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1、 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 題 目： 學(xué)習(xí)中心： 層 次： 專升本 專 業(yè)： 電氣工程及自動(dòng)化 年 級(jí)： 2012 年 春 季 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 輔導(dǎo)教師： 完成日期： 序言能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風(fēng)電這一清潔能源已成為世界各國(guó)的戰(zhàn)略選擇。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。近年來我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)水平發(fā)展迅猛，但同時(shí)也暴露出一些問題?？偨Y(jié)我國(guó)風(fēng)電現(xiàn)狀
2、及其技術(shù)發(fā)展，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。第一章 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的現(xiàn)狀2005年2月，我國(guó)國(guó)家立法機(jī)關(guān)通過了可再生能源法，明確指出風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發(fā)利用在能源發(fā)展中的優(yōu)先地位。2009年12月，我國(guó)政府向世界承諾到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%45%，把應(yīng)對(duì)氣和變化納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源與核能，爭(zhēng)取到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。隨著新能源產(chǎn)業(yè)成為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺(tái)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新
3、亮點(diǎn)。我國(guó)自上世紀(jì)80年代中期引進(jìn)55kW容量等級(jí)的風(fēng)電機(jī)投入商業(yè)化運(yùn)行開始，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。到2009年底，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到2601萬kW，位居世界第二，2009年新增裝機(jī)容量1300萬kW，占世界新增裝機(jī)容量的36%，居世界首位1,2?？梢钥闯?，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正步入一個(gè)跨越式發(fā)展的階段，預(yù)計(jì)2010年我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量有望突破4000萬kW。第二章 比較各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)一、 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩種形式：1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（大、中、小型） 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的比較快，在世界各地人們已經(jīng)很早就認(rèn)識(shí)了，大型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)可以做到3-5
4、兆瓦，一般由國(guó)有大型企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，應(yīng)用技術(shù)也趨于成熟。小型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般是一些小型民營(yíng)企業(yè)生產(chǎn)，對(duì)研發(fā)生產(chǎn)的技術(shù)要求比較低，其技術(shù)水平也是參差不齊。小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在500-800r/min，轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的噪音大，啟動(dòng)風(fēng)速一般在3-5m/s，由于轉(zhuǎn)速高，噪音大，故障頻繁，容易發(fā)生危險(xiǎn)，不適宜在有人居住或經(jīng)過的地方安裝。2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（大、中、小型） 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的較慢一些，因?yàn)榇怪陛S風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)研發(fā)生產(chǎn)的技術(shù)要求比較高，尤其是對(duì)葉片和發(fā)電機(jī)的要求。近幾年垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展很快，尤其小型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)很成熟。小型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定
5、轉(zhuǎn)速一般在60-200r/min，轉(zhuǎn)速低，產(chǎn)生的噪音很?。梢院雎圆挥?jì)），啟動(dòng)風(fēng)速一般在1.6-4m/s。二、 參數(shù)對(duì)比：序號(hào) 性能 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1 發(fā)電效率 50-60% 70%以上 2 電磁干擾（碳刷） 有 無 3 對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 有 無 4 變速齒輪箱 10KW以上有 無 5 葉片旋轉(zhuǎn)空間 較大 較小 6 抗風(fēng)能力 弱 強(qiáng)（可抗12-14級(jí)臺(tái)風(fēng)） 7 噪音 5-60分貝 0-10分貝 8 啟動(dòng)風(fēng)速 高（2.5-5m/s） 低(1.5-3m/s) 9 地面投影對(duì)人影響 眩暈 無影響 10 故障率 高 低. 11 維修保養(yǎng) 復(fù)雜 簡(jiǎn)單 12 轉(zhuǎn)速 高 低 13 對(duì)鳥類影
6、響 大 小 14 電纜絞線問題 有 無 （或碳刷損壞問題） 15 發(fā)電曲線 凹陷 飽滿 第三章 介紹相關(guān)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)一、 現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各自特點(diǎn)小型發(fā)電直流混合系統(tǒng)小型發(fā)電交流混合系統(tǒng)A型：恒 速B型：有 限變速C型：變速含部分功率變頻器發(fā)電機(jī)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)雙繞組雙速異步發(fā)電機(jī)相對(duì)于單繞組單速型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能利用效率增高，適應(yīng)風(fēng)速變化范圍大，可靠性高造價(jià)成本高，具有齒輪箱，機(jī)械承受應(yīng)力大，噪聲大，易出故障可變轉(zhuǎn)子電阻繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)相比恒速風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率高，變槳距動(dòng)作頻率減小，可靠性增高控制系統(tǒng)負(fù)載，機(jī)械承受應(yīng)力較大，有齒輪箱，噪聲大雙饋式異步發(fā)電機(jī)機(jī)械承受應(yīng)力小，獨(dú)立控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁
7、電流解耦有功功率和無功功率，可以產(chǎn)生無功提供給定子電氣損耗大，有齒輪箱，價(jià)格昂貴，發(fā)電機(jī)要使用滑環(huán)，可靠性降低。在弱電網(wǎng)情況下，電壓會(huì)波動(dòng)。繞線式同步發(fā)電機(jī)機(jī)械承受應(yīng)力小，噪聲小，氣動(dòng)效率高，不需要無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高。電器損耗和變頻器容量大，成本較高。永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不需要提供勵(lì)磁，效率比感應(yīng)式電機(jī)高，無齒輪箱，噪聲及機(jī)械應(yīng)力小，控制靈活電器損耗大，變頻器容量大，發(fā)電機(jī)體積大，勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)，價(jià)格昂貴。二、 永磁同步發(fā)電機(jī)控制1. 工作原理： 風(fēng)力機(jī)把捕獲的流動(dòng)空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓隨風(fēng)速變化而變化的不控電能
8、。 變流器把不控的電能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓與電網(wǎng)同步的可控電能并饋入電網(wǎng)。2 控制模式： 監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行控制。 根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。 控制基本目標(biāo)：保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行; 獲取最大能量; 提供良好的電力質(zhì)量。三、 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)及對(duì)電力系統(tǒng)的影響 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的條件: 發(fā)電機(jī)輸出的電壓和電網(wǎng)電壓在幅值、頻率、相位上完全相同 并網(wǎng)時(shí)可能遇到的問題: 引起系統(tǒng)電壓下降，對(duì)電機(jī)和機(jī)械部件造成損壞；造成系統(tǒng)瓦解，威脅其它掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。2 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù) 同步發(fā)電機(jī)的
9、優(yōu)點(diǎn):既能提供有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定、電能質(zhì)量高。 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的缺點(diǎn)： 并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難要求的精度；無功振蕩與失步問題，在重下尤為嚴(yán)重。 解決方法：在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置。3 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù) 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn): 對(duì)機(jī)組的調(diào)速精度要求不高；控制裝置簡(jiǎn)單；不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行穩(wěn)定。 并網(wǎng)時(shí)存在的問題：直接并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流會(huì)造成電壓大幅度下降；需要無功補(bǔ)償；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于下降，電流劇增而過載。第四章 對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的展望一、 風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技
10、術(shù)系統(tǒng)工程。目前在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)主要集中在風(fēng)電機(jī)組大型化、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的先進(jìn)控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面。1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及容量的發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)主要在于如何進(jìn)一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效率的有效途徑，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷向大型化發(fā)展。從20世紀(jì)80年代中期的55kW容量等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)化運(yùn)行開始，至1990年達(dá)到250kW，1997年突破1MW，1999年即達(dá)到2MW。進(jìn)入21世紀(jì)，兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)逐漸成為國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。2004年德國(guó)Repower即研制出第一臺(tái)5MW風(fēng)電機(jī)，Enercon開發(fā)出第二代直驅(qū)
11、式6WM風(fēng)電機(jī)，預(yù)計(jì)2013年單機(jī)容量將突破15MW1,3。從世界范圍來看，1.5MW-2MW的機(jī)型占世界機(jī)組容量的比例，已從2007年的63.7%飛速上升到80.4%；而在我國(guó)，2005年風(fēng)電場(chǎng)新安裝的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組占當(dāng)年新裝機(jī)容量的21.5%，而2009年比例已經(jīng)上升到86.86%4。這表明容量風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，這是因?yàn)椋?自然風(fēng)速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動(dòng)和風(fēng)電場(chǎng)地形地貌等因素的隨機(jī)性和不可控性，這樣風(fēng)力機(jī)所獲得的風(fēng)能也是隨機(jī)和不可控的。 為使風(fēng)能利用率更高，大型風(fēng)力發(fā)
12、電機(jī)組的葉片直徑大約在60m100m之間，因此風(fēng)輪具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 自動(dòng)控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及運(yùn)行過程中故障的檢測(cè)和保護(hù)中都應(yīng)得到很好的利用。 風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常環(huán)境較為惡劣，在海島和邊遠(yuǎn)的地區(qū)甚至海上，人們希望分散不均的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風(fēng)速、風(fēng)向的隨機(jī)性變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力效率及輸入到傳動(dòng)鏈的功率發(fā)生變化，影響了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率并引起
13、轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì)對(duì)電能質(zhì)量及接入的電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對(duì)于小電網(wǎng)甚至?xí)绊懫浞€(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力，但同時(shí)也會(huì)使風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜化，且轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)模塊會(huì)有很大振蕩。目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略研究根據(jù)控制器類型可分為兩大類：基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制方法和現(xiàn)代控制方法。傳統(tǒng)控制采用線性控制方法，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。對(duì)于快速變化的風(fēng)速，其調(diào)節(jié)相對(duì)滯后。同時(shí)基于某工作點(diǎn)的線性化模型的方法，對(duì)于工作范圍較寬、隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)并不適用。二、 存在的問題及展望盡管近年來我國(guó)風(fēng)
14、電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時(shí)也暴露出眾多的問題。首先，我國(guó)尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。在設(shè)計(jì)技術(shù)方面，我國(guó)不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費(fèi)用，在一些具有自主研發(fā)能力的風(fēng)電企業(yè)中，其設(shè)計(jì)所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和源代碼都需要從國(guó)外購(gòu)買。在風(fēng)機(jī)制造方面，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進(jìn)口，同時(shí)，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國(guó)外同類產(chǎn)品相比其質(zhì)量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國(guó)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，上網(wǎng)容量遠(yuǎn)小于裝機(jī)容量。風(fēng)電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)往往沒有考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機(jī)容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。2009年新增裝機(jī)容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。最后，我國(guó)風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不健全，包括風(fēng)機(jī)制造、檢測(cè)、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場(chǎng)入網(wǎng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亟需建立和完善。因此，展望我國(guó)未來的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強(qiáng)自主創(chuàng)新掌握核心技術(shù)；必須加大電網(wǎng)建設(shè)力度，合理規(guī)范風(fēng)電開發(fā)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。
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