风力发电机文献综述分解

毕业设计文献综述

题目：立轴风力发电机

学生姓名：李春鹏学号： 090501224 专业：机械设计制造及其自动化

指导教师：刘恩福

2013 年2月 27日

一、摘要

风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能，然后通过电机转化为电能，通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（HorizontalAxis Wind Turbine 简称为HAWT）和立轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine 简称为V AWT）两大类，达里厄型（Darrieus）风力机为立轴风力机的典型机型。立轴风力机由于其结构和气动性能的独特优势，越来越被人们重视。变速风力机可以在很大的风速范围内工作，而且能最大限度的捕获风能，提高风力发电机的效率，而成为当前该领域的研究热点。本文以大型变速立轴风力机为研究对象，风力机为典型的达里厄型风力机，直接驱动永磁同步电机发电。通过建立风力机气动性能评估模型、传动系统模型、电机以及控制系统的模型，并在MATLAB/SIMULINK 进行仿真模拟，得到风力机在各种工况下的运行情况，并实现了最大风能追踪的算法。

变速风力发电机提高了风能利用率，但增加了控制系统的难度，本文对最大风能追踪策略的理论进行分析研究。分析了达里厄型风力机的气动性能评估模型，该模型是基于叶素动量理论的双多流管模型，考虑了达里厄型风力机旋转时叶片对风轮下盘面流动干涉的特性，以及翼型动态失速、气动阻力的影响，对1MW 达里厄型风力机进行计算分析，得到了该风力机的气动性能，如风力机在各风速下的气动转矩与转速的关系，以及在各风速下的气动功率与转速的关系，为仿真模拟提供基础。根据仿真的需要分别建立了风力机传动系统模型、永磁同步电机模型、最大功率跟踪算法等模型。永磁同步发电机在同步旋转轴下建立，并对同步电机的解耦控制做了分析，最大功率跟踪算法采用尖速比控制方法。最后在MATLAB/SIMULINK 中且搭建了整个系统的仿真模型，对1MW 达里厄型风力机低风速气动、高风速刹车、额定风速下变风速运行等工况进行了仿真模拟。通过模拟得到风力机在各种工况下的运行情况，实现了最大风能追踪的算法，采用尖速比的控制方法追踪最大风能的效果显著，为进一步立轴风力发电机控制系统的设计提供依据。

ABSTRACT

The rapid progress on wind energy conversion technology has made wind energy tobe one of the most important renewable and sustainable energy. Current wind energy conversion system translates the wind energy to mechanical energy by wind turbine, and then converts it to electricity by generator. According to the direction of the revolving shaft in space, wind turbine includes two types, one is horizontal axis wind turbine(HAWT for short), and the other is vertical axis wind turbine (V AWT for short), thevertical axis wind turbine is famous for Darrieus type. There has been growing attention to vertical axis wind turbine for its unique structural and aerodynamic advantages.As variable speed wind turbine works at larger ranger of wind speed, utilizes much more wind energy, Improve the efficiency of wind turbines. So it has become the hot topic in the field. This paper is basic on large variable speed vertical axis wind turbine.The wind turbine is Darrieus type, and it dives permanent magnet synchronous generator directly. Through establishment of aerodynamic performance evaluation model,dive-train model, generator and control system model, and simulating of the wind turbine system model in MATLAB/SIMULINK, we can obtain the performance of wind turbine in a variety of conditions, and achieve the algorithm of Maximum Power Point Tracking.

Although variable speed wind turbine Improve the efficiency it Increase the difficulty of the control system. The Maximum Power Point Tracking control Strategy theory is analyzed in this paper. The aerodynamic performance evaluation model is established, it's the double-disk multiple stream-tube model in the framework of blade element momentum theory, the airfoil dynamic stall effect and aerodynamic losses were included. we obtained the aerodynamic performance by calculating for the 1MW Darrieus vertical axis wind turbine, such as the relationship between aerodynamic torque and rotating speed at different wind speed, the relationship between aerodynamic power and rotating speed at different wind

speed. It has provided a basis for the next simulation. The

drive train model, permanent magnet synchronous

generator model and Maximum Power Point Tracking

model have been established. The generator model is

established at synchronous rotating coordinate system.

And we have analyzed the decoupling control of

synchronous generator. The Maximum Power Point

Tracking is based on tip speed ratio control method.

Finally, the entire system model is establishedin

MATLAB/SIMULINK. The starting at low wind speed,

braking at high wind speed and operating at variable wind

speed of 1MW vertical axis wind turbine have been

simulated. The performance of the wind turbine is

obtained during the simulating. The algorithm of

Maximum Power Point Tracking is achieved. The use of

tip speed ratio control method is Significant for Maximum

Power Point Tracking. It has laid the foundation for further design of the vertical axis wind turbines control system.

二、风力发电的发展现状

2.1 风力发电的发展现状

从能量转换的角度看，风力发电机由两大部分组成，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。现有的风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（Horizontal Axis Wind Turbine 简称为 HAWT）和立轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine 简称为 VAWT）两大类。

水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行，如图1.1所示。水平轴风力机的主要有三部件组成，即风轮(包括叶片、轮毂等)、机舱(包括齿轮箱、电机、偏航装置等)和塔架及地基。风轮是风力机最主要的部件，由叶片和轮毂组成。叶片具有良好的空气动力外形，在气流作用下能在风轮上产生气动扭矩使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能，最后电机发出的电能通过变流并入电网。水平轴风力机又可分为两种：一种是为上风向风力发电机。风轮在塔架的前面迎风旋转．迎风面的调整依靠尾翼；另一种是下风向风力发电机，它的风轮在塔架的后面，叶片的阻力可以保证迎风面的正确取向，但是风先经过塔架，再到风轮，会影响风力机出力，由于尾翼结构并不复杂，因此，目前大量生产的是上风向风力机。水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一种风力机，也是技术最成熟的一种风力机。其风轮叶片数一般为2～3 叶，叶片形状一般为翼形,该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。

立轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行（如图1.2），立轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。立轴风力机最典型的是由与萨窝纽斯同时代的法国人达里厄(G·J·Darrieus)首创的Darrieus 型风力机根据风叶的形状，Darrieus 型风力机又有多型。如果按风力机叶片吸收风能方式划分，又可以分为阻力型风力机和升力型风力机。

现代立轴风力机的发明人是法国工程师 Georges J.M.Darrieus，他分别于 1925年在法国和 1937 年在美国获得立轴风力机的发明专利，但当时他的发明几乎没有得到人们的注意，以至于二十世纪六十年代两名加拿大籍研究者在并不知情Georges J.M.Darrieus 发明专利的情况下再一次地重复了 GeorgesJ.M.Darrieus 的工作，尽管如此，今天的立轴风力机依然以 Darrieus 形式得到闻名，并且由于受到Georges J.M.Darrieus 的启发，立轴风力机的新形式也层出不穷。上个世纪 70 年代美国国家重点实验室 Sandia 开始着手商业化风力机的研制工作，把主要的兴趣集中在立轴风力机上，并成功地在屋顶上安装了一台直径为 5 米的实验样机两年后，sandia 开发了第二台安装在地面上更大的样机，直径为 17 米。与此同时，一项经济研究发现，如果立轴风力机的设计在某些方面加以改进的话，能比水平轴风力机具有更好的性价比。1976 年的研究工作使立轴风力机的改进目标得以明确，如提高叶片翼形的气动效率，整个叶片外形的细长化和叶片数目的优化等等，当时的 sandia 的第二台样机在性能上比水平轴风力机更有优势。

文章[4]从多方面分析了水平轴及立轴风力机的优缺点，并做了详尽的论证，举出了立轴风力机的发展前途及优势。通过各方面的比较分析，立轴风力机优点主要包括以下几个方面：

①增大立轴风力机的高径比能够以较低的安装和运行成本达到风场电能输出倍增；

②立轴风力机的结构简单而且受力更为合理，水平轴浆叶上受到正面风载荷力、离心力，叶片结构相似悬臂梁，叶片根部受到的由弯矩产生的应力较大，大量事故都是叶片根部折断。立轴风力机叶片两头与轴固定，尤如一张弓，叶片是柔性的，叶片的形状不是由叶片的刚度来保证的，而是轴旋转后叶片自然形成一条“无弯矩应力曲线”，叶片只受拉应力，故受力较小，用料少，不易折断；

③叶片断面均匀，制造方便；

④安装维护容易，垂直轴风力发电机组发电机的齿轮箱在底部，重心低，不仅稳定，而且维护方便，风机塔架可以用钢索进行固定，因而制造成本大大减小；

⑤安全性高及其优美的外观等。尽管水平轴风力机的技术越来越成熟，但立轴风力机由于独特的优势，越来越被人们所重视，发展潜能巨大，正因为此，本文以大型的立轴风力机为研究对象。

2.2 国内外风力发电的发展现状

从上个世纪七十年代石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。丹麦、德国和西班牙等欧洲国家相继出台了激励风电发展的政策，其核心是长期固定的较高收购风电电价，鼓励投资，培育稳定市场，使这些国家成为风电机组市场扩展最快的地区。风电场是将多台并网型风力发电机组安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，是大规模利用风能的有效方式。

近几年来世界风电发展格局和趋势分析来看，主要有以下几个特征：风电发展向欧盟、北美和亚洲三驾马车并驾齐驱的格局转变；通过规模化、系列化和标准化，可以大幅度降低售价风电技术发展迅速，成本持续下降；国家政府放入支持是风力发电的主要动力；风力机的单机容量越来越大，并从陆地想海上发展。海上风电由于其资源丰富、风速稳定、开发利益相关方较少、不与其他发展

项目争地、可以大规模开发等优势，一直受到风电开发商关注。但是，海上风电施工困难、对风机质量和可靠性要求高，自1991年丹麦建成第一个海上风电场以来，海上风电一直处于实验和验证阶段，发展缓慢。随着风电技术的进步，海上风电开发开始进入风电开发的日程。2000年，丹麦政府出于发展海上风电考虑，在哥本哈根湾建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场，运行至今，为海上风电开发积累经验。此后，世界各国开始考虑海上风电的商业化开发，其中欧盟的海上风电占世界海上风电的90%。海上风电开发成本高于陆地的问题是难以克服的。在条件允许的情况下，优先开发陆上风电；风能资源条件特别好的海上项目，一旦决定开发，适当提高开发规模，尽可能利用成熟技术和装备，提高可靠性。截止到2008年底，全球风电装机总容量已达到121187.9 MW，当年新增装机容量27261.1MW；从地区看，美国、德国、西班牙、中国和印度累计装机位列全球前五，其中美国占全球累计装机的20.7%，德国占19.7%，西班牙占13.8%，中国占10.1%，印度占7.9%，截止到2008年底，全球范围内，装机容量在2000MW 以上的国家已经达到了12个。其中加拉大和新西南都是在2008年加入到这个行列中。表1.1显示了2008年总装机容量前20位的国家。

风电场于20世纪80年代初在美国加利福尼亚州兴起，美国把发电技术作为维系现代化生活和现代工业文明的基础。美国在20世纪80年代曾经是世界风电和太阳能发电大国，近年来，随着对气候变化问题的重视和对保障能源安全的理解，以风电和太阳能发电为代表的分布式发电技术的发展重新抬头。自2000年布什入主白宫以来，美国政府开始关注可再生能源的发展，联邦政府共计拨款120亿美元，支持新能源技术的研究开发，并且取得了令世界瞩目的成果，美国重新成为世界风电大国，2001-2007 年，美国的风电增加了300%，2008年年新增风电装机容量8351.2MW，累计装机容量达到25 170.0MW，2008年超过德国，累计装机容量居世界第一。德国对风力发电的扶持政策是目前国际上最有效的政策之一。德国政府早在20世纪90 年代就制定了风电等可再生能源发电上网和强制购买的法律，要求电网公司无条件地按照法律规定的价格购买风电，并按照风能资源（依据风速高低）和开发条件（海上和陆上）列出风电上网电价计算公式，有力促进了德国风电产业的发展，使得一个已经开发的风电场平均利用小时数只有1800小时的低风速国家成为世界上风电产业最成功的国家。使风电装机容量07年前一直稳居世界第一，08年被美国赶上。

西班牙是世界上风电发展最快的国家之一，其既是风电市场大国，又是风电装备制造大国。西班牙风电自1997年开始快速发展，近10年的年均增长率超过了60%，2008年风电新增装机1 595.2MW，累计装机容量达到16 740.3MW，位居世界第三，占世界风电总装机容量的15.5%，占西班牙电力总装机容量的15%，风电提供了8.7%的电量，在

西班牙的电力供应中已经开始发挥一定的作用。在风电市场快速发展的同时，西班牙通过引进和吸收丹麦的技术，逐步建立风电机组制造产

业，其三家大的风电机组制造企业市场销售量占世界总量的20%左右，成为全球第二大风机制造国。

印度风电的发展速度惊人，该国发展风能的原始推动力来自其20世纪80年代早期的非传统能源署。其目的是为了鼓励发展化石能源之外的其他多样化能源，以满足对煤、石油和天然气的大量需求。其间对风能进行了大量研究，并建立了全国范围内的风速测量网络系统，这些使得对风力潜能的评估和确认适宜地区进行风力发电的商业开发成为可能。2008年年底，印度总装机容量达到9587.0MW，比2007年净增了1737.0MW。目前，印度的风电开发在亚洲处于领先地位，在世界上也保持在前五大生产国之列。

根据世界风能协会09年的报告，在过去的十年中，风电事业发展迅速，全球风电的年平均增长率一直保持在29%左右。按这种速率发展到2020年全球的总装机容量可能会达到1500000MW，如图1.3所示，蓝色线为全世界已经达到的总装机容量，绿色线表示未来12年预测全世界总装机容量。风能将在新能源中占有更大的比重，发挥更大的贡献。

我国可开发利用的风能资源为2.53亿KW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有效风能密度大于200W/m，有效风力时间百分率在70%以上。可以说，

我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了20座风力发电场，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。目前风电在各种新能源中发电成本最接近传统能源，中国风电产业

的驱动因素并未因金融危机和中国经济增速减缓发生改变，未来两年仍将保持高速发展趋势。

我国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了有力的扶持。在2008年提前实现了10000MW的目标，在2020年达到30000MW的目标。制了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展。在2008年，新装机容量达到6298.0MW，2008年增长速度达到106.5%，在风电发展的主要国家中是最高的。我国在风电装机容量的世界排名中，2004年居第10位，2007年跃居第5位，2008年上升到第四位，并有望建立起世界最大的风电市场。我国风力发电发展迅速，政府设立的2010年的发展目标已经于2008年提前完成。风电已经在节约能源、缓解我国电力供应紧张的形势、降低长期发电成本、减少能源利用造成的大气污染，以及温室气体减排等方面崭露头角，开始有所作为。

我国的风电制造业发展迅猛。2005年之前，中国只有少数几家风电制造商，且规模小、技术落后，在激烈的市场竞争中风雨飘摇，风电场建设主要依赖进口。《可再生能源法》的颁布极大地调动了投资商的积极性，除了原来的金风科技、浙江运达加大投入、迅速扩张之外，上海电气、东方汽轮机、华锐风电（原大连重工集团）、中国船舶以及通用电气、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场，还有一批中小型制造企业正在成长，依托良好的研发基础，表现出较强的发展实力，如南车、湘电集团等。在政策激励和市场拉动的双重作用下，风电装备制造和设计技术的转让加速，开始形成自主制造能力，兆瓦级的风力机相续问世。

虽然我国的风力发电产业取得了长足的发展，但是技术水平还比较低。国内的风电市场多为国外厂商所占据，迄今为止中国还没有一台大型风力发电机出口到国外。国际上成为主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于仿制阶段。虽然有报道说国内部分企业已经生产出了兆瓦级的风力发电机，但多是和国外公司技术合作的结果，这些合资公司只能进行总装，不能掌握核心技术。真正有自主知识产权、能独立生产的企业还没有出现。我国风电发展缓慢、技术水平不高与很多因素有关。其一，国内风电研究起步晚，投入不足，缺乏技术创新和大型风力发电机的研发经验，我国还没有建立国家级的风电技术研发平台，缺乏持续深入的基础研究，更重要的是，我国还没有形成掌握风电整机总体设计方法的核心技术和人员队伍，更缺乏自主创新的风力发电基础性理论、辅助工具和研究成果，尤其是对兆瓦级以上风电机组的整体设计能力还很薄弱，很大程度上仍依赖于技术引进，不能形成具有国际先进水平的自主研发能力和自主知识产权技术，被迫长期维持国际成熟机型制造商角色，最近在新机型的联合开发过程则仍然以国外合作设计机构为主要力量，中方研发人员则以学习和积累经验为主，还没有形成自己的设计理念和方法。研发人员缺乏是新能源产业发展面临的普遍制约，特别是系统掌握风电理论并具有风电工程设计实践经验的复合型人才，一定程度上影响了产业的发展步伐。总体上看，我国风电设备制造业仍处于从“技术引进和消化吸收”转向“自主创新”的初期阶段。其二，风电价格过高需要政策的支持。据了解，风电上网要比火电高，如果价差在地方电网内分摊，地方电网就有可能背上沉重的包袱，所以解决这个问题，需要立足于全局，并制定相应的法律以及可执行的分摊机制，以解决公司或地方部门投资风电的后顾之忧；其三，国外风电厂商技术保护严格，中国企业很难获得风电的核心技术，这就需要国家在项目招标等方面进行合理的引导，吸引外商技术转让。

2.3 风力发电控制技术研究现状

风力发电技术是涉及空气动力学、电气工程、控制技术、机械传动、电机学、力学、结构动力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、叶片气动外形设计、风力机机构动力学、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面控制技术是风力发电机组安全可靠高效运行的关键技术。风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风力机及其控制系统将风能转换为机械能；发电机及其控制系统将机械能转换为电能。发电机作为风力发电系统的关键设备之一，直接影响着整个风力发电系统的性能、效率。

目前风力发电机组面临两个亟待解决的问题：发电机组效率的提高和风电质量的控制。提高风能利用率，降低风电成本是发展风电事业的必备前提，上世纪中期，许多学者在风力发电设备和风电系统性能改善方面进行了大量的研究，但未取得满意的成果，现代控制技术和电力电子技术的发展为上述两个问题的解决提供了技术基础，应用这些最新发展的技术开展对这两个关键问题的研究，对风力发电技术的进步具有重大意义。

自 20 世纪 80 年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变速恒频的发展。在变速恒频风力发电系统中，主要分为双馈式和直驱式。双馈式风力发电系统由于其变流器容量只占系统额定功率的 30%左右，能较多的降低系统成本，因此双馈式系统受到了广泛的关注。与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低，而成为风力发电的发展方向。

另外一个风力发电机的方向就是风力机的大型化，通过大型化，可以减少占地，降低并网成本，降低单位功率造价，提高风能利用效率，风电机组的技术也正沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。而变速风力机是提高风能利用效率最主要的方式。

目前存在的风力发电机组有恒速恒频和变速恒频两种类型。变速恒频是 20世纪 80 年代开始兴起的一种机组形式。其主要优点在于通过风轮的变速运行在很宽的风速范围内追踪最佳叶尖速比，从而获得比恒速风力机高得多的运行效率。文章回顾了变频器在风力发电中的发展，详尽的介绍了变频器技术在永磁、感应、同步、双馈发电机中的应用。

文献[12]详细介绍了恒速恒频与变速恒频风力发电机组，并对两种类型的机组性能进行了比较。恒速恒频风力发电机组无法有效地利用不同风速时的风能，而变速恒频风力发电机组可以在很大的风速范围内工作，更有效地利用风能。文献[13]中介绍几种变速恒频风力发电系统控制方案，并进行了对比。文献[14]分析双馈型异步发电机数学模型和磁场定向矢量变换控制的基础上，提出了变速恒频风力发电机的有功、无功功率解耦控制策略。文献[15]讨论了变速恒频风力机组变桨距机构在低风速和高风速下的不同控制策略。文献[16]介绍了通过带有中间环节的 IGBT 转换器将电机发出的变频变幅交流电转换成可用的交流电，以及通过控制整流器电流来控制发电机转速的控制方法。文献[17]根据自寻优控制器原理，设计了风力发电系统的最大风能追踪控制器。文献[18]以暂态电势为变量建立了异步风力发电机的机电暂态数学模型，文献[19]建立了变速恒频风力发电机组空载并网仿真模型，文献[20]使用模糊逻辑推理系统来确定低风速时的发电机参考转速，来追踪最优功率。文献[21]介绍了一种计算风电场功率极限的方法，确保风电场的装机容量不超过系统最大负荷，保证电网稳定。

变速恒频失速型风力发电机组在低于额定风速时能根据风速变化跟踪风能的最大功率，在实际风速高于额定风速时能主动失速以减少风力机吸收的功率，因此迅速成为变速恒频风力发电机的首要机型[22]，成为人们研究的热点，在对其整机控制系统和变流电路改进已经提出了很多方法。文献[23-27]分别将模糊控制、变结构控制与鲁棒控制、

自寻优控制、自适应 PID 控制、神经网络理论等各种各样的智能控制理论引入到了变速恒频定桨距失速型风力发电机组的控制系统中，但是它们大多是理论上的探讨，很少有工程实现。文献[28-30]对采用双馈电机的变速恒频风力发电机的变流电路结构及其控制策略进行了研究，文献[31-35]对采用永磁同步电机的变速恒频风力发电机的变流电路及其控制策略进行了研究，文献[36]对各种采用永磁同步电机的变速恒频风力发电机的性能进行了比较，文献[37]还对改造现有的定速恒频异步发电机组提供了解决方案。

直驱变速恒频永磁风力发电机转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。直驱式结构做到了风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。尽管是直接耦合，永磁发电机的转速很低，发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，整个系统的成本还是降低了。与常规发电机相比，直驱变速恒频永磁风力发电机具有以下主要特点：无齿轮驱动的转速低，力矩大，转子直径大,转子极间的间隙很小，对定子开槽的要求很高,造价昂贵，因此采用的是多极外转子结构，包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁磁钢、铁心、定子和外转子。发电机无自带冷却风扇或外装冷却风扇,因而结构简单，损耗小，提高了整机组的可靠性和寿命，减少了运行和维护费用。

综上所述，风力机的控制大都集中在比较成熟的水平轴风力机，而立轴风力机相对比较少，但其控制系统的相似性，可以相互借鉴。为提高发电机组效率和改进风电质量，现在大部分研究都眼于提高风能利用系数和研究变流电路及其各式各样的控制方法，以及风电并网后对系统的影响。在变速恒频风力发电系统中，对采用双馈电机的变流器结构及其控制策略的研究已经很充分，并且技术已经很成熟，而对永磁直驱风力发电系统的研究才刚开始，并且在我国大型永磁直驱风力发电系统的运行实例还相当少，不少处于测试过程中，还有很多问题值得研究，特别是大型的立轴风力机的控制研究，还处在起步阶段，其中为提高其风能利用系数的最大风能捕获策略的研究是不可或缺的一部分。

三.水平轴与垂直轴风力发电机的比较

3.1 设计方法

水平轴风力发电机(图1)的叶片设计,目前普遍采用的是动量)叶素理论,主要的方法有Glauert法、Wilson法等[1,5~6]。但是,由于叶素理论忽略了各叶素之间的流动干扰,同时在应用叶素理论设计叶片时都忽略了翼型的阻力,这种简化处理不可避免地造成了结果的不准确性,文献[1]指出,这种简化对叶片外形设计的影响较小,但对风轮的风能利用率影响较大。同时,风轮各叶片之间的干扰也十分强烈,整个流动非常复杂,如果仅仅依靠叶素理论是完全没有办法得出准确结果的。

垂直轴风力发电机(图2,图3)的叶片设计,以前也是按照水平轴的设计方法,依靠叶素理论来设计[1]。由于垂直轴风轮的流动比水平轴更加复杂,是典型的大分离非定常流动,不适合用叶素理论进行分析、设计,这也是垂直轴风力发电机长期得不到发展的一个重要原因。

随着计算机技术的不断发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,以下简称CFD)得到了长足的进步,从最初的小扰动速势方程到欧拉方程,以及更加复杂的N-S 方程[7],目前的CFD技术完全能模拟在复杂外形下的复杂流动。对于垂直轴风轮的叶片,

已经可以用CFD方法来设计[8]。而水平轴叶片的设计还没有办法应用CFD方法来设计,这主要是由这两种风轮结构决定的。水平轴的叶片由于每个截面的扭角、弦长以及尖速比都不同,如果要用CFD模拟的话,就必须采用三维模型。

直观地说,模拟一个工况,在采用CPU为P43G的个人电脑上,计算时间大概需要7~10 d,如果设计一个风轮,可能需要几年到十几年,这样的代价在工业设计中是很难接受的。而垂直轴就完全不一样(仅限于Darrieus式H型风轮),叶片的每个截面都一样,这样就能简化成二维情况,网格数大大下降,计算量也随之下降,一般模拟一个工况只需4 h。从设计方法上讲,垂直轴风力发电机要远比水平轴先进。

3.2 风能利用率

目前,大型水平轴风力发电机的风能利用率,绝大部分是由叶片设计方计算所得,一般在40%以上。如前所述,由于设计方法本身的缺陷,这样计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。当然,风电厂的风力发电机都会根据测得的风速和输出功率绘制风功率曲线,但是,此时的风速是风轮后部测风仪测得的风速参见图1,要小于来流风速[9,10],风功率曲线偏高,必须进行修正。应用文献[10]的修正方法修正后,水平轴的风能利用率要降低30%~50%。对于小型水平轴风力发电机的风能利用率,中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验,实测的利用率在23%~29%[11]。

由于以前一直用叶素理论计算垂直轴风轮的风能利用率,得出了利用率不如水平轴的结论,但是通过笔者CFD模拟结果来看,垂直轴风轮的能利用率不比水平轴的低,国外也有机构经过实验表明垂直轴风轮的风能利用率在40%以上[2]。另外,在实际环境中风向是经常变化的,水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风,这就引起了/对风损失0,而垂直轴风轮则不存在这个问题[1]。因此,在考虑了对风损失之后,垂直轴风轮的风能利用率完全有可能超过水平轴风轮。

3.3 起动风速

水平轴风轮的起动性能好已经是个共识,但是根据中国空气动力研究与发展中心对小型水平轴风力发电机所做的风洞实验来看,起动风速一般在4~5 m/s之间,最大的居然达到5.9 m/s[11],这样的起动性能显然是不能令人满意的。垂直轴风轮的起动性能差也是目前业内的共识[2],特别是对于Darrieus式 型风轮,如图2所示,完全没有自启动能力,这也是限制垂直轴风力发电机应用的一个原因。但是,对于Darrieus式H型风轮,如图3所示,却有相反的结论。根据笔者的研究发现,只要翼型和安装角选择合适,完全能得到相当不错的起动性能,通过对麟风P-200垂直轴风力发电机的风洞实验来看,这种Darrieus式H型风轮的起动风速只需要2 m/s,优于上述的水平轴风力发电机。

3.4 结构特点

水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中,受惯性力和重力的综合作用,惯性力的方向是随时变化的,而重力的方向始终不变,这样叶片所受的就是一个交变载荷,这对于叶片的疲劳强度是非常不利的[1,12]。另外,水平轴的发电机都置于几十米的高空,这给发电机的安装、维护和检修带来了很多的不便。

垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多,由于惯性力与重力的方向始终不变,所受的是恒定载荷,因此疲劳寿命要比水平轴风轮长[1]。同时,垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面,便于安装和维护。

3.5 环保问题

风力发电虽称清洁能源,能起到很好的环保作用,但随着越来越多大型风电场的建立,一些由风力发电机引发的环保问题凸显出来。这些问题主要体现在噪声及对当地生态环境的影响。水平轴风轮的尖速比一般在5~7,在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的

气动噪音。同时,很多鸟类在这样的高速叶片下很难幸免[13]。

垂直轴风轮的尖速比一般在 1.5~2,这样的低转速基本上不产生气动噪声,完全达到了静音的效果。无噪声带来的好处是显而易见的,以前因为噪声问题不能应用风力发电机的场合(如城市公共设施、民宅等),现在可以应用垂直轴风力发电机来解决。

低尖速比带来的好处不仅仅是环保的优势,对于风机的整体性能也是非常有利的。从空气动力学上分析,物体速度越快,外形对流场的影响越大。当风力发电机在户外运行时,叶片上不可避免的受到污染,这种污染实际上是改变了叶片的外形。对于水平轴风轮来讲,即使这种外形变化很微小,也很大地降低了风轮的风能利用率[9],而垂直轴风轮因为转速低,所以对外形的改变没那么敏感,这种叶片的污染基本上对风轮的气动性能没有影响。

3.6 结论

从比较中可以看出,相对于传统的水平轴风力发电机,垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪声等众多优点,具有更加广阔的市场应用前景。相信在不久的将来,垂直轴风力发电机将大有作为。

四.参考文献

[1] 迟远英，张少杰, 李京文. 国内外风电发展现状[J]. 生产力研究, 2008 ，(18):75-76.

[2] 赵勇强. 风力发电技术发展状况与趋势分析[J]. 中国科技产业, 2007:69-71.

[3] 叶杭冶，风力发电机机组的控制技术[M] 机械工业出版社 2006-1:1-2.

[4] 张凯. 立轴风力机空气动力学与机构分析[D]. 重庆大学, 2007,4-6.

[5] World Wind Energy Association. World Wind Energy Report 2008[R]. 2009，2.

[6] 刘家澄. 我国风电场装机现状[J] . 中国能源, 2000，8: 22-23.

[7] 王长贵. 新能源发电技术[J]. 中国电力出版社, 2003:185-223.

[8] 申军平.国外设备一统天下我国风电产业化艰难启程[J].北京：中国工业报，2005，3.

[9] 钱咏虹, 刘军. 风力发电的产业化之困[J]. 广西：金色通道杂志, 2004(37):8-9.

[10] 宇文杰. 永磁直驱风力发电系统最大风能追踪策略研究[D]. 东北电力大学，2008，13-15.

[11] Jamal A.Baroudi, Venkata Dinavahi, Andrew M.Knight. A review of power converter topologies for wind generators[J]. Renewable Energy， 2007，(32) 2369–2385.

[12] 徐甫荣. 大型风电场及风电机组的控制系统[J]. 电气传动自动化，2003，25(6):5-11.

[13] 马宏飞, 徐殿国, 苗立杰. 几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J]. 电工技术杂志, 2000，(10)：32-36.

[14] 刘其辉, 贺益康, 赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J]. 电力系统自动化，2003, 27(20)：62-67.

[15] 林勇刚, 李伟, 叶杭冶等. 变速恒频风力机组变桨距控制系统[J]. 农业机械学报，2004,35(4):110-114.

[16] 李文龙, 王辉, 高平, 佘岳. 永磁电机直接驱动变速恒频风力发电控制技术

[J]. 自动化博览， 2006，4: 72-74.

[17] 杨金明, 吴捷杨, 俊华. 基于自寻优控制器的风力发电系统的最大风能捕获控制[J]. 太阳能学报, 2004, 25(4):525-529.

[18] 蔺红, 晃勤. 并网型风力发电机的建模与仿真[J]. 可再生能源，2006，(4)：63-65.

[19] 刘其辉, 贺益康, 卞松江. 变速恒频风力发电机空载并网控制[J]. 中国电机工程学报，2004, 24(3):6-11.

[20] 徐大平，吕跃刚. 大型风力发电机组的自适应模糊控制[J]. 太阳能学报，2004,16(3)：573-577.

[21] 倪维斗, 李政. 我国“十五”能源发展战略的思考.科技导报[J]. 2000，11:25-28.

[22] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京:机械工业出版社，2002.

[23] 张新房, 徐大平, 吕跃刚等. 大型变速风力发电机组的自适应模糊控制[J]. 系统仿真学报, 2004,16(3)：573-577.

[24] 杨俊华, 吴捷. 风力发电机组的非线性控制-变结构控制与鲁棒控制[J]. 动力工程，2003，23(6):2803-2809.

[25] 闫耀民, 范瑜, 汪志中. 永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制[J]. 电工技术学报,2002, 12:82-86.

[26] 李树广, 何志民. 模糊自适应 PID 控制在立式风力发电系统中的应用[J]. 测控技术，2003，22(7):24-27.

[27] 姚新佳, 曾小明. 基于神经网络的风力发电控制系统[J]. 控制与决策，1997,12(7) .

[28] 李健, 李德华. 双馈感应变速恒频风力发电机控制系统研究[J]. 电气传动, 2004，4:16-18