1、风力发电节能技术的设计与应用探析摘要：阐述了风力发电的技术原理并介绍了其系统结构；介绍了几种典型的风电节模型，比较了它们的优缺点，并简述了风力发电节能技术在人们生产生活中的应用，对未来风电的发展趋势做了展望。 关键词:风力发电；节能技术；技术设计；技术应用 中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号： 人类社会的发展正面临着日益严重的能源短缺和环境破坏等问题，可持续发展、清洁发展已成为时代的共识，与传统能源相比，风能作为一种在全球范围内广泛分布的清洁、永续能源，其有效利用，不仅可以摆脱对不可再生的化石能源的依赖，化解常规电力的燃料价格风险，保证发电成本的稳定，而且可以从根本上解决常规能源发
2、电所带来的硫、粉尘、碳排放等环境成本问题。从技术角度来看，目前，风力发电已成为世界上公认的，除了水电之外， 可再生能源中发展最快、最为成熟、最具大规模开采和商业开发价值的产业。因此，风力发电作为有效减缓气候异常问题、提高国家能源安全性、促进低碳产业经济增长的方案，得到了各国政策制定机构、投融资机构、技术研发机构以及项目开发商的高度青睐，风力发电己经成为世界许多国家可持续发展能源战略的重要组成部分，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。 1.风力发电技术原理 风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程。风吹动风力机叶片旋转，转速通常较低，需要齿轮箱增速，将高速转轴连接到发电机转子并带动
3、发电机发电，发电机输出端接一个升压变压器后连接到电网中，从而形成完整的风力发电系统。 2.风力发电节能技术分析 在整个风力发电系统结构中，风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。 风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机。 按照风力机转速进行分类，风力发电机组一般可分为恒速运行风力机和变速运行风力机。下面分别介绍目前广泛使用的 3 种风力发电技术及其控制方式、特点。 2.1
4、恒速风力机+感应发电机 该系统包括风力机、齿轮箱、感应发电机、软起动装置、电容器组以及变压器等部分，是目前我国应用最广泛的一种系统。在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。若采用双速发电机，则风力机可在两种不同的速度下运行，以提高功率输出。软起动装置的作用是防止风力机切入和切出时产生过大的冲击电流，而电容器组则是为感应发电机提供足够的无功补偿。常用这种恒速风力机系统的功率控制方式为定桨距控制或失速控制。叶片与转轴刚性连接，风力机桨距角保持不变，当风速增大时风力机叶片的攻角增大，直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，即失速效应。这时叶片升力减小，阻力提高，从而达到降低
5、风能捕获的目的。 该机组的突出优点是:结构简单、鲁棒性好、控制方便、无需进行维护、造价较低。 缺点是：叶片与轮毅刚性连接，风速波动较大时产生较大的机械负载，容易导致齿轮箱故障，对叶片要求也较高；输出功率波动较大；发生失速时，难以保证恒定的功率输出，输出功率有所降低。鉴于以上原因，这种风力发电系统的容量通常较小。 2.2 变速恒频双馈式风力发电机 双馈式风力机是变速运行风力机的一种，系统包括风力机、齿轮箱、感应机、PWM 变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个 VSC 变频器连接到电网中，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输。当风力机运行在超同步速度时
6、，功率从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从定子流向转子。直流侧电容器的作用主要是维持直流侧电压。由于采用普通的异步或同步发电机，通过变频器并网运行的风力发电系统，变频器在发电系统主回路中，因此变频器的功率不小于发电机的功率，造成了变频器成本过高。双馈发电机变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率由发电机的转速运行范围所决定的转差功率决定，仅为定子额度功率的一部分，因此双向励磁变换的容量仅为发电机容量的一小部分，变频器的成本大大降低。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨距角随风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。当风速增
7、大到额定值以上时，叶片与轮毅间的轴承机构转动使叶片桨距角增大，攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片扭矩和功率的目的。 2.3 变速风力机+同步发电机 该机组也是变速运行风力发电系统的一种， 系统包括风力机、齿轮箱、同步发电机、全功率变频器、直流侧电容等。当发电机采用低速多极同步发电机时，可以不使用齿轮箱，即“直接驱动”风力机系统。变频器部分可以采用两个背靠背的全功率电压源换流器，也可以通过直流电缆进行连接。与双馈式风力机不同，此风力机系统的输出功率通过两个全功率变频器输送到电网中，与电网彻底隔开，因此可以在不同的频率下运行而不影响电网的频率。 其优势体现在:通过控制变频器的调制比可
8、以分别控制有功和无功，在系统故障时提供无功支持，提高电网动态特性；也不需要并联电容器作无功补偿装置；由于此风力机是变速运行系统，其功率控制方式也是变桨距控制，可以提高风能利用率；考虑到海上风力资源丰富以及风电场选址等问题，建立在近海的风力发电场需要用直流电缆与陆地换流站连接；可以向海岛、偏僻地区等无源网络供电，体现出轻型直流输电的优势。 以上三种风力发电系统代表了风电技术的发展趋势，随着大功率电力电子器件性价比的提高以及控制策略的发展，用第三种风力机系统的优势将会逐渐得以体现。风电机组型式将逐步从失速型向变速变桨恒频型发展当今风力发电机组的主流技术是变速变桨技术。变速变桨风电机组的风能转换效率
9、更高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量；主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷，使得风电机组功率重量比提高。 3.风力发电节能技术的应用 3.1 风力发电技术在建筑节能中的应用 在高层建筑之间有着较强的气流，两栋大厦之间墙体垂直，风到这里就不会被吹散，且比空旷地带的风更集中，通过错层布置风轮机，在建筑表面由无数微型风轮机编制成一个系统组织，可以达到通风、发电的功效。随着节能减排、生态环保的措施进一步加大，风力发电建筑将越来越多的受到全世界的重视。 3.2 风力发电技术在农村电力建设中的应用 在我国西部贫困地区，由于远离常规电网，通过延伸电网来解决用电问题既不现实又不经济。
10、而这些地区大都拥有丰富的可再生能源资源(风能、太阳能和水力)。采用小型风能发电技术来解决这些地区的无电问题，不仅节能减排还可以实现建设绿色家园。 3.3 风力发电从陆地向海面拓展 海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风力发电从陆地移向海面成为一种趋势。目前，我国很多海外作业船队及舰队已广泛采用风力发电技术解决海上照明、取暖等问题。 3.4 风力发电技术在通信建设中的应用 目前，中国移动已在很多基站上建立了基于直流负反馈技术的基站风力发电节能技术试点。该技术不仅有效降低了风力发电系统投资，而且实现了最大化利用风力资源。 4.结语 风能作为应用潜力很大的清洁、可再生能源，受到了世界上许多国家的重视，并已发展成为增长最快的新能源之一，具备了与常规能源竞争的能力。而且，风力发电的控制技术目前已成为研究的热点，更节能、更环保的技术已被普遍应用与人们的生产生活中。 参考文献： 1刘万琨等.风能与风力发电技术.化学工业出版社，2007 2包耳.风力发电技术的发展现状J.可再生能源，2004， （2）：5355 3余宗焕.我国风力发电现状与趋势J.农村电气化，1999， （1）：27 4秦生升.风力发电在建筑中的应用J.建筑节能，2010， （10）：4446
