风力发电数字控制平台研究

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1、风力发电数字控制平台研究1.技术背景能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速地增长，迅速推动了世界工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量非常有限。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，致使能源危机成为阻碍人类进一步发展的障碍。据估计，煤炭还可以持续328年，石油还可以维持46年，天然气还可以维持56年，天然铀原料还可以维持63年。能源危机的重要表现是能源价格的不断上涨和电力紧张。另外大量非可再生能源的消耗致使环境恶化，气候变暖。能源危机与环境恶化是

2、人类所面临的两大难题，它们相互矛盾又相互关联的。如何解决这两大矛盾，利用科技手段开发可再生能源。太阳能、风能是可再生的洁净绿色能源，它们不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用之不竭。风力发电作为一个重要的可再生能源获得了很大的发展，随着技术水平的提高和市场不断扩大，风力发电增长迅速。单机容量不断扩大，国外有实力的企业在开发3～5MW机组，目前兆瓦机组已经商业化。据欧洲风能协会（EuropeWindEnergyAssociation）和美国风能协会(AmericaWindEnergyAssociation)的统计，截至2003年底止，全世界风电装机容量已达到39.294GW

3、，其中2003年新装机容量为8.133GW，比上一年度增长26％预计在下一个20年内会继续保持两位数的增长势头。欧洲和美国继续主导新增市场份额，尽管市场占有率比上一年的93％下降了3个百分点。在欧美以外印度的新增装机达到408MW，遥遥领先于其它国家。EWEA预计，2010年欧洲的风电装机容量将从2003年的28.4GW增加到75GW，到2020年将达到180GW，能够满足欧洲半数以上人的用电需求。在我国，一次能源结构中的主导地位决定了在电力生产中的以煤电为主的格局。从1996年起国家计委启动了发展大型风电的“乘风计划”和发展小型风电的“光明工程”。目前，我国50～20

4、0W的微型风力发电机组技术已经成熟，并投入批量生产。1～20KW小型风力发电机组也研制成功，达到了小批量生产阶段。对于中大型风力发电机组．截止到2003年底，我国在风能资源丰富的I4个省、市、自治已建成风电场40余个．累计运行风力发电机组1042台总容量达567．02MW(以完成整机吊装作为统计依据)。但在所安装的机组中，原装进口机(除塔架外)占90％以上，其余部分主要是与国外厂商合作合资生产的机组．完全由国内研制生产的机组数量极少由于进口设备价格较高，致使我国的风力发电产业发展受到严重影响，这一现实与国家要求进一步降低风电电价形成矛盾。除此之外，进口设备对中国气候条件

5、的不适应以及大量损坏部件得不到及时维修和更换等课题．进一步阻碍了中国风电产业的健康发展，因此发展我国大功率风力发电机组国产化是很必要的。2.风力发电关键技术研究现状2.1风力发电系统拓朴结构风力发电机组并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率一致。保持发电机输出频率恒定的方法有两种：①恒速恒频，采取失速调节或者主动失速调节的风力发电机，以恒速运行时，主要采用异步感应发电机。②变速恒频，采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。概括起来风机技术可以分为三类：①无电力电子功率变换的系统②电力电子功率变换电路处理部分风机能量的系统③电力电子全功率变

6、换系统。①图1是无电力电子功率变换的系统图示：图1无功率变换装置Fig.1.Windturbinesystemswithoutpowerconverterbutwithaerodynamicpowercontrol:(a)pitchcontrolled,(b)stallcontrolled,and(c)activestallcontrolled.感应电动机不随转矩而改变，几乎保持固定的速度在1~2的范围变化。功率是以失速，主动失速和叶片倾角控制限制的，通常使用一个软启动装置，为的消除启动时的启动电流。这种情况下需要一个无功补偿器消除风力发电机所需的无功，通常由电容虑波实

7、现。这种结构由于低成本和高可靠性很有吸引力。②非全功率的电力电子风力发电系统，能得到比上面更高的性能，下图是这种结构的配置图2部分功率变换系统Fig.2.Windturbinetopologieswithpartiallyratedpowerelectronics:(a)rotor-resistanceconverterand(b)doublyfedinductiongenerator.图2（a）所示的风力发电系统的发电机是绕线转子的感应电动机，一个由电力电子控制的阻抗串联在转子绕组中，使电机的转速可调范围在2~4%之间。转子阻抗控制功率