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Windenergyistheformofaconversionofsolarenergyisanimportantnaturalenergy.SuntotheEarth’ssurface，Earth'

ssurfacethroughouttheheatgeneratedtemperaturedifference，thustheformationofwindcausedbyatmosphericconvection.AccordingtotheestimatedsolarenergyreachingtheEarthisonlyabout2%conversionofwindenergy,butitstotalisstillveryconsiderable。

Theglobalwindenergyisabout2。

74×

109MW，whichcanmakeuseofwindenergyforthe2×

107MW,thetotalamountofdevelopmentandutilizationofwaterenergythanonEarth10times。

Windenergyasanon—polluting,renewablegreenenergy，itisofgreatsignificanceinsolvingtheglobalenergyandenvironmentalcrises.Therefore，windpowerhasbecomethefocusofthestudyofscholarsfromvariouscountries。

Atpresent,domesticscholarsonthestudyoflarge—scalewindpowerhasbecomeincreasinglymature，butforthedevelopmentoflaboratorywindturbineisstilllacking。

Thefocusofthisgraduationprojectisintendedtodesignasimpleexperimentinstrumentofwindpower，thedeviceallowsstudentstoeasilyunderstandtheprincipleofwindpower,aswellasroughlyestimatedthatthevariousfactorsaffectingwindpower，tofacilitatefuturephysicsexperimentteaching，whileintheproductionthephenomenonoftheemergenceofsomedeepthinkingandtestingprocess，andhasastrongpracticalandinteresting.Inthedevelopmentoftheprocess,whiletheconversionofwindenergypower，windspeedandotherfactorsthataffectthegeneration，measurement，andcomparedwiththeory,andthencomethefactorsaffectingtheefficiency.

Keywords:

windpowergeneration;

前言

自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。

这就向我们提出了一个课题：

我们如何开发利用风能？

自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。

迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。

由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波,并使功率因素恶化。

因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：

一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；

二，具有单位功率因素或可控的功率因素；

三,使发电机输出电压适应电网电压的变化;

四,向电网输出稳定的功率；

五，发电机磁转距可控。

此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。

特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。

在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。

因此,用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。

第一章风力发电的现状背景和意义

在不断持续的能源紧张中,不少人想到了新能源利用。

利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。

洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源,特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高,是一种较理想的发展能源。

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。

风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。

太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同，产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。

全球的风能约为2。

74×

109MW，其中可利用的风能为2×

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。

一、风力发电的现状

　　21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得,非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值。

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；

夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。

另外,在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。

目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快,无论在发展规模上还是发展水平上,都有很大提高.据资料显示，2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦,项目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权项目.

风电和水电具有不同步发生规律，风力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高峰期处于春季和夏季，风电和水电具有季节性特性，可实现季节性互补；

风力发电是环保型可再生能源，可改善电源结构,替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污染，保护环境.据初步测算,目前风电场造价成本约为8000～9000元/KW，机组（设备）占75％左右，基础设施占20%，其它占5％。

风能利用小时数在2700～3200小时，其风电成本约0。

45～0。

6元/千瓦时。

假设:

风电场造价成本为：

9000元/KW，上网电价（并网收购电价）为：

0.6元/KW（不含税价），运行小时数（风能利用时间）为：

3000小时，上网（并网）损耗为5％，风电场运行费用（年KW收入）10％，：

则年KW发电收入=（运行时数×

上网损耗）×

上网电价×

运行费用，（3000×

5%）×

0。

6元/KW×

10％≈1539元/年（KW）。

二．风力发电的潜力

长期以来，由于风电电价高于火电电价,作为清洁能源的风电对于解决能源短缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。

事实上，风电作为一项高新技术，具有着巨大的产业前景.而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大的作用。

在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的利用问题.

首先,风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降.截止到目前，风电电价正在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现.数据显示,风力发电能力每增加一倍，其成本就下降15%。

纵观近几年，风电增长一直保持在30％以上，因而成本也正随之不断下降。

目前，中国风电成本约在0。

5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。

此外，风电外部成本几乎为零,甚至低于核电成本。

据初步测算,如果将内部成本和外部成本同时计入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。

其次,风电的潜力体现于风能资源的丰富性。

据初步统计、中国陆地10米和海面15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9亿千瓦）的2.5倍。

而50米风力资源还会增大一倍.根据现有技术,地面50－100米的风力资源都可开发利用。

2003年,我国发电装机容量为3.85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发电就能将现有的电力生产翻一番。

此外，风电技术正日臻成熟.随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。

更大型、性能更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。

再者,风电工程的建设工期短，见效快。

火电、水电的建设工期需要用年来计算，而在有风场数据的前提下，风电项目只需要以周、月来计算.风场建设在短时间内即可完成，能够解决我国电力短缺的燃眉之急。

另外,风电的发展对于遏制温室效应具有重大的意义。

据统计,风力发电每生产100万千瓦时的电量,便能减少600吨二氧化碳的排放。

因此，大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况，并能有效地遏制沙尘暴灾害,抑制荒漠化的发展.

除此之外，风电还可以满足边远农村的独立供电。

目前，“大机组、大电网、高电压”的模式难以有效解决西部地区分散性的电力需求.开发风力发电这样的分散供电系统，可以较好地满足这些地区发展对能源的要求,可以说，我国目前没有联上电网的农村是风力发电的巨大市场。

最后，风场也成旅游项目。

风电场还能带动当地经济发展。

内蒙古风电场就是很好的例子。

它虽然不大，但场面很壮观，已发展成为旅游区.

三、发展风电刻不容缓

风电产业要全面健康可持续发展,需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题.

首先，需建立以企业为主体、市场为导向、产学研技术结合的创新体系.对开展试点的企业应对其研发机构，研发人员，研发资金，研发项目，专利申请，产品品牌，能力建设等方面提出具体要求和量化的指标。

第二，正确处理技术引进和技术创新的关系。

采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。

第三，加强风电创新能力建设,建立风电公共技术服务平台，共同对资源进行整合、共享、完善和提高，通过建立共享机制和管理程序逐步做到资源有效利用。

第四，加速风电技术人才培养。

目前已有一些高等院校准备设置风能专业或者风能专业方向，开设风能课程培养本科生和研究生。

除了学校培养人才外，企业也应将人才培养和建立一支高素质的队伍放在战略地位，特别需要建立激励机制和创造良好的环境,使技术队伍能够稳定地成长。

中国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很多的阻碍因素.但是风电行业投资的高风险,必然会为风电行业发展带来高收益，不论是风电产业的经济效益、社会效益，还是中国目前奉行的可持续发展和节约战略,都为风力发电行业提供了很大的发展空间.现在,风能发电成本已经下降到1980年的1/5。

随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争.

第二章风力发电机

一。

风力发电机主要类型

根据风力发电机的运行特征，风力发电机可分为恒速风力发电机（Fixedspeedgenerator）、有限变速风力发电机（Limitedvariablespeedgenerator）和变速风力发电机（Variablespeedgenerator）.

1。

1恒速风力发电机

恒速风力发电机,采用了笼型异步发电机，发电机通过变压器直接接入电网.因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，所以通常称之为恒速风力发电机。

并网运行时，异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场,这恶化了电网的功率因数，易使电网无功容量不足,影响电压的稳定性.为此,一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。

由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高，比较适合风力发电这种特殊场合,在风力发电发展的初期,笼型异步发电机得到了广泛的应用,有效地促进了风电产业的兴起。

随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1%~5％内运行，输入的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区。

因此，在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用，以充分利用中低风速的风能资源。

另外,风速的波动使风力机的气动转矩随之波动,因为发电机转速不变,风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力.而且,由于风力机的速度不能调节，不能从空气中捕获最大风能,效率较低.齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性，影响了系统效率,增加了噪声。

2有限变速风力发电机

有限变速风力发电机,发电机采用绕线式异步发电机。

绕线式异步发电机转子外接可变电阻,其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻,从而调节发电机的转差率,使发电机的转差率可增大至10％,实现有限变速运行,提高输出功率。

同时,采用变桨距调节及转子电流控制，以提高动态性能,维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动.然而，由于外接电阻消耗了大量能量，电机效率降低了.有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统.

3变速风力发电机

1）有刷双馈异步发电机。

由双馈异步发电机（Doublyfedinductiongener2ator，DFIG）构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，如图5所示。

流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分。

一般来说，转差率

为同步速附近30％左右，因此,与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右,这大大降低了变换器的体积和重量。

采用双馈发电方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接.相对于绕线式发电机,双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通。

变换器可以提供无功补偿,平滑并网电流。

正是DFIG具有上述优点,目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式,例如Ves2tas，Gamesa，GE,Nordex等公司都有此类产品。

但其

控制系统也相对复杂，尤其是双向变换器的DFIG励磁控制技术和双向并网发电控制技术，对于DFIG系统而言,是至关重要的难点之一.双馈发电机系统具有的缺点：

存在多级齿轮箱及滑环、电刷,不可避免地带来摩擦损耗,增大了维护量及噪声等;

在电网故障瞬间，骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施，增大了软硬件投入，而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷.

2）电励磁同步发电机。

电励磁同步发电机（Electricallyexcitedsynchro2nousgenerator,EESG）变速恒频直驱风力发电系统如图6所示，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流,发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电，经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网.通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要.在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。

采取直驱方式,发电机运行在低速状态,其电磁转矩相对较大,同时发电机极对数较多，意味着发电机的体积也较大。

但由于省去了齿轮箱，系统的效率和可靠性都得到了提高。

变换器为全功率变换器,在整个调速范围能使并网电流平滑，具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。

该系统主要缺点是系统成本较高,功率变换器损耗较大。

3）永磁同步发电机。

永磁同步发电机（Permanentmagnetsynchronousgenerator,PMSG），它采用的电机是永磁发电机，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；

同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点.在定子侧采用全功率变换器，实现变速恒频控制.系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。

所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低.采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点,因此具有越来越大的吸引力.目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统,如Enercon，WinWind等公司。

该系统的主要缺点是永磁材料价格较高，且在高温下易被去磁，功率变换器容量与发电机容量相同,变换器成本较高.随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生.但是,低速多极发电机重量和体积均大幅增加。

为此,采用折中理念的半直驱布局在大型风力发电系统中得到了应用，与直驱永磁同步发电系统不同是,半直驱永磁同步风力发电系统在风力机和PMSG之间增加了单级齿轮箱,综合了DFIG和直驱PMSG系统的优点.与DGIG系统相比，减小了机械损耗；

与直驱PMSG系统相比,提高了发电机转速，减小了电机体积。

采用全功率变换器，平滑了并网电流，电网故障穿越能力得到提高.

（二）不同风力发电机的综合比较

2。

1年能量利用率和经济性的对比分析

经济成本是制约风力发电技术推广的一个重要因素。

对于风电机组特别是大型发电机组来说,其整个成本包括投资成本和运行成本。

投资成本又分为风电机组成本、选址和安装成本、包括银行信贷在内的融资成本以及项目初期的计划和施工等杂项费用.运行成本也可以分为风电机组运行和维修成本、保险成本、土地成本及项目管理成本.由此可见,风电机组的成本问题涉及很多因素.目前,全球建设风力发电的造价大约为1000美元/kW，我国风力发电的初始投资从1994年的约12000元/kW降低到8000~9000元/kW。

这个费用约为煤电单位造价的2～2.5倍,但是考虑到生物质能发电成本是煤电的2.5~3倍，太阳能发电成本是煤电的11~18倍,以及减少环保投入、降低能源损耗、舒缓运输压力等方面问题，风力发电比其他新型发电方式的优势更多。

当前在风力发电的商业市场上占统治地位的毫无疑问双馈感应发电机和多级增速齿轮概念.但通过以上综合比较可以看出，永磁直驱发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流，并与DFIG风力发电机组竞争.尤其是针对海上风电场来说，体积巨大的直接驱动风力发电机并不会明显增加运输和吊装方面的难度。

基于全功率变换器的变速风力发电系统能够更有效地处理例如低电压穿越等问题,另外,海上风电场对风力发电机组的可靠性和可维护性要求更高,因此直接驱动概念或将首先在海上风电场获得大规模的应用。

2。

2不同类型风力发电机市场应用情况

为了评估风力发电机的发展趋势,对不同类型风力发电机市场应用情况，对商业市场上不同风力发电机制造商进行了有关考察。

给出了来自多个国家和地区的公司生产的2MW以上功率等级的风力发电机，包括Vestas，Gamesa,GEwind，Repower，Nordex等公司。

风力机类型、发电机型式、额定功率和风轮转速等数据都是从有关公司的网站上获得［大部分制造商采用了齿轮箱增速的风力机类型.Vestas，Gamesa，GEwind,Repower，Nordex，Ecotecnia等公司制造的风力机采用了双馈感应发电机及多级增速齿轮箱,因此，根据表4的统计表明，当前在风力发电的商业市场上占统治地位的是双馈感应发电机和多级增速齿轮概念,而最常用的发电机为感应电机，包括双馈感应电机和鼠笼感应电机2种形式.Multibrid和WinWind公司采用了单级齿轮增速的永磁同步发电机，而EnerconZephyros公司生产的直接驱动风力机则分别采用了电励磁同步发电机和永磁同步发电机.

国内发电机的工业基础良好，制造企业较多.国内为大型风力发电机组配套生产发电机的企业主要有永济电机、兰州电机、湘潭电机、株洲时代、上海电机、大连天元、东风电机、南洋电机等。

目前，北车集团永济厂、兰州电机、株洲南车电机、湘潭电机等企业已实现1。

5MW及以下发电机批量生产,包括异步电机、异步双馈电机、永磁电机等.2008年，全国风力发电机产能总计约5400台（6500MW）。

第三章风力发电控制技术

由于自然风速的大小和方向的随机变化，风力发电机组切入电网和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。

风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运行，已