文 献 综 述

1. 课题的意义

当今时代，随着科学的发展，风力发电技术对于调整能源结构，减轻环境污染，解决能源危机等方面有着非常重要的意义。近年来，随着风力发电技术及产业的迅速发展，风电已在由传统的火电、核电和水电构成的大规模电力系统中，占有了不可忽视的地位，因此，风力发电系统中风力发电机组的功率转换性能，将直接影响电力系统的电压和频率的调节。为了分析风力发电机组在整个电力系统的运行性能，建立一个比较合理的风力发电机组暂态仿真模型，并仿真分析其各种工作性能，对指导风力发电运行特性有着重要的意义。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2. 53亿kW。随着全球经济的发展、技术进步和环保事业的推进，风能市场也迅速发展起来。世界风能市场每年以40%的速度增长，我国通过特许权等方式也在促进风电建设。”十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展，全国风电装机总容量达到1. 26 GW，居世界第10位，亚洲第3位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。到2010年，拟建成总装机容量4 GW的风电场。相对水电、核电而言，风电更有望成为解决中国能源和电力可持续发展战略最现实的途径之一。

近三年来，我国风力发电以100%速度增长，预计到今年年底风力发电量可增加到30 GW。我国计划到2020年再增加7座风电场，每座风电场至少可发电10 GW，总共增加发电量70 GW。预计到2020年，我国风力发电将达到1 500 GW 。

风力发电及并网技术对于调整能源结构，减轻环境污染，解决能源危机等方面有着非常重要的意义。近年来，随着风力发电技术及产业的迅速发展，风电已在由传统的火电、核电和水电构成的大规模电力系统中，占有了不可忽视的地位，因此，风力发电系统中风力发电机组的功率转换性能，将直接影响电力系统的电压和频率的调节。为了分析风力发电机组在整个电力系统的运行性能，建立一个比较合理的风力发电机组暂态仿真模型，并仿真分析其各种工作性能，对指导风力发电运行特性有着重要的意义。

1.1 风力发电机工作原理

风力发电机的基本工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，将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。其中风能转化装置称为风力机。风力机核心部件为叶轮的设计。随着空气动力学的飞速发展，叶轮设计已经取得了巨大的进步。

一般叶轮设计成翼形，风轮从自然界获得的能量有限，理论上风力机获得最大效率约为0．593，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。而在中部采用较高的升力系数，并增加叶片弦长，以达到中等风速时的最佳风轮性能。这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加。

随着计算机流体设计水平和三维设计在风轮设计中的应用，可以设计出在一定输出功率下的最佳风轮几何形状。

1.2国内外研究发展情况

1.2.1 国内研究现状

　我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一，据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226 GW，其中陆上可开采风能总量为253 GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000 GW。如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。
我国利用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距，风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风电场。截止2007年底，我国风机装机容量已达到6.05 GW，年发电量占全国发电量的0.8%左右，比2000年风电发电量增加了近10倍，我国的风力发电量已跃居世界第5位。

1.3.2 国外研究现状

　风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家，风力发电在电网中占相当比重。20世纪70年代发生了世界性的能源危机，欧美国家政府加大补贴投入，鼓励开展风力发电事业。1973年联邦德国风能资源投入30万美元，到1980年投资就增至6800万美元；美国20世纪80年代初期安装了1700多台风电机组，总装机容量达到3 MW；1979年丹麦能源部决定给风轮机设备厂投入补贴，政府拨款建立小型风轮机试验中心，承担发风轮机许可证任务。到20世纪80年代末，全球共有大型风轮机近2万台，总装机容量2 GW。国际市场风力发电成本不断降低，有些条件较好的风力发电场，机组发电成本仅为8美分/kWh，风场运行维修费为1.5美分/kWh。从当前世界风力发电情况来看，无论从风机容量投资、年发电量、运行费用及运行稳定性等指标衡量，200～500 kW的中型风电机组都具有较大竞争力。
据统计，截止2007年底，世界风力发电装机容量为94112 MW，其中德国装机容量22247 MW，牢牢的占据了其在风力发电领域世界领先地位，美国风机容量16818MW，居世界第二位，我国风力发电装机容量为6050MW，居世界第五位。资料显示，目前全球有20个大风力发电场，其中有13个位于欧洲，其中德国、西班牙成为欧洲最大的风力发电国。截至2007年末，风力发电在整个电力行业中的比例突破0.5%，在欧洲一些风电发达国家，其比例更是接近10%。现在排在世界风力发电市场前几位，领先的是德国、美国、西班牙、丹麦、荷兰等，亚太地区新兴市场是日本和澳大利亚。

2 . 风力发电机组和风力发电机

风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合，一般的风力发机组主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。

风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键设备。由于风能是随机性的。风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节(转速、电压、频率)、停机、故障保护(超速、振动、过负荷等)以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。由于控制十分复杂，现在普遍采用微机控制。下面就系统中各部件作简要描述。

2．1 调向机构

风力机的调向机构是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置机构。以水平轴风力机为例，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，即迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国际上通称偏航系统)。风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机(也有用液压马达)驱动的齿轮传动装置来进行调向，伺服电动机(亦称偏航电动机)则是在风信标给出的信号下转动。伺服电动机可以正反转，因此可以实现两个方向的调向。

2．2 控制系统

100 kW 以上的中型风力发电机组及1 MW 以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PM)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。其主要功能是：(1)按先设定的风速值(一般为3～4 m／s)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。(2)借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态。(3)当风速大于最大运行速度(一般设定为25 m／s)时实现自动停机。(4)当出现恶劣气象(如强风、台风)情况、电网故障(如缺相)、发电机温升过高等情况时，机组将自动停机。(5)进行远程监控。

2．3 发电机

目前已采用的风力发电机有3种，即直流发电机、交流同步发电机和交流异步发电机。并网运行的风力发电机多采用同步发电机和异步发电机。

同步发电机所需励磁功率为额定功率的1％ ；通过调节励磁可以调节电压及无功功率，并向电网提供无功功率，从而改善电网的功率因数。但同步发电机在阵风时因输入功率有强烈的起伏，瞬态稳定性不好，而且同步发电机还需要严格的调速及同步并网装置。

对异步发电机而言，由于结构简单、价格便宜、且不需要严格的并网装置，可以较容易地与电网连接，但其转速可以在一定限度内变化，就能吸收瞬态阵风能量。但异步发电机需借助电网获得励磁，加重了对电网的无功功率的需求。

现代并网风力发电机主要分为恒速恒频和变速恒频两种发电运行方式。(1)恒速恒频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式简单可靠，但是对风能的利用不充分，而且风轮调速机构体积较大，结构复杂，也增加了设备投资。(2)变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可增加l0％ 的风能利用率，以前需增加实现恒频输出的较昂贵的电力电子设备。现在已经开始使用微机控制的双馈电机。在变速恒频风力发电上已有比较成功的应用。

一般双馈发电机安装了同轴的功率绕组和励磁绕组。励磁绕组由变频器供电，负责控制电机的磁场变化，发电机转子直接与风轮连接，发电机的工作转速就是风车的转速n ，假设发电机极对数为P，励磁机极对数为P ，由变频器向励磁机定子绕组提供频率为 的励磁电流，发电机定子绕组输出频率为厂的电功率，在发电机转速变化的情况下，通过改变励磁电流的频率 ，可以使发电机的输出频率，保持不变。

发电机能够实现变速恒频发电，是因为其励磁电流能按风轮转速的变化而变化，保持旋转磁场与功率绕组的相对转速恒定，无论风轮转速如何变化，只要控制励磁绕组的输入频率 ，就可以使发电机输出的电频率厂保持不变，实现电机变速恒频运行。当然实际要求控制精度高，控制计算比较复杂，目前此项控制技术已经成熟，并已经得到广泛应用。

3 . 塔架

塔架 （tower） 近地面受地形、地物的影响，风速锐减，且常出现紊流。风力机在紊流中运行会产生剧烈振动，严重时会导致机组损坏。为获得较高且稳定的风速，利用塔架将风力机主体支撑到距离地面一定的高度。

3 . 1 塔架高度

由于地表的粗糙度影响，产生风的剪切效应，塔架越高，风速越大，风力机获取的风能越多，但是制造成本和安装费用也越高。经济、合理的塔架高度的确定需要从风能量增益和成本费用增加两者统筹考虑，通常取风轮直径的2.5~3倍。

3 . 2 塔架结构形式

塔架结构型式主要有钢管拉索、柱形桁架拉索、塔形桁架、椎管和折叠塔杆五种结构型式。

钢管拉索式塔架 简单、轻便、易于搬运安装、制造和安装施工成本较低。风轮直径偏小的风力机多采用这种塔架。

柱形桁架拉索式塔架 由角铁或钢管等型材焊成，结构剖面呈等边三角形或四边形，塔体上下外轮廓尺寸相同。特点是与相同外轮廓尺寸的钢管拉索式塔架相比，风载荷更小。制造和安装施工成本较低。在安装场地狭小的复杂地形，道路交通运输困难，起重装备不能到达安装现场的地方，可以选择柱形桁架拉索式塔架。

塔形桁架 顶部截面结构尺寸小，根部截面结构尺寸大，可以按等强度减少耗材的原则进行设计，塔架的性价比较高。在松软地质的地面上，采用这种塔架，节省基础用材料，减少基础挖掘深度，降低工程造价。适用于风轮下风向布置的风力机，能有效的降低塔影效应带来的影响。

独立锥管式 外形美观，结构紧凑，便于做整体防蚀处理，投入运行后便于日常维护管理。在交通运输、安装环境条件适宜的情况下，采用锥管塔，适宜机械化吊装，施工效率高，便于控制工程质量。

折叠塔杆 由主杆和支杆组成。支杆高度约为主杆高度的2/5，垂直于地面固定在基础上，在顶端与主杆铰接；主杆以铰接点为支点构成杠杆，可以翘动，也可以与支杆拢紧。安装风力机主体时，主杆顶端降至地面，安装完毕将主杆翘起竖立，主、支杆拢紧固定。风机主体质量500kg、塔架高度15m的风力机，只需2~3人即可安全施工。

3 . 3 塔架载荷

主要来自风力的水平载荷及风力机主体重力、塔架重力的垂直载荷，还有振动导致的动应力载荷。垂直载荷容易确定。确定水平载荷时，以极端风速做为计算条件。极端风速是按当地几十年一遇的大风风速值选取的。风力机使用的外部条件在GB17646-1998中规定了标准和特殊两种风力机等级。标准级的极端风速为40m/s，而特殊级的极端风速由设计者根据使用地点的风况来规定和说明。风力机性能指标参数中的”安全风速”，指停机状态下的风力机在这一风速形成的水平载荷下不会倾倒。通常离网型风力发电机的安全风速取值为40m/s、50m/s和60m/s。

3 . 3 塔架强度

要保证暴风吹袭时风力机不会倾倒，塔架必须要有足够的强度和适宜的刚度。设计计算应符合GB/T13981中的规定，疲劳强度的许用安全系数应大于1.5。

3 . 4 塔架固有频率

要避开正常运行转速范围内风力机的振动频率。为避免产生共振，塔架的固有频率应在”1.1倍风轮一阶频率#8212;#8212;0.9倍风轮三阶频率”这个范围内

3 . 5 塔架材料

拉索式塔架采用拉索和钢管或角钢，桁架式采用角钢，椎管采用钢板。所选材料应符合有关国家标准或行业标准。拉索式塔架的拉索材料都要进行极限载荷和疲劳强度验算，还应采用具有防腐蚀功能的钢丝绳。所有的联接螺栓应进行极限载荷和疲劳载荷的强度验算，应符合GB/T1228~1231的规定。

4. 结语

风力发电具有既能保证能源的有序利用，又能战胜全球气候变化，更有利于全球的环境资源保护的优点。通过对我国风能资源及利用状况的调查，我国的风能开发和利用已经进入一个崭新时期，尤其是小型风机的生产和应用已经相当广泛，效果也非常不错，并且前景非常广阔。我们要充分有效地利用风能这种可再生、无污染、环保节净的自然资源，通过致力于风力发电的技术创新与科研开发，使我国的风力发电得到长足发展，使风电在我国得到更加广泛的应用。我国把握机遇，加快能源结构调整，在积极实现火电、水电、核电、及潮汐能源、生物能源等多种能源发展过程中，实现风能服务于人类的特殊使命。

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