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0引言 3離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題，日益引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，并尋求積極的對(duì)策。風(fēng)能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲(chǔ)量十分豐富。據(jù)估計(jì)，全球可利用的風(fēng)能總量在53000TWh/年。風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用，將會(huì)有效減少化石能源的使用、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境。大力發(fā)展風(fēng)能已經(jīng)成為各國(guó)政府的重要選擇。
在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，即風(fēng)電頻率保持恒定，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）一般來說比較簡(jiǎn)單，所采用的發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，前者運(yùn)行于電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF），是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并以隨風(fēng)速變化而通過其它的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。
1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
目前，單機(jī)容量為600kW～750kW的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速運(yùn)行方式，這種機(jī)組控制簡(jiǎn)單，可靠性好，大多采用制造簡(jiǎn)單，并網(wǎng)容易，勵(lì)磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異步發(fā)電機(jī)。恒速風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風(fēng)力機(jī)。定槳距失速型風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)輪葉片翼型的氣動(dòng)失速特性來限制葉片吸收過大的風(fēng)能，功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來完成，對(duì)發(fā)電機(jī)的控制要求比較簡(jiǎn)單。這種風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度較大。而變槳距風(fēng)力機(jī)則是通過風(fēng)輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。由于采用的是籠型異步發(fā)電機(jī)，無論是定槳距還是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍很小，轉(zhuǎn)差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
1.1定槳距失速控制
定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是槳葉與輪毅固定連接，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度固定不變。利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風(fēng)速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，效率降低，達(dá)到限制功率的目的。采用這種方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組的整體效率較低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)必須停機(jī)。
1.2變距調(diào)節(jié)方式
在目前應(yīng)用較多的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般情況要維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，這在風(fēng)速處于正常范圍之中時(shí)可以通過電氣控制而保證，而在風(fēng)速過大時(shí)，輸出功率繼續(xù)增大可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時(shí)就要通過調(diào)節(jié)葉片的槳距，改變氣流對(duì)葉片攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。由于變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)安裝。變槳距調(diào)節(jié)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在風(fēng)速超速時(shí)可以逐步變化到無負(fù)載的全翼展模式位置，避免停機(jī)，增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量。對(duì)變槳距調(diào)節(jié)的一個(gè)要求是其對(duì)陣風(fēng)的反應(yīng)靈敏性。
1.3主動(dòng)失速調(diào)節(jié)
主動(dòng)失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，吸取了被動(dòng)失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中槳葉設(shè)計(jì)采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化機(jī)組功率的輸出。系統(tǒng)遭受強(qiáng)風(fēng)達(dá)到額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出。
隨著風(fēng)速的不斷變化，槳葉僅需微調(diào)即可維持失速狀態(tài)。另外，調(diào)節(jié)槳葉還可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是既有失速特性，又可變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減弱了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)控制容易，輸出功率平穩(wěn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對(duì)較小。
1.4主要缺點(diǎn)
恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速而變，從而降低了對(duì)風(fēng)能的利用率；二是當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，巨大的風(fēng)能變化將通過風(fēng)力機(jī)傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力;三是并網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生較大的電流沖擊。
目前的恒速機(jī)組，大部分使用異步發(fā)電機(jī)，在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補(bǔ)償大部分消耗的無功功率）。而現(xiàn)代變速風(fēng)電機(jī)組卻能十分精確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于以上原因，變速風(fēng)電機(jī)組越來越受到風(fēng)電界的重視，特別是在進(jìn)一步發(fā)展的大型機(jī)組中將更為引人注目。
當(dāng)然，決定變速機(jī)組設(shè)計(jì)是否成功的一個(gè)關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設(shè)計(jì)。
2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
利用變速恒頻發(fā)電方式，風(fēng)力機(jī)就可以改恒繹技術(shù)交流速運(yùn)行為變速運(yùn)行，這樣就可能使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，使其保持在一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運(yùn)行獲取更多的能量。尤其是這種變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速區(qū)，大大拓寬了風(fēng)力發(fā)電的地域范圍。即使風(fēng)速躍升時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)能也部分被風(fēng)輪吸收，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免了主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，送入電網(wǎng)，從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻控制方案一般有4種：
�。�1）鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；
�。�2）交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；
�。�3）無刷雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；
�。�4）永磁發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
2.1鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
采用的發(fā)電機(jī)為鼠籠式轉(zhuǎn)子，其變速恒頻控制策略是在定子電路實(shí)現(xiàn)的。由于風(fēng)速是不斷變化的，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是變化的，所以，實(shí)際上鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電是頻率變化的，即為變頻的，通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把變頻的電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能。盡管實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制，具有變速恒頻的一系列優(yōu)點(diǎn)，但由于變頻器在定子側(cè)，變頻器的容量需要與發(fā)電機(jī)的容量相同，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加，尤其對(duì)于大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
2.2雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，所需的雙向變頻器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。
這種采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔�。缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷。
目前已經(jīng)商用的有齒輪箱的變速恒頻系統(tǒng)，大部分采用繞線式異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)和電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。而無刷雙饋電機(jī)定子有兩套級(jí)數(shù)不同繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)和電機(jī)，可靠性高。這此優(yōu)點(diǎn)都使得無刷雙饋電機(jī)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但在目前，這種電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造上仍然存在著一些難題。
2.3直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
近幾年來，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域得到了重視。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用多極發(fā)電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術(shù)方而的優(yōu)點(diǎn)，特別是采用永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)，其可靠性和效率更高，處于當(dāng)今國(guó)際上領(lǐng)先地位，在今后風(fēng)電機(jī)組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。德國(guó)在2003年上半年所安裝的風(fēng)力機(jī)中，就有40.9%采用了無齒輪箱系統(tǒng)。直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)多采用永磁同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制也是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電，因此，變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。
采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減少系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機(jī)體積很大，成本較高，但由于省去了價(jià)格更高的齒輪箱，所以，整個(gè)系統(tǒng)的成本還是降低了。另外，電勵(lì)磁式徑向磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)也可視為一種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇方案，在大功率發(fā)電機(jī)組中，它的直徑大而軸向長(zhǎng)度小。為了能放置勵(lì)磁繞組和極靴，極距必須足夠大，它的輸出交流電頻率通常低于50Hz，必須配備整流逆變器。
直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率高、極距小，況且永磁材料的性價(jià)比正得到不斷提升，應(yīng)用前景十分廣闊。
2.4混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅需要低速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī)而且需要全功率變流器，為了降低電機(jī)設(shè)計(jì)難度，帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到實(shí)際應(yīng)用。這種系統(tǒng)可以看成全直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)解決方案的一個(gè)折中。發(fā)電機(jī)是多極的，和直驅(qū)設(shè)計(jì)本質(zhì)上一樣的，但它更緊湊，相對(duì)來說具有更高的速度和更小的轉(zhuǎn)矩。
2.5其它
開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和無刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)也可以用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。其中，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，可靠性高。無刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于它的勵(lì)磁系統(tǒng)部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機(jī)基本相同。由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對(duì)極的磁勢(shì)均來自一套共同的勵(lì)磁繞組，因此與一般同步發(fā)電機(jī)相比，勵(lì)磁繞組所用的材料較省，所需的勵(lì)磁功率也較小。幾種變速恒頻控制方案的比較分析如表1所列。 
通常，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量較小，均屬小型發(fā)電機(jī)組。可按照發(fā)電容量的大小進(jìn)行分類，其大小從幾百W至幾十kW不等。自上世紀(jì)80年代初開始，中國(guó)的小型風(fēng)力機(jī)制造產(chǎn)業(yè)，在政府的支持下，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)政府的大力扶植，得到了引人矚目的發(fā)展，十幾萬臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，為遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)牧民解決基本的生活用電，尤其是照明和收聽電臺(tái)廣播，作出了不開磨滅的貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在上世紀(jì)80年代初期，國(guó)內(nèi)有近百家小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造企業(yè)。隨著改革開放的不斷深化以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造企業(yè)經(jīng)過內(nèi)部的調(diào)整和外部的整合，根據(jù)中國(guó)農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)小型電源專委會(huì)的統(tǒng)計(jì)，到目前為止，全國(guó)有23家小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，2005年共生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)32433臺(tái)，裝機(jī)容量為12020kW，產(chǎn)值8472萬元，利稅為993萬元。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量從60W到30kW不等。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照發(fā)電類型的不同進(jìn)行分類，可分為直流發(fā)電機(jī)型、交流發(fā)電機(jī)型。較早時(shí)期的小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用小型直流發(fā)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上有永磁式及電勵(lì)磁式兩種類型。永磁式直流發(fā)電機(jī)利用永磁鐵提供發(fā)電及所需的勵(lì)磁磁通；電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)則是借助在勵(lì)磁線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生磁通來提供發(fā)電及所需要的勵(lì)磁磁通。由于勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，又可分為他勵(lì)與并勵(lì)（或自勵(lì)）兩種形式。
隨著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電機(jī)類型逐漸由直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣靼l(fā)電機(jī)。主要包括永磁發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)及電容自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。其中，永磁發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁繞組，不存在勵(lì)磁繞組損耗，效率高于同容量的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子沒有滑環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更安全可靠；電機(jī)重量輕，體積小，工藝簡(jiǎn)便，因此在離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中被廣泛應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)性能差。硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)是通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。
但是由于風(fēng)力的隨機(jī)波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而引起發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場(chǎng)的變化，這樣又會(huì)造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。因此，為抑制這種連鎖的電壓波動(dòng)，穩(wěn)定輸出，保護(hù)用電設(shè)備及蓄電池，該類型的發(fā)電機(jī)需要配備相應(yīng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。電容自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)是根據(jù)異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)供給的勵(lì)磁電流對(duì)異步感應(yīng)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而言是容性電流的特性而設(shè)計(jì)的。即在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，未得到此容性電流，須在發(fā)電機(jī)輸出端并接電容，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)建立電壓。為維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須根據(jù)負(fù)載及風(fēng)速的變化調(diào)整并接電容的數(shù)值。我國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)業(yè)總體是在向好的方向展，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其于太陽能的互補(bǔ)系統(tǒng)在解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電問題上作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。它的功率比同類太陽能系統(tǒng)來得大，能為更多的負(fù)載提供電力，甚至小型生產(chǎn)性負(fù)載，它的價(jià)位更易為廣大農(nóng)牧民所接受，如果政府采用小風(fēng)電或風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)來解決農(nóng)村無電問題，則政府得投入將比相同功率的太陽能系統(tǒng)少得多。但是，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其行業(yè)在發(fā)展中也同樣面臨著困難和挑戰(zhàn)。這些困難和挑戰(zhàn)，既來自產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部，也來自產(chǎn)業(yè)的外部環(huán)境。
4發(fā)展趨勢(shì)
隨著各國(guó)政策的傾斜和科技的不斷進(jìn)步，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，表現(xiàn)出了廣闊的前景。未來數(shù)年世界風(fēng)力發(fā)展的趨勢(shì)可表現(xiàn)為：
4.1風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展
海面的廣闊空間和巨大的風(fēng)能潛力使得風(fēng)機(jī)從陸地移向海面成為一種趨勢(shì)。目前只有少數(shù)國(guó)家建立了海上風(fēng)電場(chǎng)，但預(yù)計(jì)今后幾年，歐洲的海上風(fēng)力發(fā)電將會(huì)大規(guī)模的起飛。
4.2新方案和新技術(shù)將不斷被采用
在功率調(diào)節(jié)方式上，變速恒頻技術(shù)和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)將得到更多的應(yīng)用；在發(fā)電機(jī)類型上，控制靈活的無刷雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的永磁發(fā)電機(jī)將成為風(fēng)力發(fā)電的新寵；在勵(lì)磁電源上，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型變換器不斷出現(xiàn)，變換器性能得到不斷地改善；在控制技術(shù)上，計(jì)算機(jī)分布式控制技術(shù)和新的控制理論將進(jìn)一步得到應(yīng)用；在驅(qū)動(dòng)方式上，免齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)將更加吸引人們的注意。在技術(shù)上，經(jīng)過不斷發(fā)展，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的逐漸形成了水平軸、三葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一形式。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：
�。�1）單機(jī)容量不斷上升國(guó)單機(jī)容量為SMW的風(fēng)機(jī)己經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段；
�。�2）變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式國(guó)采用變槳距調(diào)節(jié)方式避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過額定風(fēng)速發(fā)電功率將下降的缺點(diǎn)；
�。�3）變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式國(guó)變速恒頻方式可通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速追蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率；
�。�4）無齒輪箱系統(tǒng)的直驅(qū)方式增多國(guó)去掉齒輪箱雖然提高了發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成本，但有效地提高了發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。
4.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將更加個(gè)性化
適合特定市場(chǎng)和風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)將被更多地推出，目前，德國(guó)的Repower公司己經(jīng)推出了這方面的產(chǎn)品。
4.4從事風(fēng)力發(fā)電的隊(duì)伍將近一步增大
隨著對(duì)風(fēng)力發(fā)電誘人前景的深入認(rèn)識(shí)和更多優(yōu)惠政策的出臺(tái)，更多的新成員將加入風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。
5結(jié)語
變槳距風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速較定槳距風(fēng)力機(jī)低，停機(jī)時(shí)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)主要采用功率控制，對(duì)功率調(diào)節(jié)的速度取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，大型風(fēng)力機(jī)的單個(gè)葉片己重達(dá)數(shù)噸，操縱如此巨大的慣性體，并且響應(yīng)速度要能跟得上風(fēng)速變化是相當(dāng)困難的。事實(shí)上，如果沒有其他措施的話，只是通過變槳距來調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率對(duì)高頻風(fēng)速的變化仍然是無能為力的。因此，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對(duì)槳葉進(jìn)行節(jié)距進(jìn)行控制外，還須通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來調(diào)節(jié)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使之在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比達(dá)到最佳，以捕獲最大的風(fēng)能。這就是近年來所發(fā)展的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。
比較來看，定槳距失速控制風(fēng)_t嚙[Z險(xiǎn)C納力機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)，利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。但失速型葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長(zhǎng)，所承受的氣動(dòng)推力增大，葉片的失速動(dòng)態(tài)特性不易控制，使制造更大機(jī)組受到限制。變槳距型風(fēng)力機(jī)能使葉片的節(jié)距角隨風(fēng)速而變化，從而使風(fēng)力機(jī)在各種工況下（起動(dòng)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)、停機(jī)）按最佳參數(shù)運(yùn)行�？墒拱l(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以下的工作區(qū)段有較大的功率輸出，而在額定風(fēng)速以上的高風(fēng)速區(qū)段不超載，無需過大容量的發(fā)電機(jī)等。當(dāng)然，它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在這兩種功率調(diào)節(jié)方案都在大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。
目前中國(guó)風(fēng)電發(fā)展面臨兩個(gè)突出的問題，一是風(fēng)電發(fā)展規(guī)模迅速擴(kuò)大，形成巨大的市場(chǎng)空間；二是國(guó)產(chǎn)機(jī)組缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)口機(jī)組以壓倒的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的主要份額。因此，大型風(fēng)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化是推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電持續(xù)發(fā)展的根本途徑。
作者簡(jiǎn)介
李建林（1976～），男，中國(guó)科學(xué)院電工研究所博士后，研究方向?yàn)樽兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。
責(zé)任編輯：小柯
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