一、背景
风能是一种潜力巨大的可再生能源。预计约有 100 亿千瓦的电力可用于地球风能资源的发电，几乎是水电发电量的 10 倍。全球燃烧煤炭每年产生的能量仅是风能产生的年能量的三分之一。因此，一些国家非常重视利用风力发电来发电和开发新能源。
近年来，全球可再生能源利用年均增长率达到25%。可再生能源的使用将由电力部门主导，非水电可再生能源发电的份额将增加两倍。风力发电是除水力发电外最成熟的可再生能源发电技术，其装机容量占整个可再生能源发电装机容量的绝大部分。然而，电力电子器件性能的限制，给大容量风力发电机组的开发和应用带来了一定的瓶颈。
此外，随着风电场容量的不断增长，确保风力涡轮机不独立于电网运行以保持区域电网的稳定性变得越来越重要。随着大功率电力电子器件及相关控制技术的进步，风力发电机组目前面临的低电压穿越问题将得到有效解决。
二、风力发电发展现状
自二十世纪之交以来，风力涡轮机已被用于发电。丹麦、瑞典、苏联和美国在 1930 年代成功地利用航空旋翼技术开发了小型风力发电装置。小型风力涡轮机在多风的岛屿和偏远村庄很常见，其发电成本仅为小型内燃机的一小部分。然而，当时的发电量很低，通常不到 5 千瓦。
在各个国家，据称已生产了 15、40、45、100 和 225 千瓦的风力涡轮机。 1978 年 1 月，美国在新墨西哥州克莱顿完成了一台 200 千瓦风力涡轮机的建造，该风力涡轮机的叶片直径为 38 米，能够为 60 个住宅供电。 1978 年初夏在丹麦西海岸投入使用的风力发电设施的容量为 2,000 千瓦。风车的高度是57米。产生的大部分电力被传输到电网，其余的则被输送到附近的学校。
1979 年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山脉建造了另一座风车，用于发电。风车高10层，钢叶片宽60米；叶片固定在塔形结构的顶部，使风车能够自由旋转并从任何方向收集能量；风速超过每小时38公里时，最大发电量为2000千瓦。这个山区的典型风速仅为每小时 29 公里，因此风车无法完全移动。即使它只工作了半年，预计它也可以提供北卡罗来纳州七个县的电力需求的 1% 到 2%。
进入 21 世纪，一些国家加大了改善环境的力度，一些国家逐步从煤电生产转向风力发电。风电产量逐年上升，是目前风能利用的主要类型。 2019年，中国风电发电量增长至4057亿千瓦时，增长10.85%； 2020年上半年，风力发电量2379亿千瓦时，增长10.91%。风能装机容量逐年增长。数据显示，2019年风电装机容量达到2100.5亿千瓦。 2020年上半年风电装机容量达到21675万千瓦，新增风电并网容量632万千瓦。
三、风力发电机的类型
在使用风力发电时，最重要的是硬件。 其中，风力发电机的作用不言而喻。 根据其运行标准和运行时的特点，可分为三种。 无论是哪一种，在具体的操作过程中，都具有独特的性质，表现出不同的特点。
1. 恒速风力发电机
该类发电机主要采用笼式异步发电机，在实际应用过程中具有诸多优势，但也存在一定缺陷。例如，在实际运行过程中，对额定功率有一定的标准，相对容易对电网的功率因数产生负面影响，导致运行不稳定。对此，为了达到补偿无功的目的，需要在发电机组和电网之间配备一定容量的并联补偿电容器组。
由于风力发电不同于其他类型的发电，具有一定的特殊性，所以这种发电机的结构比较简单。因此，在风力发电发展初期，具有成本低、运行具有一定稳定性、应用比较广泛等优势，在一定程度上促进了风力发电产业的发展。但是，随着风电研究的不断深入，这种发电机的缺点也越来越明显。其主要表现是这类发电机的转速只能维持在一定的额定转速，对风的功率要求比较高。同时，如果发电机转速过高，会造成运行不稳定。一般来说，需要将两种速度的发电机组合起来，以实现在利用中低速风能资源的同时利用高速风能资源。
2. 限速风力发电机
这类发电机应用也很广泛，与上面介绍的发电机有一定的相似性，优缺点也很明显。它是一种绕线式异步发电机。在实际应用过程中，要充分发挥其优势，避免其不足，从而充分发挥其使用价值。与其他类型的发电机相比，有限变速是其核心部分和特点。在具体应用过程中，不仅要保证其功率输出整体的可靠性，还要保证其具有一定的稳定性。输出功率能否达到稳定状态，对这类发电机的运行效果影响很大。因此，在进行具体实践时，需要根据实际情况采取相应措施，保证运行时的电力。同时，为了改善运行状态，如果不提前采取相应措施，或者做好必要的预防工作，很可能对电网造成负面影响。当风速较大时，如果电网的能源供应达到相应标准，可以有效提高电网运行时的速度，达到增加电网容量的目的。当风力运行变小时，会影响和限制电网的输出功率。可见，需要提高此类发电机使用的科学性，进而降低电网运行过程中风况的影响。同时，这类发电机在运行过程中，可以有针对性地采取措施控制外电阻，保证运行的稳定性，但这种方法存在一定的弊端，会浪费资源。严重时会直接影响风力发电的效果。在使用这类发电机时，需要综合考虑各种因素，优化其应用效果。
3. 变速风力发电机
通过对风电行业发展的了解，发现风力发电机的种类越来越多，技术含量不断提高。与上述两种风力发电机相比，这种风力发电机同样重要，发挥着不可忽视的重要作用。 “变速”这个词至关重要，是这类发电机的核心。从字面上理解，风力发电时，可以调节和控制速度，达到电网运输安全的目的。在保证电网平稳运行的同时，可以提高运行时的效率。在具体的实践过程中，这种类型的风力发电机可以进一步细分。但从整体分析来看，无论是哪种模式，其基本特性都不会改变，即变速运行。比如比较常见的有刷双馈异步发电机，这类发电机经过优化改进，避免了无功损耗和无功补偿的情况。同时，优势也非常明显。比较突出的优点是变流器体积小、重量轻，大大降低了发电机运行时的负荷，可以进一步保证发电机的高效运行
四、风力发电的工作原理及应用
1. 风力发电的基本原理
风能是基于风能转化为机械能，其次是机械能和输出能。风转动风力叶片、发电机内部和磁场，能量积累机制保持电能的稳定电流产生。风力涡轮机通常由叶片、低速轴、高速轴、风速计、塔架、发电机和液压系统组成。风轮是一种将风能转化为机器的装置，它可以响应风向的变化而改变其方向，以优化风能的使用。为保证转子的正常运行，塔架连接并支撑转子和发电机。周围的地形和转子的尺寸决定了塔的高度。发电机是将机械能转化为电能的装置。风力涡轮机叶片尖端的线速度与风力涡轮机结构内部的风速之间的联系称为顶点速比。这个比率是一个重要的风力涡轮机指标，它的大小决定了风力涡轮机的功率系数。风力涡轮机中的功率调节是风力发电系统的关键组成部分。主要由距离失速控制和失速控制两部分组成，支架可以调节到固定距离，不能根据风速调整叶片倾角，设计比较简单可靠，风机输出功率随风速变化速度，低风速使用系数低，可调节螺杆。目的是改变倾角，优化风能转换效率，稳定风机输出功率。
2. 风能可能是未来经济的支柱
以中国为例，风能和太阳能资源管理中心对400台风车的实测数据进行了两年的连续测试，对数字模拟结果和生成的风资源参数进行了修正。 在我国，根据我国风能资源目前的技术水平和基本技术经济发展指标，考虑到自然、地理位置和风能发展政策的限制，结合我国风能资源规模化建设的要求， 风力发电站，分配相关风资源，计算的风资源在中国离地50m、70m和100m高度。 技术发展水平分别为20亿千瓦、26亿千瓦和34亿千瓦。 中国风能资源丰富，充分开发利用使中国经济发展成为可能。
3. 风电系统技术的实际应用
风电系统技术常用于陆上和海上风电场的建设。然而，在陆上电站建设过程中，由于社会对电力需求的增加，沿海电站规模不断扩大，占用了大量土地资源。此外，大部分地面电站都离城市很近，城市中的高楼很容易影响地面发电能力。风能系统的控制技术无法优化，导致风力发电效率低，经济效益低，浪费土地资源。然而，随着风能系统管理技术的发展，相关专家开始利用风能技术在海上使用风力发电系统。海上风电与陆地不同，风能资源更丰富。从以上研究可知，风力发电机组的优化原理可以看出，风力是由叶轮收集的，这是影响风力发电机组优化运行的原因之一。在建设海上风电场时，风机收集的风能是陆地收集的风能的1.5倍。但海上风电建设成本很高，海洋风电系统管理技术尚未达到成熟水平，需要对海上风能技术进行进一步研究
五、风力发电及发电机组设计
1. 双馈异步风力发电机的发展现状
双馈异步发电机是绕线感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，是风力发电机国产化的关键部件之一。
目前，国内外双馈风力发电的主要机型容量为1.5-2MW，电压等级为低压690VAC。冷却系统分为水冷、空-空冷和空-水冷三种结构。其中，水冷电机的主要问题是转子散热差，沿轴向温度梯度不均匀，1.5MW以上功率水平明显。 2MW以上电机主要采用混合式通风结构，定转子铁芯上开有径向通风槽，定子冲片轭部（顶部或中部）开有少量轴向通风孔。孔的位置既要考虑对磁路的影响，又要达到一定的通风效果。在转子冲槽根部附近开有轴向通风孔。此外，通过优化通风结构，提高了散热能力。电机冷却方式为风冷或风水冷时，简单的径向通风方式一般有效，轴向通风加分段径向通风或带高效冷却器的径向通风散热较为理想。风力涡轮机使用的通风结构。目前，1.5MW以上的双馈风机主要采用左右侧支撑座板结构或左右箱式主机架结构，机架刚度大大加强。风冷或水冷电机的框架结构目前主要为箱式结构，基本保证了电机的刚性和强度，是大功率电机发展的主要结构。
目前，双馈风电机组的绝缘结构有两种。一种是以耐电晕聚酰亚胺薄膜为主要耐电晕材料，复合云母为辅。这种复合绝缘结构具有较高的机械强度和绝缘材料。较薄的优点是绝缘材料的导热率低，导热性差，绝缘材料成本高；另一种绝缘结构采用云母作为主要的耐电晕材料，具有高导热性和低成本。但绝缘材料较厚，槽满率低；国外一些大型风电厂商的转子硬绕组绝缘更倾向于第二种结构，成本优势更加突出。绝缘系统的主要问题如下：一是电机绝缘电阻低，漏电流过大；二、以复合云母为主要绝缘材料，放置大片绝缘胶一段时间后出现起泡硬化现象；引线焊接工艺不完善，容易造成绕组绝缘损坏。因此，降低转子绕组的漏电流、改进焊接工艺、提高绝缘材料的质量是未来技术创新的重点。
2. 双馈异步风力发电机的发展趋势
为了提高风力发电机组的综合效率，降低风力发电成本，双馈异步风力发电机正朝着增加单机功率、降低单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展，兆瓦级级大功率机组已成为技术发展和市场需求的主流。目前，5MW以下的风力发电机组均使用690V的电压等级。根据低压（220V、380V、690V）、中压（3.4kV、6kV、10.5kV）和高压（35kV、110kV、220kV）规定690V为低压等级，如果逐渐增大电机功率，会造成发电机母线电流过高，对电机温升、绝缘材料、集电环使用寿命等产生不利影响。 电缆、断路器开关等电气设备成本高，因此，提高电压等级是降低电机母线大电流的有效途径，将是未来大功率发展的主要方向。双馈风力涡轮机。
3. 双馈异步风力发电机的组成
双馈异步风力发电机的绕线感应发电机是变速恒频风力发电机的关键部件。 发电机的结构类似于正常绕线异步电动机。 作品。 电机本体由定子、转子、轴承系统组成； 定子结构与异步电动机相同，三相绕组直接接入电网； 转子与电网相连，可以从电网侧吸收电能，向电网输出电能。
双馈异步风力发电机组包括发电机、叶轮、齿轮箱、背靠背双向变流器、控制器等部件。 定子的三相输出直接连接到电网，而转子的绕组通过变流器流动。 逆变器接入电网后，根据运行需要自动调节转子绕组励磁电源的频率、电压、幅值、相位。 由于采用了交流励磁，在发电机和电网之间形成了一条“柔性链接”，使得励磁电流可以根据电网电压、电流和发电机转速变化，以保持恒定的输出电压。
4. 双馈异步风力发电机的特点
电励磁同步电机的转子带有励磁绕组，直流励磁电流注入滑环产生励磁磁场。然而，普通异步电动机的转子为鼠笼式结构，没有单独的励磁绕组，其磁场是由通过定子的励磁电流产生的。双馈异步发电机的定子和转子是对称的三相绕组，与电励磁同步电动机的结构紧密匹配，兼具异步电动机和同步电动机的特点。双馈异步电机显示出几种同步发电机的性能特征。与同步发电机类似，双馈异步发电机可以改变转子励磁电流的功率因数。因此，具有多个输入的发电机可以称为异步同步发电机。具体来说，它是一种具有同步特性的双馈交流励磁异步发电机。与普通的鼠笼式转子异步电动机相比，它具有许多鲜明的特点。
1.双馈异步风机有四种运行状态：次同步发电状态、次同步发电状态、超同步发电状态和超同步发电状态。通常，电机的工作速度超过其同步速度。这为风力涡轮机提供了卓越的速度调节和稳定性。
2.可变速、恒压、恒频发电。通过控制转子励磁电流的频率，即使风扇速度波动，也可以保持子频率，并且可以在定子输出处产生具有恒定频率的交流电。与典型的同步发电机相比，它有助于通过降低电网中断的影响来提高电力系统的稳定性。
3、有功和无功适应能力 具有根据风速和风能产生对双馈异步风力发电机有功功率进行管理的能力。
4. 转子变频器的励磁能力较小。通过改变转子绕组，可以使用双馈异步风力发电机产生变速、恒频的风力发电系统，发电机组的同步转速处于其整个转速运行范围的中心。如果系统运行的转差范围为30%同步转速，则最大转差功率仅为发电机额定功率的30%左右；因此，交流励磁变流器的容量只占发电机容量的一小部分。这不仅大大降低了风能系统的成本，而且还增加了机组的容量。
5. 双馈异步风力发电机工作原理
变速恒频双馈异步风力发电机的工作原理是将风力发电机传递的机械扭矩（风轮的转动惯量）输入到发电机轴。发电机励磁电流的频率和幅值保证了发电机定子输出频率的恒定电压。双馈异步风力发电机的定子和转子绕组均为三相对称绕组。假设电机的极对数为P，根据旋转电机的电磁场理论，当对称三相定子绕组通以三相对称电压时，定子绕组将产生A个三相幅值和相位对称的电流，对称的三相电流会产生幅值恒定、旋转固定的行波磁场。计算如下：
同理，当频率为 f2 的对称电流通过自转对称绕组时，转子的旋转磁场相对于转子本身的相对速度 n2 为：
从公式可以看出，改变转子励磁电流频率f2可以改变转子磁场速度n2。 如果改变转子电流的相序，则转子磁场运动方向反转。 因此，假设发电机电源的频率为50Hz，发电机定子磁场的转速为n1，电机转子本身的转速为n，只要nn2=n1=常数，则感应电势 由于 f1 不变，发电机定子绕组的频率将始终保持不变。
发电机转差 s=(n1-n)/n1，只要传入发电机转子绕组的电流频率满足：
该公式表明，当发电机因捕获风能而导致转子转速波动时，只要使频率为 sf1 的励磁电流通过转子的对称绕组，定子绕组中感应电势的频率为 恒定在 50Hz。 根据发电机转子转速上下同步转速的波动，有以下运行状态：1、次同步运行状态：转子转速低于定子同步转速，且转差频率为f2的励磁电流产生的旋转磁场转速n2与转子转速相同，故n+n2=n1。2、超同步运行状态：转子转速高于定子同步转速。 通过改变转子绕组励磁电流的相序，转子旋转磁场的速度n2与转子转速的方向相反，所以有n-n2=n1。3、同步运行状态：转子转速与定子转速同步，给转子绕组供电为直流电流，与普通同步发电机相同。
六、风力发电技术存在的问题
1. 风资源分布不均
以我国为例，风电试点首先在东北、西北地区开展。 迄今为止，最大的风能基地位于新疆省。 与内陆地区相比，新疆在地理位置上没有优势，但在地貌上却有很大优势。 比如地势比较平坦宽阔，没有障碍物，尤其是冬天，风可以带动风车。 因此，总体而言，它拥有非常丰富的风力资源。 在中国南方，受地形影响，风能资源分布差异较大。 在一些沿海地区，风资源比较丰富，但在南方大部分地区，风资源排名很低。
2. 风电产业链发展不平衡
风力发电机设施的建设非常重要，在很大程度上影响着风电产业的后续发展。 但通过对风电产业链的调查发现，核心部件的开发速度相对较慢，与风电机组部件的开发速度存在较大差距，难以实现 进行风力发电机组的整体设计。 同时，在与单位相关的各个方面，管理制度不完善，存在较大漏洞。 比如物流运输、系统测试等，都有很大的问题。 在这些因素的综合影响下，进一步加大了风电产业发展的难度。
七、风电的未来趋势
未来 20 年，陆上风力涡轮机装机容量将从 2018 年的 45 吉瓦增加四倍以上，达到 200 吉瓦。海上风电装机容量的年度增长将带来更高的增长需求——从 2018 年的 4.5 吉瓦增加到 2050 年的 45 吉瓦，增加了约 10 倍。
人们常常认为风能的功率完全依赖于风力涡轮机的功率，并且他们不断地想要获得更大的风力涡轮机。但是，情况并非如此。目前的风力涡轮机只能为电池充电，然后电池储存能量。个人最终使用的电量与电池的大小间接相关。功率的大小不仅取决于头部功率的大小，还取决于风量的大小。在内部，较小的风力涡轮机比较大的风力涡轮机更受欢迎。因为它更有可能由少量的风驱动来发电，所以持续的小风会比短暂的阵风提供更多的能量。无风时，风能仍可定期利用；例如，200W 的风力涡轮机可以与大电池和逆变器一起使用，以提供 500W、1000W 甚至更多的功率。
近年来，当代风力涡轮机的性能显着提高。它以前只在少数地方使用。风力涡轮机连接到一个 15W 的灯泡并直接吸收功率，这经常损坏灯泡。现在，由于技术改进，改进的充电器和逆变器得到应用，风力发电已成为具有确定技术成分的小型、可替代系统。小型风力涡轮机可以放在城市屋顶上，这不仅可以节省电力，而且是真正的绿色能源。
八、结论
风能生产是结合了计算机技术、空气动力学、建筑力学和材料科学的风能。世界风能资源丰富。因此，风能在未来具有广阔的发展前景。风能的利用将极大地促进我国环境保护和能源变革。结构和减少对进口能源的依赖。目前，风能发展迅速，日趋成熟。越来越多的国家正在扩大对风能的研究和推广，并取得了令人瞩目的成就。世界上越来越多的国家重视大型风能的发展，在陆地和海上，小型风力发电设备设施和风光互补技术也在积极发展。风能生产将是新绿色能源发展的重要方面，具有广阔的市场前景。目前，风力发电已逐渐成为各国的主流发电方式。风能可以得到有效利用，可以减少传统能源和不可再生能源的过度消耗。随着风力发电设施的完善，大规模生产降低了成本。风力发电的成本一直低于其他发电机。值得一提的是，风力发电的生态问题是可能扰乱鸟类。目前的解决方案是海上发电，它更昂贵但也更高效。而且风力发电时，风力发电机会产生噪音，所以要找一些空旷的地方建造。
参考文献
[1]Haiyan Jiang, Jianzhou Wang, Jie Wu, Wei Geng. "Comparison of numerical methods and metaheuristic optimization algorithms for estimating parameters for wind energy potential assessment in low wind regions", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017
[2]Han, Jingyi. "Renewable Energy Development in China: Policies, Practices and Performance.", Wageningen University and Research, 2021
[3]He, Zheng-Xia, Shi-Chun Xu, Wen-Xing Shen, Hui Zhang, Ru-Yin Long, He Yang, and Hong Chen. "Review of factors affffecting China’s offffshore wind power industry", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016.
