《風力發(fā)電原理》第5章-風力發(fā)電技術(shù)課件

第五章風力發(fā)電技術(shù)第五章風力發(fā)電技術(shù)【本章教學目標】熟悉大氣環(huán)流、季風環(huán)流，掌握我國季風環(huán)流的形成，熟悉海陸風、山谷風的形成，了解風級；掌握測風系統(tǒng)組成、風速和風向測量方法；理解風能的特點，熟悉中國風能資源分布特點，掌握風能豐富區(qū)分布；理解風特性，掌握平均風速和風向、湍流度；了解風速隨時間變化規(guī)律，掌握風速隨高度變化規(guī)律；掌握風能公式?！颈菊陆虒W目標】5.1功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)三種方式。定槳距失速控制最簡單，利用高風速時升力系數(shù)的降低和阻力系數(shù)的增加，限制功率在高風速時保持近似恒定。變槳距調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)動槳葉片安裝角以減小攻角，高風速時減小升力系數(shù)，以限制功率。葉片主動失速調(diào)節(jié)簡單可靠，利用槳距調(diào)節(jié)，在中低風速區(qū)可優(yōu)化功率輸出。5.1功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、5.1.1風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展隨著電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，世界風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨向有以下幾個。1)單機容量不斷增大2)變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式

。采用變槳距調(diào)節(jié)方式避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過額定風速時發(fā)電功率下降的缺點。3)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)迅速取代恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。4)免齒輪箱系統(tǒng)的直驅(qū)方式發(fā)電系統(tǒng)。5.1.1風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展5.1.2功率調(diào)節(jié)方式1)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)3種方式。(1)定槳距失速控制

最簡單的控制方法是利用高風速時升力系數(shù)的降低和阻力系強的增加，限制功率輸出的增加，在高風速印保持近似恒定。(2)變槳距調(diào)節(jié)

高風速時，通過轉(zhuǎn)動整個或部分葉片安裝角以減小攻角，而減小升力系數(shù)，達到限制功率的目的。(3)主動失速調(diào)節(jié)

采用葉片主動失速以保證功率調(diào)節(jié)簡單可靠。5.1.2功率調(diào)節(jié)方式圖5.3風力機葉片葉型的升力和阻力特性

圖5.3風力機葉片葉型的升力和阻力特性

2)恒速與變速運行（1）雙速運行

將發(fā)電機分別設(shè)計成4極和6極。（2）變速運行方式

有兩種變速方式。2)恒速與變速運行5.1.3滑差可調(diào)的異步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.1.4雙速發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.1.3滑差可調(diào)的異步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.2變轉(zhuǎn)速運行5.2.1概述變速風力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速以下時，主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比因此可作為跟蹤問題來處理。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化。5.2變轉(zhuǎn)速運行5.2.1概述圖5.12變速風力發(fā)電機組的功率曲線圖5.12變速風力發(fā)電機組的功率曲線5.2.2變轉(zhuǎn)速發(fā)電機可以有以下三種方法：(1)采用兩臺定子繞組極對數(shù)不同的異步電機，一臺為低同步轉(zhuǎn)速的，一臺為高同步轉(zhuǎn)速的；(2)在一臺電機的定子上放置兩套極對數(shù)不同的相互獨立的繞組，即是雙繞組的雙速電機；(3)在一臺電機的定子上僅安置一套繞組，靠改變繞組的這接方式獲得不同的極對數(shù)、即所謂的單繞組雙速電機。5.2.2變轉(zhuǎn)速發(fā)電機5.3變轉(zhuǎn)速及恒頻并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻率必須與電網(wǎng)頻率一致。保持發(fā)電機輸出頻率恒定的方法有兩種：a．恒轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)，采取失速調(diào)節(jié)或者混合調(diào)節(jié)的風力發(fā)電機，以恒轉(zhuǎn)速運行時，主要采用異步感應發(fā)電機；b.變轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)，用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率恒定的電能。5.3變轉(zhuǎn)速及恒頻并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻圖5-13大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組典型配置圖5-13大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組典型配置圖5-14籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.1異步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)變速恒頻是指發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速變化，發(fā)出的電流通過適當?shù)淖儞Q，使輸出頻率與電網(wǎng)頻率相同。圖5-14籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.1異5.3.2同步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)恒速恒頻的風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機必須經(jīng)過嚴格的整步和(準)同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復雜。5.3.2同步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)圖5-15同步發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)圖5-15同步發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)圖5-16雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.3雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)雙饋異步發(fā)電機應用在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機與電網(wǎng)之間的連接是“柔性連接”。圖5-16雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.3雙5.3.4風力機變轉(zhuǎn)速技術(shù)風力發(fā)電機組的輸出功率主要受3個因素的影響可利用的風能、發(fā)電機的功率曲線和發(fā)電機對變化風速的響應能力。5.3.4風力機變轉(zhuǎn)速技術(shù)5.4發(fā)電系統(tǒng)5.4.1恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)一般比較簡單，所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速由電機極對數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，鼠籠式感應發(fā)電機以稍高于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速運行。5.4發(fā)電系統(tǒng)5.4.1恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)

a)海拔對定槳距風力機的影響b)溫度對定槳距風力機的影響

圖5-19空氣密度變化對功率輸出的影響

a)海拔對定槳距風力機的影響圖5-20定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線與功率系數(shù)圖圖5-20定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線與功率系數(shù)圖圖5-24變槳距風力發(fā)電機組的控制框圖圖5-24變槳距風力發(fā)電機組的控制框圖5.4.2變速及恒頻發(fā)電系統(tǒng)1.變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電機變速恒頻控制方案一般有四種：鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。5.4.2變速及恒頻發(fā)電系統(tǒng)圖5-27雙饋發(fā)電機系統(tǒng)原理方框圖圖5-27雙饋發(fā)電機系統(tǒng)原理方框圖圖5-28變漿距變速恒頻風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)圖5-28變漿距變速恒頻風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)圖5-29風力發(fā)電機的功率曲線圖5-29風力發(fā)電機的功率曲線圖5-30風力發(fā)電機性能曲線

圖5-31漿距角不變時風力發(fā)電機性能曲線圖5-30風力發(fā)電機性能曲線圖5-31圖5-32不同風速下的轉(zhuǎn)矩—速度特性圖5-32不同風速下的轉(zhuǎn)矩—速度特性圖5-35最佳功率和風輪轉(zhuǎn)速圖5-35最佳功率和風輪轉(zhuǎn)速5.4.2恒速恒頻發(fā)電機恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)比較簡單，所采用的發(fā)電機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。5.4.3小型直流發(fā)電系統(tǒng)1.離網(wǎng)型風力發(fā)電機系統(tǒng)通常離網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量較小，發(fā)電容量從幾百瓦至幾十千瓦的均屬小型風力發(fā)電機組。5.4.2恒速恒頻發(fā)電機2.小型直流發(fā)電系統(tǒng)直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于10kW以下的微、小型風力發(fā)電裝置，與蓄電池儲能配合使用。雖然直流發(fā)電機可直接產(chǎn)生直流電，直流電機結(jié)構(gòu)復雜，價格貴，而且?guī)в姓髯雍碗娝?，需要的維護多，不適于風力發(fā)電機的運行環(huán)境。2.小型直流發(fā)電系統(tǒng)5.5控制技術(shù)

5.5.1雙速異步發(fā)電機的運行控制如圖5-43所示雙饋異步發(fā)電機繞線轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機和在轉(zhuǎn)子電路上帶有整流器和直流側(cè)連接的逆變器組成。發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過逆變器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。5.5控制技術(shù)

5.5.1雙速異步發(fā)電機的運行控制圖5-43雙饋異步發(fā)電機圖5-43雙饋異步發(fā)電機5.5.2．風力機驅(qū)動滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機的運行控制現(xiàn)代風電場中應用最多的并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機是異步發(fā)電機。異步發(fā)電機在輸出額定功率時的滑差率數(shù)值是恒定的，約在2％～5％之間。5.5.3.同步發(fā)電機的變頻控制帶變頻系統(tǒng)的同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖5-52所示。所使用的是凸極轉(zhuǎn)子和籠型阻尼繞組同步發(fā)電機。變頻器由一個三相二極管整流器，一個平波電抗器和一個三相晶閘管逆變器組成。5.5.2．風力機驅(qū)動滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機的運行控制圖5-52帶變頻器的同步電機圖5-52帶變頻器的同步電機5.5.4.功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)如圖5-53所示，它由兩個控制環(huán)組成。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。發(fā)電機的功率參考曲線如圖5-54所示，參考功率以額定功率的百分比的形式給出，在點畫線限制的范圍內(nèi)，功率給定曲線是可變的。5.5.4.功率控制系統(tǒng)圖5-53功率控制系統(tǒng)

圖5-53功率控制系統(tǒng)

圖5-54功率給定曲線

圖5-54功率給定曲線

5.5.5.轉(zhuǎn)子電流控制器原理

圖5-53所示的功率控制環(huán)實際上是一個發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)，如圖5-55所示，轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流，通過改變轉(zhuǎn)子電路的電阻來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。5.5.5.轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖5-55轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)

圖5-55轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)

5.5.6.轉(zhuǎn)子電流控制器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子電流控制器技術(shù)必須使用在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機上，用于控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，使異步發(fā)電機成為可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機。采用轉(zhuǎn)子電流控制器的異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖5-57所示。5.5.6.轉(zhuǎn)子電流控制器的結(jié)構(gòu)圖5-57可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5-57可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5-58轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖

圖5-58轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖

圖5-59變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上運行時的節(jié)距角、轉(zhuǎn)速與功率曲線

5.5.7采用轉(zhuǎn)子電流控制器的功率調(diào)節(jié)圖5-59變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上運行時的節(jié)距5.5.7轉(zhuǎn)子電流控制器在實際應用中的效果

由于自然界風速處于不斷的變化中，較短時間3～4s內(nèi)的風速上升或下降總是不斷的發(fā)生，因此變槳距機構(gòu)也在不斷的動作，在轉(zhuǎn)子電流控制器的作用下，其槳距實際變化情況如圖5-59所示。5.5.7轉(zhuǎn)子電流控制器在實際應用中的效果5.6供電方式5.6.1離網(wǎng)供電1.獨立風力發(fā)電系統(tǒng)組成普通的獨立式小型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)電機、變槳距控制系統(tǒng)、整流電路、逆變電路、蓄電池充放電控制電路、蓄電池及其用電設(shè)備組成(見圖5-60)，其中整流電路和逆變電路也可以合稱為電能變換單元電路，它實現(xiàn)了將風能轉(zhuǎn)換為電能和變換為能夠使用的電能的整個過程。利用風力帶動發(fā)電機發(fā)電，將發(fā)出的電能存儲在蓄電池中，在需要使用的時候再把存儲的電能釋放出來。5.6供電方式5.6.1離網(wǎng)供電圖5-60小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)圖

圖5-60小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)圖

2.整流器1）可控型整流器2）不可控型整流器3.變換器4.逆變器5.蓄電池2.整流器5.6.2直接并網(wǎng)1.異步發(fā)電機的并網(wǎng)1）并網(wǎng)條件風力異步發(fā)電機組直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，即發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速盡可能地接近于同步轉(zhuǎn)速。其中第一條必須嚴格遵守，否則并網(wǎng)后，發(fā)電機將處于電磁制動狀態(tài)，在接線時應調(diào)整好相序。第二條的要求不是很嚴格，但并網(wǎng)時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時間越短。5.6.2直接并網(wǎng)圖5-66風力異步發(fā)電機直接并網(wǎng)

圖5-66風力異步發(fā)電機直接并網(wǎng)

圖5-67并網(wǎng)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

2）并網(wǎng)運行時的功率輸出異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩--轉(zhuǎn)速特性曲線如圖5-67所示，并網(wǎng)后，發(fā)電機運行在曲線上的直線段，即發(fā)電機的穩(wěn)定運行區(qū)域。圖5-67并網(wǎng)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

2）并網(wǎng)3）并網(wǎng)運行時無功功率補償風力異步發(fā)電機在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率來建立磁場和滿足漏磁的需要。一般大中型異步發(fā)電機的勵磁電流約為其額定電流的20％～30％，如此大的無功電流的吸收，將加重電網(wǎng)無功功率的負擔，使電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，同時引起電網(wǎng)電壓下降和線路損耗增大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，并網(wǎng)運行的風力異步發(fā)電機必須進行無功功率的補償，以提高功率因數(shù)及設(shè)備利用率，改善電網(wǎng)電能的質(zhì)量和輸電效率。3）并網(wǎng)運行時無功功率補償2．同步發(fā)電機的并網(wǎng)1）并網(wǎng)條件風力同步發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路如圖5-68所示，圖中同步發(fā)電機的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵磁繞組由勵磁調(diào)節(jié)器控制。2．同步發(fā)電機的并網(wǎng)圖5-68風力同步發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路

圖5-68風力同步發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路

2）并網(wǎng)方式(1)自動準同步并網(wǎng)(2)自同步并網(wǎng)(3)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性2）并網(wǎng)方式圖5-69并網(wǎng)同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

圖5-71同步發(fā)電機V形曲線圖5-69并網(wǎng)同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性3．功率調(diào)節(jié)和補償1)有功功率的調(diào)節(jié)2)無功功率的補償5.6.3間接并網(wǎng)1．準同期并網(wǎng)方式2.降壓并網(wǎng)方式3.捕捉式準同步快速并網(wǎng)技術(shù)4.軟并網(wǎng)（SOFTCUT-IN）技術(shù)5．風力發(fā)電機組并網(wǎng)與脫網(wǎng)3．功率調(diào)節(jié)和補償?shù)谖逭嘛L力發(fā)電技術(shù)第五章風力發(fā)電技術(shù)【本章教學目標】熟悉大氣環(huán)流、季風環(huán)流，掌握我國季風環(huán)流的形成，熟悉海陸風、山谷風的形成，了解風級；掌握測風系統(tǒng)組成、風速和風向測量方法；理解風能的特點，熟悉中國風能資源分布特點，掌握風能豐富區(qū)分布；理解風特性，掌握平均風速和風向、湍流度；了解風速隨時間變化規(guī)律，掌握風速隨高度變化規(guī)律；掌握風能公式。【本章教學目標】5.1功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)三種方式。定槳距失速控制最簡單，利用高風速時升力系數(shù)的降低和阻力系數(shù)的增加，限制功率在高風速時保持近似恒定。變槳距調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)動槳葉片安裝角以減小攻角，高風速時減小升力系數(shù)，以限制功率。葉片主動失速調(diào)節(jié)簡單可靠，利用槳距調(diào)節(jié)，在中低風速區(qū)可優(yōu)化功率輸出。5.1功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、5.1.1風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展隨著電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，世界風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨向有以下幾個。1)單機容量不斷增大2)變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式

。采用變槳距調(diào)節(jié)方式避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過額定風速時發(fā)電功率下降的缺點。3)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)迅速取代恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。4)免齒輪箱系統(tǒng)的直驅(qū)方式發(fā)電系統(tǒng)。5.1.1風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展5.1.2功率調(diào)節(jié)方式1)功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)3種方式。(1)定槳距失速控制

最簡單的控制方法是利用高風速時升力系數(shù)的降低和阻力系強的增加，限制功率輸出的增加，在高風速印保持近似恒定。(2)變槳距調(diào)節(jié)

高風速時，通過轉(zhuǎn)動整個或部分葉片安裝角以減小攻角，而減小升力系數(shù)，達到限制功率的目的。(3)主動失速調(diào)節(jié)

采用葉片主動失速以保證功率調(diào)節(jié)簡單可靠。5.1.2功率調(diào)節(jié)方式圖5.3風力機葉片葉型的升力和阻力特性

圖5.3風力機葉片葉型的升力和阻力特性

2)恒速與變速運行（1）雙速運行

將發(fā)電機分別設(shè)計成4極和6極。（2）變速運行方式

有兩種變速方式。2)恒速與變速運行5.1.3滑差可調(diào)的異步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.1.4雙速發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.1.3滑差可調(diào)的異步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)5.2變轉(zhuǎn)速運行5.2.1概述變速風力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速以下時，主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比因此可作為跟蹤問題來處理。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化。5.2變轉(zhuǎn)速運行5.2.1概述圖5.12變速風力發(fā)電機組的功率曲線圖5.12變速風力發(fā)電機組的功率曲線5.2.2變轉(zhuǎn)速發(fā)電機可以有以下三種方法：(1)采用兩臺定子繞組極對數(shù)不同的異步電機，一臺為低同步轉(zhuǎn)速的，一臺為高同步轉(zhuǎn)速的；(2)在一臺電機的定子上放置兩套極對數(shù)不同的相互獨立的繞組，即是雙繞組的雙速電機；(3)在一臺電機的定子上僅安置一套繞組，靠改變繞組的這接方式獲得不同的極對數(shù)、即所謂的單繞組雙速電機。5.2.2變轉(zhuǎn)速發(fā)電機5.3變轉(zhuǎn)速及恒頻并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻率必須與電網(wǎng)頻率一致。保持發(fā)電機輸出頻率恒定的方法有兩種：a．恒轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)，采取失速調(diào)節(jié)或者混合調(diào)節(jié)的風力發(fā)電機，以恒轉(zhuǎn)速運行時，主要采用異步感應發(fā)電機；b.變轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)，用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率恒定的電能。5.3變轉(zhuǎn)速及恒頻并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻圖5-13大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組典型配置圖5-13大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組典型配置圖5-14籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.1異步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)變速恒頻是指發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速變化，發(fā)出的電流通過適當?shù)淖儞Q，使輸出頻率與電網(wǎng)頻率相同。圖5-14籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.1異5.3.2同步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)恒速恒頻的風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機必須經(jīng)過嚴格的整步和(準)同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復雜。5.3.2同步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)圖5-15同步發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)圖5-15同步發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)圖5-16雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.3雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻技術(shù)雙饋異步發(fā)電機應用在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機與電網(wǎng)之間的連接是“柔性連接”。圖5-16雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)5.3.3雙5.3.4風力機變轉(zhuǎn)速技術(shù)風力發(fā)電機組的輸出功率主要受3個因素的影響可利用的風能、發(fā)電機的功率曲線和發(fā)電機對變化風速的響應能力。5.3.4風力機變轉(zhuǎn)速技術(shù)5.4發(fā)電系統(tǒng)5.4.1恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)一般比較簡單，所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速由電機極對數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，鼠籠式感應發(fā)電機以稍高于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速運行。5.4發(fā)電系統(tǒng)5.4.1恒頻恒速發(fā)電系統(tǒng)

a)海拔對定槳距風力機的影響b)溫度對定槳距風力機的影響

圖5-19空氣密度變化對功率輸出的影響

a)海拔對定槳距風力機的影響圖5-20定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線與功率系數(shù)圖圖5-20定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線與功率系數(shù)圖圖5-24變槳距風力發(fā)電機組的控制框圖圖5-24變槳距風力發(fā)電機組的控制框圖5.4.2變速及恒頻發(fā)電系統(tǒng)1.變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電機變速恒頻控制方案一般有四種：鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。5.4.2變速及恒頻發(fā)電系統(tǒng)圖5-27雙饋發(fā)電機系統(tǒng)原理方框圖圖5-27雙饋發(fā)電機系統(tǒng)原理方框圖圖5-28變漿距變速恒頻風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)圖5-28變漿距變速恒頻風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)圖5-29風力發(fā)電機的功率曲線圖5-29風力發(fā)電機的功率曲線圖5-30風力發(fā)電機性能曲線

圖5-31漿距角不變時風力發(fā)電機性能曲線圖5-30風力發(fā)電機性能曲線圖5-31圖5-32不同風速下的轉(zhuǎn)矩—速度特性圖5-32不同風速下的轉(zhuǎn)矩—速度特性圖5-35最佳功率和風輪轉(zhuǎn)速圖5-35最佳功率和風輪轉(zhuǎn)速5.4.2恒速恒頻發(fā)電機恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)比較簡單，所采用的發(fā)電機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。5.4.3小型直流發(fā)電系統(tǒng)1.離網(wǎng)型風力發(fā)電機系統(tǒng)通常離網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量較小，發(fā)電容量從幾百瓦至幾十千瓦的均屬小型風力發(fā)電機組。5.4.2恒速恒頻發(fā)電機2.小型直流發(fā)電系統(tǒng)直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于10kW以下的微、小型風力發(fā)電裝置，與蓄電池儲能配合使用。雖然直流發(fā)電機可直接產(chǎn)生直流電，直流電機結(jié)構(gòu)復雜，價格貴，而且?guī)в姓髯雍碗娝?，需要的維護多，不適于風力發(fā)電機的運行環(huán)境。2.小型直流發(fā)電系統(tǒng)5.5控制技術(shù)

5.5.1雙速異步發(fā)電機的運行控制如圖5-43所示雙饋異步發(fā)電機繞線轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機和在轉(zhuǎn)子電路上帶有整流器和直流側(cè)連接的逆變器組成。發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過逆變器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。5.5控制技術(shù)

5.5.1雙速異步發(fā)電機的運行控制圖5-43雙饋異步發(fā)電機圖5-43雙饋異步發(fā)電機5.5.2．風力機驅(qū)動滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機的運行控制現(xiàn)代風電場中應用最多的并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機是異步發(fā)電機。異步發(fā)電機在輸出額定功率時的滑差率數(shù)值是恒定的，約在2％～5％之間。5.5.3.同步發(fā)電機的變頻控制帶變頻系統(tǒng)的同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖5-52所示。所使用的是凸極轉(zhuǎn)子和籠型阻尼繞組同步發(fā)電機。變頻器由一個三相二極管整流器，一個平波電抗器和一個三相晶閘管逆變器組成。5.5.2．風力機驅(qū)動滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機的運行控制圖5-52帶變頻器的同步電機圖5-52帶變頻器的同步電機5.5.4.功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)如圖5-53所示，它由兩個控制環(huán)組成。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。發(fā)電機的功率參考曲線如圖5-54所示，參考功率以額定功率的百分比的形式給出，在點畫線限制的范圍內(nèi)，功率給定曲線是可變的。5.5.4.功率控制系統(tǒng)圖5-53功率控制系統(tǒng)

圖5-53功率控制系統(tǒng)

圖5-54功率給定曲線

圖5-54功率給定曲線

5.5.5.轉(zhuǎn)子電流控制器原理

圖5-53所示的功率控制環(huán)實際上是一個發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)，如圖5-55所示，轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流，通過改變轉(zhuǎn)子電路的電阻來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。5.5.5.轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖5-55轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)

圖5-55轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)

5.5.6.轉(zhuǎn)子電流控制器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子電流控制器技術(shù)必須使用在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機上，用于控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，使異步發(fā)電機成為可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機。采用轉(zhuǎn)子電流控制器的異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖5-57所示。5.5.6.轉(zhuǎn)子電流控制器的結(jié)構(gòu)圖5-57可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5-57可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5-58轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖

圖5-58轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖

圖5-59變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上運行時的節(jié)距角、轉(zhuǎn)速與功率曲線

5.5.7采用轉(zhuǎn)子電流控制器的功率調(diào)節(jié)圖5-59變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上運行時的節(jié)距5.5.7轉(zhuǎn)子電流控制器在實際應用中的效果

由于自然界風速處于不斷的變化中，較短時間3～4s內(nèi)的風速上升或下降總是不斷的發(fā)生，因此變槳距機構(gòu)也在不斷的動作，在轉(zhuǎn)子電流控制器的作用下，其槳距實際變化情況如圖5-59所示。5.5.7轉(zhuǎn)子電流控制器在實際應用中的效果5.6供電方式5.6.1離網(wǎng)供電1.獨立風力發(fā)電系統(tǒng)組成普通的獨立式小型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)電機、變槳距控制系統(tǒng)、整流電路、逆變電路、蓄電池充放電控制電路、蓄電池及其用電設(shè)備組成(見圖5-60)，其中整流電路和逆變電路也可以合稱為電能變換單元電路，它實現(xiàn)了將風能轉(zhuǎn)換為電能和變換為能夠使用的電能的整個過程。利用風力帶動發(fā)電機發(fā)電，將發(fā)出的電能存儲在蓄電池中，在需要使用的時候