能有107 MW,这相当于10 000个100万k W的利用燃料发电的发电厂的容量,是地球上可供利用的水力的100倍。这是一个非常可观的数量[1]。在中国,根据2004~2005年中国气象局进行的第三次全国风能资源普查,仅陆上10 m高空处的实际可开发的风能就有2.97亿k W。我国陆上加海上可开发风能总量有7~12亿k W[2]。
人类利用风能的历史已经有数千年,然而利用风能发电的历史却始于1891年,但之后的较长时间发展缓慢。直到1973年石油危机后,风力发电作为新能源越来越受到重视。特别是20世纪90年代以来,风力发电加速发展[2,3],总装机容量以年均25%以上的速度增长,每年新增容量的增长率也超过了30%。2007年,全球新增风电装机容量20 073MW,累计风电装机容量94 112 MW。欧洲2007年新增电源中风电首次超过天然气发电,成为第一大增长电源。
中国发展风力发电始于1990年,2000年总装机容量为350 MW,到2006年增长为2 600 MW,年增长率近40%。2007年更是翻了一番,新增3 449MW,居世界第三,总装机达到6 050 MW,居世界第五。图1给出了世界风电总装机前10位的情况。2008年8月12日,中国风电发电装机总量已经达到7 000 MW,占我国发电总装机容量的1%,这也意味着我国已进入可再生能源大国行列。
风力发电的快速发展和各国支持风电发展的政策紧密相关。为促进风力发电的发展,世界各国政府出台了许多优惠政策,主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、规定最低风电电价、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排CO2奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持,由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。中国为促进风力发电的发展,先后实施了“乘风计划”、“光明工程”和“双加工程”,推行风电特许权项目,给予风电在资金、电价等方面的政策支持。2006年正式实施了《可再生能源法》及其一系列实施细则,大大促进了风力发电的发展。根据全球风能理事会以中等发展水平的预测,中国风力发电装机容量2010年将达到10 000 MW,2020年将达到70 000MW,2050年将达到450 000 MW。
2 风力发电系统的基本形式
从机组结构上来看,风力发电经过多年的发展,曾出现过多种类型。图2是几种典型的风力发电系统拓扑[4],这些拓扑的区别在于使用的发电机和电力电子变换器以及有无齿轮箱。
图2(a)是20世纪80年代到90年代被广泛采用的传统结构。它的风力机采用失速调节,机组转速可以认为是不可调的。为了补偿感应发电机的无功功率使用了电容器组,为了平滑并网使用了软启动器进行软并网。
图2(b)中,用电力电子变换器代替了软启动器和电容器组,把电网和感应发电机隔开,实现了机组在全风速下的变速运行。
图2(c)中使用了绕线转子的感应发电机,并采用电力电子变换器外部改变转子电阻,从而获得转差率可控的10%可调范围,并通过控制转差率控制机组输出的功率。
图2(d)结构使用了双馈型感应发电机,用变频器控制转子绕组的电流。变频器功率仅为发电机额定功率的20%~30%就可控制发电机的全功率输出。这种结构比图(c)的结构有更宽的调速范围,变换器所需功率较小,经济性好。我国东汽集团生产的1.5 MW风力发电机组就属于这种结构。
图2(e)引入了绕线式同步发电机,经电力电子变换器连接电网。由于它需要励磁用整流电路、电刷和滑环,即使其可以实现变速恒频也不被看好。
图2(f)与图2(e)结构相同,也使用绕线式同步发电机。但由于它使用的是多极发电机,所以它不需要齿轮箱。Enercon和Lgaerwey是典型应用这种结构的风力机制造公司。
图2(g)所示结构有风力机直接驱动多级永磁同步发电机,省去了齿轮箱、电刷和滑环,提高了机组的运行可靠性,减少了维护费用。电力电子变换器可以使机组实现变速恒频运行。早期由于成本的原因只用于小型风力发电机,典型应用是作为船舶电源。近年来随着永磁体价格的降低这种结构被更广泛的应用,目前单机容量国内已经达到2 MW。ABB公司在2000年利用这种结构提出一个新的设想:用多极3.5 MW永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生21 k V直流电,然后经高压直流输电并入电网。
从技术发展上看,风力发电经历了从定桨距到变桨距、从恒速恒频(CSCF)到变速恒频(VSCF)的技术升级。节距角就是桨叶半径R处回转平面与桨叶截面弦长之间的夹角。变桨距控制就是通过改变桨叶节距角来调节风力机功率,使得在额定风速以下控制风力机运行于特定转速使其风能转换效率保持最大直到功率达到额定值;在风速超过额定时降低转换效率保持额定功率直到切出风速,这是定桨距很难实现的。变速恒频发电是另一种新型的发电技术,尤其适合于风力发电。它适应了风能的随机、不稳定的特性,根据风速调节转速从而最大的输出能量,实现和电网的柔性连接,提高机组的风能转化效率,减少风力机的应力和磨损,优化了机组运行条件。20世纪90年代以来,国内外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频技术。随着风力发电技术的广泛应用,变速恒频风力发电方式将得到更多重视,应用范围不断扩大[5]。
变速恒频风力发电有多种机型,除了目前已经有较大市场份额的双馈风力发电机组和直驱永磁风力发电机组以外,还有无刷双馈、爪极式、和开关磁阻等风力发电系统。双馈式风力发电系统的变流器容量只是系统额定容量的30%左右,成本较低,因此也成为当前变速恒频风力发电系统的主流机型。直驱式变速恒频风力发电系统采用低速永磁同步发电机(PMSG0),取消了变速齿轮箱,不需要电刷,结构简单,便于维护,使用寿命长。与传统技术相比,输出功率可以增加20%以上,维护费用则可降低50%,这些足以抵消它采用全功率变换器所增加的成本;同时它具有可靠性更高,噪音更低等优点,因而代表着未来的发展方向[6]。
从2002年全球各类风力发电机的市场份额统计可以看出,在风力发电市场中,采用笼型感应电机的恒速风力发电机、采用双馈感应发电机的变速风力发电机和采用永磁同步发电机的直驱永磁同步风力发电机占有绝对的优势[7]。
随着新材料的应用、设计水平的提高以及控制系统的改进,风力发电的发展将会呈现出以下几个趋势[7]:
(1)单机容量不断增大,兆瓦级的大机组的比重会不断增长。在欧洲,5 MW的风力发电机组已经商业化,在国内,2 MW和1.5 MW的机组技术已经成熟,在总装机容量中的比重分别从2006年的1%和9%增长到2007年的2%和18%。
(2)变桨距调节方式将会逐步取代定桨距失速调节方式。变桨距调节能够按最佳参数运行,额定风速以下能最多的吸收风能,额定风速以上能输出恒定功率,避免发电机超负荷,并且可以改善整机受力状况。
(3)变速运行方式将会取代恒速运行方式。变速运行可以控制风机运行于最佳叶尖速比以获取最大风能,同时使功率输出更稳定。
(4)直驱式的市场份额会越来越大。直接驱动省去齿轮箱,减少能量损失、停机时间、发电成本和噪声,降低了维护费用,提高了风电转换效率和可靠性。
(5)海上风力发电将会得到更大的发展。海上风能较陆上大且具有稳定的主导风向,允许安装单机容量更大的风机。
(6)风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性,实现免维护提高发电效率。
3 风力发电中的关键技术
3.1 并网技术的研究和最大风能的捕获
对直驱式永磁发电系统研究的内容主要有并网及并网后的发电机转速控制的研究、提高系统可靠性的控制的研究以及提高系统故障穿越能力的研究等几方面。这些研究几乎都是通过对全功率电力变换器的控制算法来实现相应的控制目的的。
并网控制方面,文献[8]提出了直流侧并网的新方法。在直流电容与DC/AC之间安装并网开关。并网前并网开关断开,DC/AC通过限流电阻对电容进行充电,此时发电机在风力机的带动下转速从0上升。当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关,同步风力发电机并网。正常情况下,发电机转速从低到高逐渐上升,并在某一转速下并入电网。当由于某种原因,发电机在高转速下脱网需要重新并网,由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值,因此只要将并网开关闭合就可实现并网。
直驱式永磁同步风力发电机经电力电子变换器并入电网以后的控制目标是风速小于额定风速时实现最大风能捕获,风速超过额定风速时使系统以额定功率输出[9]。
最大风能捕获的目的就是通过适当的控制,使风力机转速随风速变化,始终沿着最佳功率曲线运行,从而使风能转化最大化。最大风能追踪可以有变桨距调节,也可以通过调节发电机功率来调节转速以保持最佳叶尖速比实现。出于可行性、经济性和可靠性的考虑,当前使用的主要是通过控制发电机输出功率以调节其电磁功率,进而调节发电机转速。
具体实现时,在发电机有功和无功功率解耦控制的基础上,根据有功功率给定的提取方法的不同,又有有速度传感器和无速度传感器的控制方法之分。有速度传感器的控制方法是根据风力机最佳功率曲线和风力机转速实时计算发电机输出功率给定。而无速度传感器的控制方法又有扰动法、参数估计法、查表法和人工在智能法几类。
文献[10-12]介绍了最大风能跟踪的扰动法,主要有爬山法、正弦波小扰动法和最佳转矩曲线法等。扰动法的基本原理是根据电机转速和直流电压之间的关系,先对直流电压的扰动,然后测量有功功率的变化,如果输出功率变化为正,则以扰动后位置为新工作点继续扰动,如果输出有功功率变化为负,则在原来工作点改变扰动,直到找到最佳工作点。根据改变扰动的策略又有2个思路,一个是功率变化为负时,改变扰动方向,如果向大向小2个方向的扰动都使得有功功率变化为负,则认为达到了最佳点;另一个叫变步长法,当有功功率变化为负时,不改变扰动方向,而是把扰动减半在原来工作点上再次扰动,直到功率变化小于一个很小的正数,认为达到最佳工作点。文献[13]用发电机电动势的积分得到磁通链,而这个磁通链包含有转子的位置信息,进而估计出转子转速。文献[14]根据直流电压和发电机转速的关系,通过测量直流电压,通过查表得到转速。然后据此计算逆变器的有功给定,实现最大风能追踪。文献[15]针对双PWM变换器研究了发电机的单位功率因数控制,通过增加约束方程的方法,解决了电机定子超过极限值而导致系统不稳定的问题。文献[16]使用神经网络的方法估算风速,在根据估算的风速计算发电机转速给定并据此控制最大风能追踪。
目前对减小直驱式风力发电系统变换器的直流环节电容,以提高系统的可靠性的研究比较少。文献[17]建立了在主从控制方式下应用功率平衡联合控制策略的双PWM控制模型,使得整流部分充分利用了逆变部分的信息,提高了直流母线电压的动态控制性,减少了对变换器中电解电容容量的要求,提高了系统的可靠性和性能;文献[18]对用于海浪发电永磁同步机的变换器做了类似研究,通过在整流器和逆变器之间加入功率反馈环,达到电容充放电电流减小的目的,使得在电容量一定时,直流电压范围变小,为逆变创造了更好的条件。
文献[19]对风力发电用大功率逆变器进行了研究,提出了一种新的电路拓扑;文献[20]则对大型风电场接入系统方式进行了比较;而文献[21]则从桨距角控制、发电机转速控制、电力变换器功率解耦控制等方面对直驱永磁同步发电机的控制策略进行了全面的研究,为进一步研究奠定了基础。
3.2 低电压穿越的研究
电网电压跌落时,由于受变流器通流能力的限制,网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变,造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定,则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏,为了保护变流器不被损坏,风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时,风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。
然而,随着风力发电规模的不断扩大,若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网,则会增加整个系统的恢复难度,甚至使故障更加严重,最终导致系统其他机组全部解列。目前在风力发电技术发展领先的一些国家,如丹麦、德国等已相继制定了新的电网运行准则,定量给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间),只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网,当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力,能方便地为电网提供无功支持。因此必须研究低电压穿越的措施,实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。
文献[22]通过在逆变器交流侧加装无功补偿装置和低通滤波器来应对电网电压不对称跌落对系统所造成的影响,使逆变器只能感受到电网的正序电压,保持其对称工作状态,从而实现低电压穿越;文献[23-26]通过直流侧加卸荷负载以消除电压跌落时直流侧的功率拥堵,避免直流侧的过电压和逆变器的过电流,实现低电压穿越。这些方法都要增加专门的元件,降低了系统的可靠性和经济性,使控制变得复杂。
4 结束语
7.隐形的风力涡轮机 篇七
2009年10月，丹麦风力涡轮机公司维斯塔斯(Vestas)和英国国防承包商奎奈蒂克(QinetiQ)公司展示了第一款“隐形”的风力涡轮机叶片，这是他们对于航空雷达干扰问题——阻碍了在全世界装机容量10亿瓦的风力发电厂——的解决方法。维斯塔斯复合材料专家史蒂夫·阿普尔顿(steveAppleton)表示，公司正在测试一种完全隐形的涡轮机，并将于2010年底开始限量生产。他说：“这种技术显然——如果得到充分证明并被维斯塔斯应用——将会给我们带来竞争优势。”
对于隐形涡轮机如何表现的疑虑——特别是当其遇到远程军用雷达时——促进了对替代解决方案的持续研究。就在10月，英国政府与位于卡尔加里(Calgary)的雷达系统制造商雷神加拿大公司(Raytheon Canada)发起了一项价值850万美元的研究项目，以使现有的空中交通控制系统能够识别和削弱来自风力发电厂的雷达信号。
风力涡轮机干扰雷达的方法有很多。涡轮机可以反射雷达系统的微波信号，造成从雷达操作屏幕上消除飞机的阴影，并且涡轮机的信号会使屏幕凌乱。信号也总是在变化，因为叶片会随着风进行加速和减速，信号的速度达到每小时200千米。航空安全和军事当局坚持认为，造成混乱和事故隐患的可能性是实际存在的。
这种担忧使英国超过10千兆瓦的风力发电厂停止了运行。2008年，美国国土安全部(Department of HomelandSecurity)委托杰森国防咨询小组(JASON Defense Advisory Panel)——这是由Mitre Corporation管理的一个科学和技术政策的咨询小组——进行了一项风力发电和雷达的研究。该研究确定，出于对雷达的担忧，美国当局已经停止了一些10亿瓦的风力能源的开发，并称之为“严重妨碍了国家强制执行的可持续能源的增长。”雷达担忧是美国联邦航空管理局(U.S.Federal AviationAdministration，FAA)在停止CapeWind公司在马萨诸塞州楠塔基特海峡(Nantucket Sound)安装130台涡轮机的项目最终阶段时提出的。
由奎奈蒂克和维斯塔斯公司提供的解决方案，在一定程度上依赖于材料——类似于添加到隐形飞机上，用来吸收一些雷达信号的材料。5毫米的涂层保护了风机塔，但这种涂层将会使大型涡轮机叶片增加1200千克的质量。因此，10月，该公司在英国诺福克(Norfolk)风力发电厂的一台涡轮机上安装的44米的叶片上进行了示范，由玻璃纤维增强环氧树脂和塑料泡沫组成的两层吸收雷达信号的材料添加到叶片复合结构中。
据阿普尔顿所说，移动雷达安装的测试表明，正如先前所预料的，与涡轮机的两片传统叶片相比，隐形叶片产生的信号强度明显较小。他预计，以后的结构测试将会确认没有净重或结构的变化，因为隐性材料只是简单地取代了符合材料中的强化纤维部分。
阿普尔顿说，隐形技术可以适用于任何类型的风力涡轮机，并说：“任何增加的成本都将得到证实，客户可以接受。”目前不太清楚的就是，运用隐形技术可以让多大比例封闭的风力发电厂得以解放。阿普尔顿说：“每个站点的情况不同，需要评估存在什么问题以及我们的技术是否对其有帮助。”关键的因素包括使用的雷达类型、雷达发射塔的距离以及风力涡轮机的类型和分布。
杰森报告的结论是，隐形技术在处理短波雷达方面显示出了“相当大的”潜力，但其不适用于减少美国航空安全部门使用的长波L波段雷达的干扰——该评论受到阿普尔顿的驳斥。他表示：“我们已经证明了能吸收L波段。”
然而，英国正资助雷神公司研发另一种解决方案：利用信号处理算法来区分静止目标，比如风力涡轮机，并从空中交通控制雷达屏幕上清除它们。雷神加拿大公司总经理布莱思-史密斯(BrianSmith)说，关键在于让系统将风力涡轮机识别为假目标，不考虑其旋转叶片。史密斯说：“因为雷达在转动时，它每隔几秒钟会进行扫描，我们的解决方案将使用跟踪软件的算法，告诉系统这不是真正的飞机，因为它是静止不动的。”
史密斯预测，到2011年，雷神公司将在短程和远程雷达系统上都装载这种算法，并将证明，它们不仅能从雷达屏幕上消除风力发电厂，而且能保留有效的静止目标，比如热气球或气象气球。他估计，将需要一年的时间把算法装入全球范围内正在运行的250台——大约占市场的40％——雷神雷达系统中。
杰森报告提出了另一种方法来解决雷达干扰问题：用现代化的数字系统——其适合升级成如雷神公司那样的雷达——取代老旧的模拟雷达站。“目前的情况为改善美国老旧的雷达基础设施提供了一个有意义的机会——通过把阻碍了风力发电厂发展的雷达更换成新的、更灵活和更有能力的系统，特别是数字雷达硬件和现代化的计算能力。这种改进可以大大提高美国领空的安全系数。”
8.发展风力发电具有什么优势 篇八
风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装调试仅需几周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电无可比拟的。投资规模灵活，有多少钱装多少容量。对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径，因此显得更加重要。
为什么说风能是一种绿色能源？
风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电（裂变）会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1.5MW的风能发电机，每年可以减排3,000吨二氧化碳（相当于种植1.5平方英里的树木）、15吨二氧化硫、9吨二氧化氮。风能产生1,000度的电量可以减少0.8到0.9吨的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。除了部分鸟类，风力发电机组不会危害其它野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。
我国风能总量有多少？
我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。而据估计，中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1,143万千瓦、2,421万千瓦、3,433万千瓦和6,178万千瓦，是中国大陆风能储备最丰富的地区。
什么是风能？
风能就是空气的动能,是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。
风能来源于何处？
9.风力发电叶片制作工艺介绍 篇九
风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。1碳纤维在风力发电机叶片中的应用
叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。
1）提高叶片刚度，减轻叶片质量
碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。VestaWindSystem公司的V90型3.0MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。
2）提高叶片抗疲劳性能
风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。
3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。
4）可制造低风速叶片
碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。
5）可制造自适应叶片
叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国SandiaNationalLaboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kWh)，价格可和燃料发电相比。
6）利用导电性能避免雷击
利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。
7）降低风力机叶片的制造和运输成本
由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。
8）具有振动阻尼特性
碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。
2叶片制造工艺及流程 2.1三维编织体/VARTM技术
2.1.1材料选择
目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。
2.1.2三维编织
增强材料预成型加工方法有:手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、Comp Form法和三维编织技术等。
编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。如图1所示：
图
1、经编织物结构图
这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。
除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示：
图
2、纬编织物结构图
根据经纬编结构的特性,纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性,因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。
三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差,不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤,因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。
按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体,而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体,异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。
四步编织法发明之初,所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间3个方向内发生相对运动,因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动,一个完整的编织周期中携纱器需要完成4个动作,因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。
针对三维编织物的特点,RTM工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状；预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道,而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。
2.1.3RTM工艺
树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔,由排气系统保证树脂流动顺畅,排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维,由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为FRP构件。RTM工艺属于半机械化的FRP成型工艺,特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高,且RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数,产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。
注胶压力的选择一直是RTM成型工艺中一个有争议的问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维,而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大,否则会引起预成型坯发生移动或变形。
注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下,为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。
RTM工艺的技术含量高,无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注塑压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。
2.1.4VARTM工艺
随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。真空辅助是在注射树脂的同时,在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空,借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道,形成了完整通路。另外,无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何,真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。所以,真空辅助RTM(VARTM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量,就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。
用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。
2.2叶片复合材料结构设计流程
2.2.1常规制备流程
1)制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；
2)安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面； 3)把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维； 4)安装主梁，起到支撑作用； 5)安装泡沫材料；
6)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维； 7)在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜； 8)灌注树脂，并进行高温真空浇注； 9)取下真空膜；
10)用相同方法制成另外一半壳体； 12)安装腹板(腹板为夹层结构)； 13)安装避雷装置等；
14)安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体； 15)加热，使玻璃纤维更硬；
16)叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。
模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。2.2.2加入碳纤维改进
随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：
1)横梁，尤其是横梁盖。
2)前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。
3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。
10.风力发电如何破茧而出 篇十
必将是有人欢喜有人忧，但从长远来看，
所有人都会从可再生能源中受益，因为我们呼吸的是同样的空气。
??沿着京张高速向西北方向行驶20公里，进入北京延庆县，如果天气不错的话，你可以看见一片片白色的风车矩阵，这些雪白的风车犹如身披战衣的未来战士一般，驻守在狭长的官厅水库两岸，这就是北京的官厅风电场。峡谷内，风机转速很快，但风电发展之路却并不像转动的风机那样顺畅。
经历5年大跃进
官厅风电场项目是2006年8月得到的核准，由北京京能清洁能源电力股份有限公司投资建设，是落实《申奥项目》中的绿色能源类项目。土建工程开始于2007年年初，到2008年1月18日正式并网发电，整个建设工期仅用了一年的时间。
北京市发改委相关负责人曾向媒体表示，官厅风电场平均每天可向电网输送绿色电力30万度，满足10万户家庭生活用电需求。根据测算，官厅风电场启用后，北京市相当于全年减排二氧化碳10万吨、二氧化硫782吨、一氧化碳11吨、氮氧化物444吨，同时节约煤炭5万吨。
1973年世界石油危机后，风能作为新能源的一部分开始有了长足地发展。但在我国，直到2005年前后，由于相继有利好政策释出，中国的风电产业才迎来发展良机，其中最为重要的利好之一当属2006年国家颁布的《可再生能源法》。
该法要求，电网企业应当全额收购可再生能源，并且新能源发电的上网电价比传统电源要高。产多少就能卖多少，这无疑给了风电投资者们极强的信心。
??“当时的电价和造价等结合起来，是有盈利的，只要商业模式成熟，自然而然就发展起来了。” 北京京能新能源有限公司副总经理李明辉就亲历了这一场“大跃进”。
“从2005到2008年，四年不到，国内的风机制造厂就达到了100多家，许多人是从国外买回一张图纸，图纸还没看懂就投标去了。不管是谁只要有风机，只要你敢跟我签合同就可以建风机厂。”李明辉说。“五年前，内蒙的省际大道两旁还基本没什么风机，现在你一路开车过去，看到的全是风机。”
可以说我国风电用5年多时间走过了发达国家15年的发展历程，据中国电力企业联合会最新发布的统计，2012年底我国风电并网总装机6083万千瓦，跃居世界第一；风电发电量1004亿千瓦时，首超核电，成为继火电和水电后我国第三大主力电源。
尽管发展迅速，但风电的利用效率并不高。国家能源局数据显示，2012年，风电设备利用小时数全国平均为1890小时，较2011年下降30小时，个别省（区）甚至下降到1400小时左右，造成了极大的浪费，同时也加剧了环境矛盾。
尴尬的“弃风潮”
经历了5年时间的“大跃进”，风力发电发展遭遇瓶颈。“弃风在意料之中，但没想到来得这么迅猛。”李明辉说。
我国风力资源的地理分布与电力负载极不匹配，传统的“三北”地区（西北、东北、华北）有着丰富的风力资源，但电力负荷主要集中在沿海等经济区。近年来，高度集中在“三北”的风电开发开始面临越来越严重的就地消纳能力有限、电网送出能力与发电量无法平衡等问题，“弃风”现象开始凸显。
根据去年9月发布的《中国风电发展报告2012》显示，2011年全国弃风超过100亿千瓦时，弃风比例超过12%，相当于330万吨标准煤的损失。风电企业因为限电弃风损失达50亿以上，约占风电行业盈利水平的50%。
“电是无法储存的，用户用多少电就得发多少电，多余的电如果输送不出去就是浪费。”李明辉在一张内蒙电网图上给记者解释，“例如整个蒙西电网火电装机容量3300万千瓦，其中供热机组1780万千瓦，占火电装机的53%，风电装机987万千瓦，电源结构比较单一，加之地区负荷增长缓慢，供热期电网调峰能力严重不足。但如果要送到华北电网，目前就只有两个通道，而这两个通道的容量不到400万千瓦，所以说风电弃风较多。”
由于风机大规模的建立，但是电网设备没能及时跟上，因此部分风场会被强制限制发电量。李明辉告诉记者，从2009年开始限电，到去年可以说达到了近年来的一个高峰，实际的弃风比例可能比见诸报道的要高，仅京能这几年每年限电量损失就高达几个亿。
电网接入受限只是导致“弃风”现象的原因之一，还有一部分阻力来自于传统火电项目背后的利益链条。
风电如果上网多了，火电肯定就要受到挤压。作为一项基本国策，节能减排是坚决恪守的原则，《可再生能源法》中明确规定了鼓励并扶持的是可再生能源发电，而非化石能源发电。但实际情况是，风电不但没有享受到《可再生能源法》所赋予的全额保障性收购的权利，甚至还要为火电厂的计划电量“调峰”、“让路”。
中国可再生能源学会风能专业委员会施鹏飞建议，我国应将风电纳入电力系统统筹规划，对电源、电网、蓄能、负荷配置等综合规划，将火电、水电、风电打捆外送，利用抽水蓄能和天然气作为调峰电源，同时推出大功率输出的调度预测。
于是有专家建议，建立补偿调节机制，以保证整体收益水平。去年底，东北电监局和内蒙古经信委就联合下发《蒙东地区风火替代交易暂行办法》，就是让风电企业自掏腰包补偿为它让路的火电，以此终结风火“恩怨”。
但尚处成长过程中的风电，其运营模式、发展空间肯定不及火电成熟，让本来就效益不高的风电给有利可图的火电买单，完全忽略化石能源发电带来的污染成本，这对发展中的风电来说多少有些不公平。
风电发展只欠“东风”
国家能源局公布的中国可再生能源发展“十二五”规划目标，规定到2015年，全国累计并网运行的风电装机容量要达到1亿千瓦，年发电量达到1900亿千瓦时。年初，国家电网公司发布了《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，承诺将包括风电在内的分布式电源并入国家电网。
这些无疑都将推动解决风电发展的瓶颈。然而，作为新兴产业，风电行业要保持一定的增速和市场规模，还有赖于更为细致完善的支持。
去年出台的《可再生能源电力配额管理办法（讨论稿）》就被看做是推动可再生能源发展的强心针。其基本思路是：国家对发电企业、电网企业、地方政府三大主体提出约束性的可再生能源电力配额要求。即强制要求发电企业承担可再生能源发电义务，强制要求电网公司承担购电义务，强制要求各省市使用可再生能源发电。
以北京市为例，草案中规定2015年北京实际消纳可再生能源电量需达113亿千瓦，北京本地可再生能源发电量只有29亿千瓦，也就意味着剩余84亿千瓦的可再生能源消纳量需跨省输入。
其实作为北京来说，本身并不具备大规模开发风能和太阳能的条件。
“一是没有特别适合的地块建风电厂和太阳能电站；二来，北京的光资源、风资源并不充足，如果建起来，发电量不高，效益也比较低，所以只能考虑向周边省市借调，这反过来也会加速周边电网基建的跟进。”李明辉解释说。
但目前，出台一年多的草案修改却始终难有进展，主要是围绕指标的分配，各省和发电企业存在争议。而且，对于办法的落实，特别是指标的考核，也成为修改的最大难点。但李明辉认为，草案的落实只是时间问题。
无论如何，短时间来看，这场利益与责任博弈的结果，必将是有人欢喜有人忧，但从长远来看，所有人都会从可再生能源中受益，因为我们呼吸的是同样的空气。
展望未来，李明辉坦言，风力发电在中国已经步入正轨，今后将会有更大发展前途。■
11.连载15:风力发电技术 篇十一
关键词：风力,发电,节能技术
1 概述
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，以其蕴藏量巨大、可以再生、分布广泛以及没有污染等优势而在各国发展迅速。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。
我国可开发利用的风能资源为2.53亿kW，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，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有效风能密度大于200W/m2，有效风力时间在70%以上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，更加适宜利用风力资源进行能源补充。因此，在节约能源的国际大环境下，积极发展风力发电是社会发展的必然趋势，也将对人类发展起到极其重要的意义。
2 工作原理
风力发电简单来说，就是把风能转变为电能，是风能利用最基本的一种方式。按照风力发电系统电能供给方式可以分为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统两种。
离网型是指20kW以下的、独立在通信领域应用主要是离网型风力发电系统运行、用蓄电池储能的小型风力发电机组，通信用的风力发电系统都是离网型风力发电系统，如图1所示。
并网型风力发电系统是指常规电网风力发电机组，一般发电机组的额定功率均比较大。这种运行方式是采用同步发电机或异步发电机作为风力发电机与电网并联运行，并网后的电压和频率完全取决于电网。无穷大电网具有很强的牵制能力，也具有巨大的能量吞吐能力。并网后的风力发电机必须具有并网和解列控制，只有当风力发电机电压频率与电网一致时才能并网，当风力发电机因风速太小而不能输出电能时，就会从电网解列。
离网型风力发电系统的主要部件包括：
(1) 风力发电机组 (简称风电机组) ：与公共电网不相连，可独立运行的风力发电机系统。
(2) 耗能负载：持续大风时，用于消耗风电机组发出的多余电能。
(3) 蓄电池组：由若干台蓄电池经串联组成的储存电能的装置。
(4) 控制器：系统控制装置，主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护，同时对系统输入、输出功率起到调节与分配作用，以及系统赋予的其他监控功能。
(5) 逆变器：将直流电转换为交流电的电力电子设备。
(6) 直流负载：以直流电为动力的装置或设备。
(7) 交流负载：以交流电为动力的装置或设备。
为提高风电系统的供电可靠性，可设置柴油发电机组作为系统的备用电源和蓄电池组的应急充电电源。
离网型风力发电系统构成如图2所示，其基本原理就是通过风力机将风能转化为机械能，从而带动发电机发电，然后经过整流器得到稳定的直流电供给直流负载，直流电再通过逆变器输出三相交流电，供给三相交流负载。
风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式，但由于风能的不稳定性，为了保证基本的供电需求，必须根据负载的要求采取相应的措施，达到供需平衡。对于l0kW以下的小型风电机组，通信行业主要采取风力发电机配以蓄电池储能的独立运行方式，如图2所示。
对于1kW以下的微型机组一般不加增速器，直接由风力机带动发电机运转，后者一般采用低速交流永磁发电机;1kW以上的机组大多装有增速器，发电机则有交流永磁发电机、同步或异步自励发电机等。经整流后直接供电给直流负载，并将多余的电能向蓄电池充电。在需要交流供电的情况下，通过逆变器将直流电转换为交流电供给交流负载。风力机在额定风速以下变速运行，超过额定风速后限速运行。
对于容量较大的机组 (如20kW以上) ，由于所需的蓄电池容量大，投资高，经济上不是很理想，所以较少采用这种运行方式。
3 主要特点和优势
与其他发电技术相比，风力发电具备如下特点：
(1) 风能是一种可再生能源，它取之不尽，用之不竭，同时是一种干净的自然能源，没有常规能源(如煤电，油电)与核电会造成环境污染的问题。
(2) 风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源。风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电。若计及煤电的环境保护费用与交通运输的费用，则风电的经济性将优于煤电。
(3) 投资规模灵活，土建、安装建设工期短。
(4) 安全：风电系统不需要易燃的燃料，只要设计合理和安装适当，系统具有很高的安全性。
(5) 非集中电网：小型分散的风力发电站可减少由于公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。
4 注意事项及存在问题
(1) 在进行选址设计之前，应汇集及测量当地风能资源、其他天气及地理环境数据，包括每月的风速、风向数据、年风频数据、每年最长的持续无风时数、每年最大的风速及发生月份、韦布尔(Weble)分布系数等，了解当地是否适合采用风力发电系统。
(2) 需要储能装置：为了保证系统供电的连续性和稳定性，风电系统需使用蓄电池储能，蓄电池组增加了系统成本、规模和维护工作量。
(3) 需要定期维护、检修：风力发电机组旋转运动部件多，因此与太阳电池组件相比，风力发电机组定期维护、检修的工作量较大。
(4) 系统效率较低：风力发电机的风能利用率较低，蓄电池充放电时有能量损失，加之系统传输损耗等，使风力发电系统的总体效率不高。
5 适用场合和条件
(1) 风能资源较为丰富的地区;
(2) 市电资源缺乏的偏远山区、海岛等地区;
(3) 其他出于节能考虑的利用可再生能源的通信基站、视频监控点、接入网点等场合。
6 实际使用案例
目前，风力发电系统的应用主要还是在大型风力场并网使用，通信用的单一离网型风力发电系统的应用相对较少，一般来说，离网型风力发电系统都是与太阳能发电系统构成风光互补供电系统应用，因此，具体的实际使用案例，可以参考《中国电信节能技术蓝皮书》系列的《第16号风光互补供电系统》。
7 小结
在利用可再生能源方面，风力发电系统的技术和应用已经相当成熟和广泛，建议在响应国家节约能源的号召下，在风能资源较为丰富的地区积极推广应用风力发电系统。
参考文献
[1]中国电工技术学会编.电工高技术丛书 (第二分册) .北京:机械工业出版, 2000
[2]尹炼, 刘文洲.全国风力发电场培训教材风力发电.中国电力出版社, 2002
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