低碳环境下的风能资源发展现状概述

史亦健 李睿宸 赵曜

摘要：风力发电是重要的可再生能源。本文介绍了风电的发展历程、主流分类和未来前景，并着重讨论了异步双馈风力发电机的模型，能够为相关风力发电的研究提供一定依据。

关键词：风力发电;双馈式技术

一、风电的发展历程

基于应用风力进行灌溉、磨粉等生产活动的经验，19世纪末期丹麦首先开始研究风力发电，并制造首批风力发电机。20世纪30年代，美国独立运行的小型风电机组在试验农村电气化方面起了很大作用。然而当时特大型风力发电机制造技术复杂，运行不稳定，经济性很差，所以很难得到发展。特别是在价格低廉的石油的冲击下，特大型风力发电机只停留在科研阶段，未能实用。直到70年代石油危机与环境问题使人们注意到新能源的重要性，以及材料、设计和工艺等的进步提供了攻克技术难关的可能性，风力发电日益受到重视。

在我国，风力发电起步较晚，从上世纪70年代才开始系统地进行小型独立风力机的研制，80年代开始大型并网风力机的研制和风力发电场的规划。我国风电产业体量大、发展蓬勃、前景大好，但是在技术和设备上还是不如主流发达国家，并且相当程度地依赖进口产品，自主研发能力较为欠缺。

二、风力发电机组的分类

风力发电机组可划分为两大部分。其一，将风能转换为机械能的风力及部分;其二，将机械能转换为电能的发电机部分。风机可以根据这两大部分采用的不同结构，以及不同特征的技术方案进行分类。

如按照風机旋转轴的方向，即主轴与地面的相对位置分类，可分为叶轮需随风向变化而调整位置的水平轴式风机，以及叶轮无需随风向改变调整方向的垂直轴式风机;如按照功能功率传递的机械连接方式的不同，可分为有齿轮箱型风机和无齿轮箱的直驱型风机。

目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网。直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是不需进行齿轮箱传动，主要通过风轮直接驱动发电机发电，在风电转换效率方面表现良好，可靠性和效率都进一步得到了提高。

三、风力发电机的异步电机模型

对于风力发电机而言，由于风力有着较大的不稳定性，因此一般的同步发电机系统会出现一些问题。对于现在的大多数风力发电系统，通常采用双馈异步电机。

异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了更好的实现对异步电机的控制，就必须要对这个模型进行简化。在上个世纪60年代末，达姆斯塔特工业大学（ TU Darmstadt）的K.Hasse提出了矢量控制这一策略。在70年代初由西门子工程师F.Blaschke在不伦瑞克工业大学（TU Braunschweig）发表的博士论文中提出三相电机磁场定向控制方法，通过异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

利用矢量控制，可以通过类似控制他励直流电机的控制方式来控制交流感应电机以及同步电机。对于他激直流电机而言，电枢电流及磁场电流可以独立控制，对于矢量控制而言，控制磁场和电枢的电流互相垂直，理论上并不会互相影响，因此在控制转矩时，不会影响产生磁场的磁链，所以可以有快速的转矩响应。

矢量控制会依照程式中计算的电流矢量，产生三相PWM的电压提供给电机，目的是要控制电机的三相电流。其中会将电流及电压等物理量在二个系统之间转换，一个是随速度及时间改变的三相系统，另一个则是二轴非线变的旋转坐标系统。

进行矢量控制的前提是3/2变换，通过3/2将三维坐标变为旋转的d-q坐标，然后可以得到电压方程、磁链方程、转矩方程、运动方程、功率方程在d-q坐标下的方程。

对于双馈异步发电机而言，其d-q方程如下：

双馈电机电压方程：

定子绕组电压：

对于风力发电机而言，风电变流器，是双馈风力发电机中，加在转子侧的励磁装置。其主要功能是在转子转速n变化时，通过变流器控制励磁的幅值、相位、频率等，使定子侧能向电网输入恒频电。包括功率模块、控制模块、并网模块。

转子侧变流器对于风力发电机而言有着关键的作用，首先他可以向转子绕组馈入所需要的励磁电流，完成定子磁链定向矢量控制，实现最大风能捕捉和定子输入无功功率调节。其次，当发电机亚同步速运行时，它可以往转子中馈入能量，作为逆变器运行。当发电机超同步速运行时，变流器可以从转子中吸收能量，作为整流器运行，并通过网侧变流器将能量馈回到电网。最后，当发电机同步速运行时，变流器向转子馈入直流励磁电流，实际作斩波器运行。

四、风能的发展前景

风力发电的应用非常广泛，一方面可以作为微型独立电网的电源，灵活地为牧区、海岛等偏远地区和无法架设线路的基站、船舶提供环境友好可持续的电力供应，一方面可以建立大规模的风力发电场作为能源基地输出相当可观的功率。

我国风能资源十分丰富，蕴含量仅次于美国和俄罗斯，且主要集中分布在缺少煤炭等常规能源的东南沿海及其岛屿、内蒙古、新疆和青藏高原等地区，有利于大规模开发和利用。

风电的经济效益也很可观，除了处于国家给予支持、补贴的政策保护阶段而在各个方面享有优惠的因素，风力发电的利润与寿命决定了它的长期利润相当丰厚。尽管风电的前期投资较高，在国家“弃风限电”的大政策下，长期运行也可以获得较高的收益。

五、结语

风能分布广泛、体量巨大，风电是最有发展潜力的可再生能源。第二产业的快速发展、日益增长的环保需求和可再生能源法等政策法规的综合条件，使中国必将成为世界风电市场的中心。

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