低碳環(huán)境下的風(fēng)能資源發(fā)展現(xiàn)狀概述

史亦健 李睿宸 趙曜

摘要：風(fēng)力發(fā)電是重要的可再生能源。本文介紹了風(fēng)電的發(fā)展歷程、主流分類和未來(lái)前景，并著重討論了異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，能夠?yàn)橄嚓P(guān)風(fēng)力發(fā)電的研究提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;雙饋式技術(shù)

一、風(fēng)電的發(fā)展歷程

基于應(yīng)用風(fēng)力進(jìn)行灌溉、磨粉等生產(chǎn)活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，19世紀(jì)末期丹麥?zhǔn)紫乳_(kāi)始研究風(fēng)力發(fā)電，并制造首批風(fēng)力發(fā)電機(jī)。20世紀(jì)30年代，美國(guó)獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組在試驗(yàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大作用。然而當(dāng)時(shí)特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性很差，所以很難得到發(fā)展。特別是在價(jià)格低廉的石油的沖擊下，特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)只停留在科研階段，未能實(shí)用。直到70年代石油危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題使人們注意到新能源的重要性，以及材料、設(shè)計(jì)和工藝等的進(jìn)步提供了攻克技術(shù)難關(guān)的可能性，風(fēng)力發(fā)電日益受到重視。

在我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電起步較晚，從上世紀(jì)70年代才開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行小型獨(dú)立風(fēng)力機(jī)的研制，80年代開(kāi)始大型并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的研制和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的規(guī)劃。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)體量大、發(fā)展蓬勃、前景大好，但是在技術(shù)和設(shè)備上還是不如主流發(fā)達(dá)國(guó)家，并且相當(dāng)程度地依賴進(jìn)口產(chǎn)品，自主研發(fā)能力較為欠缺。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可劃分為兩大部分。其一，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的風(fēng)力及部分;其二，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)部分。風(fēng)機(jī)可以根據(jù)這兩大部分采用的不同結(jié)構(gòu)，以及不同特征的技術(shù)方案進(jìn)行分類。

如按照風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的方向，即主軸與地面的相對(duì)位置分類，可分為葉輪需隨風(fēng)向變化而調(diào)整位置的水平軸式風(fēng)機(jī)，以及葉輪無(wú)需隨風(fēng)向改變調(diào)整方向的垂直軸式風(fēng)機(jī);如按照功能功率傳遞的機(jī)械連接方式的不同，可分為有齒輪箱型風(fēng)機(jī)和無(wú)齒輪箱的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)。

目前，市場(chǎng)上主流的變速變槳恒頻型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)分為雙饋式和直驅(qū)式兩大類。雙饋式變槳變速恒頻技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用了風(fēng)輪可變速變槳運(yùn)行，傳動(dòng)系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。直驅(qū)式變速變槳恒頻技術(shù)采用了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)直接耦合的傳動(dòng)方式，發(fā)電機(jī)多采用多極同步電機(jī)，通過(guò)全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅(qū)技術(shù)的最大特點(diǎn)是不需進(jìn)行齒輪箱傳動(dòng)，主要通過(guò)風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)良好，可靠性和效率都進(jìn)一步得到了提高。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的異步電機(jī)模型

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，由于風(fēng)力有著較大的不穩(wěn)定性，因此一般的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)在的大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通常采用雙饋異步電機(jī)。

異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制，就必須要對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在上個(gè)世紀(jì)60年代末，達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)（ TU Darmstadt）的K.Hasse提出了矢量控制這一策略。在70年代初由西門(mén)子工程師F.Blaschke在不倫瑞克工業(yè)大學(xué)（TU Braunschweig）發(fā)表的博士論文中提出三相電機(jī)磁場(chǎng)定向控制方法，通過(guò)異步電機(jī)矢量控制理論來(lái)解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。

利用矢量控制，可以通過(guò)類似控制他勵(lì)直流電機(jī)的控制方式來(lái)控制交流感應(yīng)電機(jī)以及同步電機(jī)。對(duì)于他激直流電機(jī)而言，電樞電流及磁場(chǎng)電流可以獨(dú)立控制，對(duì)于矢量控制而言，控制磁場(chǎng)和電樞的電流互相垂直，理論上并不會(huì)互相影響，因此在控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，不會(huì)影響產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁鏈，所以可以有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

矢量控制會(huì)依照程式中計(jì)算的電流矢量，產(chǎn)生三相PWM的電壓提供給電機(jī)，目的是要控制電機(jī)的三相電流。其中會(huì)將電流及電壓等物理量在二個(gè)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換，一個(gè)是隨速度及時(shí)間改變的三相系統(tǒng)，另一個(gè)則是二軸非線變的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。

進(jìn)行矢量控制的前提是3/2變換，通過(guò)3/2將三維坐標(biāo)變?yōu)樾D(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)，然后可以得到電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、運(yùn)動(dòng)方程、功率方程在d-q坐標(biāo)下的方程。

對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)而言，其d-q方程如下：

雙饋電機(jī)電壓方程：

定子繞組電壓：

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，風(fēng)電變流器，是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，加在轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁裝置。其主要功能是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，通過(guò)變流器控制勵(lì)磁的幅值、相位、頻率等，使定子側(cè)能向電網(wǎng)輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網(wǎng)模塊。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言有著關(guān)鍵的作用，首先他可以向轉(zhuǎn)子繞組饋入所需要的勵(lì)磁電流，完成定子磁鏈定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉和定子輸入無(wú)功功率調(diào)節(jié)。其次，當(dāng)發(fā)電機(jī)亞同步速運(yùn)行時(shí)，它可以往轉(zhuǎn)子中饋入能量，作為逆變器運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步速運(yùn)行時(shí)，變流器可以從轉(zhuǎn)子中吸收能量，作為整流器運(yùn)行，并通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器將能量饋回到電網(wǎng)。最后，當(dāng)發(fā)電機(jī)同步速運(yùn)行時(shí)，變流器向轉(zhuǎn)子饋入直流勵(lì)磁電流，實(shí)際作斬波器運(yùn)行。

四、風(fēng)能的發(fā)展前景

風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用非常廣泛，一方面可以作為微型獨(dú)立電網(wǎng)的電源，靈活地為牧區(qū)、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)和無(wú)法架設(shè)線路的基站、船舶提供環(huán)境友好可持續(xù)的電力供應(yīng)，一方面可以建立大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)作為能源基地輸出相當(dāng)可觀的功率。

我國(guó)風(fēng)能資源十分豐富，蘊(yùn)含量?jī)H次于美國(guó)和俄羅斯，且主要集中分布在缺少煤炭等常規(guī)能源的東南沿海及其島嶼、內(nèi)蒙古、新疆和青藏高原等地區(qū)，有利于大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用。

風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀，除了處于國(guó)家給予支持、補(bǔ)貼的政策保護(hù)階段而在各個(gè)方面享有優(yōu)惠的因素，風(fēng)力發(fā)電的利潤(rùn)與壽命決定了它的長(zhǎng)期利潤(rùn)相當(dāng)豐厚。盡管風(fēng)電的前期投資較高，在國(guó)家“棄風(fēng)限電”的大政策下，長(zhǎng)期運(yùn)行也可以獲得較高的收益。

五、結(jié)語(yǔ)

風(fēng)能分布廣泛、體量巨大，風(fēng)電是最有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础５诙a(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展、日益增長(zhǎng)的環(huán)保需求和可再生能源法等政策法規(guī)的綜合條件，使中國(guó)必將成為世界風(fēng)電市場(chǎng)的中心。

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