風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)仿真

張曉山，肖強(qiáng)暉

（1 . 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2 . 湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，湖南 株洲 412006）

人類生存和發(fā)展所需要的常規(guī)能源日漸枯竭，高碳電力使環(huán)境日益惡化，這是當(dāng)前全球面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。因此，世界各國(guó)高度重視可再生能源的開發(fā)利用，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊拈_發(fā)利用成為研究的重點(diǎn)。風(fēng)能的能量大，分布廣，無(wú)污染，易轉(zhuǎn)換，可再生，與其他可再生能源相比，更容易開發(fā)利用，因此，大力開發(fā)風(fēng)能成為世界各國(guó)的共同選擇。

1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

作為一種可再生能源，風(fēng)能的蘊(yùn)藏量較大，全球風(fēng)能資源總量約為2.74×109MW，其中，可利用的風(fēng)能為2.00×107MW，是地球上可利用水能的20倍[1]。2011年，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)41000MW，全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)238000MW。截至2012年底，全球?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家有75個(gè)，其中，風(fēng)電技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家有：丹麥、西班牙、德國(guó)、美國(guó)；風(fēng)電裝機(jī)容量前6名的國(guó)家依次為：中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度和丹麥；世界風(fēng)電產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)前5強(qiáng)為：丹麥Vestas、美國(guó)GEwind、中國(guó)華銳、德國(guó)Enercon、中國(guó)金風(fēng)，這5家企業(yè)占據(jù)了國(guó)內(nèi)外風(fēng)電市場(chǎng)的半壁江山。（注：以上材料及本文未標(biāo)注來(lái)源的材料均來(lái)源于“中國(guó)能源網(wǎng)”及“中國(guó)風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)”）

1.1 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量位居全球第一，開發(fā)利用潛力巨大。截至2012年底，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)60830MW，占全國(guó)總發(fā)電量的2%，位居第三。2012年全國(guó)并網(wǎng)發(fā)電情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2012年全國(guó)并網(wǎng)發(fā)電情況統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of national grid generation in 2012

2012年，全國(guó)各地區(qū)新增裝機(jī)容量前3名是：內(nèi)蒙古自治區(qū)（新增1700MW）、山東（新增1400MW）、河北（新增1100MW）。內(nèi)蒙古自治區(qū)在風(fēng)電發(fā)展規(guī)模上一直位居中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)之首，其累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)17590MW，緊隨其后的是河北、甘肅和遼寧，累計(jì)裝機(jī)容量都超過(guò)5000MW。

2012年，國(guó)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)新增裝機(jī)容量排名依次為：金風(fēng)科技，新增裝機(jī)容量2520MW；聯(lián)合動(dòng)力，新增裝機(jī)容量2050MW；華銳風(fēng)電，新增裝機(jī)容量1770MW；明陽(yáng)風(fēng)電，新增裝機(jī)容量1510MW；湘電風(fēng)能，新增裝機(jī)容量1150MW。

在經(jīng)歷了引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、自主創(chuàng)新3個(gè)階段后，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展壯大，贏得歷史性發(fā)展機(jī)遇。國(guó)內(nèi)5MW容量等級(jí)的風(fēng)電產(chǎn)品相繼下線，兆瓦級(jí)機(jī)組在國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)逐漸普及，風(fēng)電裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高，國(guó)產(chǎn)機(jī)組的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額逐年提高，只用了短短幾年就走完了歐美國(guó)家?guī)资甑陌l(fā)展歷程，成為風(fēng)力裝備制造和發(fā)電運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電大國(guó)，位列世界第一。然而相關(guān)問(wèn)題也不斷出現(xiàn)，中國(guó)要成為風(fēng)電強(qiáng)國(guó)，仍需不斷努力。

首先，國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝備制造市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，企業(yè)盈利大幅下降，導(dǎo)致許多企業(yè)不斷裁員；二是風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及專利仍由國(guó)外幾家企業(yè)掌握，我國(guó)企業(yè)每年需支付大量專利、軟件、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢等費(fèi)用；三是風(fēng)力機(jī)、控制系統(tǒng)、逆變器需大量進(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、壽命及可靠性尚有較大差距；四是我國(guó)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致2011年中國(guó)風(fēng)電“棄風(fēng)”比例超過(guò)12%，達(dá)100億kW·h[2]， 2012年“棄風(fēng)”比例達(dá)16%，超過(guò)200億kW·h，送電并網(wǎng)難成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸；五是中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)品出口遇阻，如美國(guó)商務(wù)部2012年12月18日做出終裁，認(rèn)定中國(guó)向美國(guó)出口的應(yīng)用級(jí)風(fēng)塔存在傾銷和補(bǔ)貼行為，對(duì)中國(guó)風(fēng)電出口實(shí)施“雙反”。

為了擺脫能源危機(jī)和不再受制于人，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)應(yīng)努力解決以下問(wèn)題：逐步解決風(fēng)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不健全的問(wèn)題，建立健全完善統(tǒng)一的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系；加強(qiáng)自主創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)；加大電網(wǎng)建設(shè)力度，合理規(guī)范風(fēng)電開發(fā)。

1.2 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r

丹麥于1890年研制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1891年建立了世界上最早的風(fēng)電場(chǎng)[3]。20世紀(jì)90年代，一些歐美國(guó)家制定了風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)惠政策，奠定了風(fēng)電發(fā)展的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)外風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)。目前，丹麥的風(fēng)力發(fā)電已占本國(guó)電力的20%，西班牙為13%，葡萄牙為12%，愛爾蘭為9%，德國(guó)為8%。

在國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展歷程中，國(guó)家相關(guān)政策發(fā)揮了決定性的作用。如美國(guó)在2009—2011年期間，在奧巴馬政府7 870億美元的包含減稅政策的經(jīng)濟(jì)刺激方案中，“生產(chǎn)稅返還”政策補(bǔ)貼總額高達(dá)131.43億美元，其中約一半用于風(fēng)電補(bǔ)貼。再如美國(guó)政府投資數(shù)十億美元，用以制造風(fēng)電渦輪機(jī)和建設(shè)智能電網(wǎng)，計(jì)劃于2009—2029年，每年新增風(fēng)力發(fā)電能力400～1600MW，到2030年，風(fēng)力發(fā)電總?cè)萘繉⒗塾?jì)增至30500MW，屆時(shí)，風(fēng)力發(fā)電將滿足電力需求的20%。歐洲的風(fēng)電大國(guó)也不甘落后，紛紛制定風(fēng)電優(yōu)惠政策，大力投資風(fēng)電。德國(guó)規(guī)劃到2020年可再生能源發(fā)電占25%～30%，未來(lái)幾年內(nèi)將在海岸建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。過(guò)去10年間，歐美風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量增加了10倍，風(fēng)力發(fā)電成本下降了60%，已接近常規(guī)發(fā)電及核電成本，風(fēng)力發(fā)電和水利發(fā)電共同改善了這些國(guó)家的電力結(jié)構(gòu)，減少了大氣污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到了重要的作用。

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)電技術(shù)是空氣動(dòng)力學(xué)、電機(jī)學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)等多學(xué)科的綜合技術(shù)[4]。雖然風(fēng)電發(fā)展已約100年，但直至20世紀(jì)70年代才逐漸受到人們的重視，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的風(fēng)電技術(shù)未能充分展現(xiàn)風(fēng)能的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電技術(shù)還有較大的發(fā)展空間。與世界先進(jìn)技術(shù)比較，我國(guó)在中小型風(fēng)電領(lǐng)域保持同步甚至領(lǐng)先的水平，但在風(fēng)電機(jī)組大型化、先進(jìn)控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面還有較大差距。

2.1 風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)可大幅提高風(fēng)能的利用率和轉(zhuǎn)換效率，是并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（連云港）有限公司近日宣布，其自主設(shè)計(jì)研發(fā)的6 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在山東濰坊風(fēng)場(chǎng)順利并網(wǎng)發(fā)電，該機(jī)組配套的風(fēng)電葉片長(zhǎng)66.5m，開創(chuàng)了風(fēng)電裝備制造的先河。德國(guó)Repower公司于2004年研制出第一臺(tái)5MW風(fēng)電機(jī)，Enercon公司開發(fā)出第二代直驅(qū)式6 MW風(fēng)電機(jī)。丹麥Vestas公司于2013年初開始測(cè)試單機(jī)容量為8MW的風(fēng)電機(jī)。英國(guó)Arup公司10MW的海上新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)將于2013—2014年建成。

2.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)

水平軸風(fēng)電機(jī)組具有轉(zhuǎn)軸短、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，已占到95%以上的市場(chǎng)份額，成為風(fēng)力機(jī)的主流。另外，具有對(duì)風(fēng)好、變速裝置簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)的垂直軸風(fēng)電機(jī)組，其轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低、經(jīng)濟(jì)性較差、啟停機(jī)和變槳困難，目前其市場(chǎng)份額較小，但在微風(fēng)發(fā)電等方面占有優(yōu)勢(shì)，也值得研究和開發(fā)。

2.3 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)

早期的風(fēng)力機(jī)采用定槳距裝置，其槳葉與輪轂的連接（槳距角）固定不變，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速大小變化，較不穩(wěn)定。后來(lái)，改進(jìn)槳葉形狀，利用槳葉翼型本身所具有的失速特性，即氣流的攻角增大到失速條件時(shí)，槳葉的表面產(chǎn)生渦流，將發(fā)電機(jī)的功率輸出限制在一定范圍內(nèi)，得到平穩(wěn)的功率輸出。這種裝置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，但葉片質(zhì)量大，導(dǎo)致槳葉及支撐部件受力較大，容易疲勞或磨損，機(jī)組的整體效率也較低。為了克服定槳距的弱點(diǎn)，一種變槳距裝置應(yīng)運(yùn)而生，其由傳動(dòng)齒輪箱、伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制部分組成，其原理是根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整葉片槳距角，使風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速較大范圍變化時(shí)保持輸出功率基本不變，可大幅提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的變槳變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠通過(guò)勵(lì)磁控制和變槳距調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速大范圍變化時(shí)仍能保持最佳狀態(tài)運(yùn)行。具體表現(xiàn)在：轉(zhuǎn)速不再影響輸出電壓的頻率、幅值和相位；低風(fēng)速時(shí)，能夠根據(jù)風(fēng)速變化保持最佳葉尖速比，以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角，保證風(fēng)電機(jī)組的輸出功率平穩(wěn)和安全運(yùn)行；風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高，控制更加平穩(wěn)、安全和高效。變槳變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因具有以上顯著優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，在全球已安裝運(yùn)行的2MW及以上的機(jī)組中約占95%。

2.4 雙饋異步發(fā)電機(jī)技術(shù)

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前世界風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用最多的主流機(jī)型，采用轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。這種雙饋繞線型異步發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用系數(shù)高，不但能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)，且可避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭矩和應(yīng)力，還可自由調(diào)整有功和無(wú)功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和電壓等電量的調(diào)節(jié)。同時(shí)，變速恒頻控制的核心雙向變頻器連接在轉(zhuǎn)子電路與電網(wǎng)之間，對(duì)變頻器的容量要求較低，約為發(fā)電機(jī)容量的1/3，因此，該變頻器的成本及設(shè)計(jì)難度均大大降低，保證了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。目前，廣泛使用的這種交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)存在滑環(huán)和電刷帶來(lái)的電磁干擾較大、維護(hù)頻繁等缺點(diǎn)，因此，對(duì)可靠性要求更高的無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究成為風(fēng)電業(yè)當(dāng)前及未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

2.5 直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)

直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)是由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，無(wú)需雙饋機(jī)組的變速齒輪箱，減輕了整機(jī)質(zhì)量，同時(shí)也減少了機(jī)械故障的發(fā)生，提高了機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行可靠性和壽命，降低了運(yùn)營(yíng)成本。但直驅(qū)風(fēng)電的定子電流經(jīng)變流器饋入電網(wǎng)，變流器全功率運(yùn)行，對(duì)變流器的設(shè)計(jì)要求以及元器件的要求都較高。隨著電力電子器件及技術(shù)的進(jìn)步，全功率變流器的效率與可靠性大幅提高，成本卻大幅下降，無(wú)需勵(lì)磁的直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的高效低故障率優(yōu)勢(shì)便愈發(fā)凸顯。直驅(qū)式變速恒頻技術(shù)、全功率變流并網(wǎng)技術(shù)可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命，有利于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，近年來(lái)得到迅速發(fā)展[5]。如專門生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)直驅(qū)機(jī)組的德國(guó)Enercon公司，其產(chǎn)品已占到德國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新增風(fēng)電裝機(jī)容量55%以上的市場(chǎng)份額；西門子公司在丹麥安裝了2臺(tái)3 MW的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)；我國(guó)金風(fēng)科技有限公司與德國(guó)Vensys公司合作研制出1.5MW直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)，目前已有約1 000臺(tái)正在運(yùn)行發(fā)電；我國(guó)湘電公司自主研制的2MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組也已大規(guī)模進(jìn)入風(fēng)電市場(chǎng)。與此同時(shí)，整合了直驅(qū)和雙饋技術(shù)的半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)也取得了重大突破，開始出現(xiàn)在世界風(fēng)電市場(chǎng)。

2.6 大型風(fēng)電機(jī)關(guān)鍵部件技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機(jī)研制成功，使發(fā)電效率進(jìn)一步提高，而與之配套的高壓三電平變流器技術(shù)又大大降低了功率器件的損耗，使逆變效率達(dá)到98%以上；槳葉形狀的優(yōu)化與大型化，以及制作材料的高強(qiáng)度與輕量化技術(shù)都大幅提高了葉片吸收風(fēng)能的效率；大型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱技術(shù)明顯提高，降低了風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)量與成本。

2.7 智能化控制技術(shù)

智能化控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性和壽命，促進(jìn)了風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)技術(shù)的提高。計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域后，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)得到了發(fā)展，控制方式從單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發(fā)展，并最終向智能型控制發(fā)展。

2.8 低電壓穿越技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)低電壓故障導(dǎo)致大面積風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)脫離的現(xiàn)象將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的要求越來(lái)越高，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越能力，即要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)因故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)，并能夠在故障切除后盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。很多國(guó)家對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)做出了嚴(yán)格的規(guī)定，要求風(fēng)電機(jī)組必須具有良好的低電壓穿越能力才能并入電網(wǎng)。因此，全球主要風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的風(fēng)電機(jī)組大都通過(guò)了低電壓穿越性能試驗(yàn)[2]。

2.9 離網(wǎng)型發(fā)電技術(shù)

離網(wǎng)型發(fā)電機(jī)主要是中小容量機(jī)型，應(yīng)用的地域廣，潛力大，其技術(shù)越來(lái)越成熟，其全球裝機(jī)總?cè)萘坑锌赡艹^(guò)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量。我國(guó)的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用相對(duì)于大型機(jī)組要早十幾年，其技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)與制造在世界處于領(lǐng)先水平，大量出口歐美及東南亞地區(qū)，為我國(guó)離網(wǎng)型發(fā)電奠定了技術(shù)和物資基礎(chǔ)。全球遠(yuǎn)離電網(wǎng)而風(fēng)能豐富的山區(qū)、荒漠、戈壁灘以及海島等地區(qū)，采用離網(wǎng)型分布式風(fēng)力發(fā)電廠就近送電，不但可以解決用電難題，還可大大降低供電成本，發(fā)展前景較好。

2.10 海上風(fēng)電技術(shù)

海面占地球表面積的70%以上，海上風(fēng)力比陸地更大、更穩(wěn)定，海上風(fēng)電的潛在能量達(dá)1600000MW，是陸上風(fēng)電（280000MW）的5.7倍。目前，海上風(fēng)電機(jī)組的安裝技術(shù)主要有兩種：一種是在淺海域采用的著底型結(jié)構(gòu)，另一種是在深海域采用的浮體型結(jié)構(gòu)。目前，浮體型結(jié)構(gòu)的成本約為著底型結(jié)構(gòu)的2倍。歐洲的淺海域多，因此較多采用著底型結(jié)構(gòu)；日本的近海水深，故以浮體型結(jié)構(gòu)為主。丹麥于1991年建成了第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)，隨后，歐洲迅速推廣海上風(fēng)電技術(shù)。截至2012年6月30日，歐洲共建設(shè)56個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，總計(jì)1503臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)全部并網(wǎng)，并計(jì)劃在未來(lái)4年里在海上風(fēng)電領(lǐng)域投資超過(guò)40億歐元，進(jìn)一步擴(kuò)大再生能源發(fā)電規(guī)模。美國(guó)也不甘落后，計(jì)劃于2013年上半年建設(shè)美國(guó)首座海上風(fēng)力發(fā)電廠。我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的6MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在山東濰坊風(fēng)場(chǎng)順利并網(wǎng)發(fā)電，這標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電成功邁入高水平行列。發(fā)展海上風(fēng)電，解決電力需求矛盾，是風(fēng)電發(fā)展的長(zhǎng)期趨勢(shì)[6]?？梢灶A(yù)見，高端的海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)品在未來(lái)兩三年內(nèi)將逐步擴(kuò)大研發(fā)規(guī)模，并成為市場(chǎng)海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的主流。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

應(yīng)用較廣泛的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)，采用仿真技術(shù)研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)論較接近于實(shí)際結(jié)果，而且可以大大簡(jiǎn)化開發(fā)過(guò)程，可節(jié)省大量的人力、物力和時(shí)間，具有推廣價(jià)值。圖1是以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用MATALAB/Simulink建立的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，其中，電機(jī)為異步電機(jī)模型，在對(duì)話框中選擇轉(zhuǎn)子形式為繞線式。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Simulation model of double-fed wind power generation system

仿真模型中定子與三相電網(wǎng)直接相連，而轉(zhuǎn)子通過(guò)交—直—交型的雙脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）變流器與電網(wǎng)相連，構(gòu)成雙饋異步電機(jī)。仿真結(jié)果如圖2～4所示，其電壓、電流及有功功率輸出波形完全符合電力設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖2 575V母線三相電壓波形Fig.2 Three-phase voltage waveform for 575V bus

圖3 575V母線三相電流波形Fig.3 Three-phase current waveform for 575V bus

圖4 575V母線有功功率Fig.4 575V bus active power

4 結(jié)語(yǔ)

人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大，煤、天然氣及石油等常規(guī)能源卻在不斷減少，大力推廣風(fēng)電，進(jìn)一步增強(qiáng)風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位，將是未來(lái)能源開發(fā)利用的發(fā)展趨勢(shì)。盡管目前全球風(fēng)電發(fā)展還存在一些問(wèn)題，但世界各風(fēng)電大國(guó)將以更加優(yōu)惠的政策繼續(xù)支持風(fēng)電事業(yè)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在未來(lái)若干年都將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，風(fēng)電技術(shù)也將進(jìn)入快速發(fā)展的黃金時(shí)期。

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