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风力发电机科技论文篇一
浅谈风力发电机组控制技术
摘 要：利用风能来发电是新能源应用的一种主要形式。就风力发电过程中涉及的控制技术进行阐述，分析该技术存在的三个主要问题及发展趋势，提出解决相关问题的关键技术。
关键词：风力发电 机械控制 电路控制
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2013)012-171-02
风能资源的开发利用这项技术，从最早的单机组运行到现在的全国连网并列运行，相应的发电机组的容量也从开始的数十千瓦级发展到海上风电场的兆瓦级;对机组的机械控制方式从定桨距失速控制到变桨距运行，电力电子控制从恒速恒频发展到现在双馈异步等形式的变速恒频。风力发电技术在能源开发利用方面要想有更好的发展前景，和火力水利等传统发电技术相抗衡，关键还是要解决控制问题。而控制问题区别于其它形式发电技术的关键还是风力发电输入风能不稳定，而要求输出电能频率要求稳定的问题。解决问题主要可以从以下三个方面考虑：
(1)风力发电由于风速变化大，输入风能不稳定，风力机转速不好控制，风力发电机的输入部分存在技术开发的空间，即从机械方面考虑改进措施，进行机械控制。
风力发电的机型按照并网时速度是否改变主要分为两种，恒速恒频型机组和变速恒频型机组。不论哪种机型，目前风力发电机的叶轮都采用水平轴、三叶片，上风向布置;额定转速约27r/min。风能通过风力机转换成为动能，风力机通过转轴驱动后面联动的风力发电机。从而实现风能-机械能-电能的转换。
风力机的风轮一般采用三桨叶与轮毂刚性相连的结构，即定桨距风轮。主要是因为三叶片具有平衡和美观等优良性能。为了实现对其很好的控制，一般在桨叶尖部1.5～2.5m处，设计成可调控的叶尖扰流器，叶尖扰流器起气动刹车的作用。当风速过大时，叶尖扰流器释放并旋转形成阻尼板，影响风能在叶片上的受力分布，改变风力机转轴的转速。特别当风力发电机组需要脱网停机时，它可以用作机械制动，效果特别明显。
风力发电机组从定桨距发展到变桨距经历了很长一段时间。早期的定桨距具有以下性能优点：采用软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，使风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性大大提高。但是，由于叶片的安装角在装配时已经固定，其功率输出是由桨叶自身的性能来调节的，因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是无能为力的。这就大大降低了风能利用效率，使得定桨距风力发电机组的推广得到限制。
针对上述特点，大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组(1000kw以上)的风力发电机组在设计，叶片采用变桨距连接，即叶片与轮毂中间采用可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的回转支撑联接，变桨距风力发电机的叶片较薄，结构相对简单，重量小很多，使得变桨距风力发电机风轮转动惯量小，设计容易，易于制造大型风力发电机组。这样风力机可根据风速的变化适时调整叶片连接角度，改善叶片周围的流场分布，即使风速不在额定风速的工况下，机组的输出功率也可以保持在额定功率上。特别是在大风情况下，风力机可以使叶片顺桨，保证整个机组风能利用大大提高。
现在，大型风力发电机组一般都采用变桨距的结构形式。这样可以在起动时对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。机组的液压系统作为变距系统执行机构的一部分，在整个闭环控制系统中占有很大作用，大大提高了发电系统的运行自动化程度。
(2)风力机转轴带动风力发电机转轴旋转。风力机在风力的推动下旋转，由于输入风能时刻在改变，不稳定，而且风力机在风能向机械能转换过程中存在转换效率问题，再加上受到设计制造的局限，风力机的转速不能很高，但是传统发电机转速相对要求高，所以连接部分―风力发电机需要进行技术方面的改进。
由于风力发电机组体积庞大，重量达到几吨到几十吨，工作时具有很大的转动惯量;另一方面，受到风力发电机制造技术和叶片材料的约束，风轮的转速不能太高，一般运行在20～30r/min。机组容量越大，转速越低。为了在此基础上发电机得到更多的动能输入，需要设置增速齿轮箱。齿轮布置时采用沿轴线分布的结构特点。但是由于增加了庞大的机械设备，齿轮间存在高速运行易磨损的问题，使风力发电机组发生故障的可能性提高了，现在直驱式风力发电机组(即机组连接部分不用增速齿轮箱)正在慢慢受到设计者的青睐。
风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。对于定桨距风力发电机组，一般还采用高滑差异步发电机和变速恒频的双馈异步发电机。这样可以使机组的运行风况范围大大增加即虽然风速远离额定值，但是发电机的效率不会降低，风能利用系数得到提高的同时，发电机组的噪声降低。发出电能的频率也会符合电网要求。
现在，大型风电场一般都采用变速风力发电机组。它的关键技术在于采用了绕线型异步发电机(其转速可以有很大的变化)或同步电机，再在输出电能的电路中增加相应的变频技术。同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用;另一种是交-直-交并网。控制技术主要任务是对最佳叶尖速比的测量监控，使得机组在允许风速的任何情况下都可以获得理想的功率输出。
(3)如果直接用风力机带动发电机转子旋转，即直驱式风力发电机，输出电能频率与电网频率存在衔接问题，即从电力电子方面考虑改进措施，进行电路控制。
风力发电机组发出的电能频率可以不为50HZ，但是经过变频电路处理，使电能质量达到并网要求，稳定可靠得给电网提供电能。
控制技术和监测技术是风力发电系统的关键技术。因为风能不稳定，风速大小和方向随着季节和气候的改变而改变，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，风力发电机组一般安装在无人值守区，占地面积较大。所以对输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和维护必须实行自动化控制。分散布置的风力发电机组通常要求远程监控，自动控制应该实施运行人员设置的控制策略，保证机组安全可靠地运行。
风力发电技术未来的发展趋势将是全实现整个电力系统的自动化，在风电场运行的风力发电机组全部可以实现中央集中控制和远程控制。火力水利等发电系统的控制系统，主要的任务是监视电网、机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而风力发电系统则在此基础上，还要增加一些传感器检测技术，时刻监测风速风向。根据对其变化趋势的分析，做出判断，提高系统的经济性和稳定性。
总之，随着技术的不断改进，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组已经在风电市场得到推广。变速风力发电机组的优点在不断显示出来。变速风力发电机组的可以在低于额定风速时，跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率;在高于额定风速时，增加传动系统的柔性，稳定输出功率，向电网提供安全可靠经济的电能。
参考文献：
[1] 宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2009.
[2] 王承熙，张源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2012.
风力发电机科技论文篇二
微型风力发电机的应用
摘 要：近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，由于其制造简单、使用方便，清洁环保。我国风光资源充足，因此具有很好的应用前景。
关键词：风光互补发电 应用 探讨
中图分类号：TK8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2012)001-036-02
在我们国家，风能资源巨大，但由于资源的不平衡性，纯粹的风力发电不能大范围普及已成事实。为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。这种系统采用了我国自主研制的新型小型风力发电机和太阳能发电根据地理条件不同进行合理地结合，形成了相对稳定的电力输出。这是在短期内加速改变我国能源结构最有效的办法。
1 风光互补应用市场机会
风光互补离网型供电系统，主要是以小型风机(100W-1KW)、太阳能电池组件、储能蓄电池、控制器(逆变器)，LED光源为主组成离网供电系统，在路灯、景观、广告牌、高整公路、偏远地区无电户供电、哨所、基站等小功率离网供电用户广泛应用。其市场机会巨大，椐专相关资料统计：市政建设的新建路灯照系统：保守估计我国每年新增6万公里的市政路灯工程、按每公里80-100万计算，达600亿;无电户照明：我国目前有近800万山区户、渔民无电户按每户8000-10000元计算，800亿市场。但需要国家政策补贴;船用风力发电机(有预测报告全世界近60亿美元;其他的海岛基地、通信基站、城市景观建设，高档小区景观建设、新农村建设“镇镇亮”路灯工程用户现在已有应用实例，其潜在的市场规模不可估量。专家保守估计国内市场也在几千亿以上的份额，并将形成一个庞大的产业链。
2 风光互补供电系统的优势
(1)节能减排：风光互补新能源为“节能，减排”开辟了一片新天地，清洁能源，没有污染。
(2)方便使用：光互补受自然环境因素限制比大型风力发电小，可以像种树一样在全球各个应用角落遍地开花，受环境限制较小，资源可再生，没有后续能源费用。
(3)技术成熟：风光互补技术比大型风力发电技术成熟，可靠，风光互补新能源为新能源为分布式独立供电独辟蹊径。使用寿命长(太阳能电池和风力发电机均在15年以上的设计寿命)，维护方便。
下面通过二个风光互补路灯项目的应用和传统路灯相比的性价比说明：
(1)海南省海口市滨江西路风光互补路灯与常规市电路灯工程总造价比较。
位于海口市南渡江西岸滨江西路，北起长堤路与白龙路的交叉口，向南沿南渡江经过国兴大桥、海瑞大桥，终点在府灵路(南渡江大桥)，是海口市一条重要的规划城市主干道，全长12.5km，道路宽50m。通过计算，得出15年时间里，使用风光互补路灯与常规市电路灯所需费用，见表1。
(2)湖南浏阳3公里次干道风光互补路灯与常规市电路灯工程总造价比较。
通过专业技术人员的计算，得出10年时间里湖南省济阳市3公里次干道风光互补路灯与常规市电路灯所需费用，见表2。
由以上2个案例的对比分析可以得出：在综合成本上，风光互补路灯与常规市电路灯相比具备明显的综合价格优势，次干道达到了同等投资，零电费、零排放，且道路越长，价格优势越明显。
3 风光互补供电系统的市场风险
3.1 市场引导机制缺乏造形成销售风险
风光互补系统的最大及户就是市政建设和离网用电户。目前，通过风光互补路灯的试点应用，虽然能增强市民对高新技术新能源产品应用的意识，更能无形中提高市民对新能源利用的意识。其中直观的科普教育性为带动地区的经济发展提供了诸多无形的价值。为当地政府在提倡“节能、减徘、绿色照明、循环经济、生态文明、科普教育、宣传”等工作上直观的肯定。但大部份是政府投资或是获得财政资金补助项目。项目投资金额相对较大，投资后企业回款期长。一些没有资金实力的企业通过关系营销即使做成项目，资金压力非常大，甚至有的企业被无力继续发展。因此大面积推广使用风光互补供电系统，只能是通过政策机制引导建立政策营销。
3.2 政策引导不力 造成的小风机企业成本压力风险
按单位输出功率测算，风机价格是太阳能电池的价格的1/4左右。这是因长期以来，微小风力发电机的应用是以偏远贫困地区的农牧民为主要对象，因此价格定位很低，加上现在国家送电下乡工程，大量采用光伏电池补贴方式，忽略了小风机的成本。而近几年来，政府对大型风力发电的政策相继出台，但对“中小型风力发电机组及新出现的风光互补新能源发电系统还是一个“被政策遗忘的角落”。致使微小风机产品没有利润，行业恶性竞争加剧，技术研发投入不够，企业没有发展后劲，不利于风机生产企业的有利健康成长，从而影响风光互补市场的发展。
3.3 监督机制不全带来的行业产品质量风险
风光互补系统是一个产品集成体，目前市场对其单一产品虽然都有标准和检测手段，监管力度也不够，加上对风光互补系统还是没有整体完善的检测监管手段，以至于市场上的产品没有国家权威机构的检测和认证，导致劣质产品充斥市场，由于小风机是高位安装，风机掉落伤人事故时有发生。行业没有形成有效的监管机制，使有的企业不注重售后服务，致使小风机失去了用户信心，影响风光互补系统的全面推广。
4 行业发展趋势
风光互补系统是近8年才兴起的集成企业，技术门坎不高。技术含量是表现在系统集成+单项产品核心技术，目前小型风机的知识产权完全自主，各企业都已申请部件的发明专利和外观专利。
(1)噪声：我国的小型风机,通过制造工艺的改进,噪声技术已得到改善,基本满足用户需要。
(2)低风速：传统的小型风机起动风速都是在4米/秒左右。这样一来，很多地方看不到小风机的转动。所以应用推广受地域局限。中科恒源科技股份有限公司的全永磁悬风力发电机，以“全永磁悬浮技术”已获得国际PCT专利保护。其发电能效比普通风力发电机提高20%以上，启动风速更低至1.5米/秒。是目前600W以下小型风机领域低风速的一个重大突破，是内业最具优势的产品之一。
(3)控制技术：大部份风光互补供电系统的控制器，大多处于一种充放电保护和风机过风保护。而有些地方用户要求需要集中控制和远程监视，但成本随之上来。所以很多企业在控制器上创新，满足人性化需要，模块化设计在满足及户需求的同时又要保证新产品与传动产品相比较有合理性价比，如：用户可以根据自己的需要通过远程控制和设定光照时间和照明功率。
(4)成本：更为用户关注的是小风机的成本优势,目前,小风机的成本已经是同等功率大阳能成本的的1/4-1/5,但风力必须在4米以上的阔旷区才能获取,为保证安全，传统的立杆成本不可少。目前这种成本对于国内比较贫穷的无电户家庭用户也是过高。需要进一步采用新材料、新工艺不断改进。
(5)集成技术：风光互补更主要体现在集成技术，根据地理条件和用户要求，风光互补系统必须形成风能、光能、蓄电池容量的合理配置。系统组成合理，可以达到要求，系统达到最优性价比。否则，资源浪费，系统成本增加。这种技术更主要是应用经验的累积，因此，应用范围的扩大成了行业发展的关键。
5 结束语
(1)本产业市场及潜在市场巨大，在国家政策提倡，地方政府支持下，可形成巨大产业链。随着能源日益紧张，新能源利用方式不断拓展，新技术、新材料的不断出现，作为争布式供电方案的风光互补系统将是普及风能、光能随时随地应用的一种手段，前景广阔。
(2)风光互补系统的关键技术急须突破，涉及到高效低风速的小型风机技术、太阳能光电技术、储能蓄电池技术、LED淘汰技术等，国家应对小型风机甚至专门对风光互补供电系统的供应商进行政策支持，通过行业内的制造企业的不断推广引导，形成产业政策，同时需要鼓励企业通过技术创新和新材料的应用创新降低使用成本，风光互补技术的全面推广是完全可以实现的。
参考文献：
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