小型风力发电（精选12篇）
小型风力发电 篇1
1 引言
目前,小型风力并网发电以更经济、方便、实用的特点成为新能源发电中的一个重要方向。由于风速的大范围波动性,风力发电机的输出电压、频率和能量也随之大范围波动,为了充分利用风能并考虑变换电路的电压利用率,采用MPPT调节实现风能的最大功率跟踪,因此系统中的变换电路采用带Boost变换器的两级式电压型并网用逆变器[1]。
小型风力发电系统应用的核心是并网用逆变器。随着新型电力电子器件的不断涌现,以及现代控制理论的发展,各种针对单相并网用逆变器的控制策略与方案相继被提出[2]。目前常用的电流控制模式有滞环控制、PI控制等多种方案[3]。滞环控制具有实现简单和动态响应快的特点,但是开关频率、损耗及控制精度受滞环宽度的影响;PI控制具有算法简单和可靠性高的特点,因此被广泛应用于工业过程控制,但常规的PI控制对正弦的参考电流却难以达到理想的控制效果[4]。本设计在后级全桥逆变部分采用适合小型风力发电系统的电压电流双闭环控制,对电压外环和电流内环分别进行PI控制,实现前后两个功率级控制上解耦。
本文设计的单相并网用逆变器,其功率主电路采用常规二极管整流、标准的Boost升压加单相全桥式逆变电路;就其末级逆变器而言,它属于电压源输入、电流输出的控制方式;中间直流母线额定电压稳定在400 V;逆变产生的AC 220V电压经过滤波电感和并网开关输出到电网[5]。控制电路部分采用高性能的数字信号处理芯片(DSP),采用载波比固定的SPWM调制方式,控制部分输出的开关信号的频率为12.8 k Hz。采用基于该电路结构的控制方式实现了前后两个功率级控制上解耦:前级实现对风能的最大功率跟踪,后级实现并网逆变。该控制策略应用于小型风力发电系统,可以极大提高风能利用率[6],提高对低风速风能的利用效率,对推广小型风力发电系统,充分利用可再生清洁能源具有重要的现实意义。
2 单相并网用逆变器主电路拓扑结构及控制策略
2.1 主电路拓扑结构
风力发电单相并网逆变器系统主电路拓扑结构如图1所示。
风力发电机发出的三相交流电经过二极管整流单元变换成低压直流电,该低压直流电经由Boost电路升压稳定在400 V,然后通过单相全桥逆变器得到交流电,最后经过电感滤波后并入电网。
该系统硬件拓扑电路包括整流电路、直流侧Boost升压电路、逆变电路和并网电路。硬件部分主要采集的信号包括:直流电压、直流电流、交流电压、交流电流。其检测的直流信号用于实现最大功率跟踪;交流信号作为反馈用于系统控制。在交流电压的检测过程中同时产生并网同步信号,控制输出电流与电网电压的同步。检测的电网电压信号也用于对电网状况进行判断,当电网异常时系统停止工作。
2.2 系统控制策略
2.2.1 前级MPPT控制
最大功率跟踪控制(MPPT)主要有扰动观察法和电导增量法[7]。电导增量法需要对输入风能的电压和电流进行采样,通过比较风能的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。这种跟踪法最大的优点,就是当风力发电机端的能量发生变化时,其输出电压能被控平稳地跟随其变化,电压晃动也较小;并且电导增量法控制精确,响应速度较快,适用于风力变化快的场合。本文即采用电导增量法对获取的风能来进行最大功率点的跟踪控制。
2.2.2 并网逆变控制
本文采用适合中小型分布式并网逆变系统的电压外环电流内环双闭环控制,如图2所示。电压外环用来控制直流母线电压的稳定,其电压值必须满足并网所需的最小逆变电压要求。由于被控量直流母线电压是直流量,因此利用PI控制器就可实现良好的跟踪性能。电流内环完成并网电流幅值和相位的控制,以实现将风力发电机发出的电能稳定安全地馈送到电网。
逆变器的输出控制方式主要有2种:间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制方式不引入交流电流反馈,而是通过控制逆变器的输出电压来实现对并网电流的控制;直接电流控制方式则是通过引入交流电流反馈IL与交流电流的指令值IL*进行比较运算,然后控制逆变器使其输出电流跟踪电流指令值。直接电流控制方式的电流响应比间接电流控制动态响应快,不存在瞬时直流电流偏移问题,并且控制相对简单,因此应用最为广泛[8]。本文便采用直接电流控制模式。
并网逆变器系统要求其馈入电网的电流能够快速跟踪参考电流的瞬时变化,这是电流内环的设计关键,也是整个控制系统设计的重点。
电流环的输出为正弦波信号,它作为调制波与三角载波进行比较,产生SPWM控制脉冲驱动IPM功率开关管,产生与电网同频率同相位的等效正弦波电流[9],再经电感滤波后得到纯正的正弦并网电流。
2.2.3 SPWM算法的实现原理
用软件方式实现SPWM的算法通常使用[10]自然采样法,规则采样法(对称规则采样法,不对称规则采样法)等。但在实际应用中,为减少系统的谐波分量,多采用不对称规则采样法,其原理图及流程图如图3、图4所示。
实践证明,不对称规则采样法所产生的等效正弦波比对称规则采样法产生的等效正弦波谐波含量更低,特别是当载波比N为3或3的倍数时,前者的输出中不存在偶次谐波分量,其它高次谐振波分量的幅值也较小。特别是在逐渐增大调制率,使脉宽调制向输出方波过渡时,采用不对称规则采样,不会像自然采样那样产生基波幅值跳跃的现象。
所谓不对称规则采样,是指既在三角波的顶点位置对正弦波采样又在谷点位置对正弦波进行采样的方法,这样所得到的脉宽,在一个三角波周期内的位置是不对称的。在这里,采样周期Ts是三角波周期Tt的1/2,即Ts=Tt/2。
由相似三角形原理可推导出采样脉宽时间:
式中:M为调制度,M=Us/Uc,Us为正弦调制波最大幅值,Uc为三角载波幅值;Ts为采样周期;ωs为正弦调制波角频率,ωs=2πfs。
由于在每个载波周期中采样2次,并设载波比N=fc/fs(fc为三角载波频率,fs为正弦调制波频率),则有:
K2=1,3,5,…,2N-1
因此ton1=2Tt×[1+M×sin(K1π/N)]
3 系统硬件电路和控制框图
3.1 系统硬件电路
电流采样电路如图5所示,电流互感器采用LTS15-NP,输入电流范围0~7.5 A,对应输出(2.5±0.625)V,当输出电流为7.5 A时,输出电压最大值为3.125 V。输出电流经过电流互感器后输出交流电流信号,当输出电流大于上限值,经过比较电路输出故障信号,用于保障系统工作安全。
电网同步电路由电网电压过零检测电路构成。该电路将经电压互感器隔离转换后的电网电压信号,变换成与电网电压同频同相位的方波信号,再通过光耦隔离送入DSP的捕获单元,为输出电流提供标准正弦信号过零基准。该信号同时用于计算基波电压频率及采样频率。同步过零检测电路如图6所示。
图6电路中有两路输出:一路是输出电网电压过零基准信号;另一路是输出电网电压实际值信号。
电网电压经过图6电路后得到的过零信号和电压实际值波形如图7所示,图7中的方波即电网电压过零信号,正弦波为电压实际值。电网电压正弦波信号经过零检测电路后变成了TTL信号,实现了与DSP的电平对接。
3.2 控制流程图
并网逆变器系统对控制的实时性要求较高,因此,将系统软件设计成由主程序和中断服务子程序构成的结构。主程序及中断程序流程图如图8所示。
主程序中放置的是对于时间要求不高的部分程序,它们按条件顺序循环执行。中断服务程序中放置对实时性要求较高的部分,这样一旦满足中断触发条件,该部分程序将立即得到执行,从而保证了并网控制的实时性和高效性。
主程序主要完成特殊寄存器以及外部事件管理,并循环检测系统状态,实现系统开机检测。而中断服务程序只有在外设中断源产生中断时才运行,主要包括T1周期中断子程序、T1下溢中断子程序、AD中断和捕获中断子程序。
T1下溢中断子程序的任务是启动AD转换;AD中断子程序的任务主要是根据A/D转换结果计算下一采样周期参考电流信号值;T1周期中断子程序的任务是完成下一采样周期脉冲宽度的计算和比较寄存器的赋值;捕获中断子程序的主要任务是实现参考电流信号对电网电压频率和相位的跟踪。
4 系统实验测试结果
在实验系统的软硬件研制完成后,经过闭环调试,得到了并网运行的输出电流和电网电压的波形,如图9所示。
从实验结果可以看出,输出电流能够较好地跟踪电网电压,输出电流波形平滑,并网运行时的输出波形符合要求。
本设计采用适合小型风力发电系统的带Boost变换器的两级式电压型并网逆变器。目前小型风力发电并网逆变器大多采用单电流环控制的方法,该方法不能使前后两个功率级在控制上解耦。针对该方法的不足,本设计采用适合小型风力发电系统的电压电流双闭环控制。
本文采用电压电流双闭环控制策略,实现前后两个功率级控制上解耦:前级实现对风能的最大功率跟踪,后级实现并网逆变。该控制策略应用于小型风力发电系统,可以极大提高风能利用率,提高对低风速风能的利用效率,对推广小型风力发电系统,充分利用可再生清洁能源具有重要的现实意义。
5 结论
本文设计了一种基于DSP控制的小型风力发电机单相并网逆变器。采用带Boost升压的电压型单相全桥逆变器电路,电流控制的方式设计。引入固定载波频率的SPWM调制模式、强迫电流跟踪控制等技术,完美地使逆变器输出了与电网电压同频同相的并网电流,实现对低风速风能类可再生能源以高功率因数回馈电网的设计目标。系统并网运行实验结果表明:该系统输出的交流电流功率因数高,输出电流波形平滑,符合系统设计要求,实现了响应速度快、功率因数高及控制方便的目标,为系统安全并网提供了保障。
参考文献
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[3]Zmood D N,Holmes D G.Stationary Frame Current Regulationof PWM Inverters with Zero Steady-state Error[J].IEEE Trans-actions on Power Electronics,2003,18(3):814-822.
[4]赵清林,郭小强,邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].可再生能源,2007,27(16):60-64.
[5]陈继栋,施崇阳,周乐意.单相正弦波有源逆变并网电源[J].电子设计工程,2011,19(13):187-192.
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[7]马幼捷,程德树,陈岚,等.光伏并网逆变器的分析与研究[J].电气传动,2009,39(4):25-26.
[8]程军照,吴夕科,李澍森,等.采用Boost的两级式光伏发电并网逆变系统[J].高电压技术,2009,35(8):2048-2052.
[9]Milosevic Mirjana,Allmeling Jost,Andersson Goran.InteractionBetween Hysteresis Controlled Inverters Used in DistributedGeneration Systems[C]∥IEEE Power Engineering SocietyGeneral Meeting,Denver,Colorado,USA,2004.
[10]刘凤君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器[M].北京:电子工业出版社,2010.
小型风力发电 篇2
撰文/郑家鑫
小型风力发电机，简称“小风机”，是指额定功率小于100千瓦的风力发电机。小风机既可进行离网应用，也可进行并网应用。本文旨在探讨美国和英国小型风力发电机市场的发展现状、前景、技术趋势和认证，希望能为中国小风机企业进军欧美市场提供参考。
美国小型风力发电机市场
根据美国风能协会的一项调查，美国共有将近70家小风机生产企业，占全球小风机生产企业数量的34%。在美国有21家企业在生产垂直轴小风机。至少有10家美国企业在制造或计划制造安装在建筑物上的小风机。美国制造商在2008年占全球小风机销售的49%，出口占美国制造商销售的28%。美国在2008年销售的小风机有94%是由美国制造商生产的。美国在2008年销售的50-100kW的小风机中有四分之一是用于风力和柴油混合发电，主要用于偏远地区。美国小风机（容量在100kW以下）市场在2008年增长了78%。这一增长主要是由于私营资本的投资使得制造能力大大增加业界预测美国未来5年内小风机市场会增加30倍，到2013年末会达到1700兆瓦，其中大部分增长得益于美国国会于2008年通过的八年期30%的联邦投资税收抵免。
英国小型风力发电机市场 据英国风能协会估计，英国在2008年的小风机装机容量为7.24兆瓦，如果政策得当，到2020年装机容量将达到1，300兆瓦，2008年英国小风机行业的发电量达到了24.5GWh，如果增长障碍能够得到解决，到2020年英国小风机行业发电量将达到1，700 GWh。到2020年英国小风机的装机数量将超过600，000台。
英国在2008年生产的小风机有50%出口到世界上100多个国家，主要出口机型为0-20kW的风机。到2020年，英国小风机行业的就业人数有望达到5，800人，市场规模超过7.5亿英镑。
小风机制造趋势
小风机制造趋势主要体现在以下几个方面：
效率提升
l 叶片：把效率从将近32%提升到42-45% l 交流发电机：把效率从65-80%提升到90-92% l 逆变器：逆变器效率提升空间不大。
设计
l 继续增加扫风面积以捕捉更多能量。这包括使用新的复合材料和成型工艺。l 减少系统中部件的数量。
l 研究和闪电、腐蚀、轴承润滑、发电机绝缘及电子部件相关的可靠性问题。l 减少单位容量材料用量。l 减少移动部件的使用。
l 改善低风状况下的风机性能。
l 考虑把更多大风机技术融入到商业规模的小风机（21-100kW）设计中，例如齿轮箱、机械制动、变桨距叶片等。
其他
l 采用先进的塔架材料设计以减少安装时间和费用。
l 开发可以更准确的预测给定地点风机能源生产的流程和工具。l 建立一个强大的接受过良好培训的安装工和经销商网络。l 开发先进塔架基座减少安装时间。
l 开发无线基于网络的风机性能监测能力，以把现场检测的频率降到最低。l 继续开发和支持性能标准、认证和第三方设备测试机构。
小风机认证 美国小风机认证
美国小风机认证工作于北京时间2010年2月5日正式启动，由美国小型风力发电机认证委员会（以下简称“小风机认证委”）负责认证工作。
认证的内容包括结构分析和现场测试。现场测试包括电力性能测试、声学测试、安全和功能测试、耐久性测试。现场测试和结构分析的结果记录在一份最终报告中，提交给小风机认证委审核。小风机认证委颁发认证的依据是最终报告的完整性和正确性，以及小风机是否满足美国风能协会标准的所有要求。
认证的合格条件包括：已由合格测试机构对申请认证的风机进行了测试；已经对申请认证的风机进行了结构分析并提交了报告；满足小风机认证委认证政策中的所有要求；申请人已经提交了认证委要求的所有附加信息和材料；所有费用已经支付；认证委已确定申请认证的风机符合认证要求，并颁发认证。小风机认证委负责根据美国风能协会标准认证风机的机械强度、耐久性、功能和性能，NRTL根据新的UL标准认证风机和控制器的电力安全，由专业工程师认证塔架和基础。每一种小风机的配置都将颁发一个单独的认证。
该认证的测试可由三类机构进行：国际标准认可的检测实验室、未经国际标准认可但经小风机认证委评审合格的检测机构、小风机生产企业自身。由国际标准认可的检测实验室进行测试应是成本较低的方案。
该认证可能在加拿大市场也具有效力，具体情况将在与加拿大标准委员会协商后确定。同时，该认证与英国的小风机认证也有类似之处。认证费用在10000美元到45000美元之间。该费用不包括测试费用。
英国小风机认证
英国小风机认证工作由微型电力认证计划办公室负责实施。认证依据是《产品认证计划要求：微型和小型风力发电机》和《英国风能协会小型风力发电机性能和安全标准》。根据《产品认证计划要求：微型和小型风力发电机》，其认证范围是风速11.0m/s时测量的额定输出功率在50kW以内的风机。产品的认证和批准是基于向该认证机构提供了可接受的证据，证明：该产品满足标准；制造商拥有员工、流程和制度确保所交付的产品满足标准。同时，还基于：对制造商及其测试进行定期审查；对于认证机构签署的批准协议的遵守情况，包括同意整改错误。制造商要想获得认证和批准，需要证明其产品满足《英国风能协会小型风力发电机性能和安全标准（2008年2月29日版本）》，还要证明其根据《工厂生产控制要求》建立和维护了质量管理体系。
为促进中国小风机企业在欧美市场获得更好的发展，北京领世咨询有限责任公司已经启动美国和英国小风机认证申请代理业务及相关咨询业务，代表中国企业申请美国和英国的小风机认证。具体情况，请联系领世咨询。
小结
根据上述分析，我们可以得出以下几项结论: l 欧美市场存在着较大的市场潜力，是值得中国企业关注的市场。但要在这些市场获得很好的发展，中国企业需要为自己的产品获得这些市场所接受的认证。l 并网型小风机将成为未来的一个主要增长领域。l 在可预见的未来，独立式小风机依然占据主导地位。
l 安装在建筑物上的风机将成为小风机技术的一种较新应用。
风力发电不如猫 篇3
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。”
小型风力发电机的三维建模 篇4
关键词：小型,风力发电,发电机
0 引言
随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响, 风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视, 风电作为新能源, 因其自身的清洁环保性和可持续性而有着广阔的发展前景和提升空间。本文论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展及现状, 并结合风机叶片的结构和运行工况进行了以下方面的探讨及研究。
1 为什么要建立三维模型
叶片是整个风力发电装置中的关键部件之一, 它的几何形状直接影响着风力发电机的效率、可靠性、噪声的大小, 以及风力发电机的使用寿命。在风力发电机叶片的设计过程中, 为了满足各项气动性根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形, 利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点, 在传统建模方法无法实现的情况下, 提出了导入数据文件的建模方法, 提高了模型的建立效率。
2 项目特色与创新点
因为常规矿物能源供应的不稳定性和有限性, 于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。随着风电产业的高速发展, 风电设备供不应求。近年来, 新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下, 中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起, 已经成为全球风电最为活跃的场所。风力发电机的构造复杂, 各部分功能都非常重要, 通过有序运行来完成。
2.1 合理设计方案
施工组织设计对施工全过程具有主导作用, 它通过对施工进行全面、严密的组织计划, 指导施工活动, 从而使工程施工又好又快发展, 最终实现基本建设投资效果的目的。
2.2 加强技术管理
在工程施工到投产的全过程都要重视施工技术管理。在整个过程中, 要按规定的施工操作流程来确保施工的质量。要求施工人员有一定的专业知识, 掌握熟练的工作技能, 并严格执行施工程序。工程技术资料是施工情况的真实反映, 是评定工程质量的主要依据, 因此我们也要加强工程技术资料的管理。
2.3 现场管理
要做好风能发电现场管理, 应将工程的主要部位、主要结构和隐蔽工程纳入重点管理内容。对其工程质量进行全面、全过程的检查。施工现场管理还应对技术措施、操作规程等方面进行全面检查;同时还须做到安全、文明、环保施工。风力发电机受到风力的作用, 风轮旋转。使得风的动能转变为风轮轴的机械能, 风轮轴带动发电机旋转发电。一般叶轮设计成翼形, 风轮从自然界获得的能量有限, 其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。现代风轮设计一般采用新翼形设计, 除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外, 新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数, 并减少尖部叶片弦长, 以控制转子尖部的负荷。
2.4 风力发电机三维建模与分析
由于风能是一种清洁无污染的可再生能源。所以在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保, 众多国家和地区对风力发电的研究不断深入, 使其造福人民。从叶片周围绕流的物理模型抽象出相应的数学模型, 采用有限体积法对叶片的外部流场进行处理, 获得了叶片外流场的速度、压力分布, 扑捉到一些重要的流动现象。验证风力发电机在切入风速、额定风速和极限风速工况下的运行情况, 验证了叶片由于攻角过大时产生的失速现象等。利用Solid Works软件建立风力发电机的三维模型。重点对叶片进行受力模拟运算, 结合风机工作中的实际情况, 发现当前叶片设计中存在的不足之处, 为后续设计和优化奠定基础。在风力发电实际应用中起一定的指导作用。
2.5 风力发电机发展现状及研究进展
近年来, 风力发电不断获得发展, 200年以来, 全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示, 2008年全球范围内新增风电装机容量2705万k W, 使得全球风电装机容量达到1.20亿k W, 较2007年增长28.8%。风力发电机是实现风能转换为电能的核心部件之一。当前已发明设计了不同类型的风力发电机结构及发电系统.并努力改进, 使其更好的造福于民。
2.6 风力发电机组叶片三维模型自动成型系统的开发与研究
叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。本文针对小型风力机叶形设计方法及改善设计叶形气动特性等问题, 在叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。研究工作具体内容及结论如下:
(1) 以400W水平轴小型风力发电机组叶片数据为模型, 首先根据整机设计风场等条件确定风轮基本参数;其次根据相关计算叶片展向不同半径下的弦长、扭角等参数计算公式;最后提出减少制造成本和获得最大风动力的修正叶片参数设计方案。
(2) 在确定叶片截面参数计算公式及现有扫描点云数据重构的三维叶片模型特点后, 根据Solid Works二次开发技术及数据库开发技术开发一套水平轴风力发电机组叶片设计系统。设计结果表明, 应用开发的软件可以快速、便捷的成型各种设计条件下的叶片三维模型, 并能通过修改数据文件, 进行较为个性化的叶片模型设计, 大大提高了设计速度和模型的正确性, 弥补了现有技术的缺点。
(3) 根据整机载荷计算原理, 将整机划分多个坐标系统, 分别对不同关键部位进行载荷计算, 并运用ABAQUS有限元分析软件进行多种叶形下的叶片载荷计算, 通过分析关键部位稳定载荷曲线、正常发电、正常停机等多个工况下载荷谱, 对设计软件设计的叶形进行综合性能评价。
3 总结
叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。风能作为一种清洁无污染的可再生能源, 在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保, 众多国家和地区对风力发电的研究不断深入, 使其造福人民.本文针对小型风力机叶形设计方法, 在叶片设计原理、修正方法、模型成型方法以及叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。推广应用新兴的三维建模风力发电站代替传统的电力变电站, 分析了风力发电系统的动态性能及相关系统, 得出了小型风力发电机三维建模设计方案的可行性。
参考文献
[1]尹鹏, 王春秀.风力发电机组叶片精确建模方法研究[J].机械设计与制造, 2010 (05) .
风力发电的好处 篇5
风力是免费的.。风力发电仅仅需要最初的投资费用。风对环境没有害处。人人可以利用风的优势。消除对石化能源的依赖，可以让我们在全球社会中拥有主动权。
风是永恒和容易获得的。尽管风是难以预测的，但是在任何地方都会在某些时候存在风。反之，我们需要花费数十亿美元寻找新石油来源，并从地下将它们开采出来，它们的数量最终会越来越少。
风力资源是取之不尽用之不绝的，利用风力发电可以减少环境污染，节省煤炭、石油等常规能源。风力发电技术成熟，在可再生能源中成本相对较低，有着广阔的发展前景。风力发电技术可以灵活应用，既可以并网运行，也可以离网独立运行，还可以与其它能源技术组成互补发电系统。风电场运营模式可以为国家电网补充电力，小型风电机组可以为边远地区提供生产、生活用电。
风力发电发展SWOT分析 篇6
【关键词】通榆县；风力发电；SWOT分析
1 引言
随着国家必然对绿色清洁能源的需求不断增加， 近几年来， 风力发电是现存被认为最清洁的发电方式成为了国家大力发展的新兴产业。作为新一种清洁能源，风力发电时人们依靠自然力量在不消耗现有能源基础上还不对外排放二氧化碳能等一些有害的副产物，这无疑是电力产业发展的新福音。
2 通榆县风力发电的SWOT分析
2.1 内在优势
通榆风力发电企业的初期发展和后续发展都有其自身的内部优势。第一，对于刚刚步入风电企业的通榆县来说，通榆风电企业属于国家特权项目，直接由中央特批，不经过省里的很多流程，这是风力发电在程序上一切从简，除此之外，风电设备等都属于国家科研项目均有相关政策支持。第二，在国家电量供大于求时，国家能源局规定限电时，首先考虑该特批企业不限电。也就是说，在限电的特殊时期，通榆风电企业等一些特批企业有优先的不限电权利，这使得这些企业在特殊时期仍可以保持收益。第三，通榆县风力发电地区每度电收益分为招标价格为0.3元加上国际补贴的0.15元，相对于南方0.6元～0.9元的电力成本而言其招标价格比较低，可以在低成本的条件上获得收益。第四，通榆县地处风口，风沙严重，风资源相对较大，这也是通榆地区在风力发电方面不可多得的优势。第五，风力发电相较火力发电来说属于绿色清洁能源，不排放CO2，不对环境造成危害，并且国家给予CDF补贴，这在一定程度上节约了煤等一系列不可再生资源。
2.2 内在劣势
通榆县风力发电的发展除存在内部优势外，还存在很多内部劣势。第一，风力发电产业属于“靠风吃饭”的产业，有风有效益，无风无效益，这是电厂效益的不可抗拒的弊端。第二，风力发电存在很多安全隐患，首先是设备安全：设备质量问题至关重要。其次是人员安全：员工的操作安全、思想安全以及不违章作业是避免安全问题的重要因素。最后是环境安全：通榆县地处山区“春秋风沙大，夏季存在雷雨季节”是当地的自然条件，也是影响风电厂工作与设备运行的环境保障。第三，风电产业的技术落后和人才缺失。偌大的风电厂员工仅有二十余人，其中风电企业所在地偏远以及人员待遇相对不高等因素都是人才流失的因素。第四，建立风电厂的一次性投入较大，设备维修维护等一系列费用较大，者造成了风力发电地的巨大成本。第五，风电厂的地区偏远，道路比较远，因此设备的运输路程比较远，造成输送成本大。且设备的备件储存数量有限，无法及时更换。这些都是制约着风力发电产业更快、更好发展的重要因素。
2.3 外部机遇
为了给风力发电产业长期发展提供良好的外部环境，自2005年起国家相继出台了《可再生能源法》等多项扶持风力发电产业的政策。目前国内对于风力发电产业的外部机遇主要如下：
为鼓励国内风力发电产业的发展，在1996年国家计委推出了“乘风计划”。该计划以市场换技术为策略，提出：以一定的风力发电机定单为筹码，采取合资合作方式引进技术，在“十五”期间，实现大型风力发电机风机国产化率60%-80%以上的目标。根据国家有关可再生能源发电配额规定，到2010 年和2020 年，权益发电装机总容量超过500 万千瓦的投资者，所拥有的非水电可再生能源发电权益装机容量应分别达到其权益装机总容量的3%和8%以上。
《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》确定了风电项目的价格分摊机制。相关规定，风电与常规电源上网的电价之差在全国用电量中进行分摊。据统计，2006年度可再生能源电价附加补贴金额合计2.6亿元，包括38个发电项目的支付补贴电量和补贴金额，涉及装机容量141.4万千瓦。其中，受补贴的风电项目占133万千瓦，比例达95%；获补贴2.27亿元，占87%。
此外，我国政府还对可再生能源电力技术的增值税、所得税减免优惠制度，其中风电的增值税税率从正常的17%降到8.5%，风力发电项目的所得税税率由33%降到15%。
随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。2002年前后，国际风力发电市场上主流机型已经达到1500千瓦以上。目前，欧洲已批量安装3600千瓦风力发电机组，美国已研制成功7000千瓦风力发电机组，而英国正在研制巨型风力发电机组。世界各地风力发电产业良好的发展为我们做了良好的榜样，随着改革开放的进一步推进，这都是我们可借鉴的良好资源。
2.4 外部威胁
通榆县风力发电的发展虽然存在很少发展机遇和良好的前景，但与此同时我们也不能忽视了风力发电发展的外部威胁。当我们大力发展风力发电时，一系列的外部威胁就成了我们发展的绊脚石，而这些威胁重要分为一下几个方面：第一，是沟通问题：主要包括与人沟通和企业之间的沟通，由于当地人对占地补偿等问题不满意造成了风力发电企业在与当地人沟通产生问题，以至于当地人们不积极配合风厂工作。此外，风力发电作为新兴的发电产业必然和现有的火电、水电等企业间存在沟通与配合问题，如何最有效的分配多种发电的比例关系成为了发电产业的难题。第二，是电量的供过于求与电量运输问题。由于振兴东北老工业基地的失败，通榆等地区在用电方面相对落后，用电量有限，以至于风力发电厂发的电量远超过真正电量需求，此外送电线路存在瓶颈，电网限电现象严重，导致效率下降。第三，是备件采购困难的问题，风电设备由于型号各异，因此备件的型号很难符合要求，从而替换出现问题。
事物的发展是一个长期持久的过程，为了使得通榆县风力发电产业良好发展，相关人员应发展自身优势，克服自身劣势，把握外部机遇，避免外部威胁，只有遮掩个，才能使得通榆县风力发电产业发展的越来越好。
作者单位
1.吉林财经大学 吉林省长春市 130117
小型风力发电 篇7
小型风力发电系统适用于边远山区、沿海岛屿等地广人稀、交通不便的地区, 因为这些地区大型电网难以到达且风力资源往往比较丰富。因此, 充分利用小型风力发电系统来解决这些地区的无电、缺电问题十分必要。所以, 对小型风力发电系统的最大功率进行研究具有重要意义。
小型风力发电系统的工作原理是利用风轮将风能转变为机械能, 风轮转动带动发电机, 发电机再将机械能转变为电能。常用的小型风力发电机系统一般不直接或无法并入电网, 而是将风力发电机组发出的电能用蓄电池等储能设备储存起来, 需要时可供直流电或者通过逆变器供应交流电。其简要的系统如图1所示。
1 小型风力发电系统最大输出功率调节方式
风速的时变性使对风能的利用存在一定难度。风速的变化使风力机输出机械功率发生变化, 从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降, 使风力发电机的输出电能质量稳定成为风力发电技术中的重要问题[1]。所以输出功率的调节对充分地利用风能资源有着十分重要的意义, 输出功率的调节方式有如下几种。
(1) 定桨距失速调节。此调节方式是利用桨叶本身的特性进行失速调节, 利用大于额定的风速使气流的攻角增大, 进而达到失速条件, 此时, 桨叶表面会产生涡流现象, 使叶片气动效率降低。
(2) 变桨距调节。在静止及启动风速条件下变桨距机构都不发挥作用, 当风速超过额定风速时, 通过调整叶片攻角可达到调节机械效率的目的[2]。
(3) 主动失速调节。鉴于前两种方法各有优缺点, 主动失速调节方法综合前两种方法, 在低风速时采用变距调节, 在风速超过额定状态下采用变桨距调节, 既可以使运行效率得以提高, 又能在风速增大时实现再次失速。
(4) 电功率调节。在系统中加入反馈, 使用快速响应的控制器和优化控制策略来控制发电机输出功率[3]。调节电功率的方法有间接控制负载功率和直接控制负载功率。直接控制负载功率是通过调节发电机的负载, 使输入与输出匹配的方法;间接控制负载功率是当风速变化时, 通过调节发电机的励磁电流来控制发电机电磁力矩, 使叶尖速比保待最佳值, 从而调节输出功率, 实现风能的最大捕获[4]。
2 小型风力发电系统最大功率点跟踪控制方法
2.1 叶尖速比控制方法
叶尖速比控制方法的基本思想是当风速变化时, 通过风力机的特性以及测得的风速计算最佳转速, 并根据计算结果对发电机转速进行实时调整, 使其始终处于最佳转速状态, 从而实现最大功率点跟踪[5]。图2所示为叶尖速比的控制原理框图。
该控制方法的控制原理比较简单, 但是实现起来比较繁琐, 需要实时测量风速、转速, 且由于测量风速过程中需要很多精确传感器, 控制器成本较高, 也给系统维护增加了难度, 因此在工程实际该方法的应用受到限制。
2.2 功率信号反馈方法
在特定风速下, 风力机只有在一个特定机械角-*速度下运行, 才会获得最大的能量转换效率, 因此, 只要按照相应的输出功率, 选择适当的风力机转速, 就能得到一个恒定的叶尖速比。功率信号反馈 (PSF) 控制原理就是在任何风速下, 调节风力机转速, 使其叶尖线速度与风速之比保持不变, 以实现对最大功率点的跟踪[6]。图3即为功率信号反馈算法的控制原理框图。
该方法较叶尖速比控制算法有所改进, 不用进行风速的实时测量, 控制效果较好, 但是这种方法需要精确的输出的功率-风速曲线, 这点很难达到, 而且对于不同的风轮, 这种曲线不具可移植性。所以, 功率信号反馈控制法的应用仍然有一定程度的局限性。
2.3 爬山搜索算法
连续地用较小的扰动方式对作用于转动的风轮, 得到当前风力机的功率大小, 并和上一个周期的风力机功率进行比较, 从而通过改变扰动方向来确定最新的取值[7]。
爬山搜索算法与风力机及发电机的特性无关, 克服了叶尖速比控制方法和功率信号反馈控制方法的缺点, 不需要进行实时风速测量, 而是扰动风车转速控制的指令值, 然后根据风车的功率变化调节扰动方向。若功率增大, 则不改变风车转速的扰动方向;若功率减小, 则将风车转速扰动反向。但是, 该方法要求转速对风速变化具有瞬间响应特性, 对于风力机的惯性滞后的特点, 频繁的转速扰动并不能得到及时的响应。因此, 只适用于小惯性风力发电系统, 对于惯性较大的小型风力机系统控制算法效果不大。
2.4 三点比较法
三点比较法的是指当风速在某一个特定的大小时, 由于风力机输出功率大小与机械角速度大小存在某一种特定的曲线关系[8]。因此, 在关系曲线上取三个在不同机械角速度大小的机械功率值, 然后根据对应的输出功率来调节机械角速度大小, 从而追踪到最大的风能。
三点比较法方法简单, 操作方便, 只需取三个不同机械的角速度下输出功率的点就能够快速准确追踪到最佳功率值;但是由于风速的实变性会给取点带来一定误差, 从而引起误操作, 最终给实际工作带来很大困难。
3 展望
对于小型风力发电系统, 对于最大功率的控制十分重要, 随着科学的进步, 我国在对小型风力发电系统功率研究方面, 已取得很大进步, 但是和国外一些国家相比还有很多不足, 主要体现在以下几个方面。
(1) 小型风电机组最大功率控制技术需要进一步改善。和国外一些发达国家相比, 我国在理论研究方法上较少, 这也影响了小型风力发电机的推广使用。
(2) 小型风电机组对功率的监测诊断技术发展滞后。现阶段, 状态检测技术与故障诊断技术一般只用于大型复杂昂贵机组, 很少用于小型风力发电系统。
() 小型风电产品的性能和可靠性不足, 进而使得输出功率不稳定, 从而影响了风力机及家用电器的使用寿命。
参考文献
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小型风力发电 篇8
关键词：分布式发电系统,风力发电,控制技术
0 引言
长期以来,电力系统向大机组、大电网、高电压的方向发展,进入20世纪80、90年代,各种分散布置的、小容量的发电技术开始引起人们的关注,加上环境、能源的压力,经过20多年的发展,已经成为能源利用的一种有效方式,成为电力系统的重要组成部分,分布式发电系统融入到现有的电力系统是今后分布式发电的发展趋势。
目前我国正处于能源高度消耗的工业化中期,随着经济的发展,工业化和城镇化进程不断加深,人口总量的不断增长,使得能源需求日趋紧张。2011西安世界园艺博览会(西安世园会)是一个向世界展示中国发展可再生能源,充分利用清洁的太阳能和风能,大力发展电动汽车,实现整个城市低碳、绿色运转为目标的绝好展示机会。经国家电网公司批准,陕西省电力公司在西安世园会园区建设风光储微网一体化电动汽车充电站、智能电网体验展示中心和保电中心在内的一系列智能电网展示工程,借助西安世园会的窗口,向世界展示中国在智能电网领域发展的新技术和新成果。
该展示工程是一个包含分布式风力发电、光伏发电、储能、微电网和电动汽车充电站等多种智能电网要素结合的实际运行系统。在园区适当位置建设了一个占地面积为3000 m2的中型电动汽车充电站,利用充电站屋顶建设发电峰值容量为50 kWp的光伏发电系统,沿充电站道路一侧布置安装具有微风启动、轻风发电特点的2 kW小型风机6台,形成安装容量为12 kW的小型风力发电系统,风力和光伏发电系统均接入充电站微电网供电网络。配置30 kW/60 kWh磷酸铁锂储能系统和微电网能量管理系统,分别实现风光发电的并离网平滑过渡和微电网能量的实时平衡调度。利用微电网的实时调度与控制实现整个系统的高效、安全运转,并借助世园会的窗口起到良好的示范作用和宣传效果,同时也为今后微电网系统研究和建设积累运行数据。本文对该系统中分布式风力发电系统的相关设计以及控制机制进行介绍。
2 分布式风力发电系统设计
2.1 概述
风力发电场是指在同一场地上安装几十甚至上百台风力发电机组,并联在一起,通过电子计算机控制共同向电网供电的风能利用方式[1]。风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源,建立风力发电场的地区,都要针对风源、风强、风频、风速的实际情况进行风场测定,做出风力发电场布局,选择合适的风力发电机型。风力发电系统如图1所示[2]。
风轮通过叶片捕获风能,是吸收风能并将其转换成机械能的部件。发电机实现机械能一电能转换。由于异步发电机结构简单、运行可靠,目前风力发电几乎均采用异步发电机。发电机所发出的电能有2种处理方式。可以直接给负载供电或并入电网;也可以通过储能设备进行蓄能,再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节不仅可以将能量储存起来,还兼有稳定电压的优点,这样对负载供电更平稳,对电网的冲击亦可减小。此外,风力发电机组的控制系统是综合性控制系统,不仅要监视电网、风况和机组运行参数,对机组进行并网、脱网控制,以确保运行过程的安全性和可靠性,而且还要根据风速、风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组的运行效率和发电量。
2.2 系统的总体规划和设计
根据整体规划,在充电站相邻处安排总容量为12 kW的风机。两安年平均风速为2.0 m/s,盛行风向为东北风。西安世园会地处地势平坦的郊区,周围无任何遮挡物,并且位于河流旁,因此风速会略高丁西安平均风速。平均风速以3.0 m/s计,3.0～20.0 m/s有效风能利用小时数在2 700 h以上。风速分布如图2所示。
选择6台启动风速为2.5 m/s的2 kW小型风力发电机组,安装位置设置在充电站口的公路旁,具有极佳的景观示范意义。
风机并网发电系统由风力发电机、整流器、刹车装置、风机并网逆变器(WG3K)、计量装置及配电系统等组成,如图3所示。风能通过风力发电机转化为幅值和频率变换的交流电,变换的交流电通过整流器变换为直流电。其再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流,一部分给当地负荷供电,剩余电力馈入电网。
2.3 风机选型及设计
(1)风机采用全永磁交流发电机及机械离心变桨距控制,技术成熟,性能可靠。具有微风启动,轻风发电的特点,选用2 kW风力发电机组。表1列出了风机的运行参数。
(2)风机的特点。
1)桨叶。优选高升阻比翼型,兼顾宽尖速比和降噪进行气动优化设计,经装机运行试验和检测,气动效率高于0.4,噪音低于65db。
2)采用兆瓦级风力机桨叶专用的胶衣树脂和增强玻璃纤维制品制作的桨叶,结构强度高,能保证在高转速下安全运行。
3)发电机。采用强磁材料,优级轴承,F极绝缘IP54防护,按免维护技术设计,保证使用寿命30000 h以上,寿命期内无需解体保养。
4)采用机械离心变桨距机构,风轮不旋转时,桨叶处于易于起动的角度,风速高于3 m/s,风轮即转动;4～9 m/s时风速下,风轮旋转桨叶受离心锤作用,其角度随转速变化,跟踪在利于加速的高升阻比状态,风轮保持高效率平稳运行;当风速继续增大,风轮转速提高,桨叶在离心锤的作用下,向负角度转变,迫使风轮恢复并维持在额定转速附近运行,最高转速不超过370 r/min。
5)采用下风式对风机构,省略了尾舵。
6)所有外露机件均采取了长效防腐蚀表面处理,保证风力机在露天使用不锈蚀。
(3)风机安装于公路边,风机杆塔可采用多棱钢管独立杆塔,特殊防腐,外形美观,牢固,安装方便,占地面积小。
2.4 风机卸荷控制器选型及设计
风机卸荷控制器是为风机及逆变器配套的整流/卸荷/保护多功能控制设备,其基本结构如图4所示。
(1)将风机输出的三相交流电整流为直流供后级逆变器输入。
(2)当风机输出功率过大时,根据外部控制信号(由后级逆变器产生),接入功率连续可调(最大2 kW)的卸荷负载,消耗多余能量,在不停机的情况下保护系统。
(3)当紧急情况发生或维修等其他用户需要的时候,手动闭合刹车开关,风机三相输出短路使得风机停机,保护整个系统。
3 分布式风力发电运行控制技术
在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下,获得较稳定的电压输出,以及如何解决无风时的用电问题[3,4]。既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。
3.1 风电机组的控制目标
(1)风力机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。1)保证可靠运行;2)获取最大能量;3)提供优质电力;4)延长机组寿命。
(2)控制系统应实现的功能[5]。1)运行风速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,保持风力机的额定输出功率;4)减少阵风引起的转矩峰值变化,减小风轮的机械应力和输出功率波动;5)减小功率传动链的暂态响应;6)控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制,如桨距角的调节范围和变桨距速率有一定限制;7)抑制可能引起机械共振的频率;8)调节机组功率控制电网电压、频率稳定。
3.2 风力发电控制系统的设计
3.2.1 工作原理
分布式风力发电系统由风力发电机、风机并网控制器、卸荷电阻箱、并网逆变电源及配电系统组成。风能通过风力发电机转化为幅值和频率变化的交流电,通过控制器整流为直流电,再经并网逆变电源将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电,送入微电网母线。风力发电系统具有卸荷功能以及停车功能。
3.2.2 工作模式
(1)待机模式。风机并网逆变电源准备并网发电,但是还没有并网发电。此模式下其不断检测风力发电机输出是否有足够的能量并网发电,当达到并网发电条件时逆变电源从待机模式转入并网发电模式。输入电压的直流电压低于设定的启动电压,逆变器工作在待机模式。
(2)并网发电模式。逆变器将风力发电机输出的电能变换为交流电并入电网,同时逆变电源一直以最大功率点跟踪方式使风力发电输出的能量最大。
(3)故障模式。当风力发电系统出现故障时,逆变电源会将交流和直流侧的接触器立即断开进入保护程序从而保证系统安全。当故障恢复时,200 s后(直流过电压故障恢复后,20 s)检测系统条件是否满足并网发电,检测条件符合后,开始正常发电,否则保持待机模式。
(4)停止模式。人为控制逆变电源关机,会将交直流侧的接触器与直流源和电网断开。
3.2.3 运行控制
风机并网逆变器的并网发电过程由系统自动完成,无需人工控制。逆变器会检测交流电网是否满足并网发电条件,同时也会检测风力机是否发出足够能量。当直流电压达到启动电压点(可设定,具体值参见表2)时,且电网满足并网条件,逆变器将并网发电。直流电压在启动电压点到额定功率电压点(可设定,具体值参见表2)之间逆变器以最大功率跟踪方式工作。如图5所示,根据所设定的额定功率电压点,逆变器在达到额定功率后的某个点,达到最大功率,此后输出功率不再上升,被限制在最大功率以下。
当风能较弱时,直流电压低于启动电压点的持续时间3 min后,逆变器将进入待机模式,然后不停后重新检测直流电压和电网情况是否满足并网发电条件,一旦满足则重新开始发电。
当发生以下情况时,逆变器与电网断开。
(1)电网阻抗超过1.5Ω。
(2)电网电压超出设定的上下限,具体值参考表2,WG3K在0.2 s内与电网断开。
(3)电网频率超过设定范围,具体值参考表2,WG3K在0.2 s内与电网断开。
4 结语
风能在转换成电能的过程中只降低了气流速度,没有给大气造成任何污染。因此,风力发电对保护环境和生态平衡、改善能源结构具有重要意义。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、电机、电力电子、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。而控制技术则是风力发电的最关键技术之一,是风力发电机组运行的大脑,是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力,提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。由于对风力发电及其控制技术的日益重视,控制技术的研究也取得了较大进展。但相对于国外,我们还存在很大差距,还有一些领域很少涉足。譬如对系统中储能设备的控制只限于简单的监视和自动充电调整,完全没有自动维护功能。蓄电池组的运行和维护水平成为风力发电推广应用的瓶颈。风力发电技术经过几十年的发展,风力机在机组容量、改进功率调节、变速恒频运行和发电机技术等方面获得了重大进展。随着控制技术的发展以及风电技术的不断成熟和完善,必然会给风力发电带来更好的效益。
参考文献
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小型风力发电 篇9
风力发电多位于偏远地区,大都与农村电网(农网)并联,而农网的线径小、半径长、负荷波动大且频繁,因而发生电压跌落的现象比较严重。而电网电压的下降会影响风力发电机的有功输出,使双馈感应风力发电机(DFIG)组定子端电压下降,出现过电流现象。由于定转子间的强耦合关系,在转子侧也会出现过电流、过电压[1]。由于风电系统的网侧变流器受到来自网侧和负载侧两方面扰动的影响,在农网电压发生跌落时,很容易出现直流母线电压不稳定现象,进而影响整个系统的稳定运行[2]。目前,与农网并网的小型风力发电系统一般都采用引入负载扰动(传统的前馈补偿)的双PI闭环控制策略,来降低直流母线电压的不稳定性[3]。该方法的优点是控制比较及时,在一定程度上可以抑制负载扰动对系统直流母线电压的影响,但是忽略了农网电压扰动对系统直流母线电压的影响。本文基于传统前馈补偿方法,介绍了一种引入电网扰动补偿的双PI闭环控制策略,来更好地解决农网电压跌落下直流母线电压波动问题。
1 传统的前馈补偿
前馈补偿是一种根据干扰进行补偿的开环控制,就是按干扰的幅值和变化趋势对操控变量进行补偿,从而来降低干扰对被控量的影响[4]。
由文献[5,6]分析可知,直流母线电压的波动与负载电流的突变有直接的关系。因此,在未引入负载电流前馈时,倘若负载电流发生了变化,那么将直接导致直流母线电压偏离设定值。由于电压调节环的调节速度比较慢,当负载电流突然增大时,变流器还不能完全为负载消耗提供所需要的能量。此时,直流侧的电容将释放所存能量,与变流器一起为负载提供能量。相反,当负载电流突然减小时,变流器提供的能量将超出负载消耗所需要的能量,那么多余的能量就会流向直流侧的电容并对其充电。正因为在动态过程中系统的输入输出不平衡,导致了直流母线电压的波动。根据控制理论,理论上采用引入负载扰动的双PI闭环控制策略可以消除负载电流扰动对系统的影响。
小信号分析:首先,假定DFIG的变流器采用dq同步旋转坐标系的空间矢量算法[7]。忽略功率器件的开断损耗,当系统功率因数为1时,由功率平衡原理和基尔霍夫电流定律,可以得到
其中,i1为整流器输出电流;udc为直流母线电压;Cdc为直流母线电容;i2为整流器输入电流;u,i分别为电网相电压和相电流的有效值;K为比例系数;ir为电流内环参考值。令
将式(2)代入式(1),可得
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忽略高次项,求解该式,可得稳态和暂态等式分别为
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由稳态等式可知,稳态时,母线电压与电网电压无关。由暂态等式可知,暂态时,将负载电流的变化补偿到直流母线电压调节器的输出上[8]。便可得到有负载电流补偿的小信号控制框图,如图1所示。
该图1中的参数如下
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由上述推导可得,直流母线电压与负载电流和电网电压扰动的关系表达式为
Δudc=TrΔir+TuΔu+Z1Δi2
式中
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其中,G=1+ZL(GKGU+GS)。
由上面推导分析可知,直流母线电压波动的幅值受负载扰动Δi2和电网扰动Δu大小的影响。如果我们选择合适的控制方法,使得Tu=0,Z1=0,那么理论上直流母线电压就可以不受负载电流和电网电压扰动的影响。在有传统前馈补偿的控制方法下,如果能使1-GK=1-3KU/Udc=0,即有undefined(若变流器采用SVPWM调制方法,undefined),则直流母线电压就不再受负载扰动影响。但是,如果要保证系统工作在线性调制区内,直流母线电压必须保证undefined,因此Z1=0不可能成立。又因undefined,所以undefined。显然,采用带负载扰动补偿的控制方法只能在一定程度上抑制负载扰动对直流母线电压的影响,而且该方法并没有对电网扰动进行前馈补偿(即Tu≠0)。为此,在此基础上,通过引入电网扰动前馈补偿的方法,来提高系统的动态性能。
2 带电网扰动的前馈补偿
在小型风力发电系统的网侧变流器中,可以通过引入电网扰动补偿项,使电网电压跌落时流入直流母线电容的电流为0,从而保证直流母线电压的稳定。此时电网的输出功率应与直流母线的输出功率相等,即3ui=Udci2。
将式(1)代入上式可得
undefined
为了保持直流母线电压在负载和电网扰动时能够稳定,可选取电网扰动补偿项ie=ir,使电压外环的输出iu=0。
下面对补偿项进行小信号分析,令ie=Ie+Δie,可得到
Ie+Δie=KeUdc(I2+Δi2)/(U+Δu)
IeU+IeΔu+UΔie+ΔieΔu=KeUdcI2+KeUdcΔi2
Ke=1/3K
忽略高次项,可得
undefined
结合传统前馈补偿的方法,由此式可以得到引入电网扰动补偿的控制框图,如图2所示。
由上面推导可得,直流母线电压变化与负载电流和电网电压变化的关系表达式,则
Δudc=TrΔir+T′uΔu+Z′1Δi2
undefined
将图2的参数代入该式可得
T′u=0,Z′1=0,Δudc=TrΔir
由此分析,理论上负载电流和电网电压的扰动不再影响直流母线电压,即直流母线电压在稳态和暂态时都能够保持恒定,进而消除了农网电压发生跌落时直流母线电压的波动问题。根据上述分析可以画出网侧变流器直流母线的控制框图,如图3所示。
3 仿真分析
为了更深入地研究采用本文的控制方法能否在农网电压发生电压跌落时抑制直流母线电压的波动,在风力发电系统仿真软件PSCAD平台上,搭建了小型双馈风力发电系统的仿真模型,以对网侧控制系统进行仿真。
仿真的初始条件是电网电压发生跌落前,小型双馈风力发电系统工作在额定运行状态下,即小型双馈风力发电系统的运行速度为1.2p.u,此时机组额定功率为500kW,额定电压为690V,额定频率为50Hz,风速为13m/s。仿真参数如下:
定子电阻Rs:0.007p.u
定子漏感Ls:0.171p.u
转子电阻Rr: 0.005p.u
极对数:2
转子漏感Lr:0.156p.u
定转子互感Lm:2.9p.u
故障电阻R:0.3～0.8Ω
转动惯量:5.04s
当小型风力发电系统t=1s 时发生三相短路故障,导致定子端电压跌落至0.8p.u,t=1.25s时电网电压恢复正常,系统故障持续时间250ms。在PSCAD仿真软件中我们通过改变短路处的故障电阻R的大小来模拟小型风力发电系统中电网电压的跌落。电压跌落时直流母线电压的仿真波形如图4所示。其中,Edc1表示带电网扰动前馈补偿的直流母线电压波形;Edc2表示传统前馈补偿的直流母线电压波形。
图4仿真结果表明,网侧变流器采用本文介绍的控制方法,虽然未能完全消除直流母线电压的波动,但是将直流母线电压峰值由952V降为885V,直流母线电压的波动幅度得到明显降低。由此可见,本文采用引入电网扰动前馈补偿的控制方法有效地提高了直流母线电压的调节速度,减小了电压震荡的幅值,从而保证了系统的稳定运行。
4 结论
本研究针对农网电压跌落时,小型风力发电系统直流母线电压发生波动的问题,介绍了一种带电网扰动前馈补偿的双闭环PI控制方法。同时,利用电力系统仿真软件PSCAD进行了模拟仿真,验证了该方法能够较好地抑制直流母线电压的波动,提高小型风电系统稳定运行能力。
摘要：在农村电网中,由于农村电网的线径小、半径长、负荷波动大,电网电压跌落时有发生,这种现象导致小型风力发电系统直流母线电压发生波动,影响风电系统的正常运行。为此,在传统前馈补偿研究的基础上,利用小信号分析方法,通过对小型风力发电系统网侧变频器控制策略进行分析,提出了一种带农网扰动补偿的双闭环PI控制策略。通过风电系统仿真软件PSCAD对网侧控制系统搭建仿真模型进行仿真分析。结果表明,该策略不仅可以提高直流母线电压的调节速度,而且可以减小峰值电压的震荡幅值,进而降低直流母线电压的波动,保证风电系统的稳定运行。
关键词：农网,电压跌落,小信号分析,网侧变流器,直流母线电压
参考文献
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小型风力发电 篇10
风力发电技术因其无污染、可再生,在国内外受到广泛的关注。目前,大型风力发电项目技术已经比较成熟,而对于一些可在较大空间范围内灵活使用的户用、船用及其他离网型小型风力发电机,由于其风能利用系数较低,以致发电效率及性价比偏低,从而限制了小型风力发电系统的普及。研究表明,获取最大功率是风电系统在同样的风速下输出更多电能的关键,如果控制小型风力发电系统一直运行在最大功率点,则可有效提高该系统的年发电量。
为了提高小型风电系统的能量转换效率,本文提出一种快速MPPT控制算法,设计、制作了相应的控制器,并以小功率船用风力发电系统为试验对象,搭建了一套配有监控系统的小型离网型风力发电试验系统,验证了该算法的有效性。
1风力机功率输出特性
风力机是一种将风能转换成机械能的能量转换装置,风力机利用风能的能力直接决定了风力发电系统的发电效率。而风能大小与气流密度、通过的面积及气流速度的立方成正比,风力机实际能得到的有用功率输出为［１－２］:
其中:Pｗｔ为风力机获取的风能量,W;ρ为风力机所在环境空气密度,kg/m３;v为外界自然风的速度,m/s;S为风力机叶轮的截面积,m２;CＰ为风力机的实际风能利用系数。
由贝兹定理可知,风能的利用系数CＰ与风力机的叶尖速比有关。叶尖速比λ为风轮叶尖线速度与风速之比［３］,即:
其中:ω 为风力机转速,r/min;R为风力机叶轮的半径,m。Cｐ(λ)与λ的关系如图1所示。对于定桨矩风力机,风能转换效率取决于风力机固有的叶尖速比λ。 由公式(2)可知,当风力机的转速保持在一个最佳值时,若叶尖速比λ达到其最优值λｏｐｔ,此时在该风速下转换效率最高,风力机捕捉的风能功率最大,可输出最大机械功率。不同风速下,通过控制风机使其运转在合适的转速,可实现风力机在最佳叶尖速比λｏｐｔ下运转, 使CＰ在很大的风速变化范围内均能保持最大值,从而实现MPPT的功能,使风能得到最大程度的利用。
2 MPPT控制策略
2.1 MPPT控制原理
小型风力发电系统中,所用风力机多为永磁同步发电机,系统电路原理图如图2所示,主要包括永磁同步发电机、三相不可控整流器、DC-DC直流变换器、负载等。
在风力发电系统中,直流变换器既可起到风力发电机与负载之间的电压匹配作用,也能通过改变直流电压变换器的输入电阻,使发电机处于最大输出电功率状态。通过调节占空比D可改变直流变换器的输入电阻,改变发电机的负载等效电阻,进而改变发电机的负载特性。当占空比增大时,等效阻抗变大,发电机等效负载变大,转速下降;当占空比减小时,等效阻抗变小,发电机负载变小,转速上升。通过直接调整直流变换器的占空比D,可实现与直接调节风力发电机和风力机转速相同的作用。因此可以通过调节直流变换器的占空比来改变发电机的负载特性和输出功率,从而实现MPPT控制策略。
2.2自适应变步长扰动观察法的提出
风力发电机最大功率捕捉的方法有3种［４］:叶尖速比控制、功率信号反馈、功率信号扰动控制。功率信号扰动控制法,因与风轮的空气动力学特性没有关系, 通用性较好且实现较容易,是一种被普遍采用的MPPT控制算法。
传统的功率信号扰动控制法,每隔一定的时间用方向一致的定长步长来改变风力发电系统的输出,并观测风力发电机输出功率的变化,以此改变扰动的方向。该控制算法易于硬件实现,但该方法的跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾。
对风力发电机输出功率的情况进行分析可知,当风力发电机输出功率变化ΔP≥0时,直流变换器占空比的变化ΔD始终与风力发电机转速差Δω 的变化方向相反;当ΔP<0时,ΔD的变化始终与Δω 的变化规律保持一致。因此本文提出一种通过测量风力发电机输出交流电源的频率的变化从而确定风力机的转速差 Δω,由Δω 和ΔP的极性确定功率扰动方向,而由 ΔP的大小确定扰动幅度的一种自适应变步长扰动观察法,实现MPPT控制功能。自适应变步长扰动观察法原理框图如图3所示。
2.3自适应变步长扰动观察法流程图
以小型风力发电系统的输出功率为系统目标函数,取占空比D为控制变量。依据两次采样时刻风力发电机输出功率变化量 ΔP及风力机转速的变化量 Δω 和上一时刻占空比步长Dｋ－１,决定下一时刻占空比步长Dｋ。
其中:Dｋ、Dｋ－１、Dｋ－２分别为k、k-1、k-2时刻的占空比;Pｋ、Pｋ－１分别为k、k-1时刻风力发电机的输出功率;ωｋ、ωｋ－１分别为k、k-1时刻风力机的转速;ε为占空比扰动系数。则k时刻和k-1时刻风力发电机的输出功率的变化量ΔP=Pｋ-Pｋ－１;k和k-1时刻风力机转速的变化量 Δω=ωｋ-ωｋ－１。另规定,当 ΔP≥0时,Sign(Pｋ-Pｋ－１)=1;当 ΔP<0时,Sign(Pｋ- Pｋ－１)=-1;当Δω>0时,Sign(ωｋ-ωｋ－１)=1;当Δω<0时,Sign(ωｋ-ωｋ－１)= -1。 故式(3)中Sign(Pｋ- Pｋ－１)×Sign(ωｋ-ωｋ－１)只能为1或-1。由前面分析可知,当Sign(Pｋ-Pｋ－１)×Sign(ωｋ-ωｋ－１)=1时,风力机的实际工作点在最大功率点左侧;当Sign(Pｋ- Pｋ－１)×Sign(ωｋ-ωｋ－１)=-1时,风力机的实际工作点在最大功率点右侧。ε 用来调节直流变换器的PWM触发脉冲占空比的变化速率,扰动系数ε选得越大,则PWM触发脉冲占空比的变化速率就越快,相应地对最大功率点的跟踪速度就越快,但过大的ε值会引起风力机输出功率的大幅度波动,对系统稳定性不利;而过小的ε 值会造成系统的动态响应性变差。 本文依据ΔP与Pｋ的比值在线动态调整ε 的大小。 根据以上分析,得到的变步长扰动观察法流程如图4所示。其中,ωｋ为当前时刻风力机的转速,Uｋ为风力发电机输出电压,Iｋ为风力发电机输出电流,θ为改变步长的阀值。当ΔP<θ时,占空比D保持不变,若ΔP≥θ 时,在线调整D的大小。
3实验验证
基于上述研究,搭建了一套离网型小型风力发电系统,如图5所示。主要包括风力机、模拟风场(由鼓风机及变频器构成)、蓄电池组、MPPT控制器及监控系统。采用一台额定功率为400 W的三相交流永磁同步发电机,系统主要由MPPT控制器、风力机转速检测模块、电压检测模块、电流检测模块、直流变换器模块等组成。MPPT控制器主控芯片采用MICRO- CHIP公司的PIC16F877。
图6记录了当模拟风场设定的风速在不同阶段时风力发电系统的运行状况。从实验结果可以看出:随着风速的变化,系统响应速度较快,能快速实现跟踪功能;而在风速稳定的情况下,由于占空比的步长较小,振荡较小,且基本上能做到短时间内消除振荡。
4结论
本文采用自适应变步长扰动观察算法对小型风力机最大功率跟踪进行了研究,并验证了此种追踪方法的可行性。实验结果表明,自适应变步长扰动观察法具有良好的动态性能和稳态性能,可有效提高小型发电系统的发电效率。
摘要：提出了一种易于实现的自适应变步长MPPT控制策略,通过实验验证该策略的有效性。试验结果表明,该控制策略可使小型风力发电系统快速、准确、稳定地跟踪到最大功率点,能有效增加小型风力发电机的发电量,提高小型风力机的发电效率。
风力发电市场与技术发展概观 篇11
表1 各种能源发电成本
ㄧ、风力发电介绍
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速齿轮箱将旋转的速度提高，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒3m/s的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。图1即为风力发电示意图。一般大型风力发电机通常采用水平轴型式，它由叶轮、增速齿轮箱、发电机、控制系统及塔架等部件所组成，如图2所示。
图1：风力发电作动示意图
图2：风力发电机基本组成
叶轮的作用是将风能转换为机械能，它由气体流动性能良好的叶片装在轮轴上所组成，低速转动的叶轮通过传动系统，经由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机以产生电能，最后将所产生之电能经由电力转换与变压与电力系统公司并联传输至客户端。风力发电机能量转换过程示意图如图3所示。上述这些组件都安装在机舱内，整个机舱由高大的塔架来支撑。由于风向会经常改变，为了有效地利用风能，必须要有自动迎风的装置，它根据风向感测仪测得的风向信号，由控制器控制Yaw转向机构， 驱动小齿轮再推动塔架上的大齿轮，使整个机舱藉由此自动控制的系统，能够一直对向迎风面。另外亦于叶片上设置Pitch调整机构，因应不同风向与风速，以调整叶片至适当角度。再者，为了使风力发电机不同组件达到成功的发电，风力发电机需要一机电整合之系统控制技术，使得各次系统能联合一起操作，确保于正常条件下运转以获取所需之电力输出需求与安全监控要求。
二、全球风力发电市场成展快速
2006年全球风力发电市场新增装置容量持续的创新高，新增15,016MW，与2005年新增装置容量相比，增长了30%，2001年-2006年全球风力发电新增装置容量年复和增长率为14.04%；2006年全球风力发电累计装置容量达到74,306MW，累计装置容量较2005年的59,399MW，增长25%，2001-2006年全球风力发电市场累计装置容量年复和增长率为24.4%。
图3：风力发电机能量转换过程
资料来源: 台湾工研院机械所(2006/02)
2006年全球风力发电市场大幅的增长，主要来自于美国政府实施PTC(Production Tax Credit)法案，针对风力发电产生电力，提供生产税抵减，驱动了美国风力发电市场的增长，使美国2005与2006连续两年成为全球风力发电最大的新增装置容量市场，2005年新增2,431MW，2006年新增2,454MW。2006年美洲其它国家风力发电装置情形，加拿大新增装置容量776MW，巴西新增装置容量199.6MW，总计2006年美洲地区风力发电新增装置容量为3,515MW，比2005年新增装置容量2,617MW，增长34.14%，2006年美洲风力发电新增装置容量占全球风力发电新增装置容量市场的23.4%，累计装置容量为13,577MW。
图5 2002-2006年全球风力发电累计装置容量
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
欧洲仍是全球风力发电新增装置容量最大之地区，2006年欧洲风力发电新增装置容量7,682MW，占全球新增装置容量的51 %，与2005年新增装置容量6,373MW，增长20.5%，欧洲风力发电新增装置容量的增长主要来自于德国新增装置容量达到2,233MV，超出市场预期，以及欧洲的风力发电新兴市场崛起，如2006年法国与葡萄牙在风力发电市场快速的发展。欧洲是全球风力发电市场发展最为快速的地区，因此累计装置容量高达48,627MW，占全球累计装置容量的65%。
图4 2002年-2006年全球风力发电新增装置容量
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
2006年是亚洲风力发电市场发展最为快速的一年，新增装置容量为3,657.8MW，较2005年新增装置容量2,110.4MW，大幅增长73%，主要是因为中国大陆风力发电市场增长66%，与印度市场增长42%，2006年亚洲风力发电新增装置市场占全球24.35%，累计装置容量为10,598.7MW。
2006年风力发电市场市场趋势，风力发电发展最早的欧洲虽然仍是新增装置容量最大的市场，但新增装置容量的增长已趋缓，主要是欧洲风力发电累计装置容量最大的几个国家除德国仍保持新增装置容量的增长外，西班牙的新增增长率至2005年开始已呈现连续两年负增长，丹麦的风力发电新增装置容量已降至个位数(MW)的幅度增加，未来要带动欧洲风力发电市场的增长，就要看欧洲的风力发电新兴市场的崛起如法国、葡萄牙与英国等以及离岸型风力发电市场的发展；此外中国大陆与印度大幅应用风力发电，带来亚洲风力发电市场快速增长，从中国大陆与印度明确制定风力发电装设目标来看，亚洲仍是未来几年风力发电最为蓬勃发展之市场。
三、全球风力发电市场的预测
根据BTM预测，2007年风力发电市场新增装置容量将达18,800MW，累计装置量达到93,106MW，到2011年全球风力发电市场新增装置容量达到33,500MW，累计装置容量达到203,151MW，2007-2011年全球风力发电市场新增装置容量复合增长率为15.5%，累计装置容量增长率为21.5%。
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
此外，BTM也预测美国未来5年风力发电累计装置容量将超过欧洲德国的累计装置容量；亚洲国家的中国大陆与印度每年风力发电新增装置容量也将超过欧洲任何一个国家的新增装置容量，中国大陆与印度未来几年风力发电市场将有显着的增长；但欧洲未来仍是风力发电新增装置市场最大之区域，尽管德国与西班牙新增装置容量增长趋缓，但取而代之的是葡萄牙、法国与英国等新兴发展的风力发电国家新增装置容量的增长。
四、主要国家发展动向
美国是2006年风力发电新增装置容量最大之国家，第2名与第3名分别为德国与印度，前三大风力发电新增装置市场占全球新增比率的43%。在欧洲法国、葡萄牙与英国则是新兴发展市场，也是欧洲未来发展最为快速的新增装置的国家。亚洲国家的印度新增装置容量则是首次挤进前3大，中国大陆也前进到全球新增装置容量的第5大市场，2005年新增装置容量第10名的澳洲则挤出前10大，加拿大则是新进入前10大的国家。全球风力发电的应用愈来愈广泛，2000年全球四大新增装置容量之市场，占全球新增装置容量的82%，2006年全球10大新增装置容量之市场，占全球新增装置容量的85%，由于风力发电的技术稳定性高，应用风险性小，因此愈来愈多国家采用风力发电做为新兴能源的发电方式之一。以下就2006年全球前10大新增装置容量之市场进行分析。
图6 2007年-2011年全球风力发电新增装置容量
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
图7 2007年-2011年全球风力发电累计装置容量
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
美国
美国PTC(Production Tax Credit)法案延至2008年底结束，PTC(Production Tax Credit)法案带动美国2005年-2006年风力发电新增装置容量大幅增长。美国联邦政府通过再生能源配比(Renewable Portfolio Standard，RPS)，授权各州政府订定适用各州的再生能源配比，PTC与RPS的政策让风力发电在美国市场具有良好之发展，不仅让美国在2005与2006年成为全球第1大新增装置市场，预测2007年-2011年美国风力发电新增装置容量为22,400MW，每年新增装置容量仍为全球第1大市场，2011年累计装置容量达到34,035MW，在2010年-2011年间，累计装置容量将超越德国，成为风力发电应用的第一大市场。
资料来源：BTM(2007/03)；台湾工研院IEK(2007/06)
德国
从2003年开始，德国风力发电市场连续3年衰退，一般预测认为德国风力发电市场将持续衰退，直到离岸型风力发电市场崛起。但2006年德国风力发电市场却呈现增长趋势，新增装置容量2,233MW，与2005年相比增长23%。主要原因在于良好的管理机构运作与再生能源的价格保障制度(Renewable Energy Feed-In Tariffs，Refit)，驱动德国风力发电市场的增长。
德国是全球第一个风力发电累计装置容量超过20,000MW的国家，超过第2大累计装置市场的美国，将近有一倍之多。德国近几年虽然风力发电市场的增长有趋缓，但每年仍以1,500MW的速度增加，2006年德国风力发电已占全国发电量的7%，风力发电在德国发电市场已扮演重要之角色，而且德国在全球风力发电市场仍将是领导之地位。预测2007年-2011年德国风力发电市场新增装置容量将增加9,300MW，2011年累计装置容量达到29,952MW。
印度
由于印度需要电力来支持每年快速增长的经济，印度风力发电市场自2003年开始大幅增长，2006年印度风力发电新增装置容量1,840MW，累计装置容量达到6,228MW，成为全球第4大风力发电累计装置市场，仅次于德国、美国与西班牙，印度风力发电市场为了因应经济增长下对于电力的需求，未来几年印度风力发电市场仍将呈现增长趋势，预测2007年-2011年印度风力发电市场新增装置容量将增加11,800MW，2011年累计装置容量达到18,028MW。
西班牙
2006年西班牙风力发电市场新增装置容量11,600MW，为欧洲第2大新增装置市场、全球第3大新增装置市场，预测2007年-2011年西班牙风力发电市场新增装置容量将增加9,500MW，2011年西班牙风力发电市场将超过20,000MW，累计装置容量达到21,114MW，驱动西班牙风力发电市场增长的主要原因为稳定的电价收购以及良好与广大的风场场址，鼓励风厂开发商投资兴建风场，2006年西班牙风力发电已占全国发电量的8%，西班牙政府已明确制定2010年风力发电发展达20,000MW装置目标，为达到此目标达成，至2010年西班牙仍是全球风力发电市场增长快速的国家之一。
中国大陆
2006年底，中国大陆内地已有16个省、市、自治区建成了91个风电场，新增装置容量为1,334MW，累计装置容量为2,588MW，装置容量前3位的省区分别为内蒙、广东和河北。中国大陆制定2015年再生能源比例须达全国用电比例的10%，因此明确订定风力发电装置目标，2010年装置目标为5,000MW，2015年为10,000MW，2020年将达30,000MW之目标，但以目前风力发电市场发展速度，5,000MW的装置容量目标预估将会在2008年提前完成，由制定的风力发电装置目标来看，至2020年为止，中国大陆风力发电市场均将快速素的发展。
法国
法国是欧洲在风力发电市场新兴崛起的国家，由于风力发电固定收购电价（8.36 EUR cents/KWh）高于其它欧洲国家的收购价格，驱动2006年风力发电市场的增长，2006年法国风力发电市场新增装置容量810MW，较2005年增长79.4%，累计装置容量为1,585MW，法国也制定2010年风力发电装置目标为13,500MW，2015年为17,000MW，虽然装置目标高于市场的增长预测，但也可以看出法国对于风力发电发展之企图心。
加拿大
2006年是加拿大在风力发电市场快速增长的一年，新增装置容量为776MW，较2005年增长224%，累计装置容量为1,459MW，加拿大自2005-2010年实施风力发电租税减免政策（Wind Power Production Incentive，WPPI），驱动风力发电市场的增长，加拿大风能协会(Canadian Wind Energy Association，CanWEA)制定2010年风力发电装置目标达10,000MW，但预测此累计装置容量约为2015年才会达到此目标。
英国
2006年英国风力发电新增装置容量631MW，较2005年增长41%，其中装置容量90MW的Barrow风厂兴建完成，2006年英国风力发电累计装置容量为1,967MW。2010年英国制定再生能源须占全国发电量的10%，预测2007年-2011年英国风力发电市场新增装置容量将增加8,900MW，2011年累计装置容量达到10,867MW。
葡萄牙
2006年葡萄牙风力发电新增装置容量629MW，较2005年增长25%，累计装置容量为1,716MW。2010年葡萄牙制定风力发电装置目标为5,000MW，预测2007年-2011年葡萄牙风力发电市场新增装置容量将增加3,800MW，2011年累计装置容量达到5,516MW。
意大利
2006年意大利风力发电新增装置容量417MW，较2005年衰退7%，但累计装置容量突破2,000MW为2,118MW。意大利制定的2010年风力发电装置容量目标达2,500MW，预估在2007年将可以提前达到，主要原因为具吸引人的电价收购价格与可交易凭证系统(Tradable Certificates)运作良好，预测2007年-2011年意大利风力发电市场新增装置容量将增加4,800MW，2011年累计装置容量达到6,918MW。
五、技术发展概况
陆域型风力机仍是当前全球风力机产品之主流，产品规格朝向大型化风力机方向发展，虽然会面临大型零组件在陆上运输时之挑战，但仍有许多风力机系统厂商致力于大型风力机之发展，如Enercon从早期装置容量4.5MW、叶片112m之大型风力机，提升至6MW装置容量、叶片114m之大型风力机，Vestas已商业化生产3MW之风力机，Siemens则生产3.6MW大型风力机，而Repower则生产5MW之大型风力机。
由表4 2003年-2005年全球风力机产品规格趋势可知，“Small WTGs”<750kW规格之风力机从2003年占整体产品规格的6.9%衰退至2005年的3.6%，呈现每年衰退之趋势，而“Mainstream”750-1,500kW规格之风力机，2003年750-1,500kW规格之风力机占整体产品规格的55.8%，2004年则为50.9%，2005年则为53.2%，750-1,500kW规格之风力机仍为全球风力机产品规格之大宗，而“MW-Class”1,501-2,500kW规格之风力机2003年占有率从36.4%增长至2004年的42.8%，2005年也仍保持四成以上之占有率，“Multi-MW Class”>2,500kW由于Vestas已商业化生产装置容量3MW级之风力机，2005年其占有率增长至2.4%。
由表5 2005年全球风力机产品规格可知，“MW-Class”1,501-2,500kW规格之风力机，2005年装置2,378支，装置容量共4,570MW，平均每单位装置容量为1.922MW，市占率超越1,000-1,500kW的34.1%而为40.8%，“MW-Class”1,501-2,500kW将是未来全球风力机市场之主流规格。
由表6各规格风力机领导厂商排名可知，全球风力机第1大厂Vestas，在“Small WTGs”<750kW、“MW-Class”1,501-2,500kW与“Multi-MW Class”>2,500kW皆居于领导地位，只有在“Mainstream”750-1,500kW规格中，GE WIND占有领先之地位。
由表7可知，装置容量大于1,500kW风力机之厂商，2005年占有率最大之厂商为Vestas，装置容量为2,252MW，占整体大于1,500kW风力机的46.5%，Enercon则紧追在后，装置容量为1,257MW，占整体大于1,500kW风力机的26%，第3名为Siemens，装置容量为493MW，占整体大于1,500kW风力机的10.2%。
六、全球风力机产品技术发展趋势
(一)朝向“Multi-MW Class”技术规格发展
表5为全球风力发电市场中主要商业化MW级风力机技术规格，可以发现 “MW-Class”1,501-2,500kW在商品化产品中扮演主要之地位，占整体商品化产品规格的75%。此外全球风力机技术规格已开始朝向“Multi-MW Class”>2,500kW技术规格发展，其中已商业化之产品为Vestas装置容量3MW、叶片直径为90M、Enercon装置容量4.5MW，叶片直径为112/114M。
下一世代“Multi-MW Class”>2,500kW风力雏型机于2002年开始测试，Prokon Nord其产品装置容量5MW之风力机为第一个离岸型风力发电测试项目，Repower的M5 装置容量5MW之风力机也于北海进行测试，Enercon也将其4.5MW之风力机提升至6MW之装置容量，叶片直径增加至114M。
(二)采主动式旋角控制技术
风力机系统厂商为了减小机组承受的载荷与提高转换效率，各厂商均采用不同于传统怠速的控制方式，而采用主动怠速或是旋角控制的方式，其中旋角控制的方式是将调整叶片螺距与转向动力单元来获取最佳的风动力，因为风的变化强烈，风力机必须拥有叶片调整的能力，甚至短暂的一阵风，都须尽可能使风力机有效的、平稳的生产电力，其主要目的是让风力机在风速度、转子速度和电力的输出之间得到最理想的动力。也就是为了使发电机的速度保持经常不变，透过叶片螺距与转向的调整，以获得有效率的、稳定的电力输出。因此风力发电机的效率主要依靠机舱上轮毂的叶片精确的迎向风的方向，同时和转向动力单元与风力发电机的控制相互配合，使叶片始终处于迎风力态，充分利用风能，也是最新的风力机控制方式，目前已商转之风力机如De Wind、Ecotecnia、Enercon、Fuhrlander、Nordex、REPOWER、Gamesa、GE Wind与Vestas均已使用旋角控制。
(三)发电机布置型式趋势
发电机也为风力机内主要组件之一，传动机构与发电机的搭配型式决定风力发电机布置型式，现代市场主要风力发电机布置可归纳为：(1)传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)；(2)直驱式无齿轮箱型(Gearless)搭配同步发电机；(3)复合型(Hybrid)搭配同步发电机。
(1)传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)
此型布置其叶片吸收风能时叶轮(Rotor)的转速较低(大部份风力发电机在5-20rpm之间)，经由传动机构及齿轮箱将主传动轴(Main Shaft)增速，以提高转速给发电机。如此做法可使发电机定子之极数大幅减少，其尺寸可大幅缩小，其重量及成本也较低。此型布置为现代风力发电机最常见之布置。此型布置最常见发电机为双绕线式(Double Fed)感应发电机。
此型布置风力机之优点为整体重量较轻、生产成本较低、安装及保养容易、重量分布较平均，转向动力传动机构及其轴承承受之不平衡负荷较小，所使用之技术与组件制造皆臻成熟及组件供货商较多。缺点为轴承与齿轮箱(Bearing & Gearbox)等所需保养工作较多，机组所需空间较大，故机舱亦较大。非轴向负荷及扭矩传递途径经过轴承及齿轮箱，较易造成磨损及故障。电网电压不稳定时，易造成齿轮箱过载损坏。齿轮箱损坏是目前此型发电机较大之维修问题所在，也造成此型发电机之维护成本增高。此问题肇因于早期风力机在设计时，负荷有低估的嫌疑。目前齿轮箱制造厂家使用较大之设计负荷及安全系数，此问题已获得改善。
(2)直驱式无齿轮箱型(Gearless)搭配同步发电机
此型布置之风力机特点为其叶轮(Rotor) 不经齿轮箱增速，直接驱动发电机，发电机的转速较低，所需发电机之极数较多，其发电机尺寸相对较大、发电机及机舱重量也较重。
此型布置风力机之优点为无齿轮箱，没有传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)所面临齿轮箱之问题。直驱式之组件数量较少，所需保养工作较少，安装及保养较容易，机组所需空间较少，机舱较短、体积较小。而此型布置风力机之缺点为同步发电机所需极数较多，直径需求较大，其发电机尺寸相对较大，发电机及机舱重量也较重及重量分布较不平均，其转向动力传动机构及其轴承将承受较大不平衡负荷，发电机须为特制，品价格较高及轮壳(Hub)较大，会减少叶片根部作用面积。
(3)复合型(Hybrid) 搭配同步发电机
此型风力发电机布置介于前面二者之间，其传动机构经由一阶增速齿轮箱将主传动轴(main shaft)增速以提高转速给发电机。但因其增速比较小，可减少发电机之极数，其重量及成本也介于两者之间。
小型风力发电 篇12
我国近些年的自动化控制技术水平以及信息技术水平在急剧提升,应用范围正在不断扩大,在风力发电当中的应用算是一种回归,也正是自动化控制技术以及信息技术的发展和推广,为风能的进一步广泛应用与认同提供了更强劲的动力。利用风能源进行发电,具有成本低、动力足与无污染的鲜明优势,风力发电对自动化的要求也凭借着技术的支撑力进一步促进着我国风力发电技术信息化水平的提升。
1.风力发电技术概述
风力发电技术属于新能源应用背景下的重要技术之一。风能就是以风力为主的能源开发,作为一种新型的可再生且绿色无污染的能源,其应用范围于近些年社会经济发展的作用下始终处于不断扩大的进程当中[1]。风力发电作为对风能进行利用的重要手段,虽然技术水平较高,但依然存在着电力储存方面的局限性问题,风力发电对自动化以及风力发电信息系统的应用要求不断增加。当前,能源市场的竞争态势愈演愈烈,市场范围已经拓展到了整个国际,风能凭借着诸多优势性特点逐渐被赋予了高度的重视和广泛的认同。从风能的特点来看,大多存在于陆地和近海区域,资源相对丰富,可供开发的潜力巨大;加之风能作为一种自然现象更是具有取之不尽用之不竭的特点,但凡有气压差值的存在,则将会因空气的流动生成风能,同时还具有无污染的特点[2]。
2.风力发电机对自动化的要求
风能属于随机性较大的一种能源,风能受到季节的影响相对较大,属于自然界不可控制的能源。所以风力发电机组运行过程中,需要实现发电机、电力能源存储以及电力能源输送的自动化控制。建立起风力发电自动化控制系统对于整体的风力发电具有重要意义[3]。
2.1风力发电机的自动化控制
在风力发电系统中,发电机的自动化控制作用无可替代,实为整个发电过程中作用于机械力向电能转化的核心自动控制驱动力量。早些时期的风力发电虽然也需要依赖于自动化的发电机系统,但当时的发电机系统对于电力输出的稳定性却并不高,对于风速的控制经常容易出现失速或者主动失速情况,难以保证输出电荷的自动控制平稳传输,自然也就难以充分满足社会生产与人们日常生活的实际需求,因此在现代化科技发展的今天已经被淘汰。最新的发电机自动控制系统拥有着更先进的技术支撑,恒频变速发电机自动控制系统在电力电子变换器和多级同步电机共同组成的变速变桨距离调节系统直接实现了风力发电机系统优化[4]。2.2电力存储自动化控制
电力存储自动化控制对于风能发电至关重要。风能虽然能够作用于风力发电,但毕竟风能无法被储存,同时风能又具有一定的不稳定性,风力发电的稳定性也就难以被有效保障,电力系统的正常供应便会由此受到影响。因此,风力发电系统的运行尤其是相对偏远的发电站,更需要保证储电池通过自动化控制,能够具有更大的电力储藏量和更稳定的性能。当前,适用于自动化的电能存储主要采用脉宽调制技术、功率MOSFET和IGBT等现代化高科技电子产品,能够直接作用于储电池的自动化控制,使之大幅提升电力存储能力,有利于保证风力发电和电力供应的自动存储稳定性[5]。2.3电力输送自动化控制
风力发电场地的选定通常具有极其严格的限制,一般都远离城镇坐落于偏远地域,因此,如何在风力发电厂将生成的电能高质量传输到用电区域也就成为了一项至关重要的技术要素。当前,用于风力发电的电力传输自动控制模式主要以交流输电为主,但一些问题依然不能回避。时至今日,现代科学技术的发展促成了以HVDC自动控制技术为主的新型输电方式即高压直流输电方式,该自动控制技术的主要优势表现为具有可异步联网、成本低廉、高性价比、结构优越和适应力强等特点,更于近些年在GTO和IGBT等技术的作用下使输电性能得以稳步提升,电力自动控制下的传输效率也由此大幅提高[6]。
3.风力发电信息系统的应用
3.1风力发电信息系统的分析
发电信息系统系统是现场总线型控制系统的简称,其与DCS控制系统的区别在于,其利用了现代智能技术及自动化体系的融合,并配合通信网络组建成全新的地机械电能控制装置。该装置兼具智能化控制、自动化管理等特征,是比DCS技术更加低耗降成本,并具有灵活性和简单操作性的控制系统。而且,从现阶段的实际应用中不难看出,风力发电信息系统系统更符合现代机械电力控制装置应用的需求,其功能扩散范围大,操作具备优势,相较于DCS控制系统拥有更多的优势。
3.2风力发电信息系统的功能
风力发电信息系统的功能主要是对风力发电信息的管理,传统时期的风力发电信息系统一直存在此方面技术的困扰,直到现代信息管理和控制理论的生成,为风力发电新型信息系统控制水平的提升提供了有力地支撑,能够直接作用于复杂风力发电数据和信息的整合,使得风能的信息收集和整理效率不断提升,电能的品质也因此而改善,实现了整体电功率的最大化。
4.结语
综上所述,现代科学技术的迅猛发展,促进了我国风力发电自动化控制的水平的提高,风力发电信息系统的应用技术水平也在不断提升。基于风力能源的发电系统的普及,使自动化技术以及信息技术在其中的应用成为了必然趋势,对于保证发电系统的稳定性和实效性具有积极有效的作用。
摘要：在社会经济迅猛发展的作用下,现代自动化控制技术水平的更新也是日新月异,人们身处信息化发展时代,已经开始越来越地享受着现代自动化控制技术和信息技术为人们生活所创造的诸多便利。与时代发展紧紧相随的是能源形势的越发严峻,为了从容应对生态能源急剧消耗下对社会发展带来的挑战,风力发电技术的探索和开发已被整个国际赋予了高度重视。风能作为新能源的重要组成,具有着可再生特点并且污染低,由此成为了最具潜力和发展前景的最大商业化能源之一。本文以此为出发点,深入分析了风力发电对自动化的要求与风力发电信息系统的应用。
关键词：风力发电,信息系统,自动化
参考文献
[1]刘继承.风力发电对自动化的要求与风力发电信息系统的应用[J].科技与企业,2012,04:69.
[2]温春雪,张利宏.三电平PWM整流器用于直驱风力发电系统[J].高电压技术,2011,01:191-195.
[3]李伯颐,蒋传文.风力发电及其信息自动化管理系统[J].自动化仪表,2012,11:12-15+20.
[4]李伟,涂乐.风力发电中液压技术的应用研究[J].液压与气动,2013,03:1-9.
[5]李辉,薛玉石.并网风力发电机系统的发展综述[J].微特电机,2011,05:55-61.