第章 电力电子技术在风力发电中的应用

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1、第9章电力电子技术在风力发电中的应用风能是清洁、廉价的可再生能源，并且分布广泛，总量十分可观。而风力发电是目前最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式，已受到全球性的广泛关注和高度重视。电力电子技术在风力发电的并网控制中起着重要作用，如定速风电机组的软启动和无功补偿装置，以及变速恒频风电机组的并网变流器。采用电力电子变流器驱动的变速恒频风力发电机组已成为目前风电市场的主力机型，本章主要介绍风力发电的发展、风力发电机组的主要类型、典型风力发电机组的工作原理以及电力电子技术在风力发电中的应用。9.1风力发电概述9.1.1风力

2、发电的发展随着人们对绿色环保能源的需求和对风能认识的提高，风能将成为21世纪的主要能源。地球表面吸收太阳能的不均匀性造成地球表面具有一定的温度差，这种温差引起空气的流动，热空气上升、冷空气下降，空气流动形成了风。空气有一定质量，因此空气流动就具有一定动能，这就是人类可以利用的风能，亦是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源。利用风能，人们可以用来发电、助航、提水灌溉、制热供暖等。人类利用风能的历史可以追溯到公元前，至少有3000年的历史，主要用于机械动力生产。约公元1000多年前，人们就掌握了帆船技术，即靠风帆直接推动来利用风能，然而机

3、械能不能远距离传送，而电能可以利用电网远距离输送，因此转化为电能成为风能的主要利用方式，即利用风轮收集风能（叶片是具有空气动力学外形，在气流推动下产生力矩使风轮绕其轴转动的主要原件），将其转变为旋转的机械能，通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能并利用电网远距离输送。但是由于风能具有间歇性且波动较大，其可控性和稳定性不如常规能源。近年来，由于风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，已成为发展最快的新型能源。而风力发电的发展过程可以分为以下三个阶段：（1）自十九世纪末至二十世纪60年代末，风能资源的开发尚处于小规模的利用阶段。

4、美国的Brush风机和丹麦的Cour风机被认为是风力发电的先驱。1887-1888年冬，作为美国电力工业的莫基人之一CharlesF.Brush在俄亥俄州市安装了第一台自动运行的风力发电机。这台电机叶轮直径17米，有144个由雪松木制成的叶片，运行了约20年，用来给他家地窖里的蓄电池充电。不过，由于低转速风机效率不可能太高，这台发电机的功率仅为12千瓦。1891年，丹麦物理学家Poul La Cour发现，叶片较少旋转较快的风力发电机效率高于叶片多转速慢的风力发电机。应用这一原理，他设计了一台使用4个叶片、发电能力为25千瓦的风力发电机。丹麦由

5、于能源相对匮乏，所以风电技术得到了持续的发展。到1918年第一次世界大战结束时，丹麦就已经建成了几百个小型风力发电站，总装机容量达3MW。1957年在丹麦Gedser海岸安装的200kW风力发电机，具有三个叶片，带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，标志着“丹麦概念”风机的形成。与此同时，在美国、德国各种风机的设计概念也先后出现，虽然一些风力发电机因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，但这一阶段的各种类型风机的试验，为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。（2）1973年的石油危机之后，风力发电由小型逐渐向大中型发展。上世纪70年代连续

6、出现了两次能源危机（1973和1979年），世界范围内能源价格一路上涨，风力发电的发展得到一些国家政府大力支持，许多直径超过60米的大型风力发电机被建设起来用于研究和验证。丹麦由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。丹麦的Tvind2兆瓦风力机，是风力发电机革命中的佼佼者。这台机组是下风向变速风机，叶轮直径为54米，发电机为同步发电机，通过电力电子设备与电网相连。美国加州80年代开始了风能发展计划，成千的风机被密密麻麻的布置在加州的山坡上，出现了加州风电潮。具有代表性的还有德国的GROWIAN（

7、风轮直径100m，3MW），建设时是当时世界最大的，曾引起广泛的关注。但这些大型风机的开发都或多或少的碰到了各种技术问题，而未能长期运行。但在这些研究实践中，积累了大量的技术和经验。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。随着风机产业商业化的逐渐成熟，丹麦当时一些农用机械生产商，如Vestas，Nordtank和Bonus等开始纷纷进入风机生产行业。由于这些公司有丰富的工程机械知识，因而他们很快就在丹麦的风机行业占据主导地位，进而在世界市场占据重要位置。这些对世界风力发电制造业无疑起着巨大的推动作用。（3）二十世纪90年代后开始进入

8、现代风力发电技术，风力发电开始大规模发展。经过了近百年的技术和经验的积累，加上风机产业的商业化，大型风电机组的技术日渐成熟。大规模的商业应用首先出现在