本文首先介绍了分布式新能源电网系统和风力发电系统的基本运行原理，然后介绍了国内外相关技术的发展历程以及技术现状，最后提出了一套基于无刷直流电机的分布式风力发电系统，并给出了相应的系统控制方案以及系统运行原理的论证分析。
能源和环境是每个国家发展战略中不可忽略的重要的两个环节[1]。自从上世纪工业革命以来，各国的工业技术水平得到了飞速发展，人类生存质量得到了显著的提高，以火力发电为主的电网系统控制技术已经得到了相当完善的研究与应用。但与此同时，环境污染问题也变得越发严重。并且随着以煤炭、石油为主的传统能源的日益短缺，开发利用新型的、清洁的、可再生的能源，已经成为了当务之急。
  随着低碳经济的概念在全球范围内的推广，并且伴随着只能电网技术的飞速发展，开展基于可再生能源的电网控制技术研究，逐渐成为了各国科研人员的关注重点。以风力发电和太阳能发电为代表的新能源发电技术逐渐走进了人们的视野，并且受到了越来越多的关注。可以说，新能源发电系统是未来电力系统发展的必然方向，也是我国十二五工业4.0转型顺利推进的前提保障。所以，开展基于新能源发电系统的研究与应用，对于我国进一步提升国家竞争力，提升工业技术水平，具有十分重要的战略意义。
  1 分布式风力发电系统国内外研究现状
  分布式发电系统按照其能源来源分类，大致可以分为分布式风力发电系统与分布式太阳能发电系统。其中，风力发电以其资源保有量大、发电成本低，发电系统运行容错率高的特点，逐渐成为各国分布式新能源发电系统研究的主流方向。
  分布式风力发电系统主要由以下部件组成：风轮机、发电机、储能装置以及分布式风力发电系统控制器组成。随着机械控制技术的发展，风轮机经历了定桨距到变桨距的演变历程，其中，定桨距风轮机以其相对较高的控制稳定度，成为了分布式风力发电系统的首选。
  目前，风力发电机以永磁同步电机、双馈异步电机和无刷直流电机3大类为主。其中，永磁同步电机功率密度低，且机械结构复杂，加工难度成本高，逐渐被后两个取代，而双馈异步电机同样存在系统控制策略设计复杂的问题。无刷直流电机是近年来电气研究领域的新发现，其励磁、电枢绕组均设置在转子上，电流换向无需辅助装置，已经在风力发电市场中有了一席之地。
  风力发电系统控制器，一直以来都是风力发电系统研究的核心技术难点之一。其承担着系统各运行部件的实时监控、最大风能跟踪，负载需求管理等功能。随着DSP，FPGA等集成电路芯片的诞生，系统控制器的设计也由原先的硬件控制设计转为软件研发为主。可以说，系统控制器的设计水准，很大程度上决定了整个分布式风力发电系统的运行性能。
  2 分布式风力发电系统控制设计
  本文建立的分布式风力发电系统如图1所示。其基本运行原理如下：风轮机捕获风能，然后经无刷直流发电机将风能转换为电能，无刷直流输出端直接构造系统直流母线，直流负载直接挂接在直流母线上工作，交流负载可以通过直流母线电压外接逆变器实现供电，蓄电池通过双向DC/DC与直流母线交联，分布式风力发电系统控制器实现整个系统的监控、控制、调节功能，当双向DC/DC失效时，分布式风力发电系统控制器可以利用相关接触器控制，实现双向DC/DC的切投，此时蓄电池可以直接通过汇流条与直流母线相连，从而实现了系统的备份运行。
  双向DC/DC的设计选择是影响系统运行性能的关键。因双向DC/DC具有能量双向流动的特性，因此，仅采用一套电路即可实现蓄电池充放电的实时控制，可以显著节约系统硬件成本。基于控制复杂度考虑，双向DC/DC拓扑中的电子开关管不易过多，所以本文选择双向双管正激电路，其只需要2路两两互补的导通驱动信号，即可实现系统需求的控制功能。
  风力发电机与风轮机的合理选型，也是影响风力发电系统效率的另一个关键因素之一。基于无刷直流电机结构简单、运行可靠、容错率高的特点，本文选择电励磁无刷直流电机作为系统发电机，将其与定桨距风轮机采用传动轴直接连接的方式，降低了机械部件之间的损耗，并可进一步提高系统运行效率。
  分布式风力发电系统控制器是整个系统的核心部分，本文以主流的DSP2812为控制器基础单元，在芯片内部驻留母线电压、蓄电池电流双闭环控制策略，结合风轮机自身最大风能输出-转速特性，可以通过控制器调节双向DC/DC的电子开关管占空比，实现系统的最大风能跟踪，并且完成直流母线电压的调压控制。
  3 结语
  本文在介绍分布式风力发电系统的国内外研究现状的基础上，以无刷直流发电机为核心构架，在此基础上提出一种分布式风力发电系统，对该系统各关键组成部分进行了基本原理分析，并对该分布式风力发电系统控制策略进行了详细论证，初步论证了系统控制原理的可实现性。后续研究可以围绕系统仿真、系统样机试验验证展开，从而以更深入的切入点，论证本文所设计的分布式分布式风力发电系统的运行特性。并且，随着锂电池技术的发展，可以考虑用锂电池代替铅酸、镍镉蓄电池的方案可能性，以期得到更好的系统控制性能，最终实现一种高效、可靠的分布式风力发电系统。

世界能源发展面临资源紧张、环境污染、气候变化三大难题。我国也亟需调整能源结构、发展清洁能源。风力发电作为可再生能源，取之不尽用之不竭，是一项朝阳产业。本文主要从风力发电机原理及风力发电技术入手，分析了双馈异步风力发电机与直驱永磁风力发电机的原理和特点，以及我国风力发电的现状。
  风能作为自然界的清洁可再生能源，取之不竭用之不尽，蕴量极其丰富。过去人们用风车抽水、磨面，用风帆助力轮船启航，而现在风力发电已越来越多的走进人们的视野，不仅因其清洁可再生，更重要的是当下能源的有限性和不可再生性、环境的污染加剧、气候的升温变化对人类的生存环境亮起了红灯，这都决定了必须发展清洁能源。风能作为清洁能源之一，在我国拥有一定的发展基础，随着能源结构的不断调整，风力发电将拥有广阔的发展前景。风力发电正在世界上形成一股热潮，因其燃料来源于大自然，不需人力就可以获取，同时也不会产生辐射和空气污染。风力发电在国外也很流行，在我国西部地区也大力提倡。风力发电利用的是自然能源，相对火电、核电等发电要更加绿色、环保。
  1 风力发电机
  风力发电机又称风车，是将风能转换为机械功的动力机械，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。广义地说，风能也是太阳能，所以也被称为风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机，一般说来，3级风就有利用的价值。
  风力发电的原理与传统的风车类似，风力和风速带动叶轮旋转来收集风能，通过增速机加速叶轮旋转的速度，从而实现发电机发电。但是单纯依靠发电机并不能完成发电，而是一套整体的运行系统。
  2 风力发电机类型
  目前投入商业运行的并网发电机可分为定浆定速型和变浆变速型两大类，装机的发电机一般分为笼型异步发电机、绕线式双馈异步发电机和永磁同步发电机三种。风力发电机组结构包括机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、高速轴及其机械闸、发电机、偏航装置、电子控制器，液压系统、冷却元件、尾舵等。不同的风力发电机结构自然也不相同，该文重点研究双馈异步风力发电机和直驱永磁发电机。
  2.1 双馈异步风力发电机
  双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。主要由电机本体和冷却系统两部分组成，定子、转子和轴承系统组成电机本体，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。
  所谓双馈，指的是有两个能量流动的通道，双端口馈电，即转子和定子都参与励磁，都可以发电，并且与电网有能量交换。变频器在双馈电机中必不可少，变频器主要应用于变频驱动技术，改变交流电动机工作电压的频率和幅度。在双馈异步发电机中，定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，从而达到频率与电压成比例地改变，既改变频率的同时控制变频器输出电压，又使电动机的磁通保持一定，满足用电负载和并网的要求。
  在双馈异步风力发电机中，变频器是一个重要的组成部分，它主要由设备侧变频器、直流电压中间电路、电网侧变频器、IGBT模块、控制电子单元五部分组成。工作原理主要是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。应用于风力发电机的主要是交―直―交变频器。是先将交流电经整流器转化成直流电，再经过逆变器把直流电变成频率和电压都可变的交流电。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在逆变整流的过程中发挥着重要作用，它虽然就是一个开关，却是线路导通和关断的关键环节。双馈异步风力发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动发电机运行，齿轮箱可以变速1：100倍，以让风机在1500RPM（最高转速）下运行，目前流行的主要有1.25MW，1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。一对齿轮正确啮合的条件是两齿轮的模数和压力角分别对等，而在实际操作过程中，齿轮啮合不可避免的存在误差，容易产生摩擦噪声，所以也要定期检查齿轮箱润滑油供应是否充分。
  在实际操作过程中发现，双馈异步风力发电机因采用高速电机，具有体积小、重量轻，效率稿、价格低廉等优点，但同时由于增速齿轮箱结构复杂，容易疲劳损坏。
  2.2 直驱永磁同步发电机
  直驱，顾名思义直接驱动，是新型的电机直接和运动执行部分结合，即电机直接驱动机器运转，没有中间的机械传动环节，直驱式风力发电机也称无齿轮风力发电机。永磁，意为这种材料本身具有磁性，不是磁化得到的，一般不会退磁，永磁材料又称"硬磁材料"。一经磁化即能保持恒定磁性的材料，具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。直驱永磁同步发电机，采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，同时增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降。众所周知，齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件，所以直驱永磁同步发电机的可靠性要高于双馈异步风力发电机。叶轮吸收风能后转化为机械能，通过主轴传递给发电机发电，发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。
  因此，没有齿轮箱的直驱永磁同步发电机，具有以下优点：省去了齿轮箱这一机械部件，传动结构得到进一步简化，传动损耗大大降低，提高了机组的可靠性，提高了发电效率，在低风速环境下优势更明显；机组的零部件数量也同步减少，避免零部件损坏，降低了运行维护成本；同时也大大降低了摩擦噪声，使设备性能更优，电网接入性能的优异也有利于电网的稳定运行。但同时也要看到，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，吨位也相应更重，体积庞大，同时直驱永磁发电机的单价较贵，技术复杂。
  通过分析得出，直驱永磁风力发电机与双馈异步发电机相比优势更明显，是未来风电系统发展的一个重要方向，市场份额和占有率也会逐年增加，而且会成为海上风力发电机组的首选机型之一。随着技术的日臻成熟，也必将在我国风电机组中愈发重要。纵观风电机组现状得出，直驱永磁风力发电机与双馈异步风力发电机将并驾齐驱中国风电市场，成为我国风电市场上的两大主流机型。
  3 我国风力发电发展的现状
  煤炭是我国的主要能源之一，火力发电是目前我国主要的发电形式，但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已经危害到人类的生存和发展。提高清洁能源使用率、调整能源结构、发展可再生能源势在必行。当今世界能源发展面临着资源紧张、环境污染、气候变化三大难题，解决这些难题，必须走清洁发展道路。而风力发电技术已基本成熟，具有可推广可实施的可行性。
  据国家能源局网数据分析，2015年上半年中国共有270个风电场项目开工吊装，新增装机共5474台，装机容量为1010万千瓦，同比增长40.8%。其中，海上风电共装机50台，装机容量16.6万千瓦。从数据得出，我国风电发展势头强劲。
  我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据最新风能太阳能资源评估图谱和数据，我国陆地70米高度平均风功率密度达到200瓦/平方米及以上等级的风能资源技术可开发量为50亿千瓦，全国陆地太阳能资源理论储量1.86万亿千瓦。主要分布在两大风带：一条是“三北（东北、 华北、 西北）地区丰富带”，二是东部沿海风带，另外内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。
  4 结语
  我国风能资源如此丰厚，风力发电在我国有着广阔的发展前景，在国家大力提倡清洁能源的大背景下，更要提高风电机组的制造技术，打造国产化风电装备，同时做好风资源的测定和勘察工作，依托政策发展风电。面对全球化的环境污染和气候难题，寻找清洁能源是必经之路，发展风电也必将是关键环节之一。

风电是当前新型能源的主流发展形式之一。随着能源紧张和环保压力的进一步加大，风力发电的需求与日剧增。我国风力资源丰沛，风力发电基础条件十分优越。文章围绕当前风力发电相关技术问题进行探讨，介绍了风力发电机组发展状况，讨论了风电并网对电网的负面影响及解决措施，阐述了当前发展风电技术的主要难题，最后对今后风力发电的前景进行了展望。
21世纪，能源紧张和环保问题已经成为世界性难题。在这个大环境下，光伏太阳能、风力发电、水力发电等新型能源以其清洁无污染、高效、可持续发展等特点受到世界各国的高度重视，在经济发展和改善人居生活方面发挥了极为重要的作用。我国在新能源领域起步较晚，经过数年的发展，取得了阶段性成效。我国国土面积广大，横跨多个温度带，丰富的风力资源给风力发电创造了极为有利的条件。相关数据显示，到2013年底，我国风电新增装机容量已超过1.6万兆瓦，累计装机容量达到9万兆瓦，同比增长均超过了百分之二十，这个成绩在世界范围内也是名列前茅的。经过长期的研究和实践，风力发电在实际应用过程中存在的一些问题也逐渐引起人们的关注。其中，大型风电并网给电力系统在功率传输方向、电网电压、频率、系统稳定性、谐波污染、线路损耗和保护装置等方面所造成的影响最为突出，成为当前风力发电领域重点研究的关键性技术难题。截至目前，相关领域已经取得了一定成果，提高风电穿透功率、开展风功率预测、研究低电压穿越和动态无功补偿等技术对于上述问题有着较好的解决效果。受风能发电原理影响，风力发电功率的具有较强的随机性，波动范围较大，如果电网装机总量中风电装机容量所占比例较大，那么并网后就会对原电网造成较大冲击，威胁电网运行安全。通过调整风电场和电网原有电源间的出力对比，能够有效减少风电并网引发的安全问题，风电常规化是未来智能电网和分布式电源发电系统的重要发展方向，也是风力发电今后的主要发展趋势。
  1 风力发电设备发展现状概述
  截至目前，风力发电机组主要有三款机型投入使用，分别是恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步和直驱永磁同步发电机。三种机型各有特点。其中，变速恒频系统适应性最广，能够在较大的风度变化范围内高效运转，并保持理想的叶尖速比和最大功率点，从而获得风电企业的广泛欢迎，成为当前风电领域使用最多的主流风电发电机型。此外，直驱永磁同步发电技术和全功率变流器的应用，进一步扩大了风电发展空间，其风电发展前景十分广阔。
  2 风电并网影响分析
  从电网架构上看，风电场多数位于电网外缘地区，电网系统控制力较弱，受外界影响波动较大。当风电场大规模并入电网时，会对原有电力系统潮流方向和继电保护问题造成较大冲击和影响。深入开展风电并网问题研究，对于降低风电并网负面影响，推动风力发电事业的发展意义重大。
  2.1 风电并网对电网功率流动方向的影响
  按照常规发电方式，电能由电源发出，经由输电线路到达配电网，配电网按相关设置将电能分配到各个用电区域。在这个过程中，电能传输方向始终保持不变。而风电场并入电网后，配电网中电流功率改为双向流动，潮流流动方式的改变，影响了电网继电保护整定效果。因此，风电并网后的电网应按双电源或多电源网络相关标准设置保护装置，整定值要按照规避风电并网冲击电流的要求设计。
  2.2 风电并网对电网调度的影响
  风力发电以自然风为能源，生产不规律的现象非常突出，生产过程中难以对变化趋势进行有效预估。风电并网后，电网装机容量增加，为保障电网供电正常稳定的备用容量要求也就更高。由于作为备用的火电机组往往需要很长时间才能投入运行，使得电网运行安全可靠性有所降低，限制了风电的并网。此外，风力发电功率大小变化往往与用电需求量相错位，用电高峰时风力发电量小，用电低估时风力发电量反而大。这个特性使得风电并网后电网调度工作难度大增。目前较好的解决方法是在用电低谷时将风力发电电能储存起来，到用电高峰时再投入使用，从而达到“削峰填谷”的效果。
  2.3 风电并网对配电网电能质量的影响
  风电并入电网后，等效于在配电网上增加了电源。风力发电受风能影响，其输出功率呈现出不规律、不可预估的变化，降低了电网电压的稳定性。当前电网中主要使用的是异步电机，为保障安全，必须配套足够的无功功率补偿，否则就会引发电网电压下降、闪变等问题。此外，由风力发电机组及其并网所使用的电力电子设备所造成的谐波污染也是风电并网对电网电能质量的负面影响之一。一般情况下，风电并网后的电网会安装并联电容器组、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）和动态电压恢复器（DVR）等设备以应对风电并网对配电网电能质量的负面影响。
  3 发展风力发电面临的技术难题
  当前困扰风电产业发展的技术性难题主要包括风电功率预测、风电场电力电子设备及相关技术和低电压穿越问题。它们严重制约了风电产业的发展，成为世界风电企业共同面对、必须予以解决的共性问题。
  4 未来风力发电技术展望
  当前，全球市场一体化趋势日渐明显，经济生产活动愈加频繁。经济的发展对能源的需求越来越高。风力发电等新型能源契合绿色环保理念，既保障了能源供给又减轻了环境压力，是今后能源产业的主要发展趋势。就风力发电自身而言，其未来的发展具有如下几个方面的特点。
  4.1 单机容量越来越大
  风电场的建设需要大面积土地。当前，土地资源紧张也是制约经济发展的一个重要问题。提高风电机组单机装机容量，在保障电力供应的同时降低土地成本，可以大幅提高风电项目经济效益水平。
  4.2 浆距可变趋势明显
  由于风能的不稳定性，通过调整风机叶片的浆距角保证叶尖速比处于最佳状态，从而最大限度利用风能发电，是今后风电产业的一个发展方向。同时，浆距可控有利于在意外情况发生时，减少风能捕获，实现机组停机。
  4.3 风电场的常规化
  这里的常规化指的是消除风电发电的不确定性，使其与传统发电形式、常规电厂的运作模式相一致，提高风力发电的可控性和利用效率，满足电网运行需求。
  4.4 风电场实现由陆地向海洋转移
  相较于陆地，海上风力资源更加丰富，同时，海上风电场的建立可以有效降低风电场对土地资源的占用。随着VSC-HVDC技术及其构成的多端直流输电技术的成熟，海上风电场已经成为今后风力发电的重要方向。
  5 结束语
  我国正处于经济体制改革的关键时期。能源短缺问题是滞缓我国改革事业顺畅推进的重要瓶颈。加快实施风力发电，对于推动我国国民经济建设发展，节约资源，保护环境都有着十分重要的积极作用。风电企业要加快风电技术研发，特别是风电并网技术难题的攻关，扫清风电发展障碍，为我国能源产业的健康发展作出保障。

1995年，凯利・卡其波尔(KylieCatchpole)获得物理学学士学位后，选择了在当时看来毫无前途可言的光伏发电作为研究方向。“我意识到学这个有可能找不到工作。”她回忆到。但如今她的选择得到了回报，2006年，还在读博士后的她发现了能够大幅提高薄膜太阳能电池发电效率的办法，这一发现可以使太阳能发电比以往更具竞争力，使其像化石能源一样被广泛使用。
  薄膜太阳能电池由非晶硅、碲化镉等半导体材料制成，与传统的相对较厚且价格更高的晶体硅太阳能电池相比，其生产成本更加低廉。但是，由于薄膜电池的厚度小于照射光的波长，使得光被吸收的效率较低。薄膜电池的厚度只有几微米，只能微弱吸收光谱中近红外波段的能量，剩余部分波段能量全部损失。在光电转化效率上，薄膜电池为8％～12％，而晶体硅为14％～19％。因而，要产生同样的电能，需要安装更多的薄膜电池，从而限制了该技术的应用范围。
  卡其波尔如今已经是位于堪培拉的澳大利亚国立大学的一名研究员。早在2002年还在悉尼新南方威尔士大学读书时，她就开始了上述难题的攻关工作。“这有点重头再来的意味，你需要换个角度思考有没有一种全新的太阳能电池的制造方法。”她说，“曾经思考过的方案之一是利用电浆子光学，研究金属奇妙的光学特性。
  电浆子是一种波，产生于光线照射到金属表面瞬间电子的移动。已有人试图利用电浆子效应提高传统硅太阳能电池的效率，但尚未在薄膜电池上尝试。通过研究，卡其波尔发现，当光线照射时，封存在薄膜硅晶片上的银纳米粒子不会像镜子那样反射光线。相反，粒子表面产生的电浆子吸收了光子，使其在晶格内往复运动，使得晶片能够吸收更长波段的光能。
  卡其波尔在实验中获得了高于传统薄膜太阳能电池30％的电流强度。如果能把她的纳米粒子技术应用到大规模商用薄膜电池生产中，将有可能打破现有太阳能电池技术的格局。薄膜光电技术不仅可以获得市场(目前在美国仅占有30％的市场份额)，而且能从总体上促进太阳能行业的持续发展。
  目前，硅已被碲化镉取代作为薄膜太阳能电池的制造原料(该市场的领跑者――First Sloar公司，计划建造千兆瓦级的太阳能发电场，采用碲化镉薄膜发电技术，产能将与传统电站相当)。但碲是一种稀有元素，专家认为其市场供应可能无法满足如此大的需求。“碲元素的储备量远不足以改变光电产业格局，”卡其波尔说，“所以解决问题还得依靠硅。”
  曾有公司找过她购买技术，但她希望投入商业化之前能把这一技术做得更完善。与此同时，墨尔本的斯威本科技大学的研究人员正在与无锡尚德太阳能电力有限公司开展合作，共同开发自己的电浆子薄膜硅电池。尚德公司是世界上最大的硅电池制造商，该公司的电浆子光伏电池有望在四年内上市。

光伏发电的定义

 光伏发电是指利用太阳能电池这种半导体电子器件P-N结光生伏特效应原理有效地吸收太阳光辐射能，通过转换装置将光能直接转变成电能的发电方式。

光伏发电的原理

光伏电站的分类

集中式地面光伏电站最基本的特点是：光伏电站安装整体容量大，占地面积广阔；很多电站是建设在拍你屁的人烟稀少的地方，光伏电站土建工程量较大；为了光伏电站正常运行与维护，光伏电站需要专业人员驻守维护，相应的附属设施较多。

分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数十兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的，就地消纳、非外送型的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、热电联产机组、燃料电池发电系统、太阳能光伏发电、风力发电、生物质能发电等。

光伏农业科技大棚是一种与农业生产相结合，顶棚太阳能发电、棚内发展农业生产的新型光伏系统工程，是现代农业发展的一种新模式，有效地利用有限的资源、空间，提高单位上土地经济效益。

光伏电站的主要设备

国 家 政 策

地 方 政 策

一、光伏扶贫

二、光伏补贴

三、电价调整

四、光伏规划建设

五、规划/方案政策