风力发电的调研报告
风力发电的调研报告
摘要: 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。
关键词：风力发电、装机容量、发电机、发电技术。
一．发展风力发电的意义、重要性及其必要性。
在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究
和利用已成为全球各国关注的焦点。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。
风能很早就被利用，主要用来风车抽水、风车磨面等，风能是一种清洁的可
再生能源，其蕴藏的能量巨大，全球的风能约为 2.74 亿 MW，其中可利用的部分
约为 2 百万 MW，它比地球上可开发利用的水能总量要大十倍，是每年全世界燃
烧煤获得能量的三倍；我国每年依靠煤发电占了 80%，产生了大量的温室气体，
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。
二．国内外的研究现状
就全球外风力发电的情况来看，其未来各方面的效益是相当可观的。全球风
力能源在2008年增长28.8%，美国2008年新建了8.35GW的风力发电产能，总产能
为25.1GW占全球风力发电的五分之一；欧盟在2008年末，风力发电总装机容量
为64.94GW；2009年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风
电行业发展势头迅猛，全球年度市场增长率达41%，行业市场格局基本没有发生
实质性的改变，美国、欧盟和亚洲仍处于全球风电发展的主要领导地位，明显的
变化是中国超越美国，成为了2009年新增装机容量全球第一的国家。根据全球风
能理事会GWEC统计报告显示，截止2009年，全球风电装机容量累计已达1.58亿
kW，增长率累计达31.9%，产出总值为450亿欧元，从业人数约50万，该产业已
经成为世界能源市场的重要组成部分。到2009年底，全球已有100多个国家涉足
风电领域，目前17国累计装机容量超过百万千瓦[1]。
对于中国，我国在2009年风能装机容量为25GW，与美国相差了1000万kW；
2009年中国风电新增装机容量1380万kW，居全球第一；中国风电累计装机容量
2580万kW，仅次于美国的3506万kW；风电机组装备与制造能力居全球第一。2010
年新增和累计风电装机容量双居全球第一位；2020年的风电累计装机可达2.3亿
kW，相当于13个三峡水电站的规模，年总发电量约4649亿kW·h，风电总装机容
量占15%左右，可取代200个火电厂，减少二氧化碳排放量4.1亿t/a，节约标准
煤近1.5亿t/a[1]。
三．风力发电机的分类
根据基本结构以及运行原理，发电机通常可分为直流电机、感应异步电机和
同步电机几大类。风力发电系统中电机类型繁多，包括以下类型。
（一）在CSCF 风电系统中常用的发电机包括异步机感应电机和电励磁同步机。
1.异步机感应电机。异步机运行稳定可靠、坚固耐用、结构简单便于维护，
适用于各种恶劣的工况条件，但转速运行范围窄。电机定子一般通过变换器或软
启动器与电网相连，通常还需并联无功补偿器，提供足够的无功补偿以维持机
端电压稳定。软启动器的主要作用是限制并网时过大的冲击电流对电网的不利影
响。
2.电励磁同步电机。它带有独立的励磁系统，是同步电机必不可缺的组成部
分，必须通过励磁系统的激磁才能建立旋转磁场，旋转磁场以同步转速旋转运
行。根据励磁系统的励磁方式可分为直流励磁、静止交流整流励磁和旋转交流整
流励磁。旋转交流整流励磁无需电刷及滑环，可靠性大为提高。调节励磁可以改
变电机无功功率以及功率因素，且并网运行供电可靠性高，频率稳定，电能质
量好，这是同步机的显著优点[2]。
（二）在VSCF 风电系统中所采用的电机种类比较多，常见的有以下几种。
1.笼型异步电机。因转子结构像鼠笼而得名，风速改变时，风力机和发电机
的转速也跟随调整，因此发电机输出的电压频率不是恒定的，利用电机定子和
电网间的变换器，将频率转变成与电网相同的恒定频率，可见变速恒频控制是
在定子侧实现的[3]。由于电机定子与变换器相连，变换器容量与发电机的相同，
特别在大容量风电系统中将导致变换器成本、体积以及重量都明显增加，一般多
应用于离网型风电系统。
2．绕线式异步电机。普通绕线式异步发电机。这类发电机的滑差变化小，
调速范围较窄，通常不超过5%。利用改变转子回路外串电阻阻值大小的方式，就
能改变转子回路中外串电阻所消耗的转差功率，以此达到改变电机转速的目的，
但在转子回路串入电阻，使系统损耗加大。
3．双速异步发电机。这种发电机具有两种不同的同步转速，即低同步转速
和高同步转速。风速较低时采用低同步转速运行方式，维持低功率输出；风速较
高时采用高同步转速运行方式，与之对应则是高功率输出。根据异步电机理论，
在电网频率恒定的情况下，只需改变极对数，就能改变同步转速。通常通过安装
两套不同绕组或改变定子绕组的接线方式就可改变极对数[2]。
4.滑差可调异步发电机。根据风力机特性，当风速改变时，而风力机转速维
持不变，风能利用效率必将偏离最佳值，风力机发电效率将明显降低。若风速在
一定范围内变化时，风力机的转速也可跟随变化，此时利用电力电子元件构成
的控制机构，调整滑差可调绕线式异步发电机转子绕组中串接电阻值的大小就
可保持转子电流恒定，不需要进行变桨距调节便可保持发电机输出功率恒定，
避免了风速频繁变化引起输出功率的波动，供电质量明显改善; 变桨距调节机
构也无须频繁操纵、控制，大大提高了系统运行的可靠性，有效地延长了机组的
使用年限。
5.交流励磁双馈异步发电机。这类发电机定子侧直接与电网相接，转子侧通
过变换器与电网相连，定子、转子均可与电网双向传递功率，通过转子侧变换器
可改变转子电流的频率、相角及幅值实现恒频输出。这种电机既可电动运行，也
可发电运行，调速范围较宽，而定子侧输出电压与频率均可保持恒定; 对输出
有功和无功可分别独立控制；对网侧有无功补偿的作用，可有效提高电网的功
率因素，大大增强系统的稳定性。变换器只提供转差功率，其容量仅仅相当电机
的20%—30%，可显著降低变换器的成本，是一种较为优化的变速恒频运行方案，
在风力发电系统中得到了日益广泛的应用[2]。
6.无刷双馈异步发电机。无刷双馈异步发电机定子包含两套极数不同的绕组
功率绕组，相当于双馈发电机的定子绕组，与电网直接相连；控制组，相当于
双馈发电机的转子绕组，通过变换器连接电网，转子采用磁阻式或者笼型结构
形式; 虽然这种发电机的运行原理与双馈发电机的存在本质的不同，但都能利
用相同的控制策略进行变速恒频调节[3]。因发电机本身没有滑环和电刷，既降低
了成本，又提高了运行的可靠性。
7.永磁同步发电机。永磁同发电机定子通过变换器与电网相连(如图二)，因
此变换器的容量与电机的相同，变速恒频运行是在定子侧实现的。若省去系统的
齿轮箱部件，风力机与发电机直接耦合，即为直驱动式结构，否则为半驱式结
构。直接耦合后无需传动装置，噪声大为降低，但发电机运行时转速比较低，导
致电机机体体积相对较大，成本有所提高，但考虑省去了造价昂贵且易磨损的
齿轮箱部件，整个机组的制造成本还是下降了，可靠性也大为提高，系统也更
便于维护[3]。
图一.直驱式永磁同步电机变速恒频风电系统
8.混合励磁永磁同步发电机。这种发电机是在永磁同步电机结构基础上改良
而来，既含有永磁体，又带有自身的励磁系统。电机气隙磁场由两部分合成:一
部分是由电励磁系统激励生成，这部分磁场强弱可调节；另一部分则由电机的
转子永磁体产生，是构成磁场的主体部分。它同时具有永磁同步电机及电励磁同
步电机两者的优点:磁场既可调，励磁损耗又低，且效率高，又解决了永磁同步
电机磁场难以调节的不足，有较好的发展应用前景[6]。
9.开关磁阻发电机。开关磁阻发电机转子上既无绕组也无永磁体，电机定子
上有集中绕组，利用控制器分时实现发电和励磁，因此结构简单，成本低，可
靠性高；开关磁阻电机低速性能良好、启动转矩大、调速范围宽、过载能力强，
可应用各种高低速驱动调速系统。目前，在风力发电系统也有一定的应用[4][5]。
10.高压发电机。普通发电机通常只能在低压条件下运行，发电后必须通过
升压变压器才能在电网上输送电能，这表明通过变压器输电时存在较大的功率
损耗; 高压发电机在结构上与普通发电机并无特别之处，但高压发电机定子绕
组采用高压电缆绕制，使得发电机可以运行于高压条件下，电机铜耗明显降低，
提高了功率变换器输出电压的等级，风电系统经变压器升压就可向电网输电[7]。
因省去了变压器和传动机构，电磁损耗较低，可靠性高。
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风力发电的调研报告摘要: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。关键词：风力发电、装机容量、发电机、发电技术。一．发展风力发电的意义、重要性及其必要性。在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。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...
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作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
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格式：DOC
时间：2023-06-29
