风力发电系统中储能技术的研究
风力发电系统中储能技术的研究
摘要：本文主要从以下几个方面探讨风力发电系统中储能技术：一是风力发电储能技术概述，对风力发电储能技术的特点、作用和效果进行了分析；二是风力发电储能技术的应用，说明了储能设备的接入方法，并对主要的储能技术进行了分析，分别对集中式储能技术和分布式储能技术进行了详细的阐述，并说明了其应用方法。
关键词：风力发电系统；储能技术；分析研究
现阶段，随着资源短缺的现象日趋严重，新能源逐渐引起了人们的重视，作为新能源开发的重要方向之一，很多国家都开始了对于风力发电系统的探索与研究。由于风力具有随机性的特征，风力的来源不是很稳定，这也预示着如果单纯使用风力发电会使整个电力系统的稳定性大大降低。在风力发电系统中，充分利用储能的方法和技术，可以有效解决风能资源不稳定的问题，从而使风力发电系统更加的平稳，为人们提供更稳定、可靠的电力来源。笔者主要通过对现阶段风力发电系统中储能技术的研究，总结了当前风力发电系统中的储能方法和技术要求，希望能够通过这些方法增强风电系统的稳定性，更好地开发风能资源这一新型的能源。
1风力发电储能技术概述
随着科学技术的日新月异，人们利用风能资源的水平也在不断地提高，很多储能的技术方法在实践中得到了推广。对于电力系统来说，
家用小型风力发电系统的初步设计
2015年度本科生毕业论文（设计） 家用小型风力发电系统的初步设计 院－系：工学院 专业：电气工程与其自动化 年级：2011级 学生姓名： 学号： 导师与职称： 2015年6月
2015 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate The preliminary design of small household wind power generation system Department:Electrical Engineering and Automation Major:Institute of Technology Grade:2011 Student’s Name:Xu Yun Dong Student No.:2 Tutor:The lecturer Hua Jing Finished by June, 2015
摘要 风能作为一种清洁的可再生能源正逐渐受到了人们的重视，风力发电也成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换与继电控制电路做了初步的研究。 本论文首先介绍了课题的目的和意义，综述了国内外风力发电的发展概况，简要概括了风力发电相关技术的发展状况，论述了常见小型风力发电系统的基本组成和各部分的作用，同时对本论文的系统方案做了简要的概括，着重分析了整流电路与Buck降压电路的配合，蓄电池充放电继电保护以与电能输出的有效性等。还引入了市电切换电路，作为在发电机故障或蓄电池电量不足的情况下为负载供电。为了使能量的利用达到最大化，本系统还引入了并网电路。所以本论文设计的小型风力发电机组不但适合偏远的地区，也适合市区家庭使用。 本文提出的解决方案为：风力传动装置带动三相永磁交流发电机，然后通过AC—DC—DC—AC变换为交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组和稳压器，通过继电控制电路的监控以实现系统的自动控制，同时并入市电投切，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继电控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析。 关键词：小型风力发电机组；整流：逆变；继电控制：蓄电池
小型风力发电机的构造原理
小型风力发电机介绍 一，小型风力发电机的使用条件 小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3m／s以上，全年3-20m／s有效风速累计时数3000h以上；全年3-20m／s平均有效风能密度lOOW／m2以上。在选择使用风力发电机时，要做到心中有数，避免盲目性，这样才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。 应该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明，风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。例如，在当地最佳设计风速为6m／s的地区，安装一台额定设计风速为8m／s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42％，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、电机相对要增大，整机造价相应也就加大．从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。 二，小型风力发电执使用的一般要求 目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，家用电器的用电都由蓄电池提供。所以，用电时总的原则是，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说，蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题：某地区使用了一台风力发电机，额定风速输出功率为IOOW,假设，该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h，则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%，则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有： (1)15W灯泡两只，使用4h，耗能为120Wh； (Z)35W电视机一台，使用3h，耗能为105Wh； (3)15W收录机一台，使用4h，耗能为60Wh。 以上总耗能为285Wh。 这样，用电器日总耗能比风力发电机所能提供的能量超出了5Wh，也就是出现了所谓的“入不付出”用电；这种入不付出的用电，将会使蓄电池处在亏电的状态下工作。如果经常长时间地这么用电，将会使蓄电池严重亏电而损坏，缩短其使用寿命。 上例，是假定风力发电机在额定风速状击下的用电情况，而实际上，由于风的多变性，间歇性，风既有大小的不同(风速)又有吹刮时间长短的不同(风频)。所以，在使用用电器时要做到风况好时可适当多用电，风况差时少用电。这就需要用户在使用时认真总结经验。 另外，有条件的地区和用户可备一台千瓦级的柴油发电机组，当风况差的时候给蓄电池补充充电，做到蓄电池不间断地供电。 三，小型风力发电机的合理配套
风力发电机及风力发电控制技术综述 姜礼龙
风力发电机及风力发电控制技术综述姜礼龙 发表时间：2019-06-11T17:39:57.053Z 来源：《电力设备》2019年第1期作者：姜礼龙 [导读] 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。 （我是国华（科左中旗）风电有限公司内蒙古通辽 028000） 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。由于风能的能量密度低，具有不稳定性和随机性，控制技术是大型风力发电机组安全高效运行的关键。本文就风力发电的现状及风力发电机工作原理进行分析，着重探讨风力发电控制技术，提升风力发电经济效益。 关键词：风力发电；控制技术 随着我国经济发展有中低端迈向中高端的转型升级发展，更加各种清洁能源在经济社会发展中的作用、环保价值与开发前景。作为清洁可再生能源，风能的应用正在我国逐步推进。但是我国风能研究理论与应用技术落后于欧美国家。 1 风力发电的现状及原理 1.风力发电在能源开发企业中属于重点开发的项目。历经多年的发展，风力发电获得了较好的成绩。现阶段风力发电技术发展的现状较为良好。风力发电技术的单机容量近年一直在增加，能满足更多场合的发电需求。同时，风力发电技术需要投入较高的成本，日常运营过程中风力发电的运营费用却较少。另外，随 着能源公司规模的不断发展与扩大，整个发电行业中风能发电的占有比例也随之增大。从技术发展的层面进行分析我们不难发现，我国现有的市场经济环境中，风电企业从最开始的单存引进阶段到将国外的技术经过革新本土化后应用，最后到自主创新的阶段，当前已经有了基本的技术积累。尤其是兆瓦级机组在国内市场中的普及，更是标志着我国自主研发能力，已经进入了全新的阶段。 2.风力发电机的工作原理。风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。风力发电的原理，是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。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因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。机械连接与功率传递：水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。 2 风力发电控制技术 1.定桨距失速风力发电技术。定桨距风力发电机迈入风力发电市场是在20世纪80年代中期，其研制成功解决了发电机组的并网问题，运行安全可靠定桨距风力发电机主要是软并网技术、空气动力刹车技术、偏行与自动解缆技术三种技术的结合。定桨距风力发电机组的特点是桨叶与轮毅固定连接，在风速发生变化时，桨叶的迎风角度不发生变化结合桨叶翼型本身的失速特性，在风速高于额定值时，气流的功角就会达到失速状态，可使桨叶的表面的表面产生紊流，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠，但是为了达到限制功率的目的，导致叶片重，结构复杂，机组的整体效率较低，所以说当风速达到某一限度时必须要停比使用。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，其起到重大作用的是叶片独特的翼型结构，在遇到强风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能量捕获，产生失速失速是一个较为复杂的过程，在风速不稳定时，很难得出失速的效果，因此很少用来控制MW级以上的大型风力发电机。 2.变桨距风力发电技术。从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转知，以保持稳定的输出功率采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，在阵风时，塔筒、叶片、基础受到的冲击较失速调节型风力发电机要小，可减少材料使用率，降低整机重量它能自动调节叶片桨距角度，适应不同风况下功率的调节，特别是使得在接近额定风速附近得功率曲线充实，增加风力发电机的年发电量但其也有一定的缺点，即其需要一套复杂的变桨距机构，变桨距机构的设计要求对阵风的响应速度足够快，以减小由于风的波动引起的功率脉动同时，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，其成本也较高。 3.主动失速、混合失速发电技术。主动失速。混合失速发电技术是上述两种技术的组合低风速时采用变桨距调节可提高气动效率，使桨距角向减小的方向转过一个角度，增大相应的攻角，加深叶片的失速效应，从而限制风能的捕获这种方变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小风力发电机组在超过额定风速（一般为14-16m/s）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风力机的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受负荷和整个风力机收到的冲击，从而有效避免风力机受到损害这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，使功率输出更加平滑。 4.变速风力发电技术。风力发电机组分恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术是改变了风力机的恒速运动规律，可以根据风速的变化调整运行，保持恒频发电，当风速小时争取获得更大的风能，风速过大时调整储存转化能量，比恒速风力发电机组的实用范围更广泛。变速风力发电技术可以根据风速的变化保证恒定的最佳叶尖速比，低风速时尽量获取多的风能，以保证平稳输出；高风速时及时调整风轮转速储存能量，避免功率过大当风速变大风能变强时风轮可以吸收储存部分的风能，提高了传动系统的柔性，减轻了主轴承受的应力及扭知通过电力电子装置的作用，变速风力的风能转化为可以输入电网的电能，使风力机组安全平稳的运行，能量传输机构系统也平稳运行。 3 技术发展趋势展望 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展： 1.风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。
浅谈风力发电技术的现状及发展前景
浅谈风力发电技术的现状及发展前景 摘要：主要介绍了风力发电机的主要组成、种类、我国风力资源的分布情况、发展前景、风力发电的优越性，以及我国风力发电亟待解决的问题。 关键词：风力发电；资源分布；风机的分类；发展前景 风能是一种可再生的清洁能源，近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 1 风力发电机的主要组成 1.1 小型风力发电机 小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。 （1）风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。 （2）发电机 在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。 （3）塔架 塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。 （4）调向机构 垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。 （5）限速机构 当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。 （6）贮能装置 贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。 （7）逆变器 用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。 1.2 大型风力发电机组 大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。 2 风力发电机的种类
1.1.4 小型风力发电系统的技术特点[共13页]
第1章 离网风力发电系统的技术特点和运行条件 15 取决于它的设计是配合强风地带（配较大型发电机），还是配合弱风地带（配较小型发电机）。 发电机的额定输出功率是指发电机在额定转速下输出的功率。由于风速不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化。当实际风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。当然，由于风力发电机的限速和调速装置及发电机本身设计参数的限制，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内变动。 在风速很低的时候，风力机的风轮会保持不动。当到达切入风速时（通常为3～4m/s ），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随着风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风力发电机会输出额定功率。之后输出功率会保持大致不变。当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风力机会制动，不再输出功率，以免损坏。 风力发电机的性能可以用功率曲线来描述，如图1-4所示。功率曲线显示了在不同风速下（切入风速到切出风速）风力发电机的输出功率。为特定地点选取合适的风力发电机，一般方法是采用风力发电机的功率曲线和该地点的风力资料进行发电量估算。 图1-4 风力发电机功率曲线 3．风力发电机组的保护功能 风力发电机组应具备的保护功能或装置有：偏航、反向电磁制动、折翼保护、泄荷器。风力发电机的运行及保护需要一个全自动控制系统，它必须能控制自动启动、叶片桨矩的调节（在变桨矩风力发电机上）及在正常和非正常情况下停机。除了控制功能，还应具有监控功能，以提供运行状态、风速、风向等信息。该系统是以计算机为基础，除了小的风力发电机外，其控制及监测还可以远程进行。控制系统具有的主要功能如下。 ① 顺序控制启动、停机以及报警和运行信号的监测。 ② 偏航系统的低速闭环控制。 ③ 桨矩装置（如果是变桨矩风力发电机）快速闭环控制。 ④ 与风电场控制器或远程计算机的数据通信。 风力发电机的控制系统应能在恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，使其在稳定的电压和频率下运行，并监视齿轮箱和发电机的运行温度、液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。 1.1.4 小型风力发电系统的技术特点 一般把发电功率在10kW 级及以下的风力发电机称作小型风力发电机。小型风力发电机
风力发电机及风力发电控制技术研究
风力发电机及风力发电控制技术研究 摘要：基于对风力发电机及风力发电控制技术的研究，首先，阐述风力发电机 基本内容。然后，分析风力发电控制技术具有减少环境污染、减少能源消耗等重 要作用。最后，对风力发电控制技术进行分析，包括传统控制技术、智能控制技 术等。 关键词：风力；发电机；风力发电控制技术 社会的快速发展带来的是，环境污染、能源消耗、资源浪费等一系列问题。此类 问题的出现，对人们生活质量与生活水平的提升会产生很大影响。实现人类与环 境的和谐发展与共同进步，我国针对环境污问题、能源资源浪费问题，出台各种 政策条例，将发展清洁能源作为重点与关键。因此，风能以及风力发电受到更多 人的重视与关注，无论是风力发电机，还是风力发电控制技术，都得到进步与完善。所以，本文将针对风力发电机及风力发电控制技术相应内容进行阐述。 1、风力发电机基本概述 风力发电在缓解能源危机中发挥着不可替代的作用，因为风力发电具备可再生、 清洁等优势，在全世界范围内得到重视与关注（如图一）。传统风力发电机的类 型有很多，比如，有刷双馈异步发电机、垄型异步发电机等。垄型异步发电机在 实际工作过程中，要对电容器进行合理应用，使用电容器的主要原因就是无功补偿。垄型异步发电机同步转速，相较附近的恒速转速要高，在垄型异步发电机运 行期间，可以使定桨距失速方式。有刷双馈异步发电机在应用过程中，促使功率 变化器的功率降低。同步发电机其转速相对较低、轴向尺寸较小，因此，可以将 其应用在启动力矩较大的电机并网中，这样可以将同步发电机的作用与价值发挥 出来。在如今社会快速发展背景下，使得风力发电机也得到一定完善与创新，比如，目前使用较为广泛的永磁无刷同步发电机、永磁同步发电机以及无刷双馈异 步发电机等。在这其中无刷双馈异步发电机的自身优势较为明显，比如，结构较 为简单、有着较强裹在能力，有着较高的运行效率，运行的可靠性与安全性能够 得到保障。将传统标准型的双馈电机运行中存在的问题在最大程度上弥补，具有 垄型异步发电机优点。不同风力发电机都有着自身优势与特点，因此，对于不同 风力发电机都要有正确认识，这样才能达到良好风力发电效果。 2、风力发电控制技术的重要作用 风力发电控制技术应用的重要作用主要体现在以下几点中：（1）在风力发电中，通过对风力发电控制技术的科学合理应用，使得风力发电控制技术的应用范围与 推广范围得到拓展。在一定程度上，缓解我国能源紧张与能源压力问题，减少对 资源的消耗。提升工作质量与工作效率，促使风力发电能够在我国得到更好发展，同时推动风力发电能够朝着智能化与现代胡方向进步。（2）特别是在大型风力 发电控制工作中，将风力发电控制技术优势发挥出来[1]。可以减少对土地资源的 占用，系统运行功率也将会得到提高。变桨距以及变速恒频技术的优化与完善， 将规模局限性问题更好解决。特别是在对直驱技术的应用中，可以节约更多风力 发电费用成本，提升资源利用率。通过该种方式，可以创造更多经济效益、社会 效益以及生态效益，防止对周围环境造成破坏。 3、风力发电控制技术分析 3.1传统控制技术
小型风力发电机基本常识
小型风力发电机基本常识 1.小型风力发电机一般都由那几部分组成的？ 小型风力发电机部件很多，但一般都是由5部分组成的： 一是风轮，由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的主要部件。 二是机头，主要是发电机和安装尾翼的支座等，它能绕塔架中的竖直轴自由转动。 三是尾翼，它一般装于机头之后，是用来保证在风向变化时，使风轮正对风向，现在也有不带尾翼的垂直轴发电机。 四是塔架，是支撑机头的构架，它把风力发电机架设在不受周围障碍物影响的空中。 五是控制系统，是用来控制发电机的输入输出和发电机工作状态的。 2.如何选购一台真正适合自已使用的风力发电机？ 如何选购一台真正适合自已使用的风力发电机，其中是大有学问。首先，要看生产风力发电机的厂家。目前国内许多所谓的风力发电机生产厂家只是采购一些部件进行简单的组装，各部件之间根本不配套，故发电效率相对较小，故障也比较多，缺乏必要的科研能力，产品很难更新换代，还有一些厂家为了追求高利润.不惜偷工减料.其生产的发电机很难达到其标定的功率.更有一些产品经销商偷梁换柱.所以消费者在先购风力发电机时,一定要找正规的生产厂家.一般有能力有规模的生产厂家其产品大都配套齐全.其有较强的研发能力，其产品质量也都符合国家标准。
特别要查对电机的参数：（最好是拿几个厂家的对比就会很明显） 主要技术参数包括：起动风速，额定风速，额定电压，最大功率，额定功率，额定转速等。 其次用户要根据自已的使用要求和风力条件。选择相对应的风力发电机.比如在内地,由于风较小,更应选择一些功率小的发电机,因为他更容易被小风量带动而发电,特续不断的风,会比一时狂风更能供给较大的能量,而大功率的发电机.在小风的环境下动很难高效率的发电，甚至根本就无法发.这样,如果用户用电量大.可以选购几台小功率的发电机并联使用.其效果较购一台大功率的发电机效果好得多或者使用太阳板构成风光互补供电系统效果更稳定。同时,用户在选购风力发电机时还要注意以下几点：查看装箱单，数数配件是否齐全；用手转动一下各个转动部分,看是否转动灵活。 3.发电机的具体安装地点？ 小型风力发电机安装场址的选择非常重要。性能很高的风力发电机，假如没有风，它也不会工作，而性能稍差一些的风力发电机，如果安装场址选择得好，也会使它充分发挥作用。关于小型风力发电机的选址条件包含着非常复杂的因素，原则上，在一年之中极强风及紊流少的地点应算最好，但有时很难选出这样的地点。 一般本着这样的原则： 第一风能丰富，年平均风速越大越好，其大体上数字是：年平均风速3m／s以上，3-20m／s有效风速累计时效3000h以上，全年3一20m ／s平均有效风能密度100W／m2以上。只要能满足这个条件，小型
国内外风力发电技术的现状与发展趋势_田德
2007.01 Renewable Energy Industry 51 风能是一种可再生的清洁能源。近３０年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到５ＭＷ，叶轮直径达到１２６ｍ。截止２００５年世界装机容量已达５８，９８２ＭＷ，风力发电量占全球电量的１％。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第８位，２００５年新增装机容量居世界第６位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 １ 引 言 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（ＷＭＯ）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为２００亿ｋＷ，是地球上可利用水能的２０倍。中国陆地１０ｍ高度层可利用的风能为２．５３亿ｋＷ，海上可利用的风能是陆地上的３倍，５０ｍ高度层可利用的风能是１０ｍ高度层的２倍，风能资源非常丰富。 风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一［１］。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。 ２ 风力发电基本知识 ２．１ 风能的计算公式 空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为Ａ，则当风速为Ｖ的风流 经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为 其中：单位时间质量流量ｍ＝ρ ＡＶ 在实际中，式中： ＰＷ—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，Ｗ； Ｃｐ—叶轮的风能利用系数； ?ｍ—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为０．８０—０． ９５，直驱式风力发电机为１．０；?ｅ—发电机效率，一般为０．７０—０．９８；?—空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，ｍ２； Ｖ—风速，ｍ／ｓ。 田 德 （内蒙古农业大学新能源技术研究所，呼和浩特 ０１００１８） 国内外风力发电技术 的现状与发展趋势
风力发电机组控制技术研究 李斌
风力发电机组控制技术研究李斌 发表时间：2019-09-19T08:52:32.897Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：李斌 [导读] 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。 （国华(乾安)风电有限公司吉林省 131400） 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。所以，世界各地都在关注可再生能源，而风电有许多优点，所以，利用可再生能源已成为各国的重点发展方向。我国的风能资源并不匮乏，所以开发潜力很大。我国的风力发电产业和控制技术的发展很快，因而，通过分析现阶段我国风力发电的情况和控制技术水平的发展情况，为实现可持续发展战略提供一些有价值的信息。 关键词：风力；发电机组；控制技术 1问题分析 1.1风能能源的评估有待完善 对于风能资源进行评估并以此制定风力发电的规划是我国风力发电进行管理的基础。目前我国的相关机构在开展的风力能源评估还处于有点完善的状态，距离世界上的发达国家还存在明显的差距，因此，开展对于风力发电的相关资料整理以及重新进行调查评估是非常有必要的，相关部门应该更加严格的对我国沿海地区和内陆地区的风力分别进行检测和评估，同时还需要不断对我国现有的风力发电场所产能进行更科学合理的长远规划。 1.2自主创新需要提升 在目前我国对于风力发电产业生态圈建设尚未完成的过程中，我国的企业对于大型兆瓦发电机的信息技术吸收还没有充分进行。与此同时，我国对于风力发电机组中的核心设备和相关零件还无法进行自主生产，这是制约我国风力发电发展的关键问题。因此更快地进行我国风力发电设备制作的自主创新，同时加强完整知识产权的风力发电机组设备的研究，都是保障我国风力发电事业发展的重要目标。 1.3国家电力网络与风力发电的发展不协调 目前我国电力网络设施的管理和运用并没有与风力发电产生足够的协调性。在风力发电场所接入电网的工作并没有很好地得到完成，整个国家电网的发展规划也缺乏对于风力发电场所的重视。就这个问题，还需要我国的政府相关部门更好地制定相应的管理办法，从而保证风力发电场所与国家电网之间可以共同协调发展，更好地为风力发电的发展提供保障。 1.4电价制定需要重新规划 在目前的供电市场中，风力发电项目经常面临亏损的危机。造成这种情况的主要原因在于我国的电价制定，只有政府进行充分的规范和引导，同时为风力发电提供一些优惠的政策。目前风力发电的电价过低，使得投资方在工程中的经济效益明显降低，这也是我国风力发电发展缓慢的重要原因。 2我国风力发电的现况 我国风力发电的发展在技术方面上分为三步，一是引进新技术，二是把技术消化吸收三是进行自主创新。现如今，在这方面我国以快速发展起来。例如，我国的风力制造业不断提升。还有随着国内5WM 容量等级风电产品的不断改进，我国的兆瓦级机组在风力发电市场被大量使用。虽然我国的风力发电机组制造业和配置零组件的发展足以满足所需，但是一些高级配置仍然需要从国外进口。所以，培养自主创新能力和不断探索新技术迫在眉睫。 目前，是创新的年代，是需要快速发展的时代，新能源就是一个活生生的例子。作为新能源的一个重要部分，风力发电近年来的发展越来越好。全球的能源越来越少，之前的能源已经不足人们也已经意识到了这个问题，风力发电无污染，施工时间比较短，投资也不多，而且需要的地区也不多，这就使得各个国家对其越来越关注。在风力发电系统中，并网逆电器是一个非常重要的装置，其特性的好坏决定了发电是否灵活。随着信息技术的发展，人们也将风力发电系统做出了很多改变，使其性能得到了很大改进，促进了其进一步发展。 3双馈变速恒频型风力发电机组 该种类型的发电机组可以实现对叶片桨距角的全面调节，还可以利用具备变速功能的双馈性发电机，实现恒频恒压状态下的电能输出。如果整个风速比额定风速还要低，则该种类型的发电机组便可以通过叶片桨距角以及转速变化，将发电机组的整个运行状态改善，确保输出始终保持在最大状态。如果风速超过了额定速率，人们可以通过叶片桨距角的改变，将发电机组的功率控制在额定功率范围之内，这样一来，整个风力发电机组将会得到有效控制。 4风力发电机组控制技术的分析 4.1最优控制 在风力发电过程中，其发电机组的基本组成均处于非线性、干扰较大等特点，而且由于环境的不确定性，风速变量也会呈现出一定的不规则特点，从而无法利用精确的数学控制来实现机组控制，但人们可以利用最优的系统性控制实现风力发电机组的最优控制。在该项控制技术实施过程中，可以通过线性化模型设计来实现，并通过周围工作点的精确把握，提升控制工作的控制效果。而且在该种控制技术实施过程中，可以根据具体的线性化模型设计，对周围的工作点进行快速寻找，与此同时，还能通过大范围的反馈内容，对偶线性化实现精确性破解，以此来实现风力和风能的全面性捕捉。另外，针对于电功率波动较小、无功功率输出要求等矛盾，聚能在最优系统的作用下，将上述问题解决，避免由于线路故障而出现较大的电压波动。与此同时，在最优系统的应用过程中，工作人员还能将风能变化情况以及自动控制进行合理掌握，避免在后续工作之中出现新的问题。 4.2模糊控制技术 模糊控制技术以模糊推理及语言规则作为基础，能够避免受到非线性因素的影响。在风力发电机组中使用模糊控制技术，能够显著的提升风能的使用率，同时，还能够跟踪最大功率。对于风力发电机组来说，模糊控制技术的使用推动了其向着智能化控制的方向发展，优化了风力发电机组的控制效果。例如，在变桨距并网型风力发电机组中，通过模糊控制技术的使用，能有对风力机转速进行控制，并对抖振现象进行了降低，提升了风力发电机组的运行效率。 4.3滑模变结构控制技术 风力发电机组是一种非线性的系统，在实际的运行过程中，有着复杂且多变的特性。当在实际运行的过程中，发生了风向变化、风力
小型家用风力发电系统的设计
毕业设计（论文） 题目小型家用风力发电系统 的设计 姓名 学号 所在学院 专业班级 指导教师 日期年月日
原创性明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□，在年解密后适用本授权书。 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日
摘要 随着环境问题和化石能源危机日益加剧，各国都在寻找新的可代替能源来解决能源危机和环境污染。风能和太阳能一样也是取之不尽的一种可再生能源，风力发电成为现在人们利用风能的一种主要形式，小型风力发电构成的家用分布式发电系统在未来更具有利用前景。因此对小型家用风力发电系统的研究有很多实用性和价值。 本文设计的家用风力发电系统选用单片机STC89C52为控制核心设计了系统电路，实现由蓄电池电能逆变为小型家用电器实用的24V50Hz的交流电。对风力发电原理及逆变的必要性做了重点介绍，分析了设计的电路各个模块工作原理，给出了系统的原理图和软件设计流程图。设计的家用发电系统经济成低、实用性强。 关键词：风力发电，单片机，蓄电池，逆变
风力发电机文献综述
林内小型风力发电机风叶的设计 摘要：随着国民经济的持续发展，能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，因此人们开始把目光风能这个取之不尽、用之不竭的清洁能源，若风力发电机跟森林中的监测传感器配合，则能有效利用自然资源，实现可持续发展。本文就林内小型风力发电机叶片原有的基础上进行优缺点分析，总结国内外风力发电机的发展和现状。 前言 本人毕业设计题目为《林内小型风力发电机叶片部件的设计》，主要针对垂直轴风力发电机叶片部件的设计进行研究，对现有风力发电机的叶片发展历史进行总结分析，探索其优越性和可行性。本文主要查询了2000年以来的有关小型风力发电文献期刊。 主体 风力发电机分为水平轴风机和垂直轴风机。 水平轴风机最为典型的代表是3个叶片的荷兰风车，也是目前阶段技术最成熟，应用最广泛，占据主流市场的产品。水平轴风机主要包括叶片技术、发电机和传动技术、并网技术三大部分。其中叶片技术是其核心部分，叶片除了靠叶素理论计算和设计外，还要靠经验对计算值进行修正，对操作人员的技术要求十分高。而我国是从20世纪80年代后期才涉足风力发电这一新兴行业，技术远远落后与世界发展水平，其研究主要是引进、吸收、消化叶片设计技术，没有自己的独立成果。到2006年底，中国进入或正在进入大型风机市场的厂商已超过20家1 ，从企业数量上看，中国的企业数量超过了全世界风机厂商数量的一倍以上，但均缺乏叶片这一核心技术的独创性。 垂直轴风机，即转轴垂直于地面的风机，其历史可以追溯到几千年前，人们利用垂直轴风车进行提水。而垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚很多，知道20世纪20年代才开始出现。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风机长期得不到重视。然而，随着科技日新月异和人类认识水平的不断提高，人们逐渐意识到垂直轴风机的尖速比不能大于1只适用于阻力型风机，而升力型风机的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴，于是越来越多的人认识到垂直轴风机的发展前景，并大大提高了其研发技术，取得了突破性进展。 垂直轴风力发电机呈H型，与水平轴风力发电机相比较，其优越性体现在：设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，无噪音；除了在风电场应用以外，还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度，建造风电大楼和零能耗大楼；城市公共照明和高速公路亦可以通过风、光互补方式大量应用风力发电机；具有风资源条件的企事业单
风力发电机及风力发电控制技术综述 刘涛
风力发电机及风力发电控制技术综述刘涛 发表时间：2018-05-14T10:53:29.810Z 来源：《电力设备》2017年第36期作者：刘涛 [导读] 摘要：随着现代社会经济的迅猛发展，世界能源发展也在逐步的改变，目前面临着资源紧张、环境污染、气候变化的三大难题。 （国华（通辽）风电有限公司内蒙古通辽 028000） 摘要：随着现代社会经济的迅猛发展，世界能源发展也在逐步的改变，目前面临着资源紧张、环境污染、气候变化的三大难题。在我国风能发电可再生资源中作为广泛的运用，如太阳能、生物质能、地热能、海洋能等，在自然界都可循环再生资源，这些都是与人类紧密相连的能源。这些取之不尽，用之不竭的能源可谓是一项朝阳产业，本文主要对现在风力发电技术和风力发电机原理进一步分析入手，并对我国风能发电机的特点进一步的探讨与研究。 关键词：风力发电机；可再生能源；控制技术；探讨研究 前言 随着风力发电技术水平的提高，风力发电由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的低速直驱永磁同步发电，风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的绿色可再生能源。相对而言风能的利用比较简单，不同于其他能源的利用那么复杂，因此，风力发电机整体的技术进步使变速恒频风力发电也得以实现，根据当地的实际情况合理利用风力发电，具有重要的现实意义。所以我们应该不断加强风力发电技术的探索和实践，为我国的经济发展提供能源保障。 1 风力发电机及风力发电控制技术发展现状 风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成，因此风力发电机是风电系统中实现风能转换为电能的核心部件。对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同的方案。根据目前风力发电技术不断地提高，更有利于的促进了风力发电整体技术的进步，也成为当前风力发电系统的主流。 2 发展技术前景 2.1 目前，风力发电机组中的发电机一般采用高滑差异步发电机和变速恒频的双馈异步发电机，目前全国各地正朝着怎样增大单机容量，减轻每单位容量的自重大型风力发电机组，来提高转换效率的方向发展，这样就可以使机组的运行风况范围大大增加，但同样的发电机的效率是不会降低的。因此，各国研究人员为了提高风力发电机组的效率和可靠性、降低大型发电机的制造难度等各个角度出发，提出有效的地商业化潜力的风力发电机，并且发出电能的频率也符合电网要求，使发电机组的噪声降低，达到一定的可靠性。 2.2 同步发电机的并网一般有两种方式，一种是交并网，控制技术主要交任务是对最佳叶尖速比的测量监控，另一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用，控制技术主要交任务是对最佳叶尖速比的测量监控。如果以异步发电机为主流的发电机，其结构简单、坚固耐用、价格便宜等优点，被作为电动机广泛使用。但也有自身的缺点，由于运行范围窄、功率因数较低等，发展空间也有限。如今，大型风力发电厂一般都采用变速风力发电机组，关键技术则是利用了绕线型异步发电机或同步电机，使得机组在允许风速的任何情况下都可以获得理想的功率输出。 2.3 根据以上分析，部分国外学者也提出了永磁异步电机的概念，不仅具备了效率高、功率密度高、功率因素高等优点，而且在实际运行中也提高了功率因数和发电效率，大大的降低了维护成本。至今，永磁异步电机具备广阔的发展前景；在实际应用中越来越受到关注，并得到广泛的运用。 2.4 风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的绿色可再生能源。目前风力发电已经成为世界各地的发展重点能源之一，近年来，风力发电系统的不断增加，风力发电机与发电系统共同发展，相互促进，使各种新型化的风力发电机和控制系统不断的流向社会，总之，风力发电机的制造也会成为新兴的制造产业，更快的促进风力发电机控制技术的发展前景。 3 风力发电掌控技术 3.1 定桨距失速风力发电技术 对于变桨距叶片运行的方式：它主要是改变叶片剖面攻角，依据对桨距角的改变。如何适应风速的变化，是在其低风速运行的状态下最大限度的发挥风能的利用价值，发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，提高气动输出的性能，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，要降低叶片的气动性能，可以对攻角进行改变，降低叶片在高风速运行下的功率，从而达到在低功率下进行调速的目的。 3.2 变桨距风力发电技术 在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网，一方面保证获取较大的能量，另一方面减少风力对风力机的冲击，在并网过程中，快速无冲击并网还可使用变浆距控制，变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终会提高整个风力发电机系统的发电效率和电能质量。如果要增加风力发电机的年发电量也会存在一定的缺点，不仅需要具备一套相对复杂的变浆距机构，并且在变浆距结构的设计上也会有一定的要求，要对阵风的响应速度足够快，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，如果以减小由于风的波动引起的功率脉动同时，其成本也会随之翻倍。所以以上所述，在使用电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力，这样还可以避免对过载风机的破坏。 3.3 混合失速/主动失速发电技术 风力发电在并网的过程中也是一个操作起来极其复杂的非线性工作，并且风力发电机组存在着随机扰动大、不确定因素过多，还有难以准确的描述并网特性的各个特点。所以根据反馈量的多少，在规定的并网时间内，可使导通角逐步增加，电机的定子电压逐步提高，使之达到软并网、限制电流的目的。在并网过程结束机组进入正常工作状态，上述两种技术的组合也就是所谓的混合失速/主动失速发电技术。 4 风力变速发电技术 4.1 风能本就是绿色、环保、无污染的可再生资源，由于其本身稳定性较差，无法正常控制风速等特性。所以在利用风能发电时，根据风向的变化性和风机叶不断的变化，一定要合理利用并掌控好操作技术，否则会影响风能发电的工作效率，影响用电质量。做好调整工作，考虑发电机在运行时会出现的各种变化，完全可以保证风能发电的最大化利用。另外，在我国目前的风能发电机控制系统中，最常采
小型风力发电机
怎样利用风力来发电呢? 我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵） 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 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200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。 小型风力发电机介绍 一，小型风力发电机的使用条件 小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3m／s以上，全年3-20m／s有效风速累计时数3000h以上；全年3-20m／s平均有效风能密度lOOW／m2以上。在选择使用风力发电机时，要做到心中有数，避免盲目性，这样才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。 应该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明，风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。例如，在当地最佳设计风速为6m／s的地区，安装一台额定设计风速为8m／s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42％，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、电机相对要增大，整机造价相应也就加大．从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。 二，小型风力发电执使用的一般要求 目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，家用电器的用电都由蓄电池提供。所以，用电时总的原则是，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说，蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题：某地区使用了一台风力发电机，额定风速输出功率为IOOW,假设，该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h，则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%，则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有： (1)15W灯泡两只，使用4h，耗能为120Wh； (Z)35W电视机一台，使用3h，耗能为105Wh； (3)15W收录机一台，使用4h，耗能为60Wh。