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1 绪论
1.1 风能的意义
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世界经济的快速发展和激烈的竞争，新能源发电尤其是风力发电技术日趋受到世界各国的普遍重视。除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。
风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。风力发电是人们有效利用风能的方法之一，其技术在可再生能源利用中的运用也是比较成熟的。风力发电是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学、等十几个专业学科，是一项系统技术。风力发电作为现在新能源利用的重要技术之一，电气工程和它是息息相关，密不可分的。目前全世界风电装机容量达到490万千瓦，而且还在以年均60％的速度增长，反映了当今国际电力发展的一个新动向。我国有丰富的风能资源，又有国外成熟的技术可以借鉴，大规模开发风电的条件已经具备，应该积极发展。据专家估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有2%转换成风能，风力发电装机容量可达1000兆千瓦，每年可发出电力1.3×1011度。风力发电有其自身独特的优越性，大力发展风力发电实现了低碳环保，风能不需要成本，也不造成辐射或空气污染，可带来巨大的经济效益；还有我国的风力资源是相当雄厚的，也为风能来源提供充足的保障。
1.2 国际风电技术的发展现状和趋势
随着国际社会对环境关注程度的不断提高，风力发电越来越受到了各国的重视，国外政府纷纷制定优惠政策，鼓励企业和个人积极参与风力发电事业，加大风电的开发力度。如法国、德国等欧洲发达国家都将风电定为优先发展级别。1999年10月5日，欧洲风能协会的一项国际能源研究报告指出：到2020年，风能可提供世界电力需求10%，创造170万个就业机会，并在全球范围减少100多亿吨二氧化碳废气[7]。风电技术经过20年的开发日益成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到6000kW，风电成本从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh，运行可靠性的发电成本接近于常规火电，迅速发展为初具规模的新兴产业。
国外风电发展速度非常快，装机容量以每年30％的速度增长。例如欧洲风能协会和绿色和平组织签署的《风力12—关于2020年风电达到世界电力总量的12％的蓝图》的报
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告中，指出期望并预测2020年全球的风力发电装机将达到12.31亿千瓦这是2002年世界风电装机容量的38.4倍，年安装量达到1.5亿千瓦，风力发电量将占全球发电总量的12％。就目前情况看，欧洲的风力发电机研发水平最高，其中以德国与丹麦发展风力发电机最为积极。丹麦是开发风电最早的国家，而且当前在风电机组技术和生产方面仍处于领先地位，2002年初丹麦全国风电装机2714MW，占发电总装机容量的11.09%；德国风电装机8753MW，超过美国(4245MW) 居世界第一；风电装机超过100MW的国家还有西班牙(3335MW)、意大利(197MW)等，己经达到了16个之多。欧盟2001年实际已装机17361MW，风电发展规划目标是2010年要达到40GW, 2020年达到100GW，届时风电的比例将超过10%。亚洲的风电事业也蓬勃兴起，到2002年初，装机总容量达到2220MW占世界风电装机总容量的9.1%。其中印度发展最为迅速，在短短几年时进入世界装机总量前五名 。
目前国外变桨距机构主要应用于MW级以上的大型风力发电机上，多采用两种方案：液压执行机构和电机执行机构。两者都以应用到2.5到6MW风力发电机上。在海上风力发电机也用到这两种方案。液压执行机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置和集成化程度高等优点在目前的变桨距机构中占有主要的地位, 它特别适合于大型风力机的场合；而电机执行机构以其结构简单、能对桨叶进行单独控制, 也受到许多厂家的青睐。 国外厂商开发的变距型风力发电机组的变距机构从驱动控制形式上可分为一个液压缸推动三片桨叶同步运行的结构形式；三个液压缸分别驱动三片桨叶的驱动形式和采用三个电动机通过减速器分别驱动三片桨叶的驱动形式，其中以VESTAS的一个液压缸驱动三片桨叶的变距系统最具有代表性。现在这三种变桨距结构在国外均有商品化机型，但是生产制造这种机型的国家基本上只有丹麦、德国、美国、西班牙等几个国家，如世界著名厂商NORDEX，VESTAS，DEWIND等这些公司均开发了大型变距型风力发电机组，并以实现了商业化运行。
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1.3 我国风电技术的发展现状和趋势
我国的风能资源十分丰富，据中国气象科学研究院估算，全国平均风能密度为100w/㎡，IOM高层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的陆地风能资源储量为2.53亿kW，居世界首位。东南沿海及附近岛屿、新疆、内蒙古和甘肃河西走廊，东北、西北、华北和青藏等地区属我国的风资源丰富区，每年风速在6m/s以上的时间近4000小时左右，一些地区年平均风速可达8m/s以上，具有很好的开发利用条件和开发价值。因此从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件[11]。2005年我国除台湾外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。截至2006初，我国除台湾外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省(市、区、特别行政区)。与2004年累计装机76.4kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%[12]。尽管近几年，我
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国风力发电机组事业发展迅速，但是风电基础还很薄弱，风电绝大部分关键技术落后，有些甚至是空白。我国在“九五”期间重点对600kW三叶片、定桨距、失速型、双速发电机的风力发电机组进行了研制，掌握了整体总装技术和关键部件如叶片、电控箱、发电机、齿轮箱等的设计制造技术，并初步掌握了总体设计技术。600kW失速型风电机组及其主要部件如电气控制系统、叶片等实现了国产化批量生产。对变桨距600kW风电机组也研制了样机。“十五”期间在“863”计划中对兆瓦级变速恒频风电机组进行攻关，在攻关计划中对750kW的失速型风电机组的产品化和产业化进行攻关。主要课题如下：
(1)兆瓦级直驱式变速运行风力发电机组研制
该课题采取和国外公司合作设计，在国内采购生产主要部件组装风力发电机组的方式进行。第一台样机计划于2005年上半年投入运行，国产化率25%；第二台样机计划于2005年9月投入运行，国产化率超过90%。课题完成后，形成具有一定自主知识产权的1.2MW直驱永磁风力发电机组产品样机。同时初步形成大型风力发电机组的自主设计能力；初步形成叶片、电控系统、发电机等关键部件的设计能力；基本形成叶片、电控系统、发电机等关键部件的制造和批量生产能力；形成塔架、机舱等辅助部件的批量制造和生产能力。
(2)兆瓦级双馈式变速恒频风力发电机组研制
该课题完全立足于自主设计，技术方案采取双馈发电机、多级增速箱、变桨距、变速技术。研制出的兆瓦级变速恒频风力发电机组多功能缩比模型，填补了我国大型风力发电机组实验室地面试验、仿真测试设备的空白；2005年开始现场安装，进行并网试车和运行考核。课题完成后制造安装1MW双馈式变速恒频风力发电机组的科研样机；设计制造叶片、齿轮箱、发电机、电控系统等关键部件的科研或商品样机；总结和发展一套风电机组的设计开发方法，为全面掌握风力发电机组的设计技术提供基础。
(3)我国海上风资源调查研究
课题调研了国外海上风资源评估技术研究状况，收集了原始数据和计算所需资料；进行了数据预处理、微波遥感风场信息反馈和海上风场数值模拟研究。课题完成后，为评估海上风能资源提供了方法，为进一步估算我国的海上风能资源总量奠定了基础。
(4)风电系统检测技术和技术规范研究
完成了风力发电机组整机功率特性测试系统、电能品质测试系统和噪音测试系统的详细设计工作，并进行上述系统的硬件和软件开发工作；对具体的发电机组进行了功率特性测试；基本完成了风力发电机组载荷计算软件和强度分析软件的完善工作；完成了检测技术手册的编写工作。课题完成后为形成我国自己的风电技术的质量标准体系、风电产品的测试能力以及产品认证体系。
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1.4 风力发电控制技术现状
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风能是一种能量密度低的能源，其随机性强。由于风速、风向的不断变化，使风机叶轮迎风面偏离风向，降低了风力机的效率及输入的功率，影响了风电系统的发电效率，并对供电质量产生影响，在风速，风向变化较大时对电网电压产生较大波动。为了减小内部的机械应力，风力发电机组通常采用柔性部件，但其也会使风电系统的动态性能较为复杂，建力模型有一定困难，其引起的振荡也难以抑制。目前，风力发电的控制策略研究主要有两种不同的控制方法，其中一种是利用偏航电机在风变化时调节风机叶轮的对风向，从而实现风能的最大捕获。
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2 风力发电机组系统构成及功能简介
2.1 风电机简介
2.1.1 笼型异步发电机
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笼型异步发电机是传统风力发电系统广泛采用的发电机。系统结构如图2.1所示。图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动装置，箭头指功率P的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。由于电机转子整体强度、刚度都比较高，不怕飞逸，比较适合风力发电这种特殊场合，所以笼型异步发电机发展很快，其技术日趋成熟，在世界各大风电场与风力机配套的发电机中，绝大多数是采用笼型异步发电机，但不能有效地利用风能，效率低。
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齿轮箱
功率
变换器
异步发电机
电容器
电网
图2.1 笼型异步发电机的系统结构
2.1.2 绕线式异步发电机
绕线式异步发电机由电机转子外接可变电阻组成，其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，发电机的转差率可增大至10%，能实现有限变速运行，提高输出功率，同时采用变桨距调节和转子电流控制，可以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。其系统结构如图2.2所示。