前言18世紀(jì)60年代第一次工業(yè)革命以來，工業(yè)隨著科技的發(fā)展而迅速發(fā)展，高速發(fā)展的工業(yè)以大量的資源消耗為支撐。尤其是近現(xiàn)代以來，各個國家對資源的需求量與日俱增，來滿足經(jīng)濟(jì)的高速、平穩(wěn)發(fā)展，而地球上可利用的不可再生能源日趨匱乏。雖然專家預(yù)測的煤炭可開采217年，石油還可開采35年，天然氣可開采56年不是很準(zhǔn)確，但這些常規(guī)能源必然越用越少。同時在常規(guī)能源（煤、石油、天然氣等）消耗過程中所產(chǎn)生的大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。作為一種清潔的，并且具有可再生性質(zhì)的能源——風(fēng)能，越來越在各國的能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)更高的比重。全球范圍內(nèi)儲存的風(fēng)能大約有30億兆瓦，在這當(dāng)中有大約2千萬兆瓦是可以被開發(fā)利用的，其數(shù)量比可利用的水能的十倍還多。我國風(fēng)力資源居于世界首位，其中陸地儲存的風(fēng)力資源大約有三十萬兆瓦，海面上能夠儲存的風(fēng)力資源大約有八十萬兆瓦，總量為一百一十萬兆瓦。加快推進(jìn)風(fēng)電建設(shè)，既能夠優(yōu)化我國的能源消費結(jié)構(gòu)，又能夠通過減少二氧化硫等污染氣體和二氧化碳等溫室氣體的排放來減輕環(huán)境壓力，同時，還可減輕能源進(jìn)口方面的壓力，對于提高我國能源供應(yīng)的可靠性、安全性和多樣性方面將作出積極的貢獻(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，相關(guān)法律逐漸生效，按累計裝機(jī)容量計算，風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入黃金發(fā)展期，通過近幾十年發(fā)展，實現(xiàn)了我國風(fēng)電設(shè)備裝機(jī)總量接近八百萬千瓦，躋身全球第四。由于發(fā)展時間較晚、技術(shù)不夠先進(jìn)，估計在2030年風(fēng)電總量也僅為我國電力總量的5%。隨著科技發(fā)展和政府支持，我國各個省份的風(fēng)電建設(shè)快速發(fā)展。從各地區(qū)風(fēng)電建設(shè)情況來看，到2009年底，九個省的風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量高于一百萬千瓦，而且，其中四個省高于二百萬千瓦。根據(jù)我國的計劃發(fā)展，再經(jīng)過15年發(fā)展，全國范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電累計裝機(jī)容量最終實現(xiàn)3萬兆瓦。根據(jù)有“風(fēng)電第一紙媒”之稱的《風(fēng)能世界》數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的市場值已經(jīng)達(dá)到1500到2200億元人民幣。風(fēng)電是一個集控制、材料、力學(xué)、電力系統(tǒng)等綜合性學(xué)科的技術(shù)，隨著風(fēng)電的迅猛發(fā)展，風(fēng)電方面的技術(shù)人才需求量也越來越大。就風(fēng)力發(fā)電的目前發(fā)展階段來說，由于其低成本的優(yōu)勢，已對火力發(fā)電、水力發(fā)電形成沖擊，隨著風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化以及發(fā)電的規(guī)模化，其成本還有可能再降低，所以風(fēng)電已經(jīng)成為投資者的另一片熱土。在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中，選擇高性能電容器作為儲能設(shè)備能夠改善電能質(zhì)量，同時能夠增大電壓輸出范圍，通過高性能電容器并聯(lián)能夠增加其容量來適應(yīng)不同系統(tǒng)需要。超級電容器在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要作用，在用電高峰期超級電容器可以向電網(wǎng)釋放儲存的能量，而在發(fā)電高峰期時超級電容器可以吸收電網(wǎng)能量進(jìn)行充電儲能，如此反復(fù)充放電可以調(diào)節(jié)用電和發(fā)電之間的不平衡。1風(fēng)能資源1.1風(fēng)能的估算1.1.1風(fēng)能的計算假設(shè)ρ表示空氣密度、ν表示空氣流動速度、表示截面面積，則風(fēng)能表達(dá)式為：（1-1）風(fēng)能功率（WindPower）的表達(dá)式為：（1-2）其單位為/s,由上式可得，風(fēng)能功率同空氣密度ρ、垂直流過截面面積F呈正相關(guān)關(guān)系，同風(fēng)速ν的三次方也成正相關(guān)。1.1.2平均風(fēng)能密度由風(fēng)能密度（WindPowerDensity）定義可得（1-3）其單位為。平均風(fēng)能密度表達(dá)式為：（1-4）一般情況下，可以忽略空氣密度ρ的變化，所以可把上式簡化為（1-5）以上所講的是在理想情況下的計算方法，但是由于實際計算中風(fēng)能密度計算比較困難，可以利用測量的數(shù)據(jù)計算平均風(fēng)能密度。通過（1-5）表達(dá)式，首先將每小時h內(nèi)風(fēng)能密度求解出來，求和，再按照一年內(nèi)小時數(shù)進(jìn)行平均，從而能得到一年內(nèi)平均風(fēng)能密度。此外，還可以根據(jù)觀測的數(shù)據(jù)，把所有的風(fēng)速值劃分成1m/s的許多段，把每段風(fēng)速大小平均值的立方乘以，然后再乘這個風(fēng)速每年出現(xiàn)的小時數(shù)（h/年），就能得到圖1-1的風(fēng)能分布曲線。然后，按(1-6)求?。篿=1,2,3,…（1-6）圖1-1風(fēng)能分布曲線通過公式（1-5）可得，作為概率分布的期望。因此能夠通過風(fēng)資源流動速度的分布求得其密度。在已經(jīng)知道風(fēng)頻率分布函數(shù)的前提下，能快速的求得平均風(fēng)能密度。1.1.3理論可用風(fēng)能人們在利用風(fēng)力設(shè)備將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程中，還涉及到轉(zhuǎn)換率的問題，最理想狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換率與風(fēng)能的乘積即為理論可用風(fēng)能。所以，一年當(dāng)中理論上的可用風(fēng)能能夠用風(fēng)能密度（WindPowerDensity）——時間（Time）的關(guān)系圖所表示的面積大小和最理想轉(zhuǎn)換率乘積來表達(dá)，即（1-7）理論年可用風(fēng)能的單位是kW·h/㎡。1.1.4有效可用風(fēng)能在實際應(yīng)用中，由于風(fēng)電設(shè)備在風(fēng)力過大或過小時無法運(yùn)轉(zhuǎn)，而且其轉(zhuǎn)換率效率都有η<1，因此風(fēng)電設(shè)備并不可以全部得到流動空氣中的理論上能夠利用的能量E。起初，當(dāng)且僅當(dāng)空氣流動速度達(dá)到設(shè)備運(yùn)行速度時，風(fēng)電設(shè)備才足以運(yùn)行。這時，風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)生的功率全部被設(shè)備自身所使用，不能對外輸出。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)電設(shè)備才能夠向外輸送電功率，當(dāng)風(fēng)速增大到設(shè)備的額定風(fēng)速時，向外輸送額定電功率。當(dāng)風(fēng)力大小超過額定大小時，因為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的存在，風(fēng)電設(shè)備輸出的仍為額定值。若風(fēng)速持續(xù)增大，為了滿足對整個風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安全方面的要求，當(dāng)增大到停機(jī)風(fēng)速時，必須停止風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，此時，風(fēng)力機(jī)不向外輸送電功率。1.1.5平均有效風(fēng)能一年內(nèi)的平均有效風(fēng)能表達(dá)式是：（1-8）在（1-8）中，表示為風(fēng)速在—內(nèi)發(fā)生ω的概率。根據(jù)條件概率相關(guān)概念，必然存在下面的表達(dá)方程：（1-9）由公式（1-10）同樣可以得出ω有效大小。設(shè)是空氣流動速度在≤≤條件下的概率，且已知威布爾參數(shù)，可得其三次冪的期望值為（1-10）1.2中國范圍內(nèi)的風(fēng)能分布在大氣活動以及地形地貌的雙重作用下，我國風(fēng)資源分布表現(xiàn)出明顯的地域特點。為了更好地了解不同地區(qū)的風(fēng)能分布特點，以及合理地開發(fā)利用，按年利用有效風(fēng)能密度以及年風(fēng)速不小于3/的累計時間的長短，即風(fēng)力資源的貯存量，把我國劃分成四個區(qū)，如表格1-1。1）風(fēng)資源豐富區(qū)風(fēng)資源豐富地區(qū)大致分布在遼東半島、山東半島及東南沿海等瀕臨海洋的地區(qū)以及三北地區(qū)等。遼東半島、山東半島及東南沿海等臨海和附近海島因瀕臨海洋，風(fēng)力比較大，其等值線和內(nèi)陸縱深線相垂直，該地區(qū)的風(fēng)能密度在國內(nèi)居于首位。在風(fēng)資源季節(jié)分配方面，東南沿海及黃海和東海內(nèi)海島在秋天可以獲得最大風(fēng)能，而冬季僅次于秋季。對于山東半島及遼東半島而言，在春天可獲得最大風(fēng)能，其次是冬季。三北地區(qū)在內(nèi)地是連接成片、且風(fēng)能最佳地區(qū)，尤其在朱日和、虎勒蓋爾地區(qū)的風(fēng)資源較為豐富。該地區(qū)風(fēng)資源最為豐富的季節(jié)是冬天，其次為春天，在夏天最為貧乏。

項目風(fēng)能豐富地區(qū)(Wind-richregions）風(fēng)能較豐富地區(qū)(Windenergyrichregions)風(fēng)能可利用地區(qū)(Windenergyavailableareas)風(fēng)能貧乏地區(qū)(Wind-poorareas)年有效風(fēng)能密度(W/㎡)≥200200—150150—50≤50風(fēng)速大于等于3m/s的年小時數(shù)（h）≥50005000—40004000—2000≤2000占全國面積（%）8185024表1-1風(fēng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)2）風(fēng)資源較豐富區(qū)該區(qū)主要包含沿海岸區(qū)、三北地區(qū)北部、青藏高原中部和北部，當(dāng)中的兩個區(qū)域由風(fēng)資源較豐富地區(qū)往內(nèi)陸減弱，從而延伸形成。沿海區(qū)域，主要指由汕頭附近沿海岸線往北的25至60公里區(qū)域到東海、黃海海岸。長江南部的沿海岸區(qū)，大約在秋季獲得最大風(fēng)能，其次為冬天。三北北部區(qū)域，在天山北麓夏天風(fēng)力最強(qiáng)，其次為春天，其余大多是春季風(fēng)力最強(qiáng)。青藏高原中部和北部地區(qū)年風(fēng)速不小于3/的時間和東南沿海地區(qū)相當(dāng)，只是因為該地區(qū)地勢較高，空氣稀薄，導(dǎo)致同等風(fēng)力下該地區(qū)的風(fēng)能密度比地勢低地區(qū)小很多。所以高原地區(qū)在開發(fā)風(fēng)力資源的過程中應(yīng)將空氣密度因素納入考慮范圍。3）風(fēng)資源可利用區(qū)廣東廣西臨海地區(qū)，南嶺以南，包含福建省臨海60-110公里的區(qū)域。該地區(qū)冬季風(fēng)力最強(qiáng)，其次為秋季。大、小興安嶺山地地區(qū)。該地區(qū)的風(fēng)資源密度及風(fēng)速的累計小時數(shù)從北往南逐漸增高，該地區(qū)春天風(fēng)力最強(qiáng)，其次為秋天。三北中部。包括我國兩大河中下游流域與四川西部、云南麗江與達(dá)迪藏族自治州等地區(qū)。東起長白山，西至新疆最西端，北起華北，南至南嶺北側(cè)，這一大片地區(qū)連接成片，約占全國總面積的。4）風(fēng)資源貧乏區(qū)鑒于在盆地周圍存在著眾多山脈會阻擋冷暖氣流的進(jìn)入，因而風(fēng)力較弱。這一地區(qū)由于地勢的影響，風(fēng)力資源大多沒有開發(fā)價值。我國地域廣袤，大氣活動和地勢復(fù)雜，我們在綜合利用風(fēng)能時要根據(jù)實際情況實地進(jìn)行測量和分析。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2.1能量轉(zhuǎn)換和傳輸理論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換和傳輸理論是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計和計算的基礎(chǔ)，本節(jié)將介紹其核心部分，包括能量傳遞理論和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換理論兩部分。2.1.1能量傳遞理論傳動鏈數(shù)學(xué)模型傳動鏈指將電磁、空氣動力子系統(tǒng)二者聯(lián)接起來的裝置。所以電磁轉(zhuǎn)矩以及風(fēng)轉(zhuǎn)矩作為一組輸入量，轉(zhuǎn)速作為輸出量。假設(shè)在變速范圍內(nèi)機(jī)械傳動效率保持不變，那么我們能夠認(rèn)為震動、齒輪類別、齒輪間隙等架構(gòu)方面的特性產(chǎn)生的影響可忽略不計。在傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)備中，傳動鏈通常由風(fēng)輪、齒輪箱（通常也被稱為增速箱）以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)電子等部件構(gòu)成。增速器把傳動鏈分成兩部分，即與發(fā)電機(jī)相連的高速軸和與風(fēng)輪直接耦合的低速軸。在剛性模型理論中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有唯一旋轉(zhuǎn)自由度（Freedomofrotation），高速轉(zhuǎn)軸及低速轉(zhuǎn)軸會按照固定傳動比發(fā)生變動。氣動轉(zhuǎn)矩以及風(fēng)電設(shè)備的響應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間具有無法平衡性質(zhì)為發(fā)電設(shè)備及風(fēng)電設(shè)備轉(zhuǎn)子提供了加速。在理論中，高速轉(zhuǎn)軸以及低速轉(zhuǎn)軸為柔性。發(fā)電設(shè)備以及風(fēng)電設(shè)備各自轉(zhuǎn)子之間有著區(qū)別于對方的。低速轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩及氣動轉(zhuǎn)矩二者具有的不平衡性為風(fēng)力設(shè)備提供了加速。而發(fā)電機(jī)響應(yīng)以及高速轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩存在不平衡性為發(fā)電設(shè)備提供了加速。在柔性模型理論中，低速轉(zhuǎn)軸及高速轉(zhuǎn)軸有著不同的瞬時轉(zhuǎn)速。（1）剛性模型剛性模型主要由單級耦合加速器組成，他效率為η，傳速比為，此時因為加速器的存在，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小倍時，速度會增大倍，互成反比關(guān)系。在上述假設(shè)情況下，低速軸或高速軸下的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型可以用以下兩個方程式表示：（2-1）（2-2）式中—風(fēng)電設(shè)備于單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度；—發(fā)電設(shè)備于單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度；—流動氣體的動力轉(zhuǎn)矩（通常用流動速度為參數(shù)）；—（通常把代表的負(fù)載當(dāng)作參數(shù)）；、—低速、高速轉(zhuǎn)軸處等效慣量，可得（2-3）（2-4）上述表達(dá)式、—用來增速轉(zhuǎn)動輪；、—。圖2-1風(fēng)電設(shè)備處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的曲線圖2-1為高速轉(zhuǎn)軸以旋轉(zhuǎn)角速度旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)相互穩(wěn)定運(yùn)行的示意圖。風(fēng)輪和發(fā)電設(shè)備的機(jī)械關(guān)系曲線相交的點為風(fēng)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行點。（2）柔性模型在風(fēng)電設(shè)備的柔性理論中，高速轉(zhuǎn)軸的B（風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子）及C（發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子）兩部分以不同速度旋轉(zhuǎn)，速度分別為、，這里的是齒輪箱的傳動比。用表示C部分的慣量，用表示B部分的慣量，則可以得到（2-5）式中—傳動效率；—低速部分。B和C部分的運(yùn)動方程與內(nèi)轉(zhuǎn)矩動態(tài)方程構(gòu)成傳動裝置的柔性模型：（2-6）2.1.2機(jī)電能量轉(zhuǎn)換理論發(fā)電機(jī)可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過其感應(yīng)電動勢把發(fā)電機(jī)的電系統(tǒng)和外部電系統(tǒng)聯(lián)系起來，從而利用感應(yīng)電動勢向外部電系統(tǒng)輸出電功率，這種聯(lián)系可以用電壓方程式來描述。而通過電磁轉(zhuǎn)矩可以把發(fā)電機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和外部機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)系起來，利用電磁轉(zhuǎn)矩的作用，從原動機(jī)那吸收機(jī)械功率，這種聯(lián)系可以用轉(zhuǎn)矩方程式來描述。此外，我們可以用功率方程式來描述發(fā)電設(shè)備將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以上方程式描述了電機(jī)內(nèi)部基本的物理關(guān)系，是對發(fā)電機(jī)進(jìn)行理論分析和計算的基礎(chǔ)。氣隙磁場作為電機(jī)的主磁場，可以通過其耦合作用，將電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)以及電系統(tǒng)相聯(lián)系起來，從而完成機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換及傳遞。1）電能的轉(zhuǎn)換過程之間的關(guān)系在原動機(jī)（如風(fēng)力機(jī)）的驅(qū)動下，發(fā)電機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率，除去發(fā)電機(jī)內(nèi)部損耗和耦合電磁場儲能的增量外，其余的能量轉(zhuǎn)變成電功率從感應(yīng)線圈的端口輸出。發(fā)電設(shè)備的這種能量轉(zhuǎn)換過程能夠通過下面的表達(dá)式來表示：軸上輸入的能量=耦合電磁場儲存起來的能量+發(fā)電機(jī)內(nèi)部能量消耗+端口傳遞出的電功率（2-7）發(fā)電機(jī)設(shè)備內(nèi)部的能量存在著三種損耗：第一種形式是電流流經(jīng)線圈電阻時產(chǎn)生的能量損耗，數(shù)值是，叫做銅損耗；二是在系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的，稱為風(fēng)摩；第三種為發(fā)生在耦合電磁場內(nèi)部的介質(zhì)損耗，統(tǒng)稱為鐵損耗。如果把機(jī)械損耗歸并到機(jī)械能中，把銅損耗歸并到電能中，把鐵損耗歸并到耦合電磁場儲存的能量中，那么式（2-7）可改寫成下式（軸上輸入的機(jī)械能-機(jī)械損耗）=（耦合電磁場儲存的能量+鐵損耗）+（端口輸出的電能+銅損耗）（2-8）式中，左邊稱為發(fā)電機(jī)可提供的轉(zhuǎn)換的總機(jī)械能，他將轉(zhuǎn)換成被耦合磁場吸收的能量和轉(zhuǎn)換成電能的總能量。式（2-7）和式（2-8）所描述的發(fā)電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可用圖2-2來描述。機(jī)械損耗介質(zhì)損耗電阻損耗耦合場 ie機(jī)械能輸入M1電能輸出u圖表2—2發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)換過程2）基本方程式（1）電壓方程式交流發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電磁感應(yīng)電動勢可分解為兩個分量，包括在變壓器電動勢方向上分量以及在運(yùn)動電動勢方向上分量，即：（2-9）上述表達(dá)式—運(yùn)動電動勢矩陣，并且有；—變壓器電動勢矩陣。（2）功率方程式觀察圖2-2可知，發(fā)電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換時，耦合場吸收從原動機(jī)輸入的機(jī)械能并將其一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌鰞Υ娴哪芰?，另一部分轉(zhuǎn)換成電功率并輸送至電力系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)發(fā)電設(shè)備可得如下功率方程：（2-10）式中Ω—單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，而且有；—第個繞組的感應(yīng)電動勢，。把上式改成矩陣形式為：(2-11)包含n個線圈的交流發(fā)電設(shè)備的電壓表達(dá)式是：（2-12）將上述公式等號兩端同時乘以電流i的轉(zhuǎn)置矩陣，就能求得發(fā)電機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部的功率方程式：（2-13）上述表達(dá)式—發(fā)電設(shè)備通過端口傳遞出去的電功率；—被線圈的運(yùn)動電動勢分量消耗掉的電能部分；—被繞組的變壓器感應(yīng)電動勢分量消耗掉的電能部分；—繞組的電阻損耗。（3）轉(zhuǎn)矩方程式對發(fā)電機(jī)來說，原動機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場儲能隨轉(zhuǎn)角的變化而變化時，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。發(fā)電設(shè)備處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)中，電磁轉(zhuǎn)矩會和轉(zhuǎn)軸上機(jī)械轉(zhuǎn)矩互相平衡，機(jī)組將以固定不變的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)動態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速將時刻發(fā)生變化，此時的發(fā)電機(jī)除了承受穩(wěn)定運(yùn)行時的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩，還將承受一個與轉(zhuǎn)速變化率成正比的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。所以，發(fā)電設(shè)備在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)中方程表達(dá)式是（2-14）式中—轉(zhuǎn)矩；—發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；—和發(fā)電設(shè)備中風(fēng)摩相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。發(fā)電設(shè)備在動態(tài)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩方程表達(dá)式是：（2-15）上述表達(dá)式—指發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)，其單位是；—指，其單位是。從上式可以看出，>0時，>，發(fā)動機(jī)速度增加；反之，發(fā)動機(jī)速度減小。風(fēng)電設(shè)備在實際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)動速度往往隨受風(fēng)速變化的影響，即發(fā)電設(shè)備處于動態(tài)運(yùn)行中。當(dāng)風(fēng)速突然增大時，機(jī)組會出現(xiàn)一個比較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，這會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片、傳動系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)軸等受到損傷。因此我們在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計過程中要充分考慮這種動態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響。2.2風(fēng)電設(shè)備的工作原理發(fā)電設(shè)備在風(fēng)電設(shè)備中的作用是不可或缺的，其作用是實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)主軸上的能量由機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，并儲存在蓄電池中或輸送到電網(wǎng)。風(fēng)電設(shè)備工作原理包括電磁力定律以及。電磁力定律是指處于磁場內(nèi)的、有電流流經(jīng)的導(dǎo)體將受到電磁力的影響。發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)換過程中的能量轉(zhuǎn)換是基于以上兩條定律才得以實現(xiàn)的。電磁力定律（2-16）電磁感應(yīng)定律（2-17）式中各個物理量正方向如圖2-3。 圖2-3各個物理量正方向—感應(yīng)電動勢（V）； —電磁力（N）； —磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）； —導(dǎo)體的有效長度（m）；—導(dǎo)體的運(yùn)動速度（）；—導(dǎo)體電流（A）。從以上兩式可以看出，發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換必須要有磁場和導(dǎo)體，這是發(fā)電機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。兩者之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，而當(dāng)導(dǎo)體在感應(yīng)電動勢作用下流過的電流將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。依靠電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電設(shè)備來吸收風(fēng)力設(shè)備上產(chǎn)生的機(jī)械能。發(fā)電設(shè)備依靠電磁感應(yīng)電動勢將電功率向外輸出，由此完成機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換。有關(guān)發(fā)電機(jī)的繞組、磁場、電磁轉(zhuǎn)矩、感應(yīng)電動勢以及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系在發(fā)電機(jī)中相互聯(lián)系和相互作用的原理就是發(fā)電機(jī)的工作原理。從以上分析可知，電機(jī)由電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)所構(gòu)成，通過磁場的耦合作用形成一個有機(jī)整體。電機(jī)的電系統(tǒng)通過感應(yīng)電動勢和外部電系統(tǒng)相聯(lián)系，通過感應(yīng)電動勢的作用向外部電系統(tǒng)發(fā)出電功率（發(fā)電機(jī)）或吸收電功率（電動機(jī)）。電機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)通過電磁轉(zhuǎn)矩和外部機(jī)械系統(tǒng)相聯(lián)系，通過電磁轉(zhuǎn)矩的作用從外部吸收機(jī)械功率(發(fā)電機(jī))或向外部輸出機(jī)械功率（電動機(jī)）。2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類目前已經(jīng)投產(chǎn)的風(fēng)電設(shè)備廣泛選擇多種多樣的設(shè)備類型。直流風(fēng)電設(shè)備由于檢修成本較高，安全穩(wěn)定性較差等原因已經(jīng)很少使用。發(fā)電設(shè)備選型和方式、風(fēng)電設(shè)備類型直接相關(guān)。使用槳距固定不變的風(fēng)力機(jī)并選擇速度和頻率保持不變的控制方式時，應(yīng)該選擇感應(yīng)發(fā)電機(jī)。為了提升發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率η，應(yīng)選用雙速型的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，可采用單繞組雙速型，也可采用雙繞組雙速型。當(dāng)使用槳距發(fā)生變化的風(fēng)力機(jī)時，應(yīng)該選取雙饋型設(shè)備。在變速恒頻控制下，應(yīng)該選擇，最近幾年來也開始選擇籠型。在同步發(fā)電機(jī)中，既能選擇電勵磁，也可以選擇永磁。隨著發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及實際應(yīng)用中出現(xiàn)的不足，人們開始研究既有電勵磁、又有永磁的混合勵磁同步發(fā)電機(jī)來降低成本、提高控制性能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類如圖2-4：圖2-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類關(guān)于不同規(guī)格風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、各部件作用等一并歸納于表2-1中。2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計基礎(chǔ)2.4.1設(shè)計的技術(shù)要求1）設(shè)計依據(jù)設(shè)計過程中的依據(jù)是國家標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)是指國家有關(guān)部門在總結(jié)電機(jī)設(shè)計和實際應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮今后發(fā)展需要，對電機(jī)提出的一系列技術(shù)性要求的具有推薦性或強(qiáng)制性的技術(shù)文件。電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是電機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)的依據(jù)，也作為評價電機(jī)性能優(yōu)劣的準(zhǔn)則。2）設(shè)計內(nèi)容發(fā)電機(jī)的設(shè)計過程通常由電磁設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分組成。電磁設(shè)計是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計任務(wù)書的規(guī)定，選定材料，確定定子和轉(zhuǎn)子的尺寸以及繞組數(shù)據(jù)，通過磁路計算和參數(shù)計算來最終確定電機(jī)的電磁性能。在電磁設(shè)計階段，通常需要設(shè)計多種方案進(jìn)行比較。以便從中選取最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計是在電磁設(shè)計確定的范圍基礎(chǔ)上，選取零部件、機(jī)械架構(gòu)，制造工藝等。此外還要進(jìn)行必要的冷卻通風(fēng)、溫升和機(jī)械計算。一般情況下，首先實施的是電磁設(shè)計，其次是結(jié)構(gòu)設(shè)計的實施。但有時為了相互調(diào)整的方便，需要二者平行交叉的進(jìn)行。

3）額定數(shù)據(jù)除此之外，額定數(shù)據(jù)中還應(yīng)包括絕緣等級、電樞繞組的接法以及電機(jī)的定額等。對于來說，還應(yīng)該包括額定勵磁狀態(tài)下的電流和電壓；針對來說，還應(yīng)該包括轉(zhuǎn)子額定電流值以及額定電壓值。額定運(yùn)行狀態(tài)下同步速度確定應(yīng)該遵循下式：（2-18）式中，代表額定頻率，代表極對數(shù)。額定電流由發(fā)電設(shè)備輸出端口所決定：（2-19）表達(dá)式中，m表示發(fā)電設(shè)備相數(shù)，表示額定電壓值（U），表示額定電流（Ⅰ），表示額定功率因數(shù)（％）。表2-1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu) 同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)類型電力磁性永磁型籠型雙饋型定子定子鐵芯用500微米硅鋼片加工形成；是主磁鏈的組成部分，在其槽內(nèi)放置繞組線圈定子線圈由圓銅漆包線或者扁銅絕緣線纏繞加工形成；機(jī)座用鑄鋼經(jīng)過嚴(yán)格焊接加工過程制作形成；用于定子鐵芯固定、整機(jī)的固定以及防止水和沙塵等異物進(jìn)去發(fā)電機(jī)內(nèi)部的防護(hù)端蓋用鑄鋼或厚鋼板焊接后加工而成；用于軸承的放置、轉(zhuǎn)子的支撐以及對設(shè)備進(jìn)行防護(hù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵芯用鋼板經(jīng)過疊壓加工制作而成，是主磁鏈的組成部分，用于套裝勵磁線圈或安放永磁體用500微米硅鋼片沖制加工形成;是主磁鏈的組成部分，在其槽中安置轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)子繞組用圓銅漆包線或者扁銅絕緣線纏繞加工而形成；存在電流流經(jīng)，并形成主磁場—用鋁質(zhì)或者銅質(zhì)導(dǎo)條以及端環(huán)構(gòu)成籠型短路線圈，用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子電動勢、通過轉(zhuǎn)子電流、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制而成；用來形成電磁電動勢，然后通過出現(xiàn)的電流，形成電磁轉(zhuǎn)矩永磁體—用鐵氧體等永磁材料加工而成——2.4.2主要尺寸發(fā)電機(jī)的主要尺寸指鐵芯軸向距離L以及電樞鐵芯直徑D。在發(fā)電設(shè)備設(shè)計制造過程內(nèi)，確定了額定數(shù)據(jù)以后，首先應(yīng)該確定主要尺寸。我們可以通過式（2-20）來確定發(fā)電機(jī)的主要尺寸，該公式被稱為電機(jī)設(shè)計的基本方程式。（2-20）式中—電樞計算長度（m）；D—電樞（定子）鐵芯直徑（m）；n—發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；—計算功率，，對于異步電動機(jī)電樞電動勢E可用端口輸出電壓U代替，對于同步發(fā)電機(jī)而言，采用進(jìn)行估算；—氣隙磁場波形系數(shù)，氣隙磁場以正弦規(guī)律分布，其值大小為1.11；—電樞繞組的繞組系數(shù)；—線負(fù)載（A）；—磁負(fù)載（T）；—，并且有，表示為氣隙的平均磁通密度。2.4.3電機(jī)繞組1）電機(jī)繞組的分類如圖2-5所示。直流電機(jī)勵磁繞組勵磁繞組（磁極繞組）同步電機(jī)勵磁繞組直流電機(jī)電樞繞組換向器繞組交流換向器電機(jī)線圈電機(jī)繞組單相交流定子線圈三相感應(yīng)電機(jī)定子繞組多相交流繞組同步電機(jī)電樞繞組籠型異步電機(jī)繞組短路繞組同步電機(jī)阻尼繞組圖2-5電機(jī)繞組的分類2）電機(jī)繞組基本概念（1）節(jié)距繞組的節(jié)距（Pitch）有前、后之分。線圈兩端在電樞圓周上跨越的間距稱作前節(jié)距；當(dāng)兩線圈相連接時，其中一個的后線圈邊和另外一個的前線圈邊位于電樞圓周上所跨越間距稱作繞組后節(jié)距；當(dāng)兩線圈相串聯(lián)時，其互相對應(yīng)的線圈邊緣之間的間距稱作合成節(jié)距。顯然，。前節(jié)距圖示后節(jié)距圖示圖2-6交流繞組的線圈（2）機(jī)械角度和電角度機(jī)械角度指電樞鐵心圓周上的幾何角度，已知整個鐵芯圓周為360°。對極對數(shù)為p的電機(jī)，鐵芯圓周共p360°電角度，顯然電角度是機(jī)械角度的p倍。（3）槽距角槽距角，即為兩個相鄰槽的中心軸線所夾空間電角度。假設(shè)鐵芯的槽數(shù)是Q、極對數(shù)是p，那么可得如下表達(dá)式（2-21）（4）每極每相槽數(shù)依照概念，每極每相槽數(shù)q為：（2-22）其中，m—電機(jī)的相數(shù)。（5）繞組系數(shù)可通過分布系數(shù)和線圈短距二者相乘得到。實際應(yīng)用時，交流繞組經(jīng)常設(shè)計成分布繞組和短距繞組來削弱磁動勢和高次諧波。（2-23）（2-24）式中，代表線圈基波分布系數(shù)，代表線圈的短距系數(shù)。以上兩式的中間部分適用于所有形式的繞組，而右側(cè)公式僅適用于60°相帶的整數(shù)槽繞組。（6）感應(yīng)電動勢交流電機(jī)電樞電磁感應(yīng)電動勢可如下方程式表示：（2-25）式中—電動勢的頻率（Hz）；—繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；—基波繞組系數(shù)；—每極磁通量。2.4.4參數(shù)計算眾所周知，線圈電抗大小可表示成，電阻R大小可表示成。1）主電抗計算交流電機(jī)電樞線圈基波磁場中的基波磁通量的大小是（2-26）式中—電樞基波磁場中磁通密度極值（）；—電樞鐵芯計算長度（m）；—極距（m）。所以電樞線圈在基波磁場磁鏈大小可用如下方程表示為：（2-27）在上述表達(dá)式，表示為線圈中每一相的有效。將表達(dá)式（2-26）帶入表達(dá)式（2-27）中，能夠求得主電抗為：（2-28）式中m—電機(jī)的相數(shù)；p—電機(jī)的極對數(shù)；—氣隙磁導(dǎo)率，；—，（指的是卡特系數(shù)；為氣隙長度，單位是米）。將式（2-28）改寫為：（2-29）上述表達(dá)式中作為主磁路部分的比磁導(dǎo)，可以寫成如下形式：（2-30）2）漏電抗計算漏電抗的計算方程的形式與式（2-29）類似，即（2-31）其中，是漏磁導(dǎo)、、總和。2.4.5發(fā)電機(jī)性能1）損耗和效率發(fā)電機(jī)工作效率可以通過其端口的輸出功率除以端口的輸入功率來求得。設(shè)為發(fā)電機(jī)的總損耗，則（2-32）其中，表示內(nèi)部摩擦損耗，表示勵磁損耗，表示其他損耗。所以，發(fā)電機(jī)的效率表達(dá)式為：（2-33）2）電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率指在保持額定轉(zhuǎn)速和額定勵磁電流不變的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載，使之從額定負(fù)載變到空載時，端電壓的升高值相對于額定電壓的百分比，即（2-34）

3風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展3.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的影響因素及存在的問題3.1.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的影響因素1）環(huán)境因素對風(fēng)能發(fā)電來講，最為重要的當(dāng)數(shù)風(fēng)能資源，因此風(fēng)資源豐富地區(qū)是風(fēng)電行業(yè)發(fā)展最迅速的區(qū)域。一個地區(qū)內(nèi)風(fēng)力資源的多少始終為制約該地區(qū)風(fēng)電事業(yè)迅速發(fā)展的重要因素。由于我國內(nèi)蒙古和新疆地區(qū)風(fēng)能資源豐富，所以這兩個地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展很快。除此之外，一個地區(qū)內(nèi)輸電線路的分布也對風(fēng)能發(fā)電事業(yè)的發(fā)展有重要影響。風(fēng)電機(jī)組輸出的電能都需要并入輸電網(wǎng)絡(luò)，若該地區(qū)電網(wǎng)不發(fā)達(dá)或者電網(wǎng)的容量小，即使風(fēng)能資源再豐富，風(fēng)電機(jī)組性能再好，也都是沒有用處的。只有電網(wǎng)將風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電能全部容納，才有可能在該地區(qū)建立風(fēng)力發(fā)電廠，才能促進(jìn)當(dāng)?shù)仫L(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。生活中，居民的環(huán)保觀念也將影響一個地區(qū)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。如果公眾的環(huán)保意識夠強(qiáng)，就能快速的將風(fēng)能推向商業(yè)化，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。2）技術(shù)因素在整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)組的造價較高且國產(chǎn)化程度低，導(dǎo)致我國的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展遇到阻礙。所以增強(qiáng)風(fēng)力設(shè)備的設(shè)計開發(fā)是加快風(fēng)電發(fā)展的一個重大舉措。其次，現(xiàn)有的工藝條件也限制了風(fēng)電行業(yè)的不斷進(jìn)步。由于風(fēng)電設(shè)備零部件巨大，以及維修困難、維修預(yù)算高，所以對風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量要求較高。由于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，對專業(yè)技術(shù)人才的缺口很大，急需大量該方面人才。3）政府政策因素政府對風(fēng)能行業(yè)影響的表現(xiàn)主要有：一方面政府可以制定和通過鼓勵風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)政策，從而影響整個行業(yè)的發(fā)展；另一方面政府部門的決策以及工作效率都會影響企業(yè)對風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的投資，從而可以影響整個行業(yè)。根據(jù)其他國家的實踐可以看出，政府決策因素對整個風(fēng)力行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用和影響。尤其是在我國，風(fēng)力發(fā)電起步時間晚，商業(yè)競爭力還比較弱，需要用政策加以扶持。由于風(fēng)電對國家和全社會有益，因此全社會應(yīng)該共同支持，制定有關(guān)政策，進(jìn)而促進(jìn)整個行業(yè)高速發(fā)展。3.1.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展存在的問題1）發(fā)電成本高風(fēng)電成本較高的原因是風(fēng)電設(shè)備的制造過程中的花費較高以及設(shè)備運(yùn)行過程中的檢修成本較高，但主要的花銷是固定資產(chǎn)的投資。由于目前運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多數(shù)是依靠進(jìn)口，造成風(fēng)力發(fā)電性價比較低，難以和火力發(fā)電、水力發(fā)電形成競爭優(yōu)勢。國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)組成本低，但是因為生產(chǎn)工藝差，無法大規(guī)模投產(chǎn)，并且機(jī)組的維護(hù)費用較高。2）風(fēng)力設(shè)備的工藝成本較高雖然發(fā)達(dá)國家風(fēng)電規(guī)模較大，技術(shù)較成熟，但其風(fēng)電投資成本與火電投資成本相當(dāng)，所以還應(yīng)該繼續(xù)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本。風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的核心問題是其設(shè)備的技術(shù)工藝。現(xiàn)階段，由于沒有充分利用國內(nèi)的制造業(yè)，也尚未根據(jù)國外技術(shù)進(jìn)行自主開發(fā)，導(dǎo)致我們國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)和全球發(fā)展水平相比處于落后狀態(tài)。目前的風(fēng)電領(lǐng)域朝著更大的單機(jī)容量方向發(fā)展，而我國相對落后，還不具備開發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能力，且質(zhì)量水平不高，容易出現(xiàn)故障。3）風(fēng)電設(shè)備在運(yùn)行中具有的干擾問題（1）風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的葉片切斷的空氣和葉片轉(zhuǎn)后的空氣結(jié)合在一塊發(fā)出的噪聲。（2）金屬葉片在旋轉(zhuǎn)時會對近距離內(nèi)的電視造成嚴(yán)重的干擾。4）風(fēng)電設(shè)備壽命短，遭遇極端氣候容易損壞5）電網(wǎng)制約在風(fēng)電并網(wǎng)的過程中，風(fēng)力發(fā)電會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷的預(yù)測精度降低，進(jìn)而對電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行方式造成影響。因為風(fēng)力具有的波動性以及間歇性的特性，這將導(dǎo)致在運(yùn)行過程中造成成本增加。6）其他需要解決的問題（1）提升風(fēng)力設(shè)備使用年限以及處于運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。（2）加大風(fēng)電機(jī)組機(jī)用儲能設(shè)備的開發(fā)力度。（3）加強(qiáng)對大型風(fēng)電設(shè)備研究力度從而適應(yīng)發(fā)展需求。（4）增大設(shè)備的可使用范圍，全面利用儲存的風(fēng)能。3.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展展望經(jīng)過多年的理論探索與運(yùn)行實踐，以及風(fēng)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界風(fēng)電事業(yè)的下一步發(fā)展目標(biāo)是利用先進(jìn)的技術(shù)和工藝制造出性價比更好的大型風(fēng)電機(jī)組。1）風(fēng)電設(shè)備單機(jī)容量大型化從風(fēng)電歷史進(jìn)程中可以看出，單機(jī)容量逐步增大是風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的重要特點。單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，將有助于每千瓦時成本的不斷下降。在大型機(jī)組的建設(shè)工程里，需要建設(shè)更高的機(jī)座來獲得更為豐富的風(fēng)力資源，提高發(fā)電量。2）加快對變速恒頻風(fēng)電設(shè)備的研究以及市場化進(jìn)程目前投產(chǎn)的風(fēng)電設(shè)備大多以固定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)選用變速恒頻風(fēng)電機(jī)組后，風(fēng)電設(shè)備將以不斷變動的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣風(fēng)輪和風(fēng)速就會以固定不變的最優(yōu)葉尖速比率運(yùn)行，并且二者可以同時發(fā)生變動，使風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)在運(yùn)行的可允許條件下始終保持最優(yōu)，以便能夠獲取更為豐富的能量。變速風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可以將功率因數(shù)控制在極其準(zhǔn)確的范圍內(nèi)，除此之外，它還可以給電力系統(tǒng)輸送無功功率，從而優(yōu)化其功率因數(shù)。3）機(jī)械方面的改進(jìn)在機(jī)械方面，通過對結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少甚至避免風(fēng)的擾動而導(dǎo)致的有害機(jī)械負(fù)荷，減少各個部件所受的應(yīng)力，從而減小零部件和整個機(jī)組的重量，進(jìn)而降低成本。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采用集主傳動軸、偏航系統(tǒng)和變速箱為一體的新型整體式驅(qū)動系統(tǒng)來減少零部件的數(shù)目，同時增強(qiáng)傳動系統(tǒng)的強(qiáng)度，減少在制造成本和保養(yǎng)維修方面產(chǎn)生的花費。4）空氣動力方面的改進(jìn)對空氣動力而言，改進(jìn)就是研究新型的葉片布局，從而獲得更為豐富的風(fēng)力資源。在現(xiàn)在風(fēng)電設(shè)備研發(fā)中，選用柔性葉片已經(jīng)逐步成為主流研究思路。柔性葉片由新型材質(zhì)加工制作而成，因而其表面形狀可以隨著風(fēng)力狀況的逐步變化而不斷變動，從而葉片的受力情況得到改善，獲得更多的風(fēng)力資源，提高可靠性。此外，新型空氣動力控制裝置也在研發(fā)中，相比之下其可靠性更高，而且產(chǎn)生的花費更少?？偠灾?，風(fēng)能發(fā)電憑借自身效益上存在的優(yōu)勢與傳統(tǒng)資源發(fā)電（煤電、水電等）不斷發(fā)生競爭，大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能的時代正在到來。

4超級電容器超級電容器（Supercapacitor，通常被稱為高性能電容器）通常利用由電極與電解質(zhì)溶液相鄰界面形成雙電層內(nèi)發(fā)生各種離子脫附與吸附過程，也可利用于上迅速進(jìn)行的各種電化學(xué)過程，使能量進(jìn)行儲存與釋放。因為電極于一個完整的充放電狀態(tài)中幾乎不存在各種化學(xué)反應(yīng)，理想狀態(tài)下活性物質(zhì)變化也不存在，也幾乎不涉及電極結(jié)構(gòu)變化，所以超級電容器擁有相當(dāng)大的功率分布密度以及使用壽命。此外，超級電容器本身存在著工作溫度適應(yīng)幅度大、無需保養(yǎng)和綠色環(huán)保等特點。4.1超級電容器的原理4.1.1超級電容器儲能原理分類1）雙電層電容器雙電層電容器（Electricdouble-layercapacitor，簡稱為EDLC）通常是通過在電極和電解質(zhì)相鄰界面形成的雙電層，或者通過電極表面上迅速進(jìn)行的電化學(xué)過程形成的法拉第電容器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和存儲。當(dāng)電容器發(fā)生極化反應(yīng)的電極存在足夠大的面積時，而且處于電解質(zhì)溶液中離子間距無限變小時，雙電層電容器(EDLC)可以儲存更多能量。2）法拉第準(zhǔn)電容器法拉第準(zhǔn)電容器（Faradaypseudocapacitor）電荷及能量儲存方式不同于雙電層電容器（EDLC），其電極采用金屬氧化物等特殊材質(zhì)制成。絕大多數(shù)電荷的轉(zhuǎn)移伴隨著多個電化學(xué)方程，這一些過程則視為電荷的遷移過程，由于遷移的電荷和電壓大小相關(guān)，所以電容器的大小也和電壓大小相關(guān)。用來制作電極的材料導(dǎo)電性能應(yīng)該良好，從而有助于加強(qiáng)電流的中集與分配。當(dāng)極化電極面積大小一致時，該電容器容量在EDLC容量的十倍到一百倍之間。3）混合型超級電容器混合型高性能電容器（Hybridsuper-capacitor）指電容器兩個電極采用不一樣的材質(zhì)制成，其中一個電極是利用制作EDLC的碳材質(zhì)制成，另一個電極選用金屬氧化物等特殊材質(zhì)制成。這種電容器在應(yīng)用過程中，擁有雙層電容器以及法拉第準(zhǔn)電容器雙重特性，所以它的比能量遠(yuǎn)大于雙電層電容器，此外，比功率與循環(huán)壽命也有較大水平提升。4.1.2雙電層電容器的工作原理當(dāng)雙電層電容器（EDLC）存在外部電壓時，兩個極板會分別存儲和外加電壓極性相同電荷，以此同時，由于兩極板之間電場的存在，電解液和電極相鄰表面將產(chǎn)生穩(wěn)定并且電性相反的兩層電荷，這也就是被稱為雙電層。在高性能電容器儲能過程內(nèi)，電解質(zhì)會發(fā)生極化，表面電荷逐漸減少。由以上能夠得出，超級電容器的一系列能量存儲總是物理性的，此期間不會涉及到電化學(xué)相關(guān)內(nèi)容，而且其能量存儲階段為可逆的。超級電容器的工作原理和傳統(tǒng)的電容器有很大的不同，超級電容器的儲能過程跳過了化學(xué)反應(yīng)，克服了傳統(tǒng)蓄電池污染大和壽命較短等缺點。圖4-1雙電層原理4.2電特性1）電壓工作電壓的大小可取零伏到額定電壓范圍內(nèi)的任一數(shù)值。鋁電解電容器在微小的時域內(nèi)對高電壓的承受能力叫做額定浪涌電壓，其測量的相關(guān)要求為：環(huán)境溫度為30℃左右，施加電壓時間不長于35s，兩次測試的時間差必須大于5min。經(jīng)過測驗可以知道，大小約超過額定電壓值百分之十。在這種高性能電容器內(nèi)分解液對電壓接受能力的峰值就叫做分解電壓。2）額定容量我們能夠采用如下方式來測量高性能電容器具有的的額定容量：在處于允許范圍內(nèi)的、大小不變的電流下向高性能電容器充電至額定電壓大小，并維持一分鐘，然后用在允許范圍內(nèi)的電流下放電直到兩端電壓值等于0所用時間大小乘以電流，得到結(jié)果后再除以額定電壓值大小。即(4-1)通常情況下，超級電容器的容量代表著電荷和容抗，所以我們也可以用測量容抗的方法來間接測量電容器的容量。圖4-2放電特性曲線3）額定電流額定電流指能把這種高性能電容器放電，并使其電壓值大小在五秒內(nèi)降到額定電壓值一半時電流值的大小。除此之外，高性能電容器在極短時間內(nèi)使之存儲的電能降到等于二分之一的額定電壓時的電流值就是最大電流值4）最大儲存能量最大儲存能量指電壓處于額定值大小時，高性能電容器放電至0能放出的總能量多少。5）等效串聯(lián)電阻等效串聯(lián)電阻的測量方法為：處在規(guī)定頻率和恒定電流值I情況中的等效電阻。處于測量過程中，由于高性能電容器處在規(guī)定頻率五十赫茲情況下其容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效串聯(lián)電阻，所以不需要考慮容抗大小，因此我們可以通過圖4-3所示的電路用交流電來測試等效串聯(lián)電阻。具體方法為：⑴將調(diào)壓器輸出端接入降壓變壓器，然后將其低壓側(cè)同限制電流的電阻以及高性能電容器相互連接起來；⑵調(diào)節(jié)調(diào)壓器的調(diào)節(jié)旋鈕，使回路的電流達(dá)到規(guī)定值，此時分別讀取電流表和電壓表的示數(shù)，電壓值和電流值的商即為等效串聯(lián)電阻的值。圖4-3簡單測量方法電路圖當(dāng)高性能電容器充放電時，電流將流過其等效電阻并產(chǎn)生熱量，造成設(shè)備發(fā)熱。因為等效電阻較大，所以應(yīng)用過程中應(yīng)注意設(shè)備的發(fā)熱問題。6）阻抗頻率特性阻抗頻率特性曲線：圖4-4阻抗頻率特性阻抗頻率特性曲線底部較為平坦的原因是等效串聯(lián)電阻較大。7）漏電流超級電容器容量很大，導(dǎo)致漏電流的實際大小要經(jīng)過很長一段時間測量出來，少則十個小時，多則七八十個小時。對于稍小容量高性能電容器的漏電流能夠用如圖4-5所示電路進(jìn)行測量，把需要測量的電容器以及用于限制電流的電阻串聯(lián)起來然后和直流電壓電源相連接起來，當(dāng)電流在電路中漸漸地不再變化時，該數(shù)值也就是漏電流實際值。其中，高性能電容器容量小于0.1法拉時，限流電阻取1000歐姆；容量在0.22-0.47F時，限流電阻取100歐姆；容量處于0.99-2.5法拉之間時，取限流電阻值為10歐姆。圖4-5RC充電電路4.3串聯(lián)過程均壓問題和解決方法4.3.1超級電容器均的均壓1）容量大小方面偏差對于均壓問題所產(chǎn)生的影響正常情況下，高性能電容器在容量大小方面偏差大約在-9.9%到+29.9%之間。若超級電容器處于偏差很大情況下進(jìn)行充電過程，容量小的將以最快的速度達(dá)到額定電壓值大小，假設(shè)此時容量非常大的只達(dá)到額定電壓之大小的n分之一，他所存儲起來的能量也僅僅相當(dāng)于小容量的n分之一。應(yīng)用過程當(dāng)中，選擇較小容量偏差的超級電容器組將提升其存儲能量方面的能力，但是會增加生產(chǎn)成本。2）漏電流在均壓問題方面上的影響高性能電容器在現(xiàn)代工程實際應(yīng)用時一般當(dāng)作儲能元件進(jìn)行應(yīng)用。處于放置在穩(wěn)定環(huán)境中充滿電能的高性能電容器對電能的存儲能力由漏電流值所決定，將上述高性能電容器放置很長一段時域以后，漏電流值大小較小的對電能的存儲能力將強(qiáng)于漏電流值大的。所以處于放電狀態(tài)中的高性能電容器，漏電流值最大的一個將最先完成放電狀態(tài)；對于處于充電狀態(tài)中的高性能電容器，漏電流越小，將越早完成該狀態(tài)。如果設(shè)是充放電前高性能電容器兩端漏電流最大和最小的差值，則每個電容器充放電過程中的能量是。3）等效電阻大小對于均壓方面問題的影響超級電容器的等效串聯(lián)電阻很大，并且隨著充放電次數(shù)增多而增大，在充放電過程中，等效串聯(lián)電阻值高的會比低的首先完成充放電過程，但是，等效電阻阻值較低的在處于充放電狀態(tài)時進(jìn)行的不夠充分。4.3.2解決方案1）采用無源元件的解決方案在高水平電壓整流濾波中，超級電容器組可選擇并聯(lián)電阻的方法實現(xiàn)均壓，如4-6所示，其中=、=。當(dāng)然，該方法也存在局限性，不適于在許多該元件串聯(lián)的電路中使用。-6阻容均壓方式除上述方式以外，我們也可以采用穩(wěn)壓型二極管進(jìn)行電壓均分或者采用一定數(shù)目普通型二極管先串聯(lián)然后并聯(lián)在高性能電容器組兩端進(jìn)行電壓均分，但是應(yīng)用過程中，以上兩種方法所涉及到穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電壓和普通二極管的導(dǎo)通電壓將因溫度不斷改變而產(chǎn)生變動，因此不符合均壓要求。圖4-7穩(wěn)壓型二極均壓圖-8普通型二極管均壓2）實用均壓電路圖4-9實用均壓電路3）所有電壓水平中實現(xiàn)電壓均分的思路動態(tài)均壓方案指使高性能電容器組在充放電狀態(tài)中使每一個元件上電壓實現(xiàn)均衡地一種方案。該方案利用先進(jìn)地高效率雙向轉(zhuǎn)換技術(shù)，補(bǔ)償每個高性能電容器的電流，進(jìn)而能夠達(dá)到使每個高性能電容器電壓都均衡的要求。5風(fēng)能和超級電容器的混合儲能系統(tǒng)近代以來，在傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、大力發(fā)展新能源的背景下，風(fēng)能作為一種簡單的新能源越來越受到世界上各個國家的關(guān)注和廣泛應(yīng)用。然而風(fēng)能不同于傳統(tǒng)能源，其中，間歇性和不穩(wěn)定性是最為顯著地區(qū)別。這同時就使得利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的設(shè)備輸出端口功率極其不穩(wěn)定，跟隨風(fēng)向的變動而變動。所以，為了解決風(fēng)力發(fā)電的間歇性以及不穩(wěn)定性等方面不足，可以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用超級電容器等儲能技術(shù)，構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)。5.1儲能系統(tǒng)的作用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，必須要采用儲能系統(tǒng)，他有如下的作用：（1）負(fù)荷調(diào)節(jié)。儲能系統(tǒng)在用電高峰期時將儲存的電能釋放到電力系統(tǒng)中去，而在風(fēng)能發(fā)電高峰期時，可以將剩余的電能儲存儲能系統(tǒng)中。（2）負(fù)荷跟蹤。（3）系統(tǒng)穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)可以釋放處于快速變動過程中的的有功以及無功功率，這樣能夠明顯地削弱風(fēng)電系統(tǒng)中的頻率以及功率振蕩。（4）功率因數(shù)的校正。（5）黑啟動功能。儲能設(shè)備儲存能量，可以提供處于孤島運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電設(shè)備啟動時所需能量。（6）可以降低發(fā)電設(shè)備對發(fā)電和輸電總?cè)萘康恼{(diào)節(jié)。儲能設(shè)備可以降低負(fù)荷的波峰和波谷，也就是降低了系統(tǒng)對調(diào)峰容量大小的要求。其次，在風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)儲能設(shè)備，在發(fā)電高峰期時給儲能設(shè)備進(jìn)行充電，可以降低電力網(wǎng)絡(luò)上負(fù)荷的最大容量，也就是升高電力網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘?。?）可以提升電網(wǎng)對電能的使用。儲能設(shè)備在用電高峰期時將儲存的電能釋放到電力網(wǎng)絡(luò)中去，也就是相當(dāng)于增加了電力網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘俊?.2超級電容器儲能技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用實際應(yīng)用中可以通過增加儲能系統(tǒng)或采用在亞最佳功率點運(yùn)行的可變速發(fā)電機(jī)提高風(fēng)力發(fā)電的電功率。以上兩種方法中，通過增加儲能系統(tǒng)可能會提高建設(shè)成本，但它有不可替代的優(yōu)點，如：增強(qiáng)低電壓的穿透性并增強(qiáng)其瞬態(tài)穩(wěn)定性能；還可以不需要機(jī)械的操作便可以進(jìn)去任何一種運(yùn)行工況。超級電容器作為一種電磁儲能形式，和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配套使用有諸多益處，具有存儲能量較大的優(yōu)點，同時還繼承傳統(tǒng)電容器釋放能量速度快的優(yōu)點，此外超級電容器還具有對社會發(fā)展特別有益的對環(huán)境無污染和使用壽命長的優(yōu)點。應(yīng)用過程中，必須選擇功率轉(zhuǎn)換器來連接儲能設(shè)備以及風(fēng)能發(fā)電設(shè)備。功率變換器體積小、控制型元件少且易于操控。我們在實際應(yīng)用中經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)相對簡單的功率轉(zhuǎn)換元件：圖5-1