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摘要：世界上主要使用的能源在不断发生变化，从古代的木柴薪火到第一次工业革命的煤炭，再到现在的石油天然气，能源的能耗比越来越高，污染越来越少。如今，随着环保的重要性提高和化石能源总量的减少，在继续使用和开发传统能源的同时，各国都投入了对新能源的开发，新型可再生的绿色能源格外受人注目。风力发电便是其中之一，风力发电有着绿色无污染等诸多优点，我国目前就在大力发展风力发电。本文针对风力发电工程，对其中的电气设计进行了介绍和叙述，并对风力发电的发展方向做出了一定的预测。
关键词：风电工程；电气设计
1.风力发电历史与中国风电
风力发电是通过风电机组将风的动能转化为电能，是一种高效清洁无污染且可持续的优良获能方式。在古代，风能便得到了利用，例如大约三千年前古人通过风车来磨面或者提水，这便是最早的风力机，最早的水平轴式风力机则出现于12世纪。近现代对风能的利用可追溯到上世纪三十年代，丹麦美国和苏联瑞典等四国成功利用航空上所出现的旋翼技术制造出了小型的风机。现代意义上的风力发电的第一次应用是丹麦进行的，1990年丹麦成功安装了第一台风力发电机组，其功率为220KW，其后五年德国风电巨头恩德公司研制出了第一台大功率（兆瓦级）风电机组，风力发电开始逐步发展。我国对风力发电也是相当重视，在二十世纪末就积极引进技术，并于2006年研制出完全自主创新的风机，其后国产风机装机容量越来越大，效率越来越高。如今，以2017年为代表，我国的风力发电装机总容量已达188392MW，位居世界第一，美国为第二。风能发电规模也在高速增加，截止2017年已达2695亿千瓦时，国家也出台了多项鼓励措施和政策，中国风电势必会得到进一步的增长和发展，据估算，2023年我国风电规模将达2017年的2.5倍。
2.风力发电厂组成简介
风力发电厂主要由四部分组成—风力发电机组、箱式变电站、风电场升压站，最后连接至电网进行供电。风力发电机组负责电力的产生，正常情况下，实际发电容量一般为额定功率的30%，风机出口的电压一般为0.69kv，接着将电力传至风电机组附带的箱式变电站，箱式变电站的变压比通常为0.69/35，进行升压至35kv，然后通过集电线路（电缆或架空线）进行环接，运到升压站。单台变压器的容量是有限的，因此许多大容量的风电场一般具有多台升压变压器，高压侧电压目前以110和220kv居多，某些大型电网例如我国的西北电网也有330kv，同时升压站的建站要综合考虑成本，尽可能放置在风力丰富且不占有土地资源的地方。升压站将电压升高后通过并网线路连接到电网进行供电。除此之外还有电厂中的保护装置和操作装置等。
风力发电机组负责将风能转化为电能，是整个风力发电系统中最关键的一环。其发电机的基本结构一般包括：风机叶片、齿轮箱、发电机、变流器等。同时还有支持部件和结构组件例如轴承和散热器等等。
风力发电机组包括以下几种类型：双馈变速恒频型风力发电机组和直驱型风力发电机组等。双馈变速恒频型风力发电机组采用的是双型发电机，发电机可进行变速，输出的电压为恒频且恒压的电能，当实际风速小发电机的额定风速，机组会改变转速和叶片的桨距角，进行变速，从而能得到最大的电能输出功率，风速大于额定风速使机组也会稳定功率，保持额定功率。直驱型机组没有齿轮箱，风轮轴直接和发电机相连接，其采用的变流器为全功率型。
3.电气设计
风电工程中的电气设计包括风电厂正常运行中的控制功能设计，保护功能设计以及自动偏航和解缆技术等，下面详细叙述控制功能设计。
风电中的控制功能一般为以下三个方面：电机与电机之间的切换控制，软并网技术和风电机组的自动启动与停止。
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（1）风机的启动方式包括以下三种：通过控制面板进行风机启动、利用远程电子监控启动以及风机的自动启动。而风机的停机方式也包括三种：紧急停机、自动停机和在安全状况下停机。其中，安全停机是最优停机方式也是目前停机时一般会采用的方式，安全停机能最大程度的保证机械设备和整个发电系统的正常和安全。自动停机是通过一定的刹车方式—通过空气动力刹车、机械瞬时刹车等使得风力发电机组尽可能快的停止运转。而紧急停机一般是不会使用的，使用紧急停机不仅对发电机组有一定的副作用，影响使用寿命，对整个风电系统都有着很大的负面影响，然而，当遇到某种紧急情况时，必须使用紧急停机以尽可能的减小危害。自动停机措施是为了保障风电系统安全所设置的无人条件下的停机方式。
(2)电机间的切换控制，指的是在不同大小的电机之间进行切换，大电机的电流较大，而小电机的电流小。在二者之间进行切换时，电流也会随之切换，如果此时不附加一定的保护措施，电流的切换会对极其造成损害，例如，将电机由大电机切换为小电机时，大电机所附带的大电流会通向小电机，电流超出小电机的承受范围，就会受到损坏，要想避免这种现象的发生就需要对切换过程进行控制。可以在小电机里安装控件，使得电机转换时会对电流进行调节，从而能保证电流能在小电机的承受范围之内，小电机不会受到较大的电流的冲击而遭到破坏。这种控件的可供选择物是比较多的，例如可控硅，将其装入小电机内可以控制电流。如果安装可控硅则必须将其安装在主电路中并且安装瞬态的抑制路。
(3)软并网技术。软并网技术是在风电机组控制中最常用到的技术。上文提到的可控硅就可以通过软并网技术来进行操控。上文提到，在进行大小不同的电机切换时会遇到电流问题，然而不仅是这个时候会产生电流冲击的问题，在进行升压站升压之后的并网时也会出现这种问题，在升压之后进行并网，这时会产生强大的电流，如果不进行控制就会对机组造成损坏，这时候也可以使用可控硅进行保护作用。通过可控硅控件，保证并网时的不会产生过大的电流，使电流大小保持正常。此外还可以另外装设一些开关之类的设备，力图断路器等，安装在并网线路的支路或者旁路中进行对线路进行保护。
设计整个控制系统，其根本目标在与保证风电机组能够在安全稳定而有序的前提下以正常的功率高效运行，能够最大化的运用风能，使得风电机组能达到最佳的状态。用来衡量控制系统的优劣的标准包括系统稳定性和系统的总体性能。稳定性，指的是通过控制系统的控制作用，能够使风电发电器能够按照设计标准稳定而安全的进行正常运行，基本不会出现异常情况，运行正常。而性能指的是各种效率，例如对风能的转化率，能量产出量和产出效率等，以及发电情况是否正常。为了实现满足这两个标准控制系统需要做到实时的监视和查看，能在第一时间获取到整个发电系统的各个部位的运行情况参数，并能及时和各个模块间进行联系和沟通并进行保持，从而能及时了解可能出现的问题和异常数据并及时进行修复。
总结：风力发电以其独特的绿色无污染、发电效率高并且可再生永不枯竭等优点，受到了全世界的广泛青睐。风电工程是一个发展前景非常良好，潜力巨大的项目，风能的蕴藏量也是非常巨大的，是水能的接近十倍，目前全球风能市场也在逐步活跃起来。因此，我们更应该把风电作为能源发展的重点，充分利用我国目前具有的风力优势，政府也要进一步采取鼓励和支持政策，发挥引导作用。对风力发电要详细了解其中的功能设计，了解其中容易出现的各种问题和解决措施，并详细规划风电的控制系统，使得整个系统能在安全稳定的条件下高效运行。
参考文献：
[1]李亚西，武鑫，赵斌，许洪华。世界风力发电现状及发展趋势[J]:太阳能.2004(1):6~7.
[2]宫靖远.风电场工程技术手册[M].机械工业出版社.2004
[3]杨俊华，吴捷，杨金明，杨苹.风力发电系统中的最优控制策略综述[J]:微特电机.2004,(3):39~42.
[4]马听霞，宋明中，马强，李永光.风力发电系统控制技术的研究[J]:上海电力学院学报.2005，21(3):205~209.
论文作者:丁楠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：风电论文; 电机论文; 电流论文; 风力发电论文; 机组论文; 风能论文; 风机论文; 《电力设备》2018年第17期论文;