風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件

2.1風及風能資源2.1.1風的形成地球從地面直至數(shù)萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區(qū)有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區(qū)。

空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學上，一般把空氣的不規(guī)則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風

!!風，按照形成原因，有信風、海陸風和山谷風等幾種。2.1風及風能資源2.1.1風的形成地1（1）信風。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區(qū)的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現(xiàn)象。由于地球本身自西向東旋轉(zhuǎn)，大氣環(huán)流在北半球形成東北信風，在南半球形成東南信風。（2）海陸風。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風。（3）山谷風。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢低凹的山谷處受熱較少，則山谷內(nèi)冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動，形成山風。（1）信風。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射22.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是風吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風，就稱為南風。（2）風速。風速就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。通常所說的風速，是指一段時間內(nèi)的風速的算術平均值。2.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是3

蒲福風級的定義和描述蒲福風級名稱風速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風0-0.2零級無風炊煙上1軟風0.3-1.5一級軟風煙稍斜2輕風1.6-3.3二級輕風樹葉響3微風3.4-5.4三級微風樹枝晃4和風5.5-7.9四級和風灰塵起5清勁風8-10.7五級清風水起波6強風10.8-13.8六級強風大樹搖7疾風13.9-17.1七級疾風步難行8大風17.2-20.7八級大風樹枝折9烈風20.8-24.4九級烈風煙囪毀10狂風24.5-28.4十級狂風樹根拔11暴風28.5-32.6十一級暴風陸罕見12颶風>32.6十二級颶風浪滔天蒲福風級的定義和描述名稱風速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風0-4（3）風能和風能密度。

風中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風能。

（2-1）單位面積上流過的風能就是風能密度。

（2-2）（3）風能和風能密度。（2-1）單位面積52.1.3世界風能資源2.1.3世界風能資源62.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖2.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖7風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件82.2風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理

圖2-3并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的組成根據(jù)所發(fā)電能是否并入電網(wǎng)，風力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。圖2-3所示為并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的簡要組成。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理圖2-3并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的9齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機的體積和重量。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發(fā)電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對不同類型的發(fā)電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利10圖2-4風力發(fā)電機組的基本結(jié)構現(xiàn)代并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)通常還有變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動裝置、測風裝置等。圖2-4風力發(fā)電機組的基本結(jié)構現(xiàn)代并網(wǎng)型風力11圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)原理離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)通常由風力機、發(fā)電機和電力電子接口等構成，其容量一般較小，風力機轉(zhuǎn)速較高，可直接驅(qū)動發(fā)電機，故一般沒有齒輪箱；發(fā)出的電能經(jīng)電力電子接口變換后直接供給負載，因此，也沒有變壓器，結(jié)構上要簡單許多。下圖為某類復雜并網(wǎng)型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)原理離網(wǎng)12風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件13風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件14離網(wǎng)型：

離網(wǎng)型：152.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數(shù)2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理2162.3.1風力機的基本類型

風力機是將風的動能轉(zhuǎn)換為可用機械能的機械裝置，它通常由一個在風的升力或阻力作用下可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)風力機轉(zhuǎn)子結(jié)構形式、安裝方式、運行模式等的不同，風力機可分為不同類型。根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的位置，風力機可分為水平軸和垂直軸兩大類；對水平軸風力機，依據(jù)風力機轉(zhuǎn)子裝在塔架的迎風側(cè)還是下風側(cè)，可分為迎風型和順風型等；根據(jù)風力機槳距角是否可以調(diào)整，分為定槳距和變槳距風力機；根據(jù)風力機的轉(zhuǎn)速是否可以改變，又可分為恒速和變速風力機等。風力機是將風的動能轉(zhuǎn)換為可用機械能的機械裝置，它通常171.垂直軸與水平軸風力機（a）結(jié)構（b）實物照片圖2-6垂直軸風力機1.垂直軸與水平軸風力機（a）結(jié)構18垂直軸風力機最突出的優(yōu)點,是它的發(fā)電機與傳動系統(tǒng)可以放在地面，減輕了對塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風中吸收能量，故不需要偏航和對風系統(tǒng)，使系統(tǒng)得以簡化。但是，垂直軸風力機的缺點也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風速環(huán)境下運行，風能利用率較低；其次，雖然它的發(fā)電機和傳動系統(tǒng)放在地面，但維護并不容易，常需將風力機轉(zhuǎn)子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會延伸很遠，占用較大地面空間。垂直軸風力機最突出的優(yōu)點,是它的發(fā)電機與傳動19圖2-7水平軸風力機圖2-7水平軸風力機202.定槳距與變槳距風力機2.定槳距與變槳距風力機213.恒速與變速風力機

恒速風力機是指在正常運行時其轉(zhuǎn)速是恒定不變的。早期的風力發(fā)電機系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，因此，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率所決定，無法調(diào)節(jié)，它雖然控制較簡單，但風能利用率較低。隨著電力電子等技術的發(fā)展，出現(xiàn)了雙饋異步發(fā)電機，通過控制轉(zhuǎn)子繞組中電流的頻率，可以在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風力機轉(zhuǎn)速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發(fā)電機。近年來新出現(xiàn)的低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機也是變速恒頻發(fā)電機，因為它是經(jīng)由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風力機轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)改變。3.恒速與變速風力機恒速風力機是指在正常運行時其轉(zhuǎn)速是222.3.2風力機的工作原理、長度為2.3.2風力機的工作原理、長度為23當風經(jīng)過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推力方向與風輪旋轉(zhuǎn)平面垂直，轉(zhuǎn)矩使風輪旋轉(zhuǎn)。由于槳葉的參數(shù)（攻角、弦長等）沿著槳葉長度是變化的，因此，槳葉上每一點所受到的推力和轉(zhuǎn)矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉(zhuǎn)矩應是各點推力和轉(zhuǎn)矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風輪旋轉(zhuǎn)，葉素將掃掠出一個圓環(huán)。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環(huán)當風經(jīng)過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推24圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角25為風速矢量

為風輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：為風速矢量為風輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：262.3.3風能利用系數(shù)

根據(jù)空氣動力學原理2.3.3風能利用系數(shù)根據(jù)空氣動力學原理27風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系曲線

風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系曲線28不同槳距角時的風能利用系數(shù)

不同槳距角時的風能利用系數(shù)29圖2-12具有不同葉片數(shù)的風力機風能利用系數(shù)的對比圖2-12具有不同葉片數(shù)的風力機風能利用系數(shù)的對比302.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風力機理想功率曲線2.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能31在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功率：

1.失速控制對于定速定槳距風力機，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動特性，使其在高風速時產(chǎn)生失速來限制風力機功率。在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功32風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件332.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定風速及以上時，通過人為地調(diào)節(jié)槳距角，使風力機加深失速。

圖2-152.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定34主動失速控制的優(yōu)點是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡單（相對于后面的變槳控制）；缺點是：作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力增大，風力機氣動載荷加重。主動失速控制的優(yōu)點是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡353.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速后，可通過變槳機構使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增大葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風力機的功率保持不變。3.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速36主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風力機的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調(diào)節(jié)方向不同：主動失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風功率。因此，二者的槳距角調(diào)節(jié)方向相反。（2）調(diào)節(jié)頻率不同：變槳控制的槳距角可連續(xù)調(diào)節(jié)，其變槳機構較復雜；而主動失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規(guī)律不同：主動失速控制時，風輪軸向推力增加；而變槳控制時隨之減小，故氣動載荷減小。主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風力機372.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角，從而改變風力機的氣動特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風輪開始旋轉(zhuǎn)時，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生一個較大的啟動力矩。（2）風輪停止時，經(jīng)常使用的槳距角，使風輪剎車制動時，（3）額定風速以下時，為盡可能捕捉較多的風能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風力發(fā)電機組的最佳槳距角隨風速的變化而變化，因此，槳距角隨風速儀或功率輸出信號的變化而緩慢改變。（4）額定風速以上時，變槳控制可以有效調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組吸收功率及風輪所受載荷，使其不超過設計的限定值。（5）在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。因此，現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組多采用變槳距風力機。

空轉(zhuǎn)速度最小。在正槳距角時，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角38圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖39

（a）液壓變槳機構（b）電動變槳機構圖2-20變槳機構

402.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有41圖2-22主動偏航系統(tǒng)組成框圖圖2-22主動偏航系統(tǒng)組成框圖422.4風力發(fā)電機2.4風力發(fā)電機432.4.1籠型異步發(fā)電機

1.定槳距風電機組與籠型異步發(fā)電機定槳距就是風力機葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風角度不能隨風速的變化而變化。

定槳距風電機組需要配套的發(fā)電機具有恒轉(zhuǎn)速特性，并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機能夠滿足這一要求。

采用異步發(fā)電機并網(wǎng)運行有一系列優(yōu)點：籠型異步發(fā)電機的結(jié)構簡單、價格便宜；不需要嚴格的并網(wǎng)裝置，可以較容易地與電網(wǎng)連接；異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時，轉(zhuǎn)速近似是恒定的，但允許在一定范圍內(nèi)變化，因此可吸收瞬態(tài)陣風能量。2.4.1籠型異步發(fā)電機定槳距就是風力機葉44采用異步發(fā)電機的主要缺點是需要從電網(wǎng)吸收感性無功電流來勵磁，加重了電網(wǎng)對感性無功功率的負擔，因此，常需要對異步發(fā)電機進行無功補償。

在低風速運行區(qū)域，定槳距風電機組還面臨著系統(tǒng)效率低下的問題。

采用異步發(fā)電機的主要缺點是需要從電網(wǎng)吸收感性452.籠型異步發(fā)電機的結(jié)構特點目前，籠型異步發(fā)電機大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風速區(qū)域，4極繞組工作，發(fā)電機輸出的功率較大；在低風速區(qū)域，切換到6極繞組工作，發(fā)電機輸出的功率較小。

此外其他結(jié)構方面與普通籠型異步電機沒有區(qū)別。

2.籠型異步發(fā)電機的結(jié)構特點目前，籠型異步發(fā)電462.4.2同步發(fā)電機1.同步發(fā)電機與變速恒頻風電機組

直驅(qū)式風電機組采用低速永磁同步發(fā)電機，省去了中間變速機構，由風力機直接驅(qū)動發(fā)電機運行。采用變槳距技術可以使槳葉和風電機組的受力情況大為改善，然而，為了使機組轉(zhuǎn)速能快速跟蹤風速的變化，以便實行最佳的葉尖速比控制，必須對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩實施控制。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，這一直驅(qū)式風力發(fā)電變速恒頻控制的關鍵技術，目前已經(jīng)得到解決，只需在發(fā)電機與電網(wǎng)之間接入變流器，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間解耦，就允許發(fā)電機變速運行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組原理圖。2.4.2同步發(fā)電機1.同步發(fā)電機與變速恒頻風電機組47圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組482.結(jié)構特點

同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構則與異步發(fā)電機明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構，繞組中通以勵磁電流產(chǎn)生主磁場。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場，磁極結(jié)構一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構。

2.結(jié)構特點同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機49

3.運行原理

與異步發(fā)電機不同，同步發(fā)電機是一種雙邊激勵的發(fā)電機。其定子（電樞）繞組接到電網(wǎng)以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產(chǎn)生定子磁動勢，并建立起定子（電樞）旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流勵磁電流建立轉(zhuǎn)子主磁場，或者由永磁體直接產(chǎn)生主磁場。由于轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主磁場也將以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機穩(wěn)定運行時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速度旋轉(zhuǎn)，二者是相對靜止的，依靠定、轉(zhuǎn)子磁極之間的磁拉力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，傳遞電磁功率。3.運行原理與異步發(fā)電機不同，同步發(fā)電機是一種雙502.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機1.變速恒頻風電機組與雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機當變速恒頻風電機組不需要大范圍的變速運行，而只需要在較窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)變速控制時，可選擇雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機，發(fā)電機的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間。采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風電機組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機1.變速恒頻風電機組與512.結(jié)構特點雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機的定子結(jié)構與籠型異步發(fā)電機基本相同。二者在結(jié)構上的區(qū)別主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構的不同，前者為繞線型轉(zhuǎn)子繞組，后者為籠型轉(zhuǎn)子繞組。

為了使三相轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電路（回饋變頻器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設三個集電環(huán)，將轉(zhuǎn)子繞組的三個出線端分別接到三個集電環(huán)上，再通過電刷引出。2.結(jié)構特點雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機的定子523.運行原理與特性雙饋異步發(fā)電機的運行原理與籠型異步發(fā)電機基本相同，只是由于轉(zhuǎn)子使用了繞線型繞組，才使之可以實現(xiàn)雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋異步發(fā)電機來說，定、轉(zhuǎn)子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當電能的傳送方向為電機-電網(wǎng)方向時，電機為發(fā)電機運行，電能傳送方向相反時為電動機運行；在轉(zhuǎn)子邊，在變流器的電機側(cè)電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)可以用功率傳遞關系來加以說明，如圖2-34所示。3.運行原理與特性雙饋異步發(fā)電機的運行原理與籠53圖2-34雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關系圖2-34雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關系54圖2-35雙饋異步發(fā)電機的機械特性圖2-35雙饋異步發(fā)電機的機械特性552.5風力發(fā)電機系統(tǒng)的運行與控制

控制系統(tǒng)要根據(jù)風速和風向的變化對風力發(fā)電機組進行優(yōu)化控制，以提高風能轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電質(zhì)量。圖2-36風力機的理想功率曲線2.5風力發(fā)電機系統(tǒng)的運行與控制控制系統(tǒng)要56風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要目標和功能有：（1）在正常運行的風速范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。（2）在低風速區(qū)，跟蹤最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT），捕獲最大風能。（3）在高風速區(qū)，限制風能的捕獲，保持輸出功率為額定值。（4）保證風力機轉(zhuǎn)速在允許速度以下，抑制風力機噪聲及風輪離心力。（5）抑制陣風引起的轉(zhuǎn)矩波動，減小風力機的機械應力和輸出功率的波動。（6）保持風力發(fā)電機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定，保證電能質(zhì)量。（7）減小傳動鏈的機械載荷，保證風力發(fā)電機組壽命。風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要目標和功能有：572.5.1基本控制內(nèi)容2.5.2定槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制2.5.3變槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制2.5.4變槳距變速風力發(fā)電機組的運行與控制2.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介2.5.1基本控制內(nèi)容2.5.2定槳距恒速風力發(fā)電機組的582.5.1基本控制內(nèi)容1.風力發(fā)電機組的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換2.風力發(fā)電機組的啟動3.偏航系統(tǒng)的運行①運行；②暫停；③停機；④緊急停機。包括自啟動、本地啟動和遠程啟動。

主要包括自動偏航、手動偏航、側(cè)風、自動解纜等功能。

2.5.1基本控制內(nèi)容1.風力發(fā)電機組的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換2592.5.2定槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制1.失速與制動圖2-37葉尖擾流器的結(jié)構--（制動）失速見2.3.4節(jié)2.5.2定槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制1.失速與制動602.安裝角的調(diào)整(隨溫度與海拔而調(diào)整)

(a)溫度的影響（b）海拔的影響圖2-38空氣密度變化的影響2.安裝角的調(diào)整(隨溫度與海拔而調(diào)整)(a)溫度的影響612.5.3變槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制1.輸出功率特性圖2-40變槳距恒速風力發(fā)電機組的基本控制策略2.5.3變槳距恒速風力發(fā)電機組的運行與控制1.輸出功率特622.運行狀態(tài)根據(jù)變槳距系統(tǒng)所起的作用，變槳距風力發(fā)電機組可分為三種運行狀態(tài)：啟動狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài)。

1）啟動狀態(tài)。變槳距風力機在靜止時，槳距角為如圖2-41所示。這時，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當風速達到啟動風速時，葉片向槳距角為對葉片產(chǎn)生一定的攻角，風輪開始啟動.方向轉(zhuǎn)動，直至氣流2.運行狀態(tài)根據(jù)變槳距系統(tǒng)所起的作用，變槳距風632）欠功率狀態(tài)。當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機的輸出功率低于額定功率，此運行狀態(tài)稱為欠功率狀態(tài)。在采用籠型異步發(fā)電機的風力發(fā)電機系統(tǒng)中，欠功率狀態(tài)下對槳距角不加控制，這時的變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相同。而在采用繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的風力發(fā)電機系統(tǒng)中，可采用所謂的“優(yōu)化滑差”技術，即可以根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，從而改善低風速時風力發(fā)電機組的性能。2）欠功率狀態(tài)。而在采用繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的風643）額定功率狀態(tài)。當風速達到額定風速以后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。此時，變槳距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制，控制信號的給定值是恒定的額定功率。功率反饋信號與給定信號比較，當實際功率大于額定功率時，槳距角就向增大方向轉(zhuǎn)動（減小迎風面積），反之則向槳距角減小的方向轉(zhuǎn)動（增大迎風面積）。2.3.4節(jié)已對此有部分介紹。圖2-42變槳距恒速風力發(fā)電機組的控制框圖3）額定功率狀態(tài)。當風速達到額定風速以后，風力發(fā)電機組進入額652.5.4變槳距變速風力發(fā)電機組的運行與控制122.5.4變槳距變速風力發(fā)電機組的運行與控制1266風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件671.控制策略圖2-43變槳距變速風力發(fā)電機組的基本控制策略1.控制策略圖2-43變槳距變速風力發(fā)電機組的基本控制策682.運行狀態(tài)1）啟動狀態(tài)（Oa段）2）恒定區(qū)（ab段）：也稱變速運行區(qū)。3）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)（bc段）4）功率恒定區(qū)：風速高于額定風速時，轉(zhuǎn)速和功率必須維持在額定值，因此，該狀態(tài)運行區(qū)域稱為功率恒定區(qū)。

5）切出區(qū)：當風速大于切出風速時，為保證風力發(fā)電機組的安全，需對機組進行制動減速控制，直至切出。2.運行狀態(tài)1）啟動狀態(tài)（Oa段）2）恒定區(qū)（ab段）：也69(a)恒定區(qū)（b）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)（c）功率恒定區(qū)值變化情況圖2-46三個工作區(qū)域的(a)恒定區(qū)（b）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)703.不同類型風力發(fā)電機組的比較

圖2-47不同類型風力發(fā)電機組的功率曲線對比3.不同類型風力發(fā)電機組的比較圖2-47不同類型風力發(fā)電712.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介欲使風力發(fā)電機組運行于最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率點跟蹤，必須采用適當?shù)目刂品椒?，即所謂的最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT）控制方法，使風力機的轉(zhuǎn)速隨風速的變化而成比例地變化。目前，已有多種不同的MPPT控制方案，各有優(yōu)缺點和適用范圍。1.最佳葉尖速比法當葉尖速比時，有最大值

2.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介72圖2-48最佳葉尖速比控制框圖圖2-48最佳葉尖速比控制框圖73風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件742.功率信號反饋法圖2-49最大功率曲線2.功率信號反饋法圖2-49最大功率曲線75圖2-50基于PI調(diào)節(jié)器的功率信號反饋法的控制框圖圖2-50基于PI調(diào)節(jié)器的76圖2-51基于模糊PI調(diào)節(jié)器的功率信號反饋法的控制框圖圖2-51基于模糊PI調(diào)節(jié)器的773.爬山搜索法爬山搜索法無需測量風速，也不需要事先知道風力機的功率曲線，而是人為地給風力機施加轉(zhuǎn)速擾動，根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化確定轉(zhuǎn)速的控制增量。

爬山搜索法的原理3.爬山搜索法爬山搜索法無需測量風速，也不需78爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖79該控制方法的優(yōu)點是：不需要任何測定風速的裝置，不需要知道風力機確切的功率特性。它對風力機功率特性的掌握要求較低，且控制過程基本是由軟件編程實現(xiàn)的；它獨立于風力機的設計參數(shù)，可以自主地追蹤到最大功率點；對于無慣性的或慣性很小的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，風力機轉(zhuǎn)速對風速的反應幾乎是瞬時的。該方法的缺點是：即使風速穩(wěn)定，發(fā)電機的最終輸出功率也會有小幅波動；按照系統(tǒng)的控制目標，希望在某一風速下風力機能夠沿著功率曲線逐步移動到最佳功率負載線附近，所以要求系統(tǒng)在每一調(diào)整的離散時間點上達到穩(wěn)態(tài)工作點，對于慣性較大的大型風力機系統(tǒng)，系統(tǒng)的時間常數(shù)較大，實現(xiàn)最大功率點跟蹤所需時間較長，因此在風速持續(xù)變化的情況下其控制性能將受到影響；此外，當風速變化較快時，可能引起系統(tǒng)振蕩，不宜采用此方法。該控制方法的優(yōu)點是：不需要任何測定風速的裝置，不需要知802.6風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)

2.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)2.6.2異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)2.6.3風力發(fā)電機組的并網(wǎng)安全運行與防護措施2.6風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)2.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)812.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)同步風力發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有5個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。1）并網(wǎng)條件2.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)同步風力發(fā)電機組并822）并網(wǎng)方法（1）自動準同步并網(wǎng)。當風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速幾乎達到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時，控制斷路器合閘并網(wǎng)。同步風力發(fā)電機并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)一致。

優(yōu)點：合閘時沒有明顯的電流沖擊；缺點：控制操作復雜、費時。

2）并網(wǎng)方法（1）自動準同步并網(wǎng)。當風力發(fā)電83（2）自同步并網(wǎng)。

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組先通過限流電阻短接，電機中無勵磁磁場，用原動機將發(fā)電機轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時，將發(fā)電機并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機自動牽入同步。

由于發(fā)電機并網(wǎng)時，轉(zhuǎn)子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中沒有感應電動勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相位角進行調(diào)節(jié)和校準，控制簡單，并且從根本上排除了不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降現(xiàn)象（2）自同步并網(wǎng)。同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組先84帶變頻器的同步發(fā)電機組并網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)點明顯！缺點是電力電子裝置價格較高、控制較復雜，同時非正弦逆變器在運行時產(chǎn)生的高頻諧波電流流入電網(wǎng)，將影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。帶變頻器的同步發(fā)電機組并網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)點明顯！缺點是電力電852.6.2異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)異步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)方式主要有三種：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)。1）直接并網(wǎng)。

并網(wǎng)條件：一是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，即相序相同；二是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速盡可能接近于同步轉(zhuǎn)速。其中第一條必須嚴格遵守，在接線時調(diào)整好相序；第二條的要求不是很嚴格，但發(fā)電機轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的誤差越小，并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流越小。

特點：比同步發(fā)電機的準同步并網(wǎng)簡單，但并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生5-6倍額定電流的沖擊電流，引起電網(wǎng)電壓下降。因此只能用于百KW級以下，且電網(wǎng)容量較大的場合。2.6.2異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)異步風力發(fā)電機862）降壓并網(wǎng)。

降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。發(fā)電機并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，將接入的電阻等元件迅速從線路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟性較差，適用于百KW級以上、容量較大的機組。2）降壓并網(wǎng)。降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接873）晶閘管軟并網(wǎng)。圖2-59異步風力發(fā)電機組晶閘管軟并網(wǎng)晶閘管軟并網(wǎng)是在異步發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導通角(180度到0度逐步打開)來控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程，如圖2-59所示。3）晶閘管軟并網(wǎng)。圖2-59異步風力發(fā)電機組晶閘管軟并網(wǎng)88雙饋異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)（專屬方法）：風力機啟動后帶動發(fā)電機至接近于同步轉(zhuǎn)速時，由轉(zhuǎn)子回路中的變頻器通過對轉(zhuǎn)子電流的控制實現(xiàn)電壓匹配、同步和相位的控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。通過轉(zhuǎn)子電流的控制還可以保證風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速及負載的變化而及時地調(diào)整，從而使風力機運行在最佳葉尖速比下，獲得最大的風能及高的系統(tǒng)效率。雙饋異步發(fā)電機可通過勵磁電流的頻率、幅值和相位的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變速運行下的恒頻及功率調(diào)節(jié)。當風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速及負載的變化而變化時，通過勵磁電流頻率的調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電能頻率的穩(wěn)定；改變勵磁電流的幅值和相位，可以改變發(fā)電機定子電動勢和電網(wǎng)電壓之間的相位角，也即改變了發(fā)電機的功率角，從而實現(xiàn)了有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。雙饋異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)（專屬方法）：風力機啟89圖2-61雙饋異步發(fā)電機變速恒頻運行的并網(wǎng)系統(tǒng)圖2-61雙饋異步發(fā)電機變速恒頻運行的并網(wǎng)系統(tǒng)902.6.3風力發(fā)電機組的并網(wǎng)安全運行與防護措施圖2-63控制系統(tǒng)的安全保護組成2.6.3風力發(fā)電機組的并網(wǎng)安全運行與防護措施圖2-63911．雷電安全保護風力發(fā)電控制系統(tǒng)大多為計算機和電子器件，大部分是弱電器件，耐過電壓能力低，最容易因雷電感應造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。當雷電擊中電網(wǎng)中的設備后，大電流將經(jīng)接地點泄入地網(wǎng)，使接地點電位大大升高。若控制設備接地點靠近雷擊大電流的入地點，則電位將隨之升高，會在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴重時會造成相關設備絕緣擊穿。根據(jù)國外風場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風電場因雷擊而損壞的主要風電機部件是控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。雷擊事故中的40%-50%涉及風電機控制系統(tǒng)的損壞，15%-20%涉及通信系統(tǒng)，15%-20%涉及風機葉片，5%涉及發(fā)電機。防雷是一個系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系統(tǒng)來考慮，需要從風電場整體設計上考慮，采取多層防護措施。1．雷電安全保護風力發(fā)電控制系統(tǒng)大多為計算機922.運行安全保護（1）大風安全保護：一般風速達到25m/s（10min）即為停機風速，機組必須按照安全程序停機，停機后，風力發(fā)電機組必須（2）參數(shù)越限保護：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情況設定有上、下限值，當數(shù)據(jù)達到限定位時，控制系統(tǒng)根據(jù)設定好的程序進行自動處理。（3）過電壓、過電流保護：指裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過電流所進行的保護。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過電流保護器等。（4）振動保護：機組應設有三級振動頻率保護，即振動球開關、振動頻率上限1、振動頻率極限2，當開關動作時，控制系統(tǒng)將分級進行處理。（5）開機、關機保護：設計機組按順序正常開機，確保機組安全。在小風、大風、故障時控制機組按順序停機。對風控制。2.運行安全保護（2）參數(shù)越限保護：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情933.電網(wǎng)掉電保護4.緊急停機安全鏈保護5.微機控制器抗干擾保護6.接地保護7.低電壓穿越能力3.電網(wǎng)掉電保護4.緊急停機安全鏈保護5.微機控制器抗干擾保942.7風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規(guī)范2.7.2低電壓對風力發(fā)電機組的影響2.7.3低電壓穿越技術2.7風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基952.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規(guī)范所謂低電壓穿越（LowVoltageRideThrough,LVRT）,是指由于電網(wǎng)故障或擾動引起風電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風力發(fā)電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供一定無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區(qū)域）。2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規(guī)范所謂低96圖2-60風力發(fā)電機組低電壓穿越要求圖2-60風力發(fā)電機組低電壓穿越要求97風電場低電壓穿越的規(guī)定：（1）風力發(fā)電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行625ms的低電壓穿越能力。（2）風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風力發(fā)電機組應具有不間斷并網(wǎng)運行的能力。（3）在電網(wǎng)故障期間沒有切出的風力發(fā)電機組，在故障清除后其有功功率應以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復至故障前的狀態(tài)。風電場低電壓穿越的規(guī)定：982.7.2低電壓對風力發(fā)電機組的影響當并網(wǎng)點電壓突然跌落時，輸出電功率隨之減小，風力發(fā)電機組的輸入輸出功率失去平衡，從而引起一系列電磁和機電暫態(tài)過程，對風力發(fā)電機組產(chǎn)生不利影響。不同類型風力發(fā)電機組的暫態(tài)過程及其導致的影響不盡相同。1.雙饋異步發(fā)電機組雙饋異步發(fā)電機組（DFIG）的定子側(cè)直接連接電網(wǎng)，這種直接耦合使得電網(wǎng)電壓的降落直接反映在發(fā)電機定子端電壓上，首先導致定子電流增大；又由于故障瞬間磁鏈不能突變，在轉(zhuǎn)子中感應出較大的電動勢并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，導致轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流大幅增加。定、轉(zhuǎn)子電流的大幅波動，會造成DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，對風力機、齒輪箱等機械部件構成沖擊，影響風力發(fā)電機組的運行和壽命。2.7.2低電壓對風力發(fā)電機組的影響當并網(wǎng)點99定子電壓跌落時，發(fā)電機輸出功率降低，若對捕獲功率不加控制，必然導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升。在風速較高即機械動力轉(zhuǎn)矩較大的情況下，即使故障切除，雙饋異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩有所增加，也難較快抑制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的上升，使雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進一步升高，使得定子端電壓下降，進一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復，嚴重時可能導致電網(wǎng)電壓無法恢復，致使系統(tǒng)崩潰。定子電壓跌落時，發(fā)電機輸出功率降低，若對捕獲功1002.永磁同步發(fā)電機組對于永磁同步發(fā)電機組（PMSG），定子經(jīng)AC-DC-AC功率變換器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機和電網(wǎng)不存在直接耦合。電網(wǎng)電壓的瞬間降落會導致輸出功率的減小，而發(fā)電機的輸出功率瞬時不變，顯然功率不匹配將導致直流母線（DC-Link）電壓上升，這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩(wěn)定DC-Link電壓，必然會導致輸出到電網(wǎng)的電流增大，過大的電流同樣會威脅功率變換器的安全。當功率變換器直流側(cè)電壓在一定范圍波動時，發(fā)電機側(cè)功率變換器一般都能保持可控性，在電網(wǎng)電壓跌落期間，發(fā)電機仍可以保持很好的電磁控制。所以PMSG的低電壓穿越實現(xiàn)相對DFIG而言較為容易。2.永磁同步發(fā)電機組對于永磁同步發(fā)電機組（P1012.7.3低電壓穿越技術1.低速直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組的低電壓穿越技術

電壓跌落期間PMSG的主要問題在于能量不匹配導致直流電壓的上升，可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。首先，在功率變換器設計方面，選擇器件時放寬電力電子器件的耐壓和過電流值，并提高直流電容的額定電壓。這樣在電壓跌落時可以把DC-Link的電壓限定值調(diào)高，以儲存多余的能量，并允許網(wǎng)側(cè)功率變換器電流增大，以輸出更多的能量。其次，在風力發(fā)電機組控制方面，可減小PMSG電磁轉(zhuǎn)矩設定值，這樣會引起發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升，從而利用轉(zhuǎn)速的暫時上升來儲存風力機部分輸入能量，減小發(fā)電機的輸出功率。2.7.3低電壓穿越技術1.低速直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組的102最后，可以考慮采用額外電路的單元儲存或消耗多余能量。

最后，可以考慮采用額外電路的單元儲存或消耗多余能量。1032.雙饋異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越技術與PMSG相比，DFIG在電壓跌落期間面臨的威脅更大。電壓跌落出現(xiàn)的暫態(tài)轉(zhuǎn)子過電流、過電壓會損壞電力電子器件，而電磁轉(zhuǎn)矩的衰減也會導致轉(zhuǎn)速的上升。

2.雙饋異步風力發(fā)電機組的低電壓穿越技術與P104由于DC-Link會出現(xiàn)過、欠電壓，因此可以考慮與PMSG一樣在DC-Link上接儲能系統(tǒng)（ESS），以保持DC-Link電壓穩(wěn)定，如圖2-64所示。

圖2-64轉(zhuǎn)子側(cè)帶儲能系統(tǒng)的DFIG由于DC-Link會出現(xiàn)過、欠電壓，因此可以考1052.8風力發(fā)電場2.8.1風電場的概念2.8.2陸地風電場2.8.3海上風電場2.8風力發(fā)電場1062.8.1風電場的概念風電場是在某一特定區(qū)域內(nèi)建設的所有風力發(fā)電設備及配套設施的總稱。圖2-65德國的內(nèi)陸風電場圖2-66甘肅酒泉風電場2.8.1風電場的概念風電場是在某一特定區(qū)域107圖2-67江蘇海安海岸風電場圖2-68離岸近海風電場圖2-67江蘇海安海岸風電場圖2-68離岸近海風電場1082.8.2陸地風電場選擇安裝地點時經(jīng)常有以下三方面情況應予考慮：一是風能資源與氣象條件；二是地形地貌；三是建筑物。圖2-69風力機與丘陵、樹林的安裝距離2.8.2陸地風電場選擇安裝地點時經(jīng)常有以下109圖2-70氣流經(jīng)過臺地和山地圖2-70氣流經(jīng)過臺地和山地110圖2-72在建筑物上安裝風力發(fā)電機示意圖圖2-72在建筑物上安裝風力發(fā)電機示意圖111（a）對行排列（b）交錯排列圖2-73盛行風不是一個方向時風力發(fā)電機的排列（a）對行排列112圖2-74盛行風向基本不變的風電場風機排列圖2-74盛行風向基本不變的風電場風機排列113圖2-75迎風坡風電場風力發(fā)電機的排列圖2-75迎風坡風電場風力發(fā)電機的排列1142.8.3海上風電場相對陸地風電場，海上風電場與它的區(qū)別主要在坐落地址的不同，相應的針對海上場址相對陸地風電場有很大不同。海上風電場微觀選址工作主要依賴電力設計院和設備供應商，如采用丹麥編制的風資源與應用及分析軟件WasP分析風電場的風資源，然后運用各種風電場優(yōu)化設計軟件設計風電機組的排布。2.8.3海上風電場相對陸地風電場，海上風電1152.8.4海上風電發(fā)展與現(xiàn)狀一、成本高，維護不便，單機容量大。二、歐洲在前三、直流化傳輸趨勢2.8.4海上風電發(fā)展與現(xiàn)狀116風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件117風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件118風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件119風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件120四、中國海上風電發(fā)展簡介五、浙江省海上風電規(guī)劃發(fā)展四、中國海上風電發(fā)展簡介121齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機的體積和重量。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發(fā)電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對不同類型的發(fā)電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利122風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1232.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數(shù)2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理21242.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有1252.結(jié)構特點

同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構則與異步發(fā)電機明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構，繞組中通以勵磁電流產(chǎn)生主磁場。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場，磁極結(jié)構一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構。

2.結(jié)構特點同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機126爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖1272.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)同步風力發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有5個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。1）并網(wǎng)條件2.6.1同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)同步風力發(fā)電機組并1282.7風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規(guī)范2.7.2低電壓對風力發(fā)電機組的影響2.7.3低電壓穿越技術2.7風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基1292.1風及風能資源2.1.1風的形成地球從地面直至數(shù)萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區(qū)有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區(qū)。

空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學上，一般把空氣的不規(guī)則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風

!!風，按照形成原因，有信風、海陸風和山谷風等幾種。2.1風及風能資源2.1.1風的形成地130（1）信風。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區(qū)的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現(xiàn)象。由于地球本身自西向東旋轉(zhuǎn)，大氣環(huán)流在北半球形成東北信風，在南半球形成東南信風。（2）海陸風。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風。（3）山谷風。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢低凹的山谷處受熱較少，則山谷內(nèi)冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動，形成山風。（1）信風。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射1312.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是風吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風，就稱為南風。（2）風速。風速就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。通常所說的風速，是指一段時間內(nèi)的風速的算術平均值。2.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是132

蒲福風級的定義和描述蒲福風級名稱風速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風0-0.2零級無風炊煙上1軟風0.3-1.5一級軟風煙稍斜2輕風1.6-3.3二級輕風樹葉響3微風3.4-5.4三級微風樹枝晃4和風5.5-7.9四級和風灰塵起5清勁風8-10.7五級清風水起波6強風10.8-13.8六級強風大樹搖7疾風13.9-17.1七級疾風步難行8大風17.2-20.7八級大風樹枝折9烈風20.8-24.4九級烈風煙囪毀10狂風24.5-28.4十級狂風樹根拔11暴風28.5-32.6十一級暴風陸罕見12颶風>32.6十二級颶風浪滔天蒲福風級的定義和描述名稱風速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風0-133（3）風能和風能密度。

風中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風能。

（2-1）單位面積上流過的風能就是風能密度。

（2-2）（3）風能和風能密度。（2-1）單位面積1342.1.3世界風能資源2.1.3世界風能資源1352.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖2.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖136風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1372.2風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理

圖2-3并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的組成根據(jù)所發(fā)電能是否并入電網(wǎng)，風力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。圖2-3所示為并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的簡要組成。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構原理圖2-3并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的138齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機的體積和重量。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發(fā)電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對不同類型的發(fā)電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利139圖2-4風力發(fā)電機組的基本結(jié)構現(xiàn)代并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)通常還有變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動裝置、測風裝置等。圖2-4風力發(fā)電機組的基本結(jié)構現(xiàn)代并網(wǎng)型風力140圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)原理離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)通常由風力機、發(fā)電機和電力電子接口等構成，其容量一般較小，風力機轉(zhuǎn)速較高，可直接驅(qū)動發(fā)電機，故一般沒有齒輪箱；發(fā)出的電能經(jīng)電力電子接口變換后直接供給負載，因此，也沒有變壓器，結(jié)構上要簡單許多。下圖為某類復雜并網(wǎng)型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)原理離網(wǎng)141風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件142風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件143離網(wǎng)型：

離網(wǎng)型：1442.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數(shù)2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理21452.3.1風力機的基本類型

風力機是將風的動能轉(zhuǎn)換為可用機械能的機械裝置，它通常由一個在風的升力或阻力作用下可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)風力機轉(zhuǎn)子結(jié)構形式、安裝方式、運行模式等的不同，風力機可分為不同類型。根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的位置，風力機可分為水平軸和垂直軸兩大類；對水平軸風力機，依據(jù)風力機轉(zhuǎn)子裝在塔架的迎風側(cè)還是下風側(cè)，可分為迎風型和順風型等；根據(jù)風力機槳距角是否可以調(diào)整，分為定槳距和變槳距風力機；根據(jù)風力機的轉(zhuǎn)速是否可以改變，又可分為恒速和變速風力機等。風力機是將風的動能轉(zhuǎn)換為可用機械能的機械裝置，它通常1461.垂直軸與水平軸風力機（a）結(jié)構（b）實物照片圖2-6垂直軸風力機1.垂直軸與水平軸風力機（a）結(jié)構147垂直軸風力機最突出的優(yōu)點,是它的發(fā)電機與傳動系統(tǒng)可以放在地面，減輕了對塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風中吸收能量，故不需要偏航和對風系統(tǒng)，使系統(tǒng)得以簡化。但是，垂直軸風力機的缺點也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風速環(huán)境下運行，風能利用率較低；其次，雖然它的發(fā)電機和傳動系統(tǒng)放在地面，但維護并不容易，常需將風力機轉(zhuǎn)子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會延伸很遠，占用較大地面空間。垂直軸風力機最突出的優(yōu)點,是它的發(fā)電機與傳動148圖2-7水平軸風力機圖2-7水平軸風力機1492.定槳距與變槳距風力機2.定槳距與變槳距風力機1503.恒速與變速風力機

恒速風力機是指在正常運行時其轉(zhuǎn)速是恒定不變的。早期的風力發(fā)電機系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，因此，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率所決定，無法調(diào)節(jié)，它雖然控制較簡單，但風能利用率較低。隨著電力電子等技術的發(fā)展，出現(xiàn)了雙饋異步發(fā)電機，通過控制轉(zhuǎn)子繞組中電流的頻率，可以在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風力機轉(zhuǎn)速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發(fā)電機。近年來新出現(xiàn)的低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機也是變速恒頻發(fā)電機，因為它是經(jīng)由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風力機轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)改變。3.恒速與變速風力機恒速風力機是指在正常運行時其轉(zhuǎn)速是1512.3.2風力機的工作原理、長度為2.3.2風力機的工作原理、長度為152當風經(jīng)過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推力方向與風輪旋轉(zhuǎn)平面垂直，轉(zhuǎn)矩使風輪旋轉(zhuǎn)。由于槳葉的參數(shù)（攻角、弦長等）沿著槳葉長度是變化的，因此，槳葉上每一點所受到的推力和轉(zhuǎn)矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉(zhuǎn)矩應是各點推力和轉(zhuǎn)矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風輪旋轉(zhuǎn)，葉素將掃掠出一個圓環(huán)。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環(huán)當風經(jīng)過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推153圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角154為風速矢量

為風輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：為風速矢量為風輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：1552.3.3風能利用系數(shù)

根據(jù)空氣動力學原理2.3.3風能利用系數(shù)根據(jù)空氣動力學原理156風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系曲線

風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系曲線157不同槳距角時的風能利用系數(shù)

不同槳距角時的風能利用系數(shù)158圖2-12具有不同葉片數(shù)的風力機風能利用系數(shù)的對比圖2-12具有不同葉片數(shù)的風力機風能利用系數(shù)的對比1592.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風力機理想功率曲線2.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能160在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功率：

1.失速控制對于定速定槳距風力機，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動特性，使其在高風速時產(chǎn)生失速來限制風力機功率。在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功161風力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1622.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定風速及以上時，通過人為地調(diào)節(jié)槳距角，使風力機加深失速。

圖2-152.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定163主動失速控制的優(yōu)點是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡單（相對于后面的變槳控制）；缺點是：作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力增大，風力機氣動載荷加重。主動失速控制的優(yōu)點是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡1643.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速后，可通過變槳機構使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增大葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風力機的功率保持不變。3.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速165主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風力機的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調(diào)節(jié)方向不同：主動失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風功率。因此，二者的槳距角調(diào)節(jié)方向相反。（2）調(diào)節(jié)頻率不同：變槳控制的槳距角可連續(xù)調(diào)節(jié)，其變槳機構較復雜；而主動失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規(guī)律不同：主動失速控制時，風輪軸向推力增加；而變槳控制時隨之減小，故氣動載荷減小。主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風力機1662.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角，從而改變風力機的氣動特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風輪開始旋轉(zhuǎn)時，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生一個較大的啟動力矩。（2）風輪停止時，經(jīng)常使用的槳距角，使風輪剎車制動時，（3）額定風速以下時，為盡可能捕捉較多的風能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風力發(fā)電機組的最佳槳距角隨風速的變化而變化，因此，槳距角隨風速儀或功率輸出信號的變化而緩慢改變。（4）額定風速以上時，變槳控制可以有效調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組吸收功率及風輪所受載荷，使其不超過設計的限定值。（5）在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。因此，現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組多采用變槳距風力機。

空轉(zhuǎn)速度最小。在正槳距角時，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角167圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖168

（a）液壓變槳機構（b）電動變槳機構圖2-20變槳機構

1692.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有170圖2-22主動偏航系統(tǒng)組成框圖圖2-22主動偏航系統(tǒng)組成框圖1712.4風力發(fā)電機2.4風力發(fā)電機1722.4.1籠型異步發(fā)電機

1.定槳距風電機組與籠型異步發(fā)電機定槳距就是風力機葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風角度不能隨風速的變化而變化。

定槳距風電機組需要配套的發(fā)電機具有恒轉(zhuǎn)速特性，并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機能夠滿足這一要求。

采用異步發(fā)電機并網(wǎng)運行有一系列優(yōu)點：籠型異步發(fā)電機的結(jié)構簡單、價格便宜；不需要嚴格的并網(wǎng)裝置，可以較容易地與電網(wǎng)連接；異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時，轉(zhuǎn)速近似是恒定的，但允許在一定范圍內(nèi)變化，因此可吸收瞬態(tài)陣風能量。2.4.1籠型異步發(fā)電機定槳距就是風力機葉173采用異步發(fā)電機的主要缺點是需要從電網(wǎng)吸收感性無功電流來勵磁，加重了電網(wǎng)對感性無功功率的負擔，因此，常需要對異步發(fā)電機進行無功補償。

在低風速運行區(qū)域，定槳距風電機組還面臨著系統(tǒng)效率低下的問題。

采用異步發(fā)電機的主要缺點是需要從電網(wǎng)吸收感性1742.籠型異步發(fā)電機的結(jié)構特點目前，籠型異步發(fā)電機大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風速區(qū)域，4極繞組工作，發(fā)電機輸出的功率較大；在低風速區(qū)域，切換到6極繞組工作，發(fā)電機輸出的功率較小。

此外其他結(jié)構方面與普通籠型異步電機沒有區(qū)別。

2.籠型異步發(fā)電機的結(jié)構特點目前，籠型異步發(fā)電1752.4.2同步發(fā)電機1.同步發(fā)電機與變速恒頻風電機組

直驅(qū)式風電機組采用低速永磁同步發(fā)電機，省去了中間變速機構，由風力機直接驅(qū)動發(fā)電機運行。采用變槳距技術可以使槳葉和風電機組的受力情況大為改善，然而，為了使機組轉(zhuǎn)速能快速跟蹤風速的變化，以便實行最佳的葉尖速比控制，必須對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩實施控制。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，這一直驅(qū)式風力發(fā)電變速恒頻控制的關鍵技術，目前已經(jīng)得到解決，只需在發(fā)電機與電網(wǎng)之間接入變流器，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間解耦，就允許發(fā)電機變速運行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組原理圖。2.4.2同步發(fā)電機1.同步發(fā)電機與變速恒頻風電機組176圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組1772.結(jié)構特點

同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構則與異步發(fā)電機明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構，繞組中通以勵磁電流產(chǎn)生主磁場。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場，磁極結(jié)構一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構。

2.結(jié)構特點同步發(fā)電機的定子結(jié)構與異步發(fā)電機178

3.運行原理

與異步發(fā)電機不同，同步發(fā)電機是一種雙邊激勵的發(fā)電機。其定子（電樞）繞組接到電網(wǎng)以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產(chǎn)生定子磁動勢，并建立起定子（電樞）旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流勵磁電流建立轉(zhuǎn)子主磁場，或者由永磁體直接產(chǎn)生主磁場。由于轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主磁場也將以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機穩(wěn)定運行時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速度旋轉(zhuǎn)，二者是相對靜止的，依靠定、轉(zhuǎn)子磁極之間的磁拉力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，傳遞電磁功率。3.運行原理與異步發(fā)電機不同，同步發(fā)電機是一種雙1792.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機1.變速恒頻風電機組與雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機當變速恒頻風電機組不需要大范圍的變速運行，而只需要在較窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)變速控制時，可選擇雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機，發(fā)電機的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間。采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風電機組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機1.變速恒頻風電機組與1802.結(jié)構特點雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機的定子結(jié)構與籠型異步發(fā)電機基本相同。二者在結(jié)構上的區(qū)別主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構的不同，前者為繞線型轉(zhuǎn)子繞組，后者為籠型轉(zhuǎn)子繞組。

為了使三相轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電路（回饋變頻器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設三個集電環(huán)，將轉(zhuǎn)子繞組的三個出線端分別接到三個集電環(huán)上，再通過電刷引出。2.結(jié)構特點雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機的定子1813.運行原理與特性雙饋異步發(fā)電機的運行原理與籠型異步發(fā)電機基本相同，只是由于轉(zhuǎn)子使用了繞線型繞組，才使之可以實現(xiàn)雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋異步發(fā)電機來說，定、轉(zhuǎn)子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當電能的傳送方向為電機-電網(wǎng)方向時，電機為發(fā)電機運行，電能傳送方向相反時為電動機運行；在轉(zhuǎn)子邊，在變流器的電機側(cè)電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)可以用功率傳遞關系來加以說明，如圖2-34所示。3.運行原理與特性雙饋異步發(fā)電機的運行原理與籠182圖2-34雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關系圖2-34雙饋異步發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關系183圖2-35雙饋異步發(fā)電機的機械特性圖2-35雙饋異步發(fā)電機的機械特性1842.5風力發(fā)電機系統(tǒng)的運行與控制

控制系統(tǒng)要根據(jù)風速和風向的變化對風力發(fā)電機組進行優(yōu)化控制，以提高風能轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電質(zhì)量。圖2-36風力機的理想功率曲線2.5風力發(fā)電機系統(tǒng)的運行與控制