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1、 绪论11 风力发电发展概况风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。因此，风能的开发利用越来越受到重视。根据贝兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%，同时由于受到机械结构等限制，实际值更小。因此，如何提高风能转化率，获取更多风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。近年来，大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪MPPT等技术，旨在提高响应速度，获得最大能量（低风速是捕获最大功率，高风速时捕获额定功率）。但是，由于一些不确定因素的存在，风能转换系统表现出强非线性特征，风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调
2、和损失，系统稳定性差，不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小，风力发电系统由4个动态过程构成，即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中，启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度；变速运行调节风能，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，捕获最大能量，减弱暂态负荷的影响；变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。世界上第1台风电机组于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面的原因，风力发电一直未能得到广泛应用。直到1973年发生了石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，采用新技术研制现代风电机组。20世纪80年代开始建立示范风电场。
3、20世纪90年代，许多国家纷纷制定了激励风力发电发展的优惠政策。1992年以来，全球风电累计装机容量的年增长率一直高于15%，风力发电技术日臻成熟。2002年4月25日，首届世界风能大会在法国巴黎举行，欧洲和北美风力发电技术发展迅速。2006年，全球已有48个政府引入法规扶持风力发电等可再生能源的发展。2008年年底全球累计风电装机容量已超过了120.8GW，相当于减排1.58亿吨CO2。美国风电市场近年来一直保持高速发展，2009年新增风电装机容量9.92GW，累计风电装机容量达到35.16GW，排名世界第1。我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一，风能资源丰富，可开发量
4、为1400GW。其中，陆上开发量为600GW；海上开发量为800GW。我国在20世纪50年代末，使用各种木结构的布篷式风车。20世纪70年代中期以后，风能开发利用列入“六五”国家计划。20世纪70年代末到80年代初，自主研制、批量生产了10kW以下的小型风力发电机，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电，风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。1983年，山东引进3台丹麦Vestas 55kW风力发电机，开始了并网发电技术的试验和示范；1986年5月，山东荣成建成我国第一个并网风电场，其次是新疆达坂城风电场。19861993年，全国共建12个风电场，装机容量为13.3MW；
5、19941999年，全国共建有21个风电场，装机容量达到249.05MW。其中，19921996年的主力机型为200300kW机组，19972002年的主力机型则为600kW机组。2008年，我国累计装机容量达到12.21GW，其中并网发电的装机容量为8.94kW。截止到2009年年底，我国风电并网总量累计达到16.13GW，累计装机容量为25805.3MW。12 风力发电的背景121 能源危机能源是人类赖以生存的物质基础。自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进一步发展。自20
6、世纪50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。可以支配的化石资源的极限大约为11801510亿吨，自1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右即将枯竭；天然气储量估计131800152900m3，年开采量维持在2300 m3，将在5765年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。综上所述，煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总
7、量有限，待开发新的可再生能源。122 环境危机在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。燃烧不断产生CO2和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。据估计，按照目前的趋势，到2030年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的两倍。到2100年，温室效应强度将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的3倍，达到5000万年前的CO2浓度水平。能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。研究表明：地球变暖不是地球本
8、身自然循环的变化，而是人类活动排放的CO2等温室气体效应造成的。其过程与人类大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的CO2密切相关。到2015年，世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响不仅仅是更多的汗涝灾害，还有海平面的上升。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。123 可再生能源开发利用目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的待解决的重大课题。克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。为缓解或从根本上消除能
9、源危机带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。绿色电力来源于风能、小水电、太阳能、地热、生物质和其他可再生能源。因为它们在生产的过程中不消耗煤、石油、天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。因此，开发绿色电力意义重大。全球市场对于风这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在2020年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯一实现这一目标的发电技术。124 风能开发利用太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动，空气流动
10、所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能只有大约2%转化为风能，理论上仅1%的风能就能满足人类能源的需求。全球的风能总量约为2.74106GW，其中可利用的风能总量为2.74104GW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。根据我国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量为3226GW，可开发和利用的陆地上风能储量为600GW，海上可开发和利用的风能储量为800GW，共计约1400GW。50m或更高处可开发利用的风能储量为2000GW。人类利用风能的历史可以追溯到公元前。在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、
11、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家。12世纪，风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高、效率低、使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机、内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功的研制了一些小型风电机组。这种小型风电机组被广泛运用在多风的海岛和偏僻的乡村，所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低很多。不过，当时的发电量较低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危机爆发以后，风能作为
12、新能源得到重视，世界风力发电发展迅速开始加快，各国都在积极研制、开发1100kW以上的大型风电机组。美国在1974年开始实施联邦风能计划，20世纪80年代成功开发了100kW、200 kW、2000 kW、2500 kW、6200 kW、7200 kW等6种风电机组。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。在20世纪70年代中期以后，我国将风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。我国风力发电从20世纪80年代开始真正起步。20世纪70年代末80年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量10 kW以下的小型风电机组，解决了居住分
13、散的农牧民和岛屿居民的生产生活用电。1986年5月，山东荣成建成了我国第一个并网风电场。20世纪80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风电机组，在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风电场。13 风力发电发展现状131 世界风电风电成本不考虑常规电力环境成本，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过30年的努力，随着市场不断扩大，风电成本大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的46美分
14、。在风能资源较好的地方，风电价格完全可以和煤电竞争，低于燃气电价。装机容量高速增长根据全球风能协会公布的20032007年统计数据，全球风电平均增长率为24.7%。到2007年年底，全球总装机容量累计达到近94GW，新增风电装机容量20GW，分别在全球70多个国家和地区。2007年全球大约生产了2000亿度风电电力，约占全球电力供应的1%。按照累计风电装机容量数据排名，2007年全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2008年全球新装机容量超过27GW，同比增长42%，风电装机增长率为29%，高于过去5年的平均增长速度。2008年年底，总装机容
15、量达到了120.8GW，美国超过德国，跃居全球风电装机容量首位，同时也成为第二个风电装机容量超过20GW的风电大国。中国超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到2008年年底，在世界风电累计装机容量中，已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内的16个国家超过1GW。在欧盟2007年新增发电装机容量中，风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源，占新增容量的46%。欧洲2008年风电新增装机容量为88GW，累计装机容量达到了66GW。美国2007年新增的风电装机也仅次于天然气发电，位居第二。2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的42%，新增装机容量达到8.3
16、4GW，同比增长157%，累计增长49.6%，完成新增投资170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成为重要的替代能源。发展规划20世纪90年代初，欧盟提出了大力发展风电，到2010年风电装机容量到40GW的目标，并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的发展目标与实施计划。2007年年初，根据技术发展和能源需求的需要，欧盟又进一步修订了发展计划，希望2010年风电装机容量达到80GW；到2020年风电装机容量达到180GW，发电量达到3600亿kWh；2030年风电装机容量达到300GW，发电量达到6000108kWh，分别占届时欧盟风电装机容量和发电量的35%和20%。2006年，美国可再生能
17、源理事会提出了将可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。132 我国风电装机容量2004年年底，全国的风力发电装机容量约为764MW。2005年2月可再生能源法颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过60%，总容量达到了1260GW。2006年新增装机容量超过100%，累计装机容量超过2.6GW。2007年又新增装机容量3.3GW，累计装机容量达到5.9GW，超过丹麦，成为世界第5风电大国。当年装机容量仅次于美国和西班牙，超过德国和
18、印度，成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增装机容量超过印度，成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。2009年新增装机容量13.85GW，累计装机容量为26GW，总装机容量跃居世界第2位。风电设备制造能力风电设备制造业发展迅猛。2005年之前，我国只有少数几家风电设备制造商，它们规模小、技术落后，风电场建设主要依赖进口风电整机。开再生能源法颁布后，风电整机制造企业已超过40家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外，东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘
19、电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。风电技术研发“九五”和“十五”期间，我国政府组织实施“乘风计划”和“国家科技攻关计划”，以及国债项目和风电特许权项目，支持建立了首批6家风电整机企业，进行风电技术的引进和消化吸收，部分企业掌握了单机容量600kW和750 kW定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术，实现了规模化生产，迈出了产业化发展的第一步。“十五”期间，还开展了1000 kW、1500 kW变速恒频风电机组，以及1200 kW永磁直驱风电机组的研发与联合攻关，取得阶段性成果。经过“十五”期间的自主研究
20、和技术引进，我国已基本掌握了以双馈发电机为代表的变速恒频风电机组的控制技术，研制成功兆瓦级风电机组样机。我国风电技术与国外风电技术的差距正在不断缩小。14 国内外风电机组发展趋势纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展，目前全球风电制造技术发展主要呈现如下特点：141 产业集中是总的趁势2009年，世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球78.7的市场份额，世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球88.1的市场份额，丹麦VESTAS、美国GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风这前5家企业，就占据了国内外49.8市场份领。可以看出：世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电
21、机组制造企业控制或垄断的局面。近几年，风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购-Multibrid；丹麦的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美国GE公司收购了德国安然风电公司；Siemes公司收购了丹麦AN/Bonus和德国winergy AG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金风科技收购了德国Vensys公司；湘电股份1000万欧元收购荷兰达尔文公司；中复连众收购了德国NOI公司；中航惠腾2009年收购了荷兰CTC叶片公司；美国GE公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能（沈阳）公司和哈电通用风能（江苏）公司。此外，各大公司在主要市场集中地都
22、建立了生产基地，一个大公司相当于多个公司的集成。142 水平轴风电机组技术成为主流水平轴风电机组技术，因其具有风能转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到95以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。143 风电机组单机容量持续增大近年来，世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大，随着单机容量不断增大和利用效率提高，世界
23、上主流机型已经从2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我国主流机型已经从2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW， 2009年我国陆地风电场安装的最大风电机组为2MW。近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到6MW，风轮直径达到127m。目前，已经开始8-10MW风电机组的设计和制造。我国华锐风电的3MW海上风电机组已经在上海东海大桥海上风电场成功投入运行， 5MW海上风电机组已在2010年10月底下线。目前，华锐、金风、东汽、国电联合、湖南湘电、重庆海装等公司都在研制
24、5MW或6MW的大容量风电机组。144 变桨变速功率调节技术得到广泛采用由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高。2009年，在全球所安装的风电机组中有95的风电机组采用了变桨变速方式，而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中，也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用三个独立的电控调桨机构，通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。145 双馈异步发电技术仍
25、占主导地位以丹麦Vestas公司的V80、 V90为代表的双馈异步发电型变速风电机组，在国际风电市场中所占的份额最大。德国Repower公司利用该技术开发的机组单机容量已经达到5MW。西门子公司、德国Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美国GE风能公司和印度Suzlon公司都在生产双馈异步发电型变速风电机组，2009年新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍然占80以上。目前，欧洲正在开发10MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组。我国内资企业华锐风电、东方气轮机、国电联合动力、广东明阳等企业也在生产双馈异步发电型变速风电机组。2009年我国新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍
26、然占82以上。目前，我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经投入运行。146 直驱式、全功率变流技术得到迅速发展无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场的青睐。采用无齿轮箱系统的德国Enercon公司在2009年仍然是德国、葡萄牙风电产业的第一大供应商和印度风电产业的第二大供应商，在新增风电装机容量中，Enercon公司已占本国市场份额的55以上。西门子公司已经在丹麦的西部安装了两台3GMW的直驱式风电机组，这两台风力机正处于试运行阶段。其他主要制造企业也在积极开发研制直驱风电机组。我国新疆
27、金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1。5MW直驱式风电机组，已有上千台安装在风电场。金风科技在2009年是我国风电市场的第二大供应商。同时，我国湘电公司的2MW直驱风电机组也已批量进入市场。其他如：广西银河艾迈迪、航天万源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德公司、山东鲁能等制造企业也开发研制了直驱风电机组。2009年新增大型风电机组中，直驱式风电机组已超过17%。伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用。应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到。至150的额定转速，提高了风能的利用范围。由于全功率变流技术对低电压穿越技术有很好且简单的解决方案，对
28、下一步发展占据了优势。与此同时，半直驱式风电机组也开始出现在世界风电市场上。在轴承支撑方式上，单个迥转支承轴承代替主轴和两轴承成为某些2兆瓦以上机组的选择，如：富兰德的2.5兆瓦风机，这说明无主轴系统正在成为欧洲风电机组发展的一个新动向。147 大型风电机组关健部件的性能日益提高随着风电机组的单机容量不断增大，各部件的性能指标都有了提高，国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98以上；某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化，如德国ENERCON公司在改进桨叶后使叶片的 Cp值达到了0.
29、5以上。从2007年胡苏姆风能展的情况看，欧洲风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了基础。我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步，如南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大重减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业生产的大型风电机组齿轮箱，供货能力充足，质量已有明显提高；保定惠腾、连云港中复连众和中材科技已能生产长达48.8m，与3兆瓦风电机组配套的大尺寸叶片，兰州电机厂生产的发电机等产品质量都有很大提高。从2009年上海第四届风能展的情况看，我国风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势，不仅能满足国内
30、市场需求，而且已经向国际市场供货。北京科诺伟业能源科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、龙源电气、九州电气和禾旺电气等10多家企业已具备兆瓦级风电机组变流器研发、生产和供货能力。148 智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命鉴于风电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响风电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一，近年来，风电机组制造厂家与有关研究部门积极研究风电机组的最优运行和控制规律，通过采用智能化控制技术，与整机设计技术结合，努力减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷，并逐步成为风电控制技术的主要发展方向。149 叶片技术发展趋势随着风电机
31、组尺寸的增大，叶片的长度也变得更长，为了使叶片的尖部不与塔架相碰，设计的主要思路是增加叶片的刚度。为了减少重力和保持频率，则需要降低叶片的重量。好的疲劳特性和好的减振结构有助于保证叶片长期的工作寿命。额外的叶片状况检测设备将被开发出来并安装在风电机组上，以便在叶片结构中的裂纹发展成致命损坏之前或风电机组整机损坏之前警示操作者。对于陆上风电机组来说，不久这种检测设备就会成为必备品。为了增加叶片的个刚度并防止它由于弯曲而碰到塔架，在长度大于50米的叶片上将广泛使用强化碳纤维材料。为了方便兆瓦级叶片的道路运输，某些公司已经把叶片制作成两段。例如德国Enercon公司的E126 6MW风电机组的叶片由
32、内、外两段叶片组成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。智力材料例如压电材料将被使用以使叶片的气动外形能够快速变化。为了减少叶片和整机上的疲劳负荷，可控制的尾缘小叶可能被逐步引入叶片市场。热塑材料的应用：LM Glasfibre公司正开展一项耗资8百万欧元的研究项目，目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝去制造叶片。一旦这种纱丝铺进模具，加热模具到一定温度后，塑料就会融化，并将纱丝转化为合成材料，这可能会使叶片生产时间缩短50%。1410 风电场建设和运营的技术水平日益提高随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量的越来越高的要求，国外已经针对风资源的测试与评
33、估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址，特别是选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究，取得了重大进步，预测精确度可达90以上。1411 恶劣气侯环境下的风电机组可靠性得到重视由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴，东南沿海具有台风、盐雾，西南地区具有高海拔等恶劣气候特点，恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响，包括增加维护工作量，减少发电量，严重时还导致风电机组损坏。因此，在风电机组设计和运行时，必须具有一定的防范措施，以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力，减少损失。
34、因此，今年来中国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手进行了研究，以确保风电机组在恶劣气候条件下能可靠运行，提高发电量。1412 低电压穿越技术得到应用随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的风力发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（fault ride-through)，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机
35、组具有一定低电压穿越(lowvoltage ride-through)能力。随着风力发电装机容量的不断增大，很多国家的电力系统运行导则对风电机组的低电压穿越（LVRT）能力做出了规定。我国的风电机组在电网电压跌落情况下，也必须采取相应的应对措施，确保风电系统的安全运行并实现LVRT功能。目前，我国已有多家企业的风电机组产品通过了低电压穿越性能试验。15 小结随着能源危机程度的加深，世界各国都在加大风能利用和开发，尤其是我国能源耗费相对较大，更要积极开发绿色环保能源。针对我国风力发电面临的问题和挑战，产业初期特别需要加大对研发的投入，随着国家对风电的重视，可再生能源法及实施办法出台，相信我国的风
36、电发展将会快步前进。为了可持续发展，我国的风电发展产业需要借鉴其他产业的经验教训，要重质量，讲效益，走集约发展路线，创造和谐发展蓝图。2. 发电机组的基本功能构成及工作原理21 风电机组的基本功能构成控制与安全系统一次能源转换单元机械能传递单元发电单元风电机组是一种复杂的机电一体化设备。从能量转换角度看，此类设备大致包括2-1所示的几个功能单元。其中，一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能；机械能传递单元的主要作用是传动与制动；发电单元将旋转机械能转换为电能，同时提供必要的并网发电功能；控制与安全系统实现对风电机组起、停机和发电等运行过程的控制，并保证风电机组在任何状态下的安全性。
37、图2-1 风力发电系统的基本功能构成（1）一次能源转换单元风能是风力发电的一次能源，相应的能量转换单元是风电机组的核心部分，包括风轮、功率控制（调速）等部件。风轮是风电机组能量转换单元的关键部件，一般由良好的空气动力外形的叶片、轮毂和相应的功率控制机构组成。一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能（转矩），再通过风轮轴驱动与之连接的机械能传递单元和发电单元。（2）机械能传递单元 机械能传递单元也可简称为风电机组的传动链，连接风电机组的一次能源转换单元与发电单元，使之组成发电系统。该单元一般包括与风轮轮毂相连接的主轴、传动和制动机构等。一般大型风电机组的风轮设计转速较低，需要根据发电单
38、元的要求，通过传动链按一定的速比传递风轮产生的扭矩，使输入发电机的转速满足并网风电机组发电单元的需要。同时，机械能传递单元还要设置可靠的制动机构，以保证风电机组的安全运行。（3）发电单元发电单元一般由发电机和必要的电功率转换系统构成。并网风电机组发电单元可采用异步发电机或同步发电机，将风轮产生的旋转机械能转换为电能。发电单元配置的电功率转换系统，应能够满足并网或其他形式发电的需求。（4）控制与安全系统该系统主要功能可分为风电机组运行控制和状态监测两部分：大型风电机组需要自动控制，既能够在无人值守的条件下，保证风电机组的正常和安全运行；同时又要保证风电机组在非正常情况发生时能可靠的停机，以预防或
39、减轻损失。此外，风电机组还需要有上述功能部件或子系统的支撑结构，如机舱、塔架等；多数风电机组需要设置对风（也称偏航）装置，以保证风轮能够更好的获取风能。22 风电机组的工作原理 在风力发电机组中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图2-2所示。控制系统偏航系统主传动系统制动装置发电系统测风系统变桨距系统 电网 风 M1 1 M2 2 P3 变压器 转速测量 风力发电机 调速 风速、风向 功率测量图2-2 风电机组的工作原理1 能量流当风以一定的速度吹向风力发电机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的
40、动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为 （1-1）式中 P1风轮的输出功率，单位为W； M1风轮的输出转矩，单位为Nm； 1风轮的角速度，单位为1/s.风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有 （1-2）式中 P2主传动系统的输出功率，单位为W； M2主传动系统的输出转矩，单位为Nm； 2主传动系统的角速度，单位为1/s； h1主传动系统的总效率。主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为 （1-3）式中 P3发电系统的输出功率，单位是W； UN定子三相绕组上的线电压，单位是V； IN流过定子绕组线电流，单位是A； cos功
41、率因数； h2发电系统的总效率。对于并网型风电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压后，即可输入电网 2 信息流信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急停机。风速、风向、风力发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。对于变桨距风向，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角，从而控制风电机组输出功率。在起动
42、和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。对于变速型风机，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力发电机最大限度的捕获风能。当风轮的轴向和风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。实际上，在风电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。2.3 小结本章主要从不同的角度分析了风电机组的功能构成以及风电机组的工作原理3. 风电机组设计的基本
43、内容与步骤风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证大型风电机组设计质量的必备条件。31 确定设计目标与所有大型装备的设计相似，首先需要明确所设计风电机组的设计目标。比如，并网大功率机组与偏僻地区的小型单机设计需求明显不同。因此，针对设计需求，应考虑合理的机组功能构成、电机类型、控制方式、运输和安装方式等影响机组性能指标的主要因素。例如 ， 陆上风电场所需的大型机组通常额定功率范围为 500-2MW ，便于运输、安装、运行和维修。近海风力发电机组的运行环境（如风况、波浪和盐雾等 ） 、安装条件等与陆上有很大差别，基础和运输方式需要重点考虑。此
44、外，检修、维护不便，对可靠性有更高的要求。32 总体设计风电机组是比较复杂的机电装备 ， 且要求较好的性价比 。 总体设计是平衡这些关系的重要设计过程 ， 在某种意义上来说 ， 总体设计可以决定整个设计过程的成败 。 由于风电机组由多个功能子系统组成 ， 机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关 ， 以针对风轮部件的总体设计为例 ， 就包括了叶片参数 、 气动性能 、 结构强度 、 制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。有鉴于低成本与高可靠性是现代风电机组发展的主要动力和研究热点 ， 如何根据设计目标并结合工程经验 ， 在这些复
45、杂因素之间取得平衡关系 ， 满足尽可能高的设备性价比要求 ， 是风电机组总体设计的关键所在。以下简要介绍风电机组总体设计的主要任务与大致步骤:（1）风电机组总体设计方案1 ）总体气动布局方案设计随着风电机组单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为风电机组设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。2 ）风电机组总体参数设计风电机组气动设计前须首先确定总体参数，如风轮运行参数、叶片参数、设计风速、尖速比、翼型分
46、布及其气动性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。3 ）风电机组的总体结构布局设计此阶段是需要从风电机组的总体功能角度出发，分析各部件、子系统、附件和设备的布置形式与技术要求，开展对各部件和子系统的技术组成、原理分析、结构形式和功能参数选择等工作。同时需要对整机的结构承力构件布置、承载形式和传力路线进行分析，选择合理的设计分离面和接口形式，以便明确划分各部件设计界面，保证总体设计的质量。此阶段的设计要求是尽可能的详尽分析风电机组各子系统构成方案的可行性，使之布置合理、协调、紧凑，便于安装，且能可靠保证 运行和维护三维数字模型，并编写有关报告和设计说明文件。4）载荷分析与风电机组基本性能的预评估在设计初期，必须对载荷作预评估，以准确确定风电机组的结构设计依据。风电机组应能够承受正常运行中的任何载荷，同时也具备一定的承受极
