1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 风力发电机组的电气控制 风能作为一种清洁能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球的风能约为 2.7410 9兆瓦 亿兆瓦，其中可利用的风能为 210 7亿兆瓦，比地球风力发电上可开发利用的水能总量还要大10倍 1。风很早就被人们利用 主要是通过风车来抽水，磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。 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叶片速度提升，来促使发电机发电。根据目前的风车技术，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，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污
2、染。 风轮是风力发电机的最主要部件，有桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转换成电能。在理论上，最好的风轮只能将约 60%的风能转换成机械能。现代风电机组风轮的效率可达到 40%以上，在风力发电机输出达到额定功率之前，其功率与风速 的立方成正比，即风速增加一倍，输出公里处增加 7倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大 2。 风力发电的 运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区或者不允许并网的地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电
3、，单机容量一般为 100W10kW,可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，林网风力发电是大规模利用风能的最经济方式，机组单机容量范围在 2002500kW之间，既 可以单独并网，也可以有多台，甚至成百上千台组成风力发电场，简称风电场 3。 在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速 恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。下面简单介绍这两方面的情况。 1 风力机的变浆距调节 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影
4、响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时，变浆距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附 近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风2 速的立方成正比 4。较小的风速变化会造成较大的风能变化。 由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多，可减少材料使用率，降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比
5、失速调节型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的 全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。 2 变速恒频风力发电机 变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，其结构如图 1 所示。它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组
6、上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于 异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有异步机和同步机的某些特性。交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用 5。 交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。调节励磁电流幅值，可调节发出
7、的无功功率； 调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。 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。通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功 率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小
8、的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台 200W 风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得 500W 甚至 1000W 乃至更大的功率出 7。 那么，多大的风力才可以发电呢 ?一般说来， 3 级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒 4 米才适宜于发电。据测定，一台 55 千瓦的风力发电机组，当风速每秒为 9.5 米时，3 机 组的输出功率为 55 千瓦；当风速每秒 8 米时，功率为 38 千瓦；风速每秒为 6 米时，只有 16 千瓦；而风速为每
9、秒 5 米时，仅为 9.5 千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大 8。 风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒 3 米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，风力发电产业的发展前景是光明的。 参考文 献 1李永东，苑国锋 .中国风力发电的发展现状和前景 M.电气时代， 2006,03， 16 20. 2姚兴佳，王士荣，董丽萍 .风力发电技术的发展与现状 M.可再生能源， 2
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