低碳環境下的風能資源發展現狀概述

史亦健 李睿宸 趙曜

摘要：風力發電是重要的可再生能源。本文介紹了風電的發展歷程、主流分類和未來前景，并著重討論了異步雙饋風力發電機的模型，能夠為相關風力發電的研究提供一定依據。

關鍵詞：風力發電;雙饋式技術

一、風電的發展歷程

基于應用風力進行灌溉、磨粉等生產活動的經驗，19世紀末期丹麥首先開始研究風力發電，并制造首批風力發電機。20世紀30年代，美國獨立運行的小型風電機組在試驗農村電氣化方面起了很大作用。然而當時特大型風力發電機制造技術復雜，運行不穩定，經濟性很差，所以很難得到發展。特別是在價格低廉的石油的沖擊下，特大型風力發電機只停留在科研階段，未能實用。直到70年代石油危機與環境問題使人們注意到新能源的重要性，以及材料、設計和工藝等的進步提供了攻克技術難關的可能性，風力發電日益受到重視。

在我國，風力發電起步較晚，從上世紀70年代才開始系統地進行小型獨立風力機的研制，80年代開始大型并網風力機的研制和風力發電場的規劃。我國風電產業體量大、發展蓬勃、前景大好，但是在技術和設備上還是不如主流發達國家，并且相當程度地依賴進口產品，自主研發能力較為欠缺。

二、風力發電機組的分類

風力發電機組可劃分為兩大部分。其一，將風能轉換為機械能的風力及部分;其二，將機械能轉換為電能的發電機部分。風機可以根據這兩大部分采用的不同結構，以及不同特征的技術方案進行分類。

如按照風機旋轉軸的方向，即主軸與地面的相對位置分類，可分為葉輪需隨風向變化而調整位置的水平軸式風機，以及葉輪無需隨風向改變調整方向的垂直軸式風機;如按照功能功率傳遞的機械連接方式的不同，可分為有齒輪箱型風機和無齒輪箱的直驅型風機。

目前，市場上主流的變速變槳恒頻型風電機組技術分為雙饋式和直驅式兩大類。雙饋式變槳變速恒頻技術的主要特點是采用了風輪可變速變槳運行，傳動系統采用齒輪箱增速和雙饋異步發電機并網。直驅式變速變槳恒頻技術采用了風輪與發電機直接耦合的傳動方式，發電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網。直驅技術的最大特點是不需進行齒輪箱傳動，主要通過風輪直接驅動發電機發電，在風電轉換效率方面表現良好，可靠性和效率都進一步得到了提高。

三、風力發電機的異步電機模型

對于風力發電機而言，由于風力有著較大的不穩定性，因此一般的同步發電機系統會出現一些問題。對于現在的大多數風力發電系統，通常采用雙饋異步電機。

異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。為了更好的實現對異步電機的控制，就必須要對這個模型進行簡化。在上個世紀60年代末，達姆斯塔特工業大學（ TU Darmstadt）的K.Hasse提出了矢量控制這一策略。在70年代初由西門子工程師F.Blaschke在不倫瑞克工業大學（TU Braunschweig）發表的博士論文中提出三相電機磁場定向控制方法，通過異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。

利用矢量控制，可以通過類似控制他勵直流電機的控制方式來控制交流感應電機以及同步電機。對于他激直流電機而言，電樞電流及磁場電流可以獨立控制，對于矢量控制而言，控制磁場和電樞的電流互相垂直，理論上并不會互相影響，因此在控制轉矩時，不會影響產生磁場的磁鏈，所以可以有快速的轉矩響應。

矢量控制會依照程式中計算的電流矢量，產生三相PWM的電壓提供給電機，目的是要控制電機的三相電流。其中會將電流及電壓等物理量在二個系統之間轉換，一個是隨速度及時間改變的三相系統，另一個則是二軸非線變的旋轉坐標系統。

進行矢量控制的前提是3/2變換，通過3/2將三維坐標變為旋轉的d-q坐標，然后可以得到電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程、運動方程、功率方程在d-q坐標下的方程。

對于雙饋異步發電機而言，其d-q方程如下：

雙饋電機電壓方程：

定子繞組電壓：

對于風力發電機而言，風電變流器，是雙饋風力發電機中，加在轉子側的勵磁裝置。其主要功能是在轉子轉速n變化時，通過變流器控制勵磁的幅值、相位、頻率等，使定子側能向電網輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網模塊。

轉子側變流器對于風力發電機而言有著關鍵的作用，首先他可以向轉子繞組饋入所需要的勵磁電流，完成定子磁鏈定向矢量控制，實現最大風能捕捉和定子輸入無功功率調節。其次，當發電機亞同步速運行時，它可以往轉子中饋入能量，作為逆變器運行。當發電機超同步速運行時，變流器可以從轉子中吸收能量，作為整流器運行，并通過網側變流器將能量饋回到電網。最后，當發電機同步速運行時，變流器向轉子饋入直流勵磁電流，實際作斬波器運行。

四、風能的發展前景

風力發電的應用非常廣泛，一方面可以作為微型獨立電網的電源，靈活地為牧區、海島等偏遠地區和無法架設線路的基站、船舶提供環境友好可持續的電力供應，一方面可以建立大規模的風力發電場作為能源基地輸出相當可觀的功率。

我國風能資源十分豐富，蘊含量僅次于美國和俄羅斯，且主要集中分布在缺少煤炭等常規能源的東南沿海及其島嶼、內蒙古、新疆和青藏高原等地區，有利于大規模開發和利用。

風電的經濟效益也很可觀，除了處于國家給予支持、補貼的政策保護階段而在各個方面享有優惠的因素，風力發電的利潤與壽命決定了它的長期利潤相當豐厚。盡管風電的前期投資較高，在國家“棄風限電”的大政策下，長期運行也可以獲得較高的收益。

五、結語

風能分布廣泛、體量巨大，風電是最有發展潛力的可再生能源。第二產業的快速發展、日益增長的環保需求和可再生能源法等政策法規的綜合條件，使中國必將成為世界風電市場的中心。

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