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　　1、风力发电概述在化石能源日趋枯竭的形势下,风能作为一种绿色能源正得到越来越普及的应用。2008年,全球风机新增装机容量达2705.6万千瓦,增速同比超过35%,累计装机容量超过了1.2亿千瓦,同比增长约30%2009年, 全球新增风电装机容量达至创纪录的3800万kW2009年, 中国装机容量新增1375万kW,成为第一大风电装机市场, 预计到2010年全球的风电总装机将达到1.9亿千瓦。在全球扶持风电的政策引导下,到2020年前后,全球风电总装机将达到15亿千瓦据欧洲风电协会的资料,自丹麦1991年建成第一个海上风场到2009年末, 全球在运行及在建的海上风电场超过了300万千瓦, 海上风电场

　　2、几乎都在欧洲。风能主要的利用方式是风力发电,将风流动的机械能转化为电能,然后利用电网传输到利用。风能转化为电能是利用风力发电机,发电机发出的电能经过变流器并到电网,在这能量转化中间存在诸多环节,一下针对每个环节的关键问题以及解决方法进行简要介绍。 风能:风电机将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的,而从机械能到电能则是通过发电机芯来实现的。动能每个具有质量的物体(固体、液体或者气体在运动的时候都拥有一个跟质量m和运动速度v 的平方成正比的能量(也就是动能或者动力能。其数学表达式如下: 对于风电机来说,流经叶片转动平面的空气质量运动所携带的动能,就是被经过

　　3、叶片转化成机械能的那部分动能。能量和功率功率P 等于单位时间内的能量转化。为了计算功率,必须要将上面公式中质量m除以时间,也就是空气的dm/dt (每秒钟流经风电机叶片旋转面积的空气质量计算出来。空气的质量空气的质量用m 表示。计算m 要通过空气密度 和空气的体积V: 空气密度随着空气压力的增大而增大,随着温度的升高而减小: 冷空气比热空气密度大(热气球升空就是利用的这个原理。在普通大气压力和20C 温度的条件下每立方米空气的质量是 1.204 kg ;在-10C 的温度下,每立方米空气重 1.342 kg,比常温下重了11%。也就是说,同样的风速同样的风电机,-10

　　4、C冷风比20 C热风能够多产生11%的电能。单位体积的空气,密度大的比密度小的要重,也含有更多的能量。高压地区(1020hPa的空气密度比低压地区(980hPa的空气密度大,单位体积重量也大。体积上面公式当中的空气体积V等于叶片划过的面积A乘以风速v。面积A正好是一个半径为r的圆,其计算方法是圆周率乘以r的平方。所以: 功率综合上面三个公式,可以得出功率P的计算方法: 其中P 是风电机的功率ro 是空气密度r 是叶片的旋转半径v 是风速一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密度下,温度10C,风速6米/秒(= 21 km/h, 和风的情况下,风电

　　5、机的功率是780KW。在这个风速下,每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车(2.5吨重开90公里/小时的时候,或者一台小轿车(700公斤开170公里/小时的时候的能量。当风速达到18米/秒(= 65 公里/小时,大风的时候,每秒流经风电机的空气大约是130吨。风速增长到3倍,但风的功率却要增长到3的3次方倍,也就是27倍。这个时候风的功率大约是21兆瓦。风力发电机:在国外,风力发电技术的研究与应用始于1890年,相继出现了定桨距失速型机组、全桨叶变距型机组和基于变速恒频技术的变速型机组。基于变速恒频技术的风电机组具有提高低风速下风能利用率、易于实现有功与无功解耦控制、

　　6、降低机组机械强度、无电压闪变问题等显著优点,在兆瓦级以上风电机组中得到了广泛应用。双馈式异步感应发电机组、直驱式永磁同步发电机组是变速恒频风力发电机组的两种典型应用方式,分别代表了两种技术发展方向。双馈式异步感应风力发电机:双馈异步发电机(DFIG在结构为定子、转子均三相对称,转子绕组电流由滑环引入,其在风力发电变流器的原理为发电机的定子通过接触器投入电网,转子通过双向变流器与电网连接。其实质是通过调节转子电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率,使之与风轮输出功率相匹配,使风机运行在最大功率点附近。双馈风力发电系统的优点:转子侧变流器仅需要1/4-1/3的风机额定功率,大大降低了变流器的造

　　7、价;网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小,电磁干扰也大大降低;可方便地实现无功功率控制。双馈风力发电系统的缺点:双馈发电机由于必须使用双绕组以及滑环,发电机成本较高,且无标准化设计方法;调速范围较小,一般只能在额定转速70%-130%内调节;控制电路较复杂;转子侧变流器工作在低频段(通常为0-16.6Hz,由于功率器件一般其有效值在50Hz下标定,工作于低频段时IGBT等功率器件的热应力增加,功率器件必须留有足够的余量;转子绕组承受较高的dV/dt,转子绝缘等级要求较高。基于双馈异步发电机的VSCF(变速恒频系统如图2所示 图2 基于双馈异步发电机的VSCF系统 直驱式永磁同步发电机:直驱永

　　8、磁同步风电机组为无齿轮箱结构,风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,然后通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网,由于省去了增速齿轮箱,系统效率大大提高,噪声也进一步降低。低速永磁同步发电机直接驱动型风力发电系统的优点如下:风力发电机变速范围不受限制,提高了风能利用率;转动部分无需齿轮箱,降低了系统噪音;可采用多电平变换技术,将风能直接馈入高压电网;无需励磁,因此变流器不需要四象限运行。缺点如下:发电机制造难度大,体积、重量大;功率变换器造价昂贵;定子绕组绝缘等级要求较高。虽然直驱低速永磁同步风电机组存在上述缺点,但是综合看来,仍是目前性能最优、可靠性和性价比最高的风力发电方式,因此,正成为

　　9、当前风力发电技术研究的热点。基于永磁同步发电机的VSCF系统如图3所示。 图3 基于永磁同步发电机的VSCF系统 变流器:双馈式异步感应发电机组、直驱式永磁同步发电机组是变速恒频风力发电机组的两种典型应用方式，分别代表了两种技术发展方向。无论何种机组 类型，都需要采用交直交型变流器。变流器可实现能量转换、改善馈入电网 电能的质量、实现有功与无功解耦控制等功能，在电力系统稳定、潮流控制 等方面发挥着重要的作用。但由于变流控制的复杂性以及承受系统低电压穿 越能力等方面的特殊要求，我国风电机组的控制系统和变流系统至今产业化 水平较低，已成为制约我国风电发展的瓶颈。 在国家产业政策的大力推动下，我国在

　　10、风电变流器的研发及制造领域已取得 长足进步。1.5WM 双馈风电机组用变流器已实现批量化生产与应用，2MW 直 驱风电机组用变流器也实现了样机应用。 随着风力发电技术的不断进步，单台风电机组容量越来越大，风电变流器的 功率也随着装机容量的增大而增大。目前，世界上主流风电机组额定容量一般为 1-2.5MW，单台直驱风电机组的最大额定容量已经可以达到 5MW，因此风电变流 器的功率也相应增大到 5MW。由于单个器件功率的限制，更大功率的变流器制造 难度极大。目前主要通过器件串并联技术、多电平变流技术、模块并联技术和多 重化技术 4 种方式来提高变流器容量。 低压穿越技术： 风电成本以及制约因素： 受制于化石能源的枯竭，风场建设正在如火如荼的进行中，特别是中国，在最近今年风电得 到了突飞猛进的发展。 可是风电在当下的具体环境中能不能大规模建设值得商榷， 本人认为， 风电建设中需要大量的钢材，特别是大容量风机，高度达到上百米，直径要非常之大才能支 持上面上百吨的机舱， 而且还要用到很多铜等有色金属及稀有金属， 以及要把这些材料运到 偏远的风场中去，这中间要

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