风能发电介绍与发展

风能发电介绍与发展（精选7篇）

1.风能发电介绍与发展 篇一

风能发电 风能(wind energy)地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。

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。

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，全国风能密度为每平方米100瓦，风能总储量约16亿千瓦，其中在地理上和经济上近期讨开发捆用的约为1．6亿千瓦。特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部份地区，每年风速在3米／秒以上的时间近4，000小时左右，一些地区年平均风速对达6~7米／秒以上，具有很大的开发利用价值。

有关专家根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率，以及大于等于3米／秒和6米／秒的全年累积小时数，将我国风能资源划分为如下几个区域；

1．东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。这一地区，有效风能密度大于200瓦／米2的等值线平行于海岸线，沿海岛的的风能密度在300瓦／米2以上，有效风力出现时间百分率达80—90％，大于等于3米／秒的风速全年出现时间约7，000—8，00小时，大于等于6米／秒的风速也有4，000小时左右。

2．内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区。这一地区，终年在西风带控制下，风能密度为200~300瓦／米2，有效风力出现时间百分率为70％左右，大于等于3米／秒的风速全年有5，000小时以上，大于等于6米／秒的风速在2，000小时以上。

3．黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。风能密度在200瓦／米2以上，大于等于3米／秒和6米／秒的风速全年累积分别为5，000一7，000小时和3，000小时。

4．青藏高原；三北地区的北部和沿海，为风能较大区。风能密度在150—200瓦/米之间，大于等于3米／秒的风速全年累积为4，000—5，000小时，大于等于6米／秒的风速全年累积为3，000小时以上。

5、云贵川、甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区，以及塔里木盆地；为我国最小风能区。有效风能密度在50瓦／米2以下，可利用的风力仅有20％左右，大于等于3米／秒的风速年累积在2，000小时以下，大于等于6米／秒的风速在150小时以下。

6、在4和5地区以外的广大地区；为风能季节利用区。这一地区，风能密度在50—100瓦／米2之间，可利用风力为30—40％，大于等于8米／秒的风速全年累积在2，000—4，000小时，大于等于6米／秒的风速在1，000小时左右。

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小时，其风电成本约0.45～0.6元/千瓦时。假设：风电场造价成本为：9000元/KW，上网电价（并网收购电价）为：0.6元/KW（不含税价），运行小时数（风能利用时间）为：3000小时，上网（并网）损耗为5%，风电场运行费用（年KW收入）10%，：则年KW发电收入=（运行时数×上网损耗）×上网电价×运行费用，（3000×5%）×0.6元/KW×10%≈1539元/年（KW）。

一、风力发电的潜力

长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源短缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。事实上，风电作为一项高新技术，具有着巨大的产业前景。而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大的作用。在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的利用问题。

首先，风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降。截止到目前，风电电价正在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现。数据显示，风力发电能力每增加一倍，其成本就下降15％。纵观近几年，风电增长一直保持在30％以上，因而成本也正随之不断下降。目前，中国风电成本约在0.5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。据初步测算，如果将内部成本和外部成本同时计入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。

其次，风电的潜力体现于风能资源的丰富性。据初步统计、中国陆地10米和海面15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9亿千瓦）的2.5倍。而50米风力资源还会增大一倍。根据现有技术，地面 50－100米的风力资源都可开发利用。2003年，我国发电装机容量为3.85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发电就能将现有的电力生产翻一番。

此外，风电技术正日臻成熟。随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。更大型、性能

更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。

再者，风电工程的建设工期短，见效快。火电、水电的建设工期需要用年来计算，而在有风场数据的前提下，风电项目只需要以周、月来计算。风场建设在短时间内即可完成，能够解决我国电力短缺的燃眉之急。

另外，风电的发展对于遏制温室效应具有重大的意义。据统计，风力发电每生产100万千瓦时的电量，便能减少600吨二氧化碳的排放。因此，大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况，并能有效地遏制沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。

除此之外，风电还可以满足边远农村的独立供电。目前，“大机组、大电网、高电压”的模式难以有效解决西部地区分散性的电力需求。开发风力发电这样的分散供电系统，可以较好地满足这些地区发展对能源的要求，可以说，我国目前没有联上电网的农村是风力发电的巨大市场。

最后，风场也成旅游项目。风电场还能带动当地经济发展。内蒙古风电场就是很好的例子。它虽然不大，但场面很壮观，已发展成为旅游区。

三、发展风电刻不容缓

风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。

首先，需建立以企业为主体、市场为导向、产学研技术结合的创新体系。对开展试点的企业应对其研发机构，研发人员，研发资金，研发项目，专利申请，产品品牌，能力建设等方面提出具体要求和量化的指标。

第二，正确处理技术引进和技术创新的关系。采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。、第三，加强风电创新能力建设，建立风电公共技术服务平台，共同对资源进行整合、共享、完善和提高，通过建立共享机制和管理程序逐步做到资源有效利用。

第四，加速风电技术人才培养。目前已有一些高等院校准备设置风能专业或者风能专业方向，开设风能课程培养本科生和研究生。除了学校培养人才外，企业也应将人才培养和建

立一支高素质的队伍放在战略地位，特别需要建立激励机制和创造良好的环境，使技术队伍能够稳定地成长。

国风能利用的历史虽然悠久，但是使用的转换器多为传统风车，技术十分落后。应用现代科学技术研究风能的开发利用，试制现代的新型风力机，利用风力进行发电，是建国以后在党和国家的重视和支持下才开始的。1954年，我国试制成一台仿苏凸15型水平轴风力机，4级风时设计功率为22．6马力。同年，轻工业部的科研单位自行设计了一台功率为37．6马力的三翼高速水平轴风力机，用于抽水。1958年，吉林省白城专区试制成一台功率为66瓦的58型风力充电装置，为修配厂的充电业务和农村照明提供电力。之后，江苏、安徽、辽宁、新疆等地相继研制并兴建了功率从几百瓦到几千瓦的小型风力发电站。六十年代以来，我国风力发电、机组的研制与生产有了进一步的发展。1960年在蚌埠召开的全国风力机现场会上，参加评比的各种不同类型，不同规格的风力机达36种之多。七十年代以来，我国风力视的研制工作又有了新的发展。在风力机的结构上，除水平轴风力机外，还开展了新型立轴φ型和旋冀型风力机的研制，取得了一定的成果。据1981年9月统计，我国已研制的风力机达42种之多。其中：按结构分，水平轴式的37种，垂直轴式的5种；按转速分，少叶片高速型的29种，多叶片低速型的13种；按用途分，用于发电的27种，用于提水的15种；设计风速，最低的6米／秒，最高的11．2米／秒；风轮直径，最大的21米，最小的1．4米；输出功率，最大的55千瓦，最小的30瓦。全国目前正在运行发电的风力发电机约有5，000多台，大部分布在内蒙古、江苏、浙江、山东、新疆、青海、甘肃、福建、西藏、宁夏、黑龙江等省、区。特别是内蒙古已有6个盟、25个旗县共安装风力发电机约4，000台。中国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很多的阻碍因素。但是风电行业投资的高风险，必然会为风电行业发展带来高收益，不论是风电产业的经济效益、社会效益，还是中国目前奉行的可持续发展和节约战略，都为风力发电行业提供了很大的发展空间。现在，风能发电成本已经下降到1980年的1/5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

2.风能发电介绍与发展 篇二

关键词：风能发电,现状及发展趋势,研究

0前言

20世纪70年代能源危机的爆发以来,世界各国逐渐加大了对能源的储备与开发、研究,积极寻求可再生资源已解决世界能源储备量逐渐降低这一现象,而随着科技的发展,污染日益严重的今天,绿色清洁能源的开发同样被各国提上日程,也因此世界各国逐渐开始研发以光能、风能等自然界取之不尽,用之不竭的清洁能源来进行发电。目前为止,在世界的可再生资源发电技术的研究中,由于风能其固有的特点以及现今社会风能发电的技术相对节能且实用性高,所以世界各国现在正在投入更多的精力与财力研发风能发电技术。

1 风能发电的由来

风是自然界最常见的一种现象,因此古今中外就有不少利用风能的例子,而利用风能发电的历史就相对较短。提起风车大多数人都会想到荷兰这一古老的国家,而荷兰的风车最早是利用风能抽水以减低人们的劳动量。之后美国的一位科学家由于荷兰风车的启发,基于能量守恒定律首次实现了利用风能发电,虽然当时发电机的使用寿命相对较短,但是风能发电机的成功为人们证明了风能发电的可行性,从而促使更多的科学家将研究方向投入风能发电这一项目上,再加上目前能源危机的阴影笼罩世界,促使多数国家对风力发电的技术要求更加严格,以便达到全面普及风能发电。

2 风能发电的现状

风能发电在当今社会具有十分重要的意义,目前世界各国加大了对风能发电的技术研究,而且目前风能发电装置正在逐渐被投入实际应用。但是即便风能发电技术已相对成熟,整体的风能发电情况具有一定的优点,可是在投入实际应用后,一些隐藏的问题便暴露出来。

2.1 国外风能发电的情况

随着20世纪70年代能源危机的爆发以及近些年世界环境的恶化,清洁、可再生能源具有十分可观的应用市场,因此,近半个世纪以来,国际社会对风能的研究逐渐取得了相对重大的进步,而且风能发电技术也日益完善,尤其是国外的发达国家,多年前便将风能发电应用在实际生活中。在欧洲大多数国家中,风能发电项目十分普遍,目前欧洲利用风能发电已可以满足欧洲大部分人在生活中对电的需求,部分国家甚至可以利用风电满足本国对电的全部需求,且随着时间的推移,国外的风能发电装置的生产量逐步得上升,未来风电事业将成为电力事业的主要发展趋势。

2.2 国内风能发电的现状

我国是人口大国,也是发展中的大国,国土面积辽阔,而能源对于我国更好的融入国际社会,提高自身的军事实力与国防实力有着重大的作用,是一个国家重要的发展战略物资,因此风能发电的研究对我国综合国力的提高有着十分重要的作用,目前为止,我国的风电技术正处于发展阶段,积极的借鉴国外的技术,吸取宝贵经验,在“六五”、“七五”、“八五”期间在风电技术应用上更是取得了重大的进展。但是由于我国与世界接轨的时间较晚,较发达国家相比对风能的研究时间较晚,现有的风电装置不足以满足我国发展对电的需求,能源危机如影随形,在一定程度上督促着对可持续清洁能源的研发,所以必须投入大量的精力研究风电技术。

2.3 风能发电中所存在的问题

对于正处在能源危机的阴影与生态环境恶化的背景下,风能由于其清洁与可再生这两个特性被广大群众所青睐,但是由于我国发展较晚,在风电技术和管理研究上存在这严重的不足,也因此导致风能发电技术不能尽快的得到的普及,以降低能源的损耗量,减轻环境的负担。众所周知风是由于空气的流动所产生的,所以风能取之不尽用之不竭的特性,因此,风能是一项十分重要的可再生清洁能源,但是在研究中发现,利用风能发电具有一定的限制性。这主要是由于风本身的特性以及技术层面的问题所导致的。风过无痕在一定程度上表明了风的能量密度较小这一现状,这就导致利用风能所转换的电能能量较小,不足以满足日常用电的需求;而且风的流向与大小具有不确定性,这更对风能发电装置的工作带来困扰,从而影响风能发电厂的正常工作;而且由于技术层面的限制,导致储存风电装置的储存风的装置储存风能的性能并不好,还会耗费大量的不必要的电能,从而提高了发电记得负担;风能最开始被用于实际生活中是荷兰的风车,因此目前为止利用风能发电的专职多是风车,但是风车发电对风能的利用率极低;更重要的是风能发电对气候的依赖习惯太强。从另一方面来说,目前风能发电并没有建立如煤电发电一样的管理措施,以及能源监管部门对风电的评估。因此,若想更早的普及风能发电,就必须改善目前在技术层面所存在的问题,加强管理措施提高风能的利用效率。

3 现阶段风能发电的发展趋势

随着时间的发展,由于不可再生能源的储存量与可开采量逐渐下降,大面积的使用清洁能源满足人们日常用电的需求是社会发展之必然,以此为了达到这一目的,必须解决目前风能发电在技术以及政策上的问题。从技术上来说,机组单机的容量将持续增大,最大程度的提高风能的利用效率,而随着机组单机的容量增大,风力发电装置的体积势必会减小,因此,大量的新型轻便型材料将会成为风力发电设备的主要组成材料,从而保证风力发电装置的设计更加合理;由于风能发电装置的机组单机的容量增大,提供风力发电装置工作的动力也会增大,因此,双馈异步发电技术在风能发电技术中依旧占据主导位置,同时组成风能发电装置的各器件的性能也将逐渐提高;为了最大的提高风能发电装置的使用寿命,直驱式、全功率变电流技术将会迅速的发展起来,从而保证风能发电的可靠性;随着电子信息技术的发展,自动化、智能化技术已逐渐在各行各业普及,而将智能化技术应用在风能发电中,能极大限度的提高风能发电的可靠性,所以风能发电智能化也将成为风能发电的主要研究方向。

4 风能发电的重要性

我国是人口大国,亦是发展中的大国,而且中国若想在当前的国际社会中继续稳步的发展,毫不夸张的说,能源绝对是重要的军事战略物资,因此降低能源的消耗量是十分重要的。而电是人们日常生活中不可或缺的一部分,因此普及风能发电具有重要的社会意义。一方面来说,利用风能发电既极大的降低了不可再生能源的消耗量,避免了温室效应的进一步恶化,改善了当前的生态环境,更在一定程度上提高了我国的经济收益,改善了偏远地区的生活状况,保证了信息的传播情况,从而保障了居民的知情权。从另一方面来说,由于扩大风能发电的规模所节省下的能源可以提高我国的军事实力,是我国在相对复杂的国际社会中保全自身的同时提高自身的国际地位。

5 结语

总而言之,国际社会对风电技术的应用意识分广泛,虽然目前为止由于技术和管理层面上的限制,我国的风能发电的普及还不尽人意,但是不可否认的是,由于风能所具有的特性,所以风能发电一定是未来社会的主要发电方式,更何况还有能源危机以及环境恶化的督促,会加快相关人员的研究速度。而且风电技术在减轻温室效应,抑制沙尘暴等恶劣天气方面具有显著作用。由此可以看出发展风电技术对我国的发展有着十分重要的社会意义。

参考文献

[1]陈坦毅,郑增威,霍梅梅,赵波.风能发电预测技术研究的现状与发展[J].能源好工程,2012(6).

3.中高空风能发电技术 篇三

环境和气候科学家克里斯蒂娜·阿彻(Cristina Archer)和肯·卡尔代拉(Ken Caldeira)的研究报告指出:高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。但是,多年来高空风能发电主要面临两大技术难题:一是材料问题,主要是高空风能收集、风能转换为机械能等所需要的轻质高强度材料难以获得;二是控制技术问题,主要是高空风能发电的持续性和稳定性,亦即空中部分的稳定性一直没有得到有效改善。

近几年来,随着各种耐磨、耐化学腐蚀、抗紫外辐射的轻质高强度材料的不断涌现(如Dynaforce、扬州巨神绳缆有限公司、宁波大成新材料股份有限公司等厂商生产的超高分子量聚乙烯纤维,强度是同等截面钢丝的15倍,密度约0.97～0.98g/cm³,密度轻到可以浮在水面,还具有耐切割性),目前高空风能发电所需的材料已经可以从市场上获得。同时,全球能源问题和污染问题日趋严重,世界主要国家对清洁能源、可再生能源的需求日渐迫切。这些都大大刺激了高空风能发电在欧美的发展。

进入新世纪以来,欧美国家在高空风能发电领域的技术研发和技术成果商业化运作快速发展,但高空风能发电技术的规模化应用目前还未形成。目前致力于高空风能发电的欧美知名公司主要有KiteGen、Makani Power、Sky WindPower等几家,这些公司和机构正加快其高空风电技术的商业化进程,同时还有更多不知名的公司、机构、团队也在加紧推进高空风电技术研发项目。欧美国家近年来在高空风能发电领域内的研发试验活动主要有:Sky WindPower设计出由四个相连的涡轮机风筝主体和连接风筝的绳子组成的风筝涡轮机模型;Makani Power在研发特大功率风筝涡轮发电机,其利用翼状风筝收集高海拔风能的试验已实现的发电成本是使用风力涡轮发电的50%;Magenn Power声称将出售2～4台工作样机,KiteGen提出新的风筝发电系统理论设计方案——将旋转的12组风筝组(每组风筝面积为4×500平方米)放到高空收集风能发电,产生相当于标准燃煤发电站的发电功率(1000兆瓦),互联网巨头谷歌于2006年投资1000万美元风险资金支持Makani Power研发高空风能发电技术,到2008年此项投资已增至2000万美元。

高空风的能量总是存在的,只要能把这些能量转换成电能,就可以有效解决日趋严重的能源问题和污染问题。而且,高空风能发电具有发电时间长(年发电时间6570小时以上,即容量系数在75%以上,而常规风电的容量系数低于30%)、输出稳定、功率大、成本低(低于煤电成本)。因此,只要开发出高空风能发电的技术,就完全可以实现大规模清洁能源的开发,应对地球气候变化,实现经济社会的可持续发展。

简言之,高空风能发电是在高空中收集风能,将风能转化为机械能,最后通过发电机将机械能转换为电能。

重要技术的突破

目前,高空风能发电的主流是发电机在地面的高空风筝型发电。国外各种风筝型风力发电系统的样机,以Makani Power、KiteGen这两家公司的最具有代表性,也最具影响力。在这些高空风筝型风电系统中,“风筝”作为风能采集器将高空的风能转化为机械能,通过拉绳拉动地面的发电机而将机械能转化为电能。目前世界上所有的风筝型高空风力发电系统,包括Makani、KiteGen,都存在一个相同的问题,即空中系统的稳定性没有得到有效解决,高空风能发电的持续性和稳定性难以得到有效保障。

天风技术是广东高空风能技术有限公司自主创新研发的高空风能发电技术,居国际领先地位,拥有完全自主知识产权。

天风技术是一套在500～10000米高空采集风能并将高空风能传递到地面转换成机械能和电能的高空风能发电技术,在高空风能采集和系统空中部分控制这两大技术领域取得了突破:采用全新的伞梯组合风能采集技术,解决系统空中部分控制的技术瓶颈;系统稳定可靠。同时,系统采用模块组合结构,通过调整系统运行高度和改变模块数量实现发电功率10～1000兆瓦。

天风技术摒弃了其他高空风能发电技术采用风筝采集风能,以及将升力平衡系统和做功系统混合为一的做法,而是采用全新的伞梯组合风能采集技术,同时将升力平衡系统和做功系统分开、分别控制,很好地解决了高空风能采集稳定性这一重大技术问题,解决了系统空中部分控制的技术瓶颈。同时,天风技术高空风力发电系统采用模块组合结构,系统运行高度与发电规模可以根据需求进行优化,实现发电功率在10～1000兆瓦范围内变更。这是一项系统稳定可靠、居国际领先、可大规模开发的可再生能源,应对全球气候变化,实现可持续发展、突破性的新一代风力发电技术。

天风技术中,升力平衡系统与做功系统是分开、分别控制的。平衡系统在风的作用下产生升力,维持整个系统在空中的平衡,本身不参与做功,所以这种平衡系统是一种稳定系统。做功系统在风的作用下运动,将风能转换为机械能,拉动地面的发电机转动发电。由于做功系统和平衡系统的相对独立,在风的随机扰动下,平衡系统可以自我调节而不影响做功。做功过程中对系统的扰动也不会直接传递到平衡系统,所以平衡系统在整个运行过程中都处于稳定状态,从而保证了做功的稳定进行。

控制系统对平衡系统和做功系统控制是单独的,如上页图1所示。

风筝型高空风力发电系统中,由于风筝既担负平衡作用又担负做功的主体,平衡运动与做功运动是互相耦合,所以不能分别控制,对平衡的控制必然影响到做功运动,而做功运动也必然会影响到系统的平衡。在整个运行做功的过程中,系统的平衡稳定很容易被破坏,而寻找平衡与做功的最佳控制模式是复杂而又困难的。

而天风技术中,做功系统与平衡系统是分开的两部分,分开是指分别运动,作为系统来说这两部分还是以特殊方式连在一起的。这两部分的运动方式和控制方式不同,所以,在做功的过程中,做功部分对平衡部分没有影响。在平衡部分的设计中,做功部分的影响只表现在做功体的静态物理参数,而做功体运动时,对平衡部分的动态影响几乎为零。平衡体的运动只受风的影响,所以,平衡体的三维空间位置和姿态控制就容易很多,因而,平衡体总是处于稳定状态。从而,整个系统也处于稳定做功状态。

用天风技术建设的高空风电场项目,可以获得稳定性高的风电输出,一改目前常规风电稳定性低的“垃圾电”

现象。采用天风技术建设的高空风电场,无需建造塔筒及叶片,由于风电系统采用模块组合结构而容易实现规模效应,因此项目建设造价可低于常规风电场。采用模块组合结构,高空风电场的发电功率可达1000兆瓦,实现的发电成本低于0.30元/千瓦时。

天风技术的优势与价值

天风技术是一整套自主创新研发的高空风能发电技术,包括7大类专有技术,即:高空风能采集器的设计及运行技术、高空风能——机械能转换技术、风电机组模块结构技术、高空风电系统监控及自动控制技术、风速过高自动保护技术、绳具防缠绕技术,超大型双轮盘高空风电技术。天风技术与其他风电技术比较见表1。

天风一号系统是一台移动式高空风力发电系统样机,整套发电系统安置在一台经过改装的大卡车上。天风一号系统样机已经做过10多次野外自然条件下的运行试验,已成功发电,整体性能基本达到设计要求。

天风二号系统是正在研制的单机2兆瓦级产业化基本机型,2010年5月份已完成系统设计,7月份完成系统地面部分的工程设计,预计2011年初完成地面部分部件、构件的制造生产和组装以及空中部分的组装。这套2兆瓦级的高空风力发电系统,将用于示范性的高空风电站建设项目。天风二号系统的设计效果如图2所示。

国家发改委《关于加快培育战略性新兴产业有关意见的报告》明确指出,新能源产业是中国加快培育的战略性新兴产业,风能(发电)则是新能源发展要突出的可再生能源。天风技术的产业化,对于中国在世界范围内抢先占领高空风能发电领域这一世界新兴战略性新能源产业的技术和经济发展的制高点,促进中国风电产业实现跨越式发展,推动中国能源可持续发展,实现中国到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的宏伟目标。

能源行业是经济发展的基础和碳排放第一大户,电力行业则是中国温室气体的主要排放大户。截止到2009年底,中国火电装机(以燃煤机组为主)占总装机容量8.74亿千瓦的74.6%,6000千瓦及以上电厂发电量中火电的所占比例超过83%。根据国际能源机构的预计,到2030年,全球电力需求年均增速为2.5%。发电装机容量的增长达到48亿千瓦,其中28%来自中国;而煤炭仍然是发电行业的最主要燃料,到2030年的比重将增长至44%。

根据专家统计估算,每输出1度风电,可以节约0.4千克标准煤《2009年全国电力工业统计快报》:全国6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗为342克/千瓦时),同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳、0.03千克二氧化硫和0.015千克氮氧化物。根据上述数据,以应用天风技术建设的100兆瓦高空风力发电场项目(年发电量约5.6亿千瓦时)为例见表2,可估算出,仅此项目,正常投产后每年可为社会节约原煤逾30万吨,减少污染物排放逾70万吨。

4.风能发电设计初探 篇四

1 风电设备制造技术

现今我国制约风电技术发展的一个重要的因素, 便是对于风电设备投资的成本比较的高, 并且风力具有很强的变化性因此在很大的程度上, 风电设备很难保证长期稳定发电。因此降低风电设备成本来说主要在两方面入手, 分别是风电设备的制造以及风力发电的效率这两方面。以下是简单的解释:

1.1 柔性结构

至今为止, 风力发电塔架的结构主要是采用刚性的结构, 这样很大程度上会消耗大量的成本。但是如果利用轻型柔韧性比较高的结构, 将会在很大的程度上降低成本。近年来, 大量的研究人员都研究出了两叶片、下风向结构的柔韧性比较高的风电电机设计。虽然这种柔性结构具有很低的成本, 但是却存在一些问题, 就是在塔架的结构以及计算方面具有很强的困难。

1.2 新型的风力发电机组

可以利用低速运行的发电机组与相应的风力机相互匹配, 这样会有效的提高风力机的发电效率, 主要是因为在一定程度上省去了高速的传动的装置。另外可以减轻系统的重量, 从而降低噪声以及机械设备之间的磨损, 这样有效的降低了成本。现今的风力发电具有低速运行的特点, 这一特征决定了发电机组的结构十分特殊, 普遍的发电机组都是永磁同步的发电机组, 这种发电机组的直径很大, 会影响到空气动力特性。因此, 可以利用垂直于轴结构的风电机组, 将多种发电机组安置到地面的基座之上, 这样可以有效的突破了空间上的限制, 并且在安装调试时候也是十分的容易, 很大程度上实现了无齿轮转动。但是这种方式会逐渐的降低齿轮转动系统的刚性, 从而产生影响。所以, 永磁电机的功率比较的差, 必须要利用一些措施来进行处理, 这样会增大成本, 因此不适合风电机组的使用。

另外一种则是双馈发电机, 这种发电机最大的优势就是可以实现最大风能的捕获, 并且可以调节风电系统的功率。其主要的特征就是利用循环变流器进行电压的分配, 并且进行相应的控制, 并且可以利用变流器的变频来改变电流的大小, 这样在无齿轮转动方面具有一定的优势, 但是这种方式却限制了这种风力电机组的实际应用。现今研究人员主要是研究新型结构的双馈电机的结构, 并且以变流器控制电流为主要的研究点, 将风电机组利用柔性结构使其改变, 并且对风力进行的变化的计算进行控制, 从而来增强风力发电机的工作效率。

1.3 风电机组大型化

为了提高风力发电机对于风能的利用效率以及占地的使用效率, 可以扩大风电机组, 风电机组的大型化可以有效的降低风电机单位功率的造价, 国外对于风力发电机组的研制取得了很大的成果, 在其增大容量的同时也降低了成本, 同时, 大型化风电机组可以有效的降低维修以及运行的成本。

2 风电运行成本降低设计

对于风电机组运行成本的降低, 主要是通过提高运行管理技术水平, 以及增强其效率来降低成本。为了提高风力发电能力, 可以利用计算机进行相应的监控处理。另外, 利用新型材料来进行风电机叶片的设计, 使其能够更加的符合空气的动力特征, 从而来提高风力发电机的风速范围以及风能的利用效率。在风力发电机调节运动方式时, 系统在高风速的情况下, 可以储存能量, 并且系统在低风速时候加速转动, 从而来弥补风速的不足, 同时也会降低风力发电机尾部的冲击力, 增强了使用的寿命。对于调速的方式, 主要是利用变桨距方式以及变速方式进行调整。前者主要是利用液压机构来对变桨距角进行调节, 以此来改变作用在叶片上的空气的动力转矩, 但是这种方式在制造起来十分的复杂, 并且会增大成本, 因此仅仅适用于一些中型或是大型的发电机组。根据空气动力变化无常, 现今主要是利用风力电机的静态空气动力特征, 放弃一些风能, 来保证变桨距的精确性。

3 风力机设计与制造

依据相关学者的科学定理来推论, 风力机在运转的时候, 可以通过风能的流动量来提供大约60%的空气功率。但是在现阶段的风力机的工作效能来看, 当叶片处于静止的条件下所提供的空气动力为40%左右, 而在其风向和空气不稳定通过时产生的干扰, 其最终的效能也难以达到预期的极限。所以从某种角度来看, 风力机的设计与改进还有一定的突破空间。但是对于风力机的设计上是有一定的困难性, 比如空气在机器的通过率和风向的不稳定的变化会促使风力机叶片工作时出现复杂性的局面。而水平轴风力机是其较为常见的旋转流体机。在其风力机的设计中, 都会充分的考虑到空气运动时所产生的工作效率和机器叶片运动时的结构。对于风力机设计而言, 这就要从最为基础的理论与实际入手, 深入的专研风力机的结构与实际运用, 尤其是机器对于空气运动时所转化的电能的最佳数值。对于在设计中出现的风能失速效应时, 所产生的变化, 可以依据空气运动效能和机器旋转时产生的物理能的转化过程中的数值, 再与风力机叶片静止时和在高速旋转时所需要的能耗, 来推算出风力机在不同的运动时的影响因子, 从而进行更好的改进与修复。但是, 对于这一种设计上的计算而言, 还存在着一定的误差, 对于现阶段的理论设计还是存在了一定的约束性, 还有待于更好的去探究。

在对于风力机的研发过程中, 要充分的考虑到叶片的设计。可以说叶片是整个风力机中最为重要的一个环节, 它的设计将有关于风力机发电的效率以及风力机的使用寿命。在这其中, 空气运动的过程中对于叶片的作用力是非常重要的。但是在设计过程中, 因为很多的原因和条件上的约束, 设计人员很难找到其通用的方法来计算空气运动对于叶片的作用力, 而常用的方法是以空气运动学与物理学来计算其所受到的压力和产生的效能。风力机叶片的设计要依靠于最前沿的运算软件, 因为在这一过程中要充分的计算到空气运动时所产生的能量和叶片在承载风能时的承受力, 而且还要考虑到整个风力机结构的合理性。在上个世纪九十年代, 发达国家就开始研发这方面的计算软件了, 其主要的课题就是精确或者优化其空气运动时在叶片上转化的物理能的计算, 这就更好的实现其科技技术的支撑。

在风力机设计时要考虑到噪声这一点, 当风力 (下转第101页) 机工作的时候出现噪音的时候, 就说明机器有不良的摩擦和不稳定的接触或者是因为空气运动时所产生的声音。所以在设计的过程中就要寻找噪音的源头来加以改良。针对于后者而言, 最为有效的, 是依据于空气声学原理结合最为前沿的叶片制作和最新的消声材料的选择与应用。这样将风力机的工作时所产生的噪声减少到最小的程度。在对风力机的设计的过程中, 也要考虑到其外观和自身的美感, 这样的设计将是很有特色的, 同时也可以为当地环境产生出一种融入环境的视觉感受。

4 结语

现今随着科学技术的发展, 人们对于风力发电的研究也逐渐的加大了力度, 同时也取得了很大的成果, 风力发电已经逐渐的成为了人们未来的主要能源, 可以增强人们的环境保护意识。但是对于风力发电机的研究仍然要继续, 在技术以及以及理论上都要进行开拓研究。只有这样, 才能够增强我国风电产业的进步。

摘要：风能为洁净的能量来源, 风能发电可以大量降低电能生产成本, 在适当地点, 风力发电成本已低于发电机。与发达国家相比, 中国风能的开发利用还相当落后, 不但发展速度缓慢而且技术创新性不是太强, 远没有形成先进化规模。随着科技的进步, 近年来, 我国的风力发电技术也在不断的发展进步, 国内风电装机的国产化以及发电的规模不断扩展, 风电成本越来越低。本文主要对风能发电的设计进行了全面的研究。

关键词：风能发电,设计,探究

参考文献

[1]薛桁, 朱瑞兆, 杨振斌等.中国风能资源贮量估算[J].太阳能学报, 2011.

[2]王承煦, 张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社, 2013.

5.风能发电:最具开发潜力的新能源 篇五

风能发电,

在环保中扮演着重要角色

2009年12月14日,国际风能理事会在哥本哈根气候变化大会上表示,风力发电对于实现碳减排潜力巨大,发达国家当前减排承诺的相当大一部分单靠风能发电就能够实现。据该理事会测算,到2020年全球风力发电规模将达到2600万亿瓦时,相当于减排15亿吨二氧化碳。按照发达国家目前提出的减排指标,风能单一行业的减排就相当于发达国家承诺总体减排量的42%到65%。

中国国家发改委能源研究所副所长李俊峰指出,2009年中国的新增风力发电已经占到世界第一,到2020年我国风力发电能力按计划将达到1.5亿千瓦,而我国总体风力发电潜力为10亿千瓦,风力发电对于我国政府减排目标的实现具有重要意义。

的确,风能已经在世界环保中扮演着重要角色。作为一种可再生的新能源,风能不仅清洁无污染,而且不会产生辐射、二氧化碳公害。当前,风力发电已成为除水能外,技术最为成熟、最具大规模商业开发条件的发电方式。“2009年内,申华控股旗下的内蒙古太仆寺旗风电厂和彰武曲家沟、马鬃山风力发电厂,累计发电14870万千瓦时(相当于5.4万个普通三口之家一年的用电量);同比传统火力发电节约煤炭近5.4万吨,减少向大气中排放二氧化碳14万吨、二氧化硫455吨(相当于近5.2万辆轿车行驶一年的二氧化碳排放);节约树木近130万棵。”申华控股专门负责风能发电的副总裁翟锋给出的一串数字,让我们再次看到了风能发电蕴藏着巨大环保能量。

风能发电,

一个蕴藏着巨大利益的产业

风能市场正在迅速发展。2007年全球风能装机总量为9万兆瓦,2008年全球风电增长28.8%,2008年底全球累计风电装机容量已超过了12.08万兆瓦。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展,盈利能力也将随着技术的成熟稳步提升。2010年全国累计风电装机容量有望突破2000万千瓦,提前实现2020年的规划目标。

那么,在中国,风能发电的赢利点究竟在哪里?

从目前以及相当长的时间看,投资风电项目是非常好的投资,比其他项目风险更小。风电的建设程序通过规划、可行性研究、项目的核准,到项目的开工、验收,建设期较短,一般一年时间风电厂即可建成;此外风电的资本金是20%,对企业来讲,负担也不大。据申华控股副总裁翟锋透露,目前风电项目的盈利,可基本满足项目的日常维护费用。

除此之外,对于风电投资企业比较关心的电价问题,国家也给予大力扶持。风电的电价分为两个电价,一是特许权电价,另一个是国家指定的地区指导性电价,电价已经趋于完善。就特许权电价来看,国家发改委采取竞价报价只占40%权重,并以平均中间价为中标电价,避免了恶性竞争,基本上摆脱了中标即亏损的局面。二是地区指导性电价。国家制定了像内蒙东西部0.52-0.54元、东北地区0.6元左右等指导性电价,基本符合风电开发实际,对风电发展来讲是有利的。

同时,《京都议定书》的签订,风电企业是最大的受益者。目前总体上来讲,早期投产的项目已经取得了实质性收益,CDM已经成为风电发展不可缺少的收益,一度电可提高8分钱——这个收益是额外的收益。发改委网站2009年11月26日发布的中国风电及电价发展研究报告指出,在中国风电发展的过程中,CDM对风力发电企业克服资金和技术障碍确实发挥了积极作用,如果没有CDM,中国风电发展速度不会如此迅速。

风能发电掀起的

资本“旋风”

在主要的可再生能源中,风电是除水电外成本最接近商业利用的能源,因此在过去若干年里一直是资本市场的宠儿。据统计,2008年全球在可再生能源上的投资达到1200亿美元,其中42%(超过500亿美元)进入了风电领域。

从风险投资角度看,这是个非常值得关注的领域。首先,政府引导越来越具体和明确,制定了到2020年实现风电装机规模1亿千瓦左右的具体目标,出台了《新能源产业振兴规划》;其次,在政策的带动下,产业需求非常明确,市场规模不断扩大,对于投资人来说,相对其他新能源,风电面临的这种市场环境风险相对较低。“从风电行业的发展历程来看,在风电整个产业链上,无论是风电场,还是整机、零部件以及后期运营都有很好的投资机会。太阳能行业已经有十几家海外上市的公司,跟太阳能比起来,风电更有优势。”专注于清洁能源领域的青云创投合伙人陈晓平表示。

对于企业本身而言,风能投资对于企业的发展也具有重大的现实意义。申华控股旗下的上海申华风电新能源有限公司副总经理常阳告诉记者,申华已经跨过了风力发电行业的门槛,通过与专业风电开发企业中国风电的合作,将力争取得规模效益,不仅可为公司带来较高且稳定的收益,同时也将优化公司产业结构。

风能发电面对的挑战

目前对于风电行业来说,确实是千载难逢的发展机遇。但是,有机遇也有挑战。

长期以来,中国电网系统的建设主要是与火电和水电的发展相适应的,而风力发电的发展将对电网系统的结构提出新的要求,尤其是电网的接入问题,已经成为制约风力发电发展的瓶颈问题。例如:风能资源富足的内蒙古、甘肃等地,目前很多地方电网还没有覆盖到。因此,国家应统筹规划电网系统,以适应中国大规模风力发电开发的发展需要。

此外,中国的风能资源虽然丰富,但目前所掌握的储量和分布资料是粗略估计的,难以满足风力发电开发的要求。因此需要进一步做好风力发电开发的前期工作,如:建立正常的风力发电开发前期工作经费渠道;加强风力发电场风能资源测量、评估,以及风力发电场的工程规划和勘测设计等前期工作。

6.风能发电介绍与发展 篇六

[关键词]PEST；SWOT；风能发电

1、PEST分析法对阜新市风能发电态势的分析

笔者将常用于企业态势分析的PEST分析法应用于对阜新市风能发电的研究，进一步剖析了阜新市利用风能发电的各种条件，为阜新市能源转型提供了依据。

1.1政治环境

科学发展观是我国经济建设一直秉承的思想，后来，我国又提出了经济“又好又快”的发展模式。这一系列的政策给予了风能发电良好的政策支持，使风力发电成为国家可持续发展的新策略。与此同时，随着经济的持续快速发展，國家对于能源的需求也逐步增长。电力成为了国民经济和社会发展中不可替代的能源，利用新能源发展电力是党和政府的重点扶持对象。另外辽宁省也立足与本地实际情况出台了一系列具体政策，实现了风电建设与生态保护同步进行的目的。

1.2经济环境

经济的快速增长，使得我们对能源的供应有了更高的要求。2015上半年我国能源形势数据统计显示，我国能源消费总量同增约0.7%，而下半年能源需求却将有所回升。在我国经济发展水平逐步提高而人均能源和电力消费水平还很低的情况下电力能源的需求与供给就产生了严重的矛盾。因此在我国未来相当长一段时间内能源产业大有可为。因此从经济环境来说，风力发电行业面临着较好的形势。

1.3社会环境

辽宁省作为老工业基地，在改革开放的大潮中，并没有很好的抓住机遇。由于计划经济管理体制的束缚，体制和机制方面还没有完全与市场接轨，市场经济还未获得充分发展，因此造成了辽宁省风电行业存在思想观念保守，市场观念不强的现象。这样的社会环境在一定程度上成为制约着阜新市的发风电发展。竞争意识不强，安于现状的思想对全省风力发电事业造成了不利影响。

1.4技术环境

纵观整个辽宁省，其对风能技术的研发也为阜新市创造了良好的技术环境，同时“辽宁省风能技术开发中心”在沈阳工业大学成立后也为阜新市风能发电提供了良好的技术指导。辽宁省风能技术开发中心将根据辽宁省制定的风能发展规划确定技术发展方向，为阜新市风能发电打下了坚实的技术基础。

2、SWOT分析法对辽宁大金重工股份有限公司风电企业的具体战略定位

SWOT分析法是管理者根据公司的自身特点和因素进行分析，通过对企业内部的优势劣势和外部的机遇与威胁进行整理，最终制定公司核心竞争优势的方法。对四个影响因素进行组合的话会得到4种战略选择，SO、WO、ST、WT等战略组合。详见SWOT矩阵分析图：

3、基于PEST-SWOT分析范式下对阜新市健康有效利用风能的建议。

3.1充分利用风能资源，合理把握投资方向，统一规划风电产业发展方向。

广有前景的行业往往需要合适良好的投资和市场，才能稳健的发展，辽宁省阜新市在拥有高效、清洁、可循环利用的天然能源优势之后，更需要构建合理的资金支持。在阜新市实际开发建设过程中，要按计划尽量采取一次规划、分期建设的方案，合理布局风电开发工作，在注重风能资源利用的前提下，也要注意避免盲目投资。切莫因市场广大，疯狂投资，盲目造成不良竞争，影响行业长足发展。风电开发企业要时刻关注进入国家风电核准计划的风电项目以及在建、并网运行风电场的动向，通过采取合作开发、并购以及相互参股等方式，多渠道开发优质风能资源。

3.2加强电网管理建设力度，科学管理进行风电投入转换过程

实现对电网的科学建设和管理，是风电产业中相对重要的一环，也是实现风力发电使用价值的最后一环。发展风力发电等可再生能源事业的最终目的，就是将可再生能源送入亿万个用户中去，如果不能加强和完善电网建设和管理，电网的建设速度不能满足风力发电发展的脚步，风电的转换将变成徒劳无功。

3.3制定专业专项人才培养计划，加大产业培训力度

人才无论在哪个产业中都是不可或缺的，专门人才是促进风力发电行业大发展大繁荣的重要条件，辽宁省的风力发电行业要想实现跨越式发展，就必须加大风力发电行业人才的培训力度，尤其是具有扎实理论基础的人才培养，真正的人才必须是全能的，要把理论与实践放在同等重要的位置，两方面必须都要硬，培育出真正的风电人才。

3.4政府扶持与市场规范相结合

保持风力发电行业健康可持续发展，政府出台政策支持的同时，必须充分发挥市场的主导作用，但是由于风力发电相比化石能源在成本上存在劣势，对于风力发电行业的发展必须做到政府扶持与市场规范相结合，只有通过市场与政府扶持的相结合手段，才能保持风力发电行业健康有序的发展。

3.5实现风电场规模化经营

将分散式、小规模企业合并，实现大规模生产，提高平均装机容量，实现集中产能和集中开发。

指导老师：陈洪侠.

7.风能发电介绍与发展 篇七

开关磁阻发电机 (SRG) 具有结构简单、成本低、控制灵活、容错能力高等优良特性[1], 在风力发电领域显示出良好的发展前景[2]。

文献[3]研究了SRG风力发电系统最大风能追踪的控制策略, 通过仿真验证了在风速变动情况下通过控制发电机输出功率可以调节电磁转矩和转速, 追踪最大风能。文献[4]以非线性SRG仿真模型为基础, 采用转速反馈控制方式实现了任意风速下的最大风能追踪。文献[5-6]采用功率扰动法, 其中文献[6]提出了一种采用变步长的功率扰动法实现最大风能追踪, 但是扰动量的设计比较困难, 设计不当会影响系统的响应速度, 甚至产生振荡。

本研究设计一套SRG风力发电系统的实验平台, 利用直流电动机对风力机的输出特性进行模拟, 并且采用转速反馈方案对SRG发电系统进行最大风能跟踪 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 控制, 在实验室环境下实现SRG风力发电系统的MPPT控制。

1 SRG风力发电系统

SRG风力发电系统主要由风力机、SRG、功率变换器和控制电路4个部分构成, 在实验室条件下, 风力机采用直流电动机进行模拟, 其系统结构如图1所示。

1.1 SRG工作原理

SRG是风力发电系统中机电能量转换的核心环节, 其运行分为励磁和发电两个阶段, 通过控制绕组相电流可调节SRG的输出功率。

SRG发电运行典型相电流波形如图2所示。励磁阶段, 电源给电机绕组励磁, 绕组电流上升, 电能转换为磁场储能。发电阶段, 绕组相电流通过续流二极管向母线回馈能量, 机械能以磁场储能为媒介转换为电能输出。在母线电压u和电机角速度ω恒定情况下, SRG输出功率的大小与相电流在励磁、发电区域的幅值和宽度相关, 关断时刻励磁电流越大, 发电区间绕组相电流上升越多, 输出功率越大。

θon, θoff—励磁区间的导通角和关断角

1.2 风力机的特性

风力机作为捕捉风能并转化为机械能的关键部件, 有其自身的输出特性。根据贝兹理论, 风力机从风中捕获的Pm为[7,8]:

风力机输出机械转矩Tm为:

式中:ρ—空气密度;v—风速;S—风轮扫风面积;Cp—风力机的风能利用系数, 与桨距角β和叶尖速比λ有关;CT—风力机的转矩系数, CT=CP/λ。其中:叶尖速比λ=ωrR/v, ωr—叶片旋转角速度, R—风轮半径。

风力机在不同风速下的输出功率曲线如图3所示。

在桨距角β一定时, 存在最佳叶尖速度比λopt, 使得Cp达到极大值Cpmax, 此时风力机运行在最佳角速度ωopt, 输出此风速下的最大功率Pmax:

2 基于直流电机的风力机模拟

通过控制直流电机的电枢电流可直接控制其电磁转矩, 控制简单, 抗干扰能力强, 适用于小型风力机的模拟。

2.1 直流机的特性

直流电机的稳态数学模型为[9]:

式中:Ce—电动势常数;Ct—转矩常数;Ce=Ct;Φ—主磁通;Tde—电磁转矩;ωm—转子角速度;Ra—电枢电阻;ea—绕组反电势;udcm—电枢端电压。

若忽略各种损耗, 直流电机输出机械功率Pdo等于电磁功率Pe, 机械转矩Tdo等于电磁转矩Tde:

直流电动机运行特性曲线如图4所示。电枢端电压udcm对直流电动机输出功率的影响与风速v对风力机输出功率的作用相似, 因而改变udcm可以不同风速下风力机的输出功率/转矩特性。

2.2 风力机模拟控制

本研究采用转矩控制方案, 通过控制idcm可直接调节Tdo, 实现风力机转矩特性的模拟, 具有良好的动态性能。

采用转矩控制方案进行风力机特性模拟的控制框图如图5所示。具体过程如下:

(1) 根据模拟风速v、风力机角速度ωr和风力机的转矩特性计算出风力机的输出转矩Td。其中, ωr=ωm/Hn, Hn—齿轮变速箱的变比。

(2) 根据iref=Td/Ctφ计算出直流电机的电流参考值iref。

(3) 通过电流PI调节器控制IGBT导通的占空比, 从而调节直流电机的电流idcm, 控制转矩输出。

3 SRG最大风能追踪控制

为了获得最佳风能捕获效果, SRG发电系统需要在风速改变时调整风力机转速, 保持最佳叶尖速比, 使风力机工作在最佳功率曲线, 捕获相应风速下的最大风能, 实现最大风能追踪 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 。

目前风力发电系统中使用的MPPT控制方案主要分为风速跟踪控制、转速反馈控制、功率扰动控制3种。本研究采用转速反馈控制方案, 该方案利用风力机的转速检测代替风速检测, 只需要知道其叶尖比λ和风机的利用系数Cp, 即可保证风力机运行在最大功率点附近, 系统简单可靠, 适用于各类风力发电系统[10,11]。

基于转速反馈方案的最大风能追踪示意图如图6所示, 实线是不同风速下风力机输出功率特性曲线, 虚线是风力机的最佳功率曲线Pmax-ωr。以Pmax-ωr为界, 风力机的所有运行状态可以分为3个区域:Pmax左侧区域、Pmax区域和Pmax右侧区域。假设此时风速为v3, 风力机运行在左侧区的A点, 则其最大风能追踪过程如下:

(1) 根据风力机A点的角速度ωa和风力机最大输出功率计算公式 (4) , 得到最佳角速度为ωa的理论最大输出功率B点作为SRG发电系统的参考功率Pref。若忽略发电系统损耗, Pref小于SRG的发电功率Psrg。

(2) 通过对SRG发电系统进行闭环调节, 发电功率会减小至参考值Pref, 由于机械时间常数较大, 可认为在SRG的短暂调节过程中电机的角速度还未发生变化。

(3) 此时, SRG的发电功率Psrg=Pref=PB, 小于风力机A点的输出功率PA, 风力机的角速度会升高, 工作点沿着曲线AC向C点移动。SRG的参考功率也会相应增大, Pref沿着BC相C点移动。

(4) 直至风力机输出功率与SRG发电功率在C点达到平衡, 即Psrg=Pref=PC, 系统稳定工作在C点, 风力机输出风速v3下的最大功率。

而当风力机运行在右侧区, 如E点时, 其最大风能追踪过程同左侧区类似。

根据以上MPPT控制方案得到的SRG发电系统最大风能追踪的控制系统框如图7所示。

基于转速反馈的MPPT采用功率外环加电流内环的双环控制结构。根据位置传感器信号计算得到风力机的实际角速度ωr, 通过功率环中的MPPT模块得到此角速度下最大输出功率作为SRG功率参考值Pref。Pref与SRG实际发电功率Psrg的误差信号经过功率PI调节器得到SRG相电流考值iref, 其中Psrg是通过检测直流母线电压udc和电流idc, 相乘得到。电流内环采用带滞环的CCC控制, 计算电流参考值iref与三相电流采样值ia、ib、ic之间的误差ierr, 当ierr高出滞环宽度时, 功率管导通, 反之功率管关断。这样通过直接控制相电流的大小可以调节SRG输出功率和电磁转矩, 进而调节风力机和发电机的角速度, 跟踪最大风能。

4 实验

为了对上述控制系统进行验证, 本研究搭建了一套以TI公司的TMS320F2812为控制芯片的SRG风力发电系统实验平台, 包括基于直流电机的风力机模拟和SRG发电系统最大风能追踪两个模块, 主要实验设备参数。

该实验平台适用于1 k W级别的三相开关磁阻发电机风力发电实验测试。

4.1 风力机特性的模拟实验

本次实验模拟了v1、v2两种风速运行下的运行情况, v1

可以看出模拟系统的输出特性与风力机特性基本吻合, 模拟系统的输出功率会随不同风速而改变, 在同一风速下模拟系统的输出功率和转矩也随电机角速度变化而变化, 而且存在一个最佳的运行角速度wopt使得风力机的输出功率最大。

4.2 SRG发电系统的最大风能追踪实验

实验过程中, 本研究利用基于直流电动机的风力机模拟系统拖动发电机运行, SRG发电系统采用转速反馈控制方案, 通过功率闭环调节电机转矩和角速度以追踪最大风能。

SRG发电系统追踪最大风能的转速变化曲线如图9所示。原动机模拟风力机在风速v1、v2下的运行特性, 模拟数据如图9所示。当风速从v1变至v2时, 系统在MPPT作用下经过1.2 s重新追踪至最大功率点, 此时转速稳定在769 r/min。当风速从v2变至v1时, 系统经过1 s重新追踪至最大功率点, 此时转速稳定在723 r/min。可见在变风速条件下, SRG发电系统转速稳定在最佳转速4%范围内, 最大风能追踪精度较好, 符合设计目标。

5 结束语

本研究设计了一套完整的SRG风力发电系统实验平台, 原动机采用直流电动机模拟风力机在风速变化时的运行特性, 为SRG风力发电系统的控制研究创造了条件。在此基础上, 设计了SRG发电系统的最大风能追踪控制方案, 并通过实验验证了最大风能追踪的可行性, 为进一步深入研究SRG风力发电系统的控制技术提供了必要的基础。

本文引用格式:

刘恒, 潘再平.SRG风力发电系统最大风能追踪控制研究[J].机电工程, 2014, 31 (9) :1196-1200.

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