第一篇：风力发电技术原理
风力发电原理
▲1-3 风能具有哪些特点?
(1)风能蕴藏量大、分布广。(2)风能是可再生能源。(3)风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。(4)风能的能量密度低。(5)不同地区风能差异大。(6)风能具有不稳定性。
▲1- 风力发电技术的发展状况
当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。
(1)水平轴风电机组技术成为主流。(2)风电机组单机容量持续增大。(3)变桨距技术得到普遍应用。(4)变速恒频技术得到快速推广。(5)直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。(6)大型风电机组关键部件的性能日益提高。(7)智能化控制技术广泛应用。(8)叶片技术不断进步。(9)适应恶劣气候环境的风电机组得到重视。(10)低电压穿越技术得到应用。
(11)海上风电技术成为重要发展方向。(12)标准与规范逐步完善。
▲2-8 为什么国际上通行的计算平均的时间间隔都取在10min至2h范围?
由范德豪芬的平均风速功率谱曲线可知，在10min至2h范围的平均风速功率谱低而平坦，平均风速基本上是稳定值，可以忽略湍流的影响。 ▲2-9 什么是风速廓线?
在大气边界层中，由于空气运动受地面植被、建筑物等得影响，风速随距地面的高度增加而发生明显的变化，这种变化规律成为风剪切或风速廓线。 ▲2-11 什么是风向玫瑰图?
风向玫瑰图常用来表示某一风向一年或一个月出现的频率。
▲2-15 风在静止叶片上的空气动力是如何形成的?
由于叶片上方和下方的气流速度不同(上方速度大于下方速度)，因此叶片上、下方所受的压力也不同(下方压力大于上方压力)，总得合力F即为叶片在流动空气所受到的空气动力。
▲2- 风的测量设备?
风向：风向标、光电管、码盘。 风速：皮托管、热线风速仪、风杯、螺旋叶片。
▲2- 风能资源评估及风电场选址
评估参数：平均风速、主要风向分布、风功率密度、年风能可利用小时。宏观选址：(1)风能质量好(2)风向基本稳定(3)风速变化小(4)尽量避开灾难性天气频发地区(5)发电机组高度范围内风速的垂直变化小。(6)地形条件好。(7)地址情况能满足塔架基础、房屋建筑施工的要求，远离强地震带等。(8)对环境的不利影响小。(9)尽可能接近电网并考虑并网可能产生的影响。(10)交通方便。微观选址：(1)考虑地形的影响(2)考虑机组的排列方式。
▲4-7 什么是并网风力发电机变速恒频运行方式?哪些类型的发电机?
在不同风速下，为了实现最大风能捕获，提高风电机组的效率，发电机的转速必须随着风速的变化不断进行调整，处于变速欲行状态，其发出的频率需通过一定的恒频控制技术来满足电网要求。双馈异步交流发电机，永磁低速交流发电机
▲4-8 双馈异步发电机的基本工作原理。
(公式)n2为转自中通入频率为f2的三项对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转自本身的旋转速度(rmin)，改变f2,即可改变n2。设n1为对应于电网频率50Hz时发电机的同步转速，而n为发电机转自本身的旋转速度，只要n+n2=n1，则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率f1不变。由转差率公式s=。。。可得f2=sf1。所以只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。
双馈型异步发电机实行交流励磁，励磁电流的可调量为其幅值、频率和相位。调节频率，可保证发电机转速变化时发出电能频率的稳定;调节幅值，可调节发出的无功功率;改变转子励磁电流的相位，调节了发电机的功率角。在一定工况下，转子也向电网馈送能量。
▲4-9 叙述双馈异步发电机的功率流向。
(1)亚同步状态 当n
▲5-1 风力发电机组的控制系统一般应具有哪些功能?
(1)根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。(2)根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。(3)根据风向自动对风。(4)根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。(5)当发电机脱网时，能确保机组安全停机。(6)在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行实时监测和记录，对出现的异常情况能够自行准确的判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。(7)对在风电场中运行的风力发电机组具有远程通信的功能。(8)具有良好的抗干扰和防雷保护措施，以保证在恶劣的环境里最大限度的保护风电机组的安全可靠运行。
▲5-2 风力发电机组在运行过程中可以分为哪些状态?
待机状态，气动过程，欠功率运行状态，额定功率运行状态，正常停机状态和紧急停机状态。
▲5-3 Cp和叶尖速比的关系。
当叶尖速比逐渐增大时，Cp将先增大后减小。由于风速的变化范围很宽，叶尖速比就可以在很大的范围内变化，因此它只有很小的机会运行在最佳功率点上，即Cp取最大值所对应的工况点Cpmax，而且Cpmax对应唯一的叶尖速比opt，因此任一风速下只对应唯一的一个最佳运行转速。 ▲5-4 各阶段变桨距控制的目标
起动并网阶段：目标是实现风力发电机组的升速和并网最大风能捕获阶段：最大限度的利用风能，提高机组的发电量。恒功率控制阶段：控制机组的功率在额定值附近而不会超过功率极限。超风速切除阶段：使机组安全停机。
▲5-6 如何理解低于额定风速的最大风能捕获和高于额定功率的恒功率控制?
当风速变化且发电机功率没有超过额定功率时，只要调节风轮转速且桨距角保持最优位置不变就可实现最大风能捕获;高于额定功率时，通过增大桨距角来减小发电机的输出功率即可维持在额定功率附近，实现恒功率控制。
▲5-8 变速恒频系统?双馈异步交流发电机如何实现?
将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来，使发电机在变速运转时能发出恒频恒压电能。双馈异步发电机是通过控制变流器来控制转子交流励磁完成的。
▲5-10 双馈和直驱在控制上各有何特点?
(1)双馈式风电系统需要齿轮箱，使机组重量有所增加，在机组的维护中，齿轮箱的故障率高。 直驱式风电机不需要齿轮箱，可以减轻机组的重量和减小故障率;发电机转速低，起动转矩大。(2)双馈式电机为异步发电机。定子绕组直接连接电网，转子绕组接线端由电刷集电环引出，通过变流器连接电网，变流器功率可以双向流动，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组的运行范围宽，转速在额定转速0.6~1.1的范围内都可以获得良好的功率输出。 直驱式电机为同步发电机。定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽。转子为多级永磁体励磁，永磁体的阻抗低，减小了系统损耗，但电机结构复杂，直径较大，运输困难。 (3)用于双馈式电机的变流器，流过转子电路的功率是额定功率一部分的转差功率，因此双向励磁变流器的容量仅为发电机容量的一部分，成本将会大大降低，容量越大优势越明显。 用于直驱式的变流器为全功率变频，容量大，成本高。 (4)双馈式风电系统网端采用定子电压或定子磁链定向的原则，可以实现并网功率的有功无功独立调节，功率因数可调。 直驱式风电系统网端采用网侧电压定向的原则，可以实现并网功率的有功无功解耦控制，功率因数可调。
▲6-1 什么是阻力型风机?什么是升力型风机?
阻力型垂直轴风机发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力;升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。
▲6-2 垂直轴风力机的主要特点是什么?
优点：(1)寿命长，易维护安装。(2)利于环保，气动噪音小。(3)无需偏航对风。(4)叶片制造工艺简单。(5)运行条件宽松。缺点：(1)风能利用率低。(2)起动性能差(3)增速结构复杂。
▲7-1 简述离网风力发电系统的应用范围。
离网风力发电系统通常向大用户供电，或向农户、村落、农牧场供电。在风资源较丰富地区，企业对用电要求不高及离电网较远的农牧民户、村落、牧场用电负荷小，可采用离网风力发电系统。
▲7-2 离网风力发电机主要类型。
直流发电机、异步交流发电机。
▲7-3 简述风光互补系统的特点。
优点：(1)弥补独立锋利发电和太阳能光伏发电系统的不足，提供更加稳定的电能。(2)充分利用空间，事先地面和高空的合理利用。(3)共用一套送变电设备，降低工程造价。(4)同用一套经营管理人员，提高工作效率，降低运行成本。缺点：(1)与单一系统相比，系统设计较复杂，对控制要求较高。(2)由于是两类系统的合成，维护的难度和工作量较高。(3)太阳能和风能在时间上得互补特性随地区不同差异大，有时难以保证完全的连续稳定供电。
第二篇：风力发电的原理
利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公里的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一般热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡，小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统;风力发电机+充电器+数字逆变器，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成，每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13-25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。使风力发电机产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。通常人们认为风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的，目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为，它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量，当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台220W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合作用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元充电瓶液的代价。由于现在技术的进步，均采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电，山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯，高速公路可用它做夜晚的路标灯;山区的孩子可以在日光灯下晚自习;城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源，家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣，在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点，无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务。使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。
另外，大型发电风电场址的确定，一般需要达到两个要求：一是场址的风能资源比较丰富，年平均风速在6米/s以上，年平均有效风功率密度大于200米/m2，年有效风速小时数(3-25m/s)不小于5000小时。二是场地面积需达到一定的规模，以便有足够的场地布置风机。
第三篇：风力发电机控制原理
本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。
关键词：风力涡轮机;双馈异步;永磁同步发电系统
概述：
经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。
在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性：
1，风能利用系数Cp
风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示：
P---风力涡轮实际获得的轴功率
r---空气密度
S---风轮的扫风面积
V---上游风速
根据贝兹(Betz)理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。
n---风轮的转速
w---风轮叫角频率
R---风轮半径
V---上游风速
在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段(若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。)它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。
3，变速发电的控制
变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确(机组惯量大)。
三段控制要求：
低风速段N
中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值N=Nn，而功率尚未达到额定值P
高风速段为功率和转速均被限制区段N=Nn/P=Pn，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制(限制PTARGET值)。
4，双馈异步风力发电控制系统
双馈异步风力发电系统的示意见图4，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限IGBT电压型交-直-交变频器接电网。
转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频(50HZ)的转差功率，送至电网。由图4可知：
P=PS-PR;PR=SPS;P=(1-S)PS
P是送至电网总功率;PS和PR分别是定子和转子功率
转速高于同步速时，转差率S<0，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率;转速低于同步转速食，S>0，转差功率从电网，
经变频器流入转子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。 5，双馈异步控制系统的运行过程
双馈异步控制系统的结构如图5所示：
图5 双馈异步控制系统的结构图
系统的运行分为两个阶段：
同步阶段：在此过程中风机已经开始转动，当其转速大于启动转速后，充电回路先闭合，使变频器直流电容电压升高，当电压大于80%额定值后，转子回路主接触器闭合，并且同时断开充电回路接触器。母线电压不断升高至额定值，这时变频器逆变器开始工作，电机转子中有电流，所以在定子中有电压产生，变频器检测电网电压和电机定子电压，通过调节住转子的电压电流，使这两个电压同步，并且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。 运行阶段：同步切入结束后便进入正常运行阶段，这个时候通过上述的三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号：功率因数和电机力矩。功率因数信号使变频器输入端的输入功率因数始终为1，电机力矩使风力发电系统始终随着风速变化而输出最大的额定功率。主要的控制方式可以通过矢量控制和直接力矩控制都可以实现上述功能，在这里就不多讲了。
双馈系统在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的25%左右选取，投资和损耗小，发电效率高，谐波吸收方便。由于要求双向功率流过变频器，它必须是四象限双PWM变频器，由两套IGBT变换器构成，价格是同容量单象限变频器的一倍。而且只能使用双馈电机，效率较低，而且有滑环和碳刷，维护工作量较大。
6，永磁同步全馈风力发电控制系统
永磁同步全馈风力发电控制系统采用采用永磁同步电动机作为发电机，同步电动机输出的频率和电压随转速变化的交流电，经一台双象限IGBT电压型交-直-交变频器接至恒压、恒频电网，如图6所示：
图6 永磁同步全馈风力发电控制系统
目前，永磁同步全馈风力发电系统的最大功率可至5MW，而且采用低速永磁同步电动机，并且取消了中间的齿轮变速箱，变频器采用双PWM型的中压变频器，主要应用在离岸的风力发电场中。
永磁同步全馈风力发电控制系统的运行和双馈系统基本类似，也通过同步切入过程，和正常运行阶段，控制方式也采用上述的三段式控制。
永磁同步全馈风力发电控制系统发电机发出的全部电功率都通过变频器，变频器容量需按1
00%功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，使用永磁同步发电机，电机轻，取消变速齿轮结构减轻了整机重量，变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿。 7，风力发电系统中的辅助控制系统
这些辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要包括：
桨叶倾角控制系统：
桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现，在转速随风速增加升至额定转速后，通过加大倾角来维持转速不变，目前工程上使用线性PID控制器来进行控制。
偏航控制系统：
偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统一般通过控制电机实现。 风机制动系统：
风叶的制动系统采用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。具有三种刹车方式：正常停机方式;安全停车方式;紧急停车方式。
其他安全保护系统：
其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护(过压，过流...)、雷击保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
结束语：
目前风力发电的主要方向：
陆地风力发电机组采用1.5/2M双馈异步发电机组。
离岸风力发电机组采用4/5M永磁同步全馈发电机组。
建设大型或者超大型的风力电场(有上百台风力机组组成)。
风力机组控制系统具有防电压穿透功能。
风力发电机组在在线发电时可调节功率因数，在不发电时也可以调节功率因数，进行无功补偿，净化电网。
第四篇： 学习《风力发电原理与应用》后的心得体会
在湛蓝天空下，四周安静的时候，给人印象深刻的就是风，它从你的耳畔掠过，从你的指尖流过，胸中浊气涤荡一空，在一呼一吸之间，身心也轻盈起来。在这个空气清新、负氧离子浓密的地方，你可以自由自在地、毫无负担地呼吸。这与清洁能源的大力发展，减少大气污染有很大的关系，这也使得以风能为代表的清洁能源在近年来快速的发展。
现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点，我国也对可再生能源的利用,特别是风能开发利用也给予了高度重视。我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。风能与其他能源相比，有其明显的优点：蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。风能和阳光一样，是取之不尽、用之不竭的再生能源。风力发电没有燃料问题，不会产生辐射或二氧化碳公害，也不会产生辐射或空气污染。而且从经济的角度讲，风力仪器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大、分布面广，甚至比水能还要丰富。合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。
近年来，工程师们尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定，但是比其他动力资源要来得便利，因为，风向自由、清洁、不会产生不良的副作用。而且风可以推陈出新、供应不断。利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力;而且，通过一个学期对《风力发电原理与应用》的学习，使得我对风力发电机组有了一定的了解，按照风轮形式分类：可分为垂直轴风力发电机组和水平轴风力发电机组。按照有无齿轮分类：可分为直驱式风力发电机和双馈式风力发电机。直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本;而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗;机组中采用的双向变频器结构和控制复杂;电刷和滑环间也存在机械磨损。双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
通过一个学期对《风力发电原理与应用》的学习，也是得我对风力发电的优越性有了更加深刻的理解，其优越性可归归结为三点：第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多;第二，不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗;第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。
更为重要的是风电资源的开发对环境来讲，利远大于弊。虽然大量的风能资源处于戈壁滩、大草原和沿海滩涂地区，给开发带来不便，但依靠后方力量的支援一定能够克服。此外，虽然风电建设要占用大面积的土地，旋转的风机叶片可能产生噪音污染等，但在荒凉地区开发风电，对社会和环境影响非常少，不占用基本农田，不存在与民争地的矛盾。因此，在这些地区的大风口建设风电，不仅可以利用荒地清洁生产电力，还可以削弱风速，减少冬春季节的扬沙浮尘天气。
第五篇：风力发电技术综述
摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源， 风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统， 它直接关系到风力发电的性能与效率。它主要对风力发电的发展现状和前景、风电系统的控制技术、风力发电机及其风电系统和风力发电中的关键技术作了简单的介绍。
关键词：风力发电;控制技术;并网技术;低电压穿越
引言
在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。 风能作为一种可再生的清洁能源， 受世界各国的重视程度越来越高， 也越来越多的被应用到风力发电中。除水力发电技术外， 风力发电是新能源发电技术中最成熟、 最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于它可以在改善生态环境、 优化能源结构、 促进社会经济可持续发展等方面有非常突出的作用， 目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。
1. 国内外风力发电的现状和前景
1.1 国外风力发电发展现状
20 世纪80 ～90 年代， 风力发电技术得到了飞速的发展并且逐渐成熟。风力发电凭借它自身的优点， 已经延伸到了电网难以达到的地方，给他们带来了很多方便。据全球风能理事会(GWEC)发布的全球风电市场装机数据显示， 全球风电产业 2011 年新增风电装机容量达四万一千兆瓦。这一新增容量使全球累计风电装机达到二十三万八千兆瓦。这一数据表明全球累计装机实现了两成多的年增长， 新增装机增长达到6%。到目前为止， 全球七十多个国家有商业运营的风电装机， 其中二十二个国家的装机容量超过 1GW。据估计到 2030 年， 欧洲风电装机可达三百亿瓦， 可满足欧洲百分之二十的电力需求。
1.2国内风力发电发展现状
我国风力资源储量丰富，分布广泛。陆上可开发的储量为2.53亿kW，海上可开发的储量为7.5亿kW。“大规模、高集中开发，远距离和高电压输送”是我国风电发展的重要特征。近年来，我国风电发展迅猛，2006～2010 年风电总装机容量从260万kW增长到4 182.7万kW，2010年新增风电装机1 600万kW，累计装机容量和新增装机容量均居世界第一。预计2020年我国风电累计装机可以达到2.3亿kW。这意味着未来十年中，风电总装机容量
平均每年需新增1 800万kW。预计每年需新增机组及其配套变流器约9 000台。
2. 风电系统的控制技术
风力发电系统的运行方式有三种：独立型、并网型和联合型。并网型风力发电系统由风力机控制器、 风力机、 传动装置、 励磁调节器、 发动机、 变频器和变压器等组成。
风力发电机组包括风力机、 发电机、 变速传动装置及相应的控制器等， 用来实现风能与电能的能量转换。风力发电的关键问题是风力机和发电机的功率和速度控制。
风电机组中将风能转换成机械能的能量转换装置是风力机， 它由风轮、 迎风装置和塔架等组成。按结构不同， 风力机可分为水平轴式和立轴式两种;按功率调节方式不同， 风力机可分为定桨距失速、 变桨距和主动失速 3 种。
风电机组中的发电机将机械能转化为电能， 发电机在并入电网时必须输出恒定频率(一般为 50 Hz)的电能。按照发电机转速的不同， 发电机可分为恒速和变速两类， 其中变速需要通过变频器来实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术， 将发电机发出的频率变化交流电转换为与电网频率相同、 能与电网柔性连接的交流电， 并且能实现最大风能跟踪控制。按照拓扑结构的不同， 变频器可分为交-交型、 交-直-交型和矩阵型三种;按照变频器容量的不同可将变频器分为部分容量和全部容量(全额)两种。
变速传动装置可将风轮的低转速转换为发电机的较高转速， 按传动链类型将其分为齿轮箱驱动和直接驱动两种， 其中前者包括单级和多级两种齿轮箱驱动。
3. 风力发电机及其风电系统
实现恒速或变速风力发电系统有许多种方案，所选发电机的类型主要取决于风电系统的形式。
传统的恒速/变速风电系统共有四种：基于SCIG 的恒速风电系统[1]、基于WRIG 的受限变速风电系统[2]、基于ESC- SCIG 的变速风电系统[3]和基于MMG 的变速风电系统[4]。
现代风电系统一般采用变速恒频技术，这种技术通过变流装置或改造发电机结构来实现。现代变速恒频风电系统共有六种：基于SCIG 的风电系统[5]、基于DFIG 的风电系统[6]、基于直驱式EESG 的风电系统[7]、基于直驱式PMSG 的风电系统[8]、基于半直驱PMSG 的风电系统[9]和基于PMBDCG 的风电系统[10]。
近年来， 一些具有商业化潜力的新型风力发电机及其风力发电系统不断涌现。新型变速恒频风电系统主要有以下八种：基于 SRG 的风电系统[11]、基于 BDFIG 的风电系统[12]、基于CPG 的风电系统[13]、基于HVG 的风电系统[14]、基于DWIG 的风电系统[15]、基于
TFPMG 的风电系统[16]、基于DSPMG 的风电系统[17]和基于EVT 的风电系统[18]。
4. 风力发电中的关键技术
4.1并网技术的研究和最大风能的捕获
并网技术是通过对全功率电力变换器的控制算法来实现控制目的。并网控制方面，文献
[19]提出了直流侧并网的新方法。 在直流电容与 DC/AC 之间安装并网开关。并网前并网开关断开，DC/AC 通过限流电阻对电容进行充电， 此时发电机在风力机的带动下转速从 0 上升。 当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关，同步风力发电机并网。 正常情况下，发电机转速从低到高逐渐上升，并在某一转速下并入电网。当由于某种原因， 发电机在高转速下脱网需要重新并网， 由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值， 因此只要将并网开关闭合就可实现并网。
直驱式永磁同步风力发电机经电力电子变换器并入电网以后的控制目标是风速小于额定风速时实现最大风能捕获， 风速超过额定风速时使系统以额定功率输出[20]。
最大风能捕获的目的就是通过适当的控制，使风力机转速随风速变化，始终沿着最佳功率曲线运行，从而使风能转化最大化。 最大风能追踪可以有变桨距调节，也可以通过调节发电机功率来调节转速以保持最佳叶尖速比实现。 出于可行性、经济性和可靠性的考虑，当前使用的主要是通过控制发电机输出功率以调节其电磁功率，进而调节发电机转速。
具体实现时， 在发电机有功和无功功率解耦控制的基础上，根据有功功率给定的提取方法的不同，又有有速度传感器和无速度传感器的控制方法之分。有速度传感器的控制方法是根据风力机最佳功率曲线和风力机转速实时计算发电机输出功率给定。而无速度传感器的控制方法又有扰动法[21,22,23]、参数估计法、查表法和人工在智能法几类。
4.2低电压穿越的研究
电网电压跌落时， 由于受变流器通流能力的限制，网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变，造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定，则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏， 为了保护变流器不被损坏， 风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时，风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。
然而，随着风力发电规模的不断扩大，若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网， 则会增加整个系统的恢复难度，甚至使故障更加严重，最终导致系统其他机组全部解列。 目前在风力发电技术发展领先的一些国家，如丹麦、德国等已相继制定了新的电网运
行准则, 定量给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间)，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网，当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力，能方便地为电网提供无功支持。 因此必须研究低电压穿越的措施， 实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。
文献[24]通过在逆变器交流侧加装无功补偿装置和低通滤波器来应对电网电压不对称跌落对系统所造成的影响， 使逆变器只能感受到电网的正序电压，保持其对称工作状态，从而实现低电压穿越;文献[25-28]通过直流侧加卸荷负载以消除电压跌落时直流侧的功率拥堵， 避免直流侧的过电压和逆变器的过电流，实现低电压穿越。这些方法都要增加专门的元件，降低了系统的可靠性和经济性，使控制变得复杂。
结论
风电作为我国今后大力重点发展的 3 类新能源之一， 在今后将具有广阔的发展和应用前景， 风力发电在摆脱对化石能源的过度依赖、 缓解中国能源紧缺、 改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。本文对风力发电的发展状况，如传统的恒速/变速风电系统、现代变速恒频风电系统和新型变速恒频风电系统进行了简单介绍。随着风电技术的不断变革以及机组制造工艺的持续改进， 将来风力发电的竞争力必定逐渐提升， 其发展前景广阔。
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