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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 浅谈风力发电技术
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年02月03日
随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上课利用的常规能源日趋匮乏。据专家预测：煤炭还可以开采221年、石油39年、天然气只能用60年，如何能够实现能源的可持续发展？唯一的出路就是有计划地利用常规能源、节约能源、开发新能源和可再生能源。目前电能产生主要靠火力发电，但火力发电产生大量污染，为减少对大气的污染，实现能源的可持续发展，世界各国都积极发展风力发电，可以预见，在今后10年，风力发电必将成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。
本文以此为基础，对风力发电技术进行深入的研究，首先对本文的研究现状和意义进行概述，之后对风力发电机相关理论进行分析，主要包含传统风力发电机和新型风力发电机。然后对风力发电控制技术进行研究，主要包含定桨距失速风力发电技术、变桨距风力发电技术、主动失速/混合失速发电技术、变速风力发电技术，最后对风力发电系统的智能控制进行分析，主要包含模糊控制、神经网络控制以及风能发电最新进展。希望通过本文的研究能够为我国风力发电领域带来具有价值的参考和借鉴。
关键词：风力发电；现状；技术；智能控制
目 录
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
风力发电是一种技术最成熟的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机安全高效运行的关键。
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风电机组）是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40%。在风电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍，输出功率增加8倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大。
风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为100W~10KW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，系统的容量约为10~200KW，可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。机组单机容量范围在200~2500kW之间，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台组成风力发电场，简称风电场。
由于风速是随时变化的，风电的不稳定性会给电网带来一定影响，目前许多电网内都建设有调峰用的抽水蓄能电站，使风电的这个缺点可以得到克服。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外风力发电发展现状
在电力新能源中，风电是发展速度最快的。近十年风力发电增长迅猛，全球风电的年平均增长率一直保持在29%左右。全截止到2007年底，全球风电装机总容量已超过94 000Mw，当年新增装机容量20 076Mw，累计装机容量从2006年的74 141Mw增至94 123Mw，是1997年的12倍。2008年全球范围内新增风电装机容量2 705万kW，使得全球风电装机容量达到1．20亿kW，较2007年增长28．8%。
从增量看，美国为全球第一，2007年新增装机容量为5 244Mw，占全球新增装机的26．1%，之后是西班牙(3 522Mw)、中国(3 449MW)、印度(1 730Mw)、德国(1 667Mw)和法国(888Mw)。法国和中国等新兴风电市场正在发展装大。在2007年欧洲的装机容量仍然是全球装机容量最大的地区，装机容量占全球装机容量的61%，2007年欧洲风电增长19%，发电量大约为12㈣，提供了欧洲3．8%的电力。远远超过了其他地区，主要是因为该地区其他资源比较贫乏，风力发电开发的比较早，技术比较成熟，并且没有污染；其次是北美地区，在2007年的装机容量为19 406Mw，在这个地区主要是美国和加拿大风电的发展，近些年美国的风电发展比较快，2007年风电新增装机容量5 244Mw，同比增长了1倍多，占全球发电装机新增容量的30%左右。排名第三的是亚洲，2007年新增装机5 436Mw，累计装机总量达到16 000Mw，增长率为53%。在亚洲主要的风电利用地区是中国、印度和日本；其他地区风电的发展虽然也比较快，但是风电的技术水平相对比较落后，风能的利用水平比较低，依次是太平洋地区、南美和加勒比海地区、非洲与中东地区等。不过这些地区的风能资源比较丰富，有待进一步开发。
根据主要风力发展国的规划，未来风电仍有很大的发展间。以欧洲为例，计划到2020年实现可再生能源占总发电量的20%，其中风电达到12%；目前主要国家的风电覆盖率均处于较低的水平，全球平均风电占总发电量的比例仅为1．19%，要实现12%的目标，还需要增长近十倍。主要大国中风电发展较好的德国在2007年底风力发电占总发电量的4．34%，西班牙为7．78%，属于欧洲较高水平；而美国的风电覆盖率仅有O．73%；总体来看，风电市场的增长相当迅速，主要增长市场将在美国、中国、印度以及欧洲部分国家。。
1.2.2 我国风力发电发展现状
中国幅员辽阔，陆疆总长2万多公里，海岸线1．8万多公里，风能资源丰富。根据资料统计，经济可开发的陆地风能资源大约为253Gw，可利用的海洋风能资源经济可开发量大约为750Gw。沿着东南沿海和附近的岛屿以及内蒙古、新疆、甘肃、青藏高原等地区都蕴藏着丰富的风能资源。据统计中国风能的技术开发量可达3亿千瓦-6亿千瓦，而且中国风能资源分布集中有利于大规模的开发和利用。据考察中国的风能资源主要集中在两个带状地区。一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”即西北、华北和东北的草原和戈壁地带。另一条是“沿海及其岛屿地丰富带”即东部和东南沿海及岛屿地带。这些地区一般都映少煤炭普常规能源并且在时间上冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大衔风电正好能够弥补火电的缺陷并与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。年平均风速6m／s以上的内陆地区约占全国总面积的l%，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。但是我国风电作为一个产业来说发展比较缓慢，近几年才有了较快的发展，初步具备了规模开发和建设大型风力发电厂的能力。与世界先进水平相比，我国风电发展还有一定的差距。
2000年以来，我国风电产业开始驶入发展的快车道，风电装机容量一年一个台阶。到2003年，中国共有40个风力发电站，发电量达到56．7万千瓦，其中规模最大的是新疆的达坂城发电站。“十五”期间，我国的并网风电得到迅速发展。全国风电装机总容量达到126万千瓦，位居世界第10位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2005年，中国发电设备容量规模取得历史性突破，发电生产结构也进一步优化，其中风电投产发电设备容量超过了100万千瓦。2005年中国除台湾省外新增风电机组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%。2005年中国除台湾省外累计风电机组l 864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76．1万kw相比，2005年累计装机增长率为65.5%。
中国市场的发展靠其新能源法，2006年1月1日开始实施。2006年中国市场稳步发展，这个发展势头将巩固并加速发展。中国2006年我国除台湾外增加风电机组l 454台，新增装机134．7万千瓦，比以前翻了一番还多，比2005年增加130．53%，比过去20年发展累积的总量还多，仅次于美国、德国、西班牙和印度。2007年中国风电装机为260．4万千瓦，是全世界第6大市场。至2007年底，我国累计装机容量605万千瓦，占全球总装机容量的6．4%，排名比2006年上升一位，排名世界第五位，当年实现风电装机容量344．9万千瓦，在新增市场份额中占17．2%，排名世界第三位。2008年又新增风电装机容量630万kW，新增容量位列全球第2，仅次于美国．截至2008年底总装机容量达到1 215．3万kW，同比增长106%，总装机容量超过了印度，位列全球第4 ，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。
据境计从2005年开始中国的风电总装机连续5年实现翻番截至2010年底中国以约4182 7万千瓦的累积风电装机容量首次趣越美国位居世界第一较2009年同比大增62%。按照国家电网此前出具的研究报告．到2叭5年电网覆盖范围内可吸纳吼电上网的规横达1亿干瓦。到2020年可达1 5亿千瓦。
风电投资企业包括开发商与风电装机制造企业。从风电开发商的分布来看，更向能源投资企业集中．2009年能源投资企业风电装机在已经建成的风电装机中的比例B高达90%其中中央能源投资企业的比例超过了80%五大电力集团超过了50%。茸他国有投资商、外资和民企比例的总和还不到10%．地方国有非能源企业、外企和民企大都退出．仅剩下中国风电、天润等少数企业在“苦苦挣扎”．当年新增和累计在全国中的份额也很小。从风电装机制造企业来看主要是国内风电整机企业为丰．2009年累计和新增的市场份额中，前3名、前5名和前10名的企业的市场占有卓分别达到了55.5%和59.7%、70.7%和73.4%以及85.3%和84.8%。
受国际风电发展大型化趋势的驱使国内风电机组技术取得了不俗的成果。2005年．中国风电场新安装的Mw级风电机组(≥1Mw)仅占当年新增装机容量的21 5%。随着国内企业Mw级风电机组产量的增加20。7年Mw级风电机组的装机容量占到当年新增市场的51%2008年占到72 8%．2009年占到86 8%。2009年中国在多Mw级(≥2Mwl风电机组研制方面取得新的成果如盘风科技投份有限公司研制的2 5Mw和3Mw的风电机组已在风电场投入试运行：华锐触电科技股份有限公司研制的3Mw海上风电机组已在东海大桥海上风电场并网发电：由冼阳工业大学研制的3Mw胤电机组也已经战功下线。此外．中国华锐、金风、东汽、海装、湘电等企业已开始研制单机容量为5Mw的风电机组。中国开始全面迈进多Mw级风电机组研制的领域。2010年国际上公认中国很难建成自主化的海上风电项目然而华锐风电科技集团中标的上海东海大挢项目．用完全中国自主的技术和产品用两年的日时间实现了装机并于2010年成功投产运营令世界风电行业震惊。
目前风电并网主要存在两大问题风电异地发电机组技术对电网安全稳定产生影响、风的波动性使风电场的输出功率的被动性难以对风电场制定和实施准确的发电计划。它们使得风电发展受到严重影响．对于这种电力上网“不给力”的现况国家和电网企业都在积极努力地解决汗风电基地电力外送问题除东北的风电基地全部由东北电网消纳和江苏沿缚等近海和海上风电基地主要是就地消纳之外其余备大风电基地就近消费一部分电力和电量之外的电力外送的基本考虑是河北风电基地和蒙西风电基地近期主要送人华北电网：2020年前后需要山东电网接纳部分电力和电量．蒙东风电基地近期送人东北电阿和华北电网甘肃酒盅风
电基地和新疆啥密风电基地近期送人西北网．远期送人华中网。
1.3 本文的主要内容
在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术和风力发电控制技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用。
发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键。
本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，介绍了相关风力发电控制技术，阐述了具有鲁棒性的非线性智能控制方法在风力发电系统中的应用，最后对未来风力发电机和风力发电控制技术作了展望
