新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)資料課件

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)劉細(xì)平博士副教授6/7/2023本書(shū)主要內(nèi)容第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論

第2章電源變換和控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

第4章太陽(yáng)能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)

第5章生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

第6章天然氣、燃?xì)獍l(fā)電與控制技術(shù)

第7章水能、小水力發(fā)電與控制技術(shù)

第8章海洋能利用與發(fā)電技術(shù)

第9章其他新能源的發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)

6/7/2023緒論新能源利用包括可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮?、氫能、核能轉(zhuǎn)換及其利用新技術(shù)（高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)）。

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)涉及：①利用可再生能源和清潔能源發(fā)電，以便持續(xù)獲得二次清潔能源―電能；②對(duì)電能通過(guò)變換與控制，滿(mǎn)足高質(zhì)量的終端能源消費(fèi)需求和電力的高效管理。

6/7/2023第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論6/7/20236/7/2023

1.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類(lèi)與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義

本章主要內(nèi)容6/7/20231.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)備

1、中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭?jī)?chǔ)量最為豐富，僅次于俄羅斯、美國(guó)。但是，中國(guó)又是一個(gè)能源貧國(guó)，中國(guó)的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國(guó)人均水平的1/10。

6/7/20236/7/2023

煤多油少是中國(guó)能源儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀(jì)中葉，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會(huì)改變。

在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中，以煤炭為主要能源直接進(jìn)行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。6/7/20232、中國(guó)的資源和能源儲(chǔ)備

我國(guó)對(duì)能源的開(kāi)發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度，但能源利用效率的低下。我國(guó)能源利用效率僅為30%左右。中國(guó)能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當(dāng)突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體制，深入研究、大力開(kāi)發(fā)和利用新能源，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。6/7/2023中國(guó)與世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國(guó)數(shù)據(jù)為2001年）6/7/2023中國(guó)能源產(chǎn)消現(xiàn)狀6/7/2023年份占能源消費(fèi)總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)6/7/2023“十五”以來(lái)中國(guó)能源消費(fèi)增長(zhǎng)情況6/7/20231.1.2中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國(guó)能源發(fā)展成就巨大：實(shí)現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費(fèi)僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當(dāng)大的環(huán)境效益。這些成就為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在新能源利用與開(kāi)發(fā)方面還存在很大差距。6/7/2023

在2006年初，我國(guó)正式頒布了《可再生能源法》，陸續(xù)出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策與配套措施。這標(biāo)志著可再生能源的利用已進(jìn)入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并迸發(fā)超前的活力，為中國(guó)能源事業(yè)的發(fā)展、為國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來(lái)，我國(guó)將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽(yáng)能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機(jī)組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點(diǎn)。

6/7/2023風(fēng)力發(fā)電6/7/2023水力發(fā)電6/7/2023燃料電池汽車(chē)6/7/2023奧體中心光伏發(fā)電項(xiàng)目

6/7/20231.2能源的分類(lèi)與基本特征1.2.1能源的分類(lèi)1、能源能源是可以直接或通過(guò)轉(zhuǎn)換提供給人類(lèi)所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來(lái)源是核聚變、核裂變、放射線(xiàn)源以及太陽(yáng)系行星的運(yùn)行。

2、能源的分類(lèi)

“世界能源理事會(huì)(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類(lèi)如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽(yáng)能；生物質(zhì)能；風(fēng)能；海洋能；地?zé)崮?；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

6/7/20231.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級(jí)資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁(yè)巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點(diǎn)，便少一點(diǎn)。

6/7/2023二次能源:是指由一次能源經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶(hù)的中間紐帶。二次能源又可分為“過(guò)程性能源”和“合能體能源”。過(guò)程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油6/7/2023終端能源指供給社會(huì)生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源。常規(guī)能源又稱(chēng)傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開(kāi)采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。

商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。6/7/20231.2.3新能源及主要特征新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟(jì)上合理；環(huán)境和社會(huì)可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮?、氫能、核能新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)6/7/2023“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”能源利用方式和能源系統(tǒng)相對(duì)立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，不注重資源、環(huán)境代價(jià)的傳統(tǒng)能源利用理念?！靶隆保?/p>

①高效利用能源；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

6/7/20231.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源

國(guó)際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對(duì)“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場(chǎng)端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場(chǎng)廢氣、廢熱以及多余壓差來(lái)發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱(chēng)為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項(xiàng)目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

6/7/2023國(guó)際公認(rèn)的兩個(gè)具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，這是實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來(lái)最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池6/7/2023微型燃?xì)廨啓C(jī)6/7/20232、分布式能源主要特征

(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少?lài)?guó)家輸配電投資(7)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電6/7/20231.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家風(fēng)電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點(diǎn)主要集中在大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開(kāi)發(fā)可靠的風(fēng)力預(yù)報(bào)方法；開(kāi)展與風(fēng)能開(kāi)發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電等。

6/7/2023太陽(yáng)能發(fā)電美國(guó)是世界上太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)較早的國(guó)家，在太陽(yáng)能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤(pán)式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成多個(gè)MW級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)最大太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目——“太陽(yáng)能之星”6/7/2023燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無(wú)污染的能源，主要用途包括：固定地點(diǎn)發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運(yùn)輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國(guó)每年投資數(shù)億元開(kāi)發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進(jìn)的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車(chē)6/7/2023生物質(zhì)發(fā)電全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當(dāng)于10.2萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界每年耗能（87億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國(guó)每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但目前開(kāi)發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠(chǎng)6/7/2023核能發(fā)電

又稱(chēng)原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點(diǎn)：安全、無(wú)污染、高效，核能中聚變能是一種無(wú)限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠(chǎng)

核能發(fā)電廠(chǎng)水蒸氣6/7/2023燃?xì)獍l(fā)電根據(jù)用戶(hù)用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃?xì)夤芫W(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達(dá)用戶(hù)。由小型燃機(jī)、微型燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽唤?。帕帕蘭多燃?xì)怆娬镜?臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組都是由中國(guó)制造?？傃b機(jī)容量為33.6萬(wàn)千瓦。

6/7/2023其他還有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地?zé)崮馨l(fā)電

海洋能—潮汐發(fā)電站6/7/20231.3.2我國(guó)新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽(yáng)能發(fā)電——我國(guó)太陽(yáng)能電池制造水平比較先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%。已建成1座光伏電站，總?cè)萘考s40MW。風(fēng)能發(fā)電——到2005年底，我國(guó)獨(dú)立風(fēng)電裝置有10多萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘?0MW左右，80%以上在內(nèi)蒙古。新疆達(dá)板城風(fēng)電二場(chǎng)是我國(guó)目前最大的聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，我國(guó)自行研制的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。

地?zé)崮馨l(fā)電——地?zé)崮芪覈?guó)地?zé)岚l(fā)電站總裝機(jī)容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個(gè)地?zé)犭娬疽?guī)模較大。

生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國(guó)尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機(jī)容量約800MW。6/7/2023燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，我國(guó)在燃料電池研究方面取得了較大的進(jìn)展。燃料電池技術(shù)列入了國(guó)家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項(xiàng)目，其研究目標(biāo)直指國(guó)際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風(fēng)險(xiǎn)低、效益穩(wěn)、運(yùn)營(yíng)成本比較低，在國(guó)家各種優(yōu)惠政策的鼓勵(lì)下，全國(guó)掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計(jì)，中國(guó)計(jì)劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達(dá)300億美元。開(kāi)發(fā)時(shí)序預(yù)期為：2000－2020年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)；

2020－2030年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)加速器驅(qū)動(dòng)亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)受控核聚變技術(shù)。

6/7/20231.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1.3.3.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲(chǔ)能等環(huán)節(jié)組成，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負(fù)載等構(gòu)成。

6/7/2023（1）光伏陣列實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)需求，將若干個(gè)光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿(mǎn)足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級(jí)。

1個(gè)光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成6/7/2023（2）蓄電池組

作為電能存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，通過(guò)充電控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充放電（太陽(yáng)能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負(fù)載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實(shí)現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級(jí)的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器6/7/2023（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負(fù)載

終端電能消耗設(shè)備，通過(guò)消耗電能作功，將電能再次轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。負(fù)載直流負(fù)載——由直流電源供電

交流負(fù)載——由交流電源供電

6/7/20232、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

——獨(dú)立用戶(hù)安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電站。一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)6/7/2023（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)6/7/20233、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變電路是所有新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎(chǔ)。根據(jù)直流母線(xiàn)采用的儲(chǔ)能組件，將逆變電路分成兩大類(lèi)：逆變電路電流源型電壓源型6/7/2023（1）電流源逆變電路

——直流母線(xiàn)采用電感（L）儲(chǔ)能圖1-4典型電流源逆變電路

6/7/2023（2）電壓源逆變電路

——直流母線(xiàn)采用電容（C）儲(chǔ)能圖1-5典型電壓源逆變電路

6/7/2023（3）復(fù)雜逆變電路

優(yōu)點(diǎn)是輸出波形質(zhì)量高、諧波分量小，單只開(kāi)關(guān)器件的電壓低；缺點(diǎn)是存在中點(diǎn)平衡問(wèn)題，電路控制復(fù)雜，成本高。圖1-6二極管箝位的三電平電路

6/7/2023（4）級(jí)聯(lián)式逆變器

多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方便地組合成多電平光伏逆變器，但由于各級(jí)電平中對(duì)應(yīng)的光伏陣列可能存在不均衡，電平平衡控制仍然是一個(gè)難題，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖1-7級(jí)聯(lián)式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

6/7/20231.3.3.2風(fēng)力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括兩大部分：一部分是風(fēng)力機(jī)，由它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；另一部分是發(fā)電機(jī)，由它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)型式上分水平軸式與垂直軸式。垂直軸水平軸6/7/20231．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，由機(jī)械、電氣及控制３大系統(tǒng)組合構(gòu)成。包括風(fēng)輪（風(fēng)力機(jī)）、發(fā)電機(jī)、變速器及有關(guān)控制器和儲(chǔ)能裝置。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：風(fēng)能資源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制裝置蓄能裝置備用電源電能用戶(hù)6/7/2023２．獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

又稱(chēng)離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶(hù)使用。圖1-8獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

6/7/2023儲(chǔ)能方式：蓄電池蓄能(主要）

——在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池作為存儲(chǔ)電能的裝置。抽水蓄能

——地形條件合適壓縮空氣儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能電解水制氫儲(chǔ)能6/7/2023３、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1）恒速恒頻方式

——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。采用籠形異步發(fā)電機(jī)。圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

6/7/2023恒速發(fā)電的特點(diǎn)：電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可適合于在野外缺少維護(hù)的環(huán)境下工作。轉(zhuǎn)速不變，輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制全靠?jī)A角控制完成，要求傾角控制響應(yīng)快，動(dòng)作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)易疲勞損壞；強(qiáng)陣風(fēng)來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，機(jī)械承受應(yīng)力大，要求堅(jiān)固，所以又稱(chēng)“剛性”風(fēng)力發(fā)電。適用于小功率風(fēng)電系統(tǒng)，通常不大于600kW。6/7/2023（2）變速恒頻方式

——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動(dòng)作變速運(yùn)行，但仍輸出恒定頻率的交流電。變速發(fā)電的特點(diǎn)：在不同風(fēng)速下，渦輪機(jī)都工作在最高效率點(diǎn)，提高效率10%；減小發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和機(jī)械承受的應(yīng)力，減輕機(jī)械強(qiáng)度要求，又稱(chēng)“彈性”風(fēng)力發(fā)電；電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，發(fā)出電力的波動(dòng)小，提高發(fā)電質(zhì)量；在強(qiáng)風(fēng)來(lái)時(shí)傾角控制器才工作，對(duì)傾角控制的響應(yīng)速度大大降低、動(dòng)作次數(shù)顯著減少、機(jī)構(gòu)壽命得以延長(zhǎng)。適用于大功率發(fā)電場(chǎng)合，通常大于1000kW

6/7/2023a、同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)：①發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過(guò)變頻器，發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩；②可以使用永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輕、效率高，變換器增加的投資可以從節(jié)省的機(jī)械結(jié)構(gòu)中得到補(bǔ)償；③變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，形式簡(jiǎn)單。

圖1-10同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)6/7/2023b、雙饋發(fā)電機(jī)(繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī))的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)。

圖1-11雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)系統(tǒng)6/7/2023異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW6/7/2023特點(diǎn)：①在變頻器中僅流過(guò)轉(zhuǎn)差功率，其容量小，投資和損耗小，發(fā)電效率提高，諧波吸收方便；②要求雙向功率流過(guò)變頻器，變頻器必須是四象限雙PWM變頻器，由兩套IGBT變換器構(gòu)成；③只能使用雙饋發(fā)電機(jī)，比永磁發(fā)電機(jī)重，效率低。兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應(yīng)用。其中，由于雙饋發(fā)電系統(tǒng)可獲得較高的發(fā)電效率，屬于重點(diǎn)推廣技術(shù)。6/7/2023４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制變速恒頻發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號(hào)控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制?？刂埔螅孩俚惋L(fēng)速段按輸出最大功率要求進(jìn)行變速控制；②中風(fēng)速段為過(guò)渡區(qū)段，傾角控制器投入工作，功率則隨風(fēng)速增加上升；③高風(fēng)速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段，功率靠變頻器限制。6/7/2023（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻器控制原理框圖6/7/2023（2）風(fēng)機(jī)漿葉節(jié)距控制

圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖6/7/20231.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

分類(lèi)：固定式的燃料電池汽車(chē)專(zhuān)用移動(dòng)式燃料電池特點(diǎn)：低噪聲；變換效率高，對(duì)環(huán)境的污染幾乎為零；體積小，使用方便；能使用多種燃料發(fā)電，可以代替火力發(fā)電。6/7/20231．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

燃料重整系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)DC/AC變換系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)燃料空氣電力熱輸出（高溫燃料電池）圖1-14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖6/7/2023燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池能使用的以氫為主要成分的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；空氣供應(yīng)系統(tǒng)――可以使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的送風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)；DC/AC變換系統(tǒng)――直流到交流的逆變裝置；排熱回收系統(tǒng)――用于回收燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能；控制系統(tǒng)――燃料電池發(fā)電時(shí)的起動(dòng)、停止、運(yùn)行、外接負(fù)載等的控制裝置；剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)――在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。

6/7/20232．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)

燃料供給燃料處理器(汽油或甲烷)燃料電池堆DC/DC變換器DC/AC變換器220V/50Hz負(fù)載熱管理余熱回收蓄電池燃料電池控制器－空氣管理－燃料管理－傳感器電力控制器中央動(dòng)力控制單元H2并網(wǎng)運(yùn)行K燃料電池發(fā)電――電源變換系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機(jī)相似。

圖1-15燃料電池發(fā)電——電源變換控制系統(tǒng)框圖6/7/2023燃料電池的分類(lèi)：按電解質(zhì)性質(zhì)分：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell－AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell－PEMFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell－PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell－MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell－SOFC）按工作溫度分：低溫燃料電池（AFC、PEMFC、PAFC）高溫燃料電池（MCFC、SOFC）按開(kāi)發(fā)早晚順序：

把PAFC稱(chēng)為第一代燃料電池；把MCFC稱(chēng)為第二代燃料電池；把SOFC稱(chēng)為第三代燃料電池。6/7/20231.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義1.4.1能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎1、世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)去100多年世界能源消費(fèi)變化6/7/20236/7/20232、中國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

6/7/20233、中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

實(shí)現(xiàn)未來(lái)15年的發(fā)展目標(biāo)，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應(yīng)包括以下3個(gè)方面：綜合利用能源

——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標(biāo)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式。替代能源

——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術(shù)和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，降低對(duì)石油進(jìn)口的依賴(lài)。新能源轉(zhuǎn)換

——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。6/7/20231.4.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義1、新能源轉(zhuǎn)換的資源保障（1）光伏發(fā)電

——利用光伏電池將太陽(yáng)產(chǎn)生的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電形式太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換利用方式有：光――熱轉(zhuǎn)換光――電轉(zhuǎn)換光――化學(xué)轉(zhuǎn)換但如何合理利用太陽(yáng)能發(fā)電，提高光――電轉(zhuǎn)換效率，降低開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化成本，是太陽(yáng)能發(fā)電與控制技術(shù)面臨的重要課題。

6/7/2023（2）風(fēng)能發(fā)電

——利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。中國(guó)的風(fēng)能總儲(chǔ)量估計(jì)為1.6×109kW，列世界第三位。風(fēng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性由風(fēng)車(chē)的安裝地點(diǎn)、方向、風(fēng)速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電

——利用核反應(yīng)堆釋放出的核能量進(jìn)行的發(fā)電形式。新核能6/7/2023（4）小水利發(fā)電——裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱(chēng)。優(yōu)勢(shì)：開(kāi)發(fā)靈活，可以分散開(kāi)發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；具有極強(qiáng)的適用性和輻射性；是國(guó)際上大力提倡的清潔可再生的綠色能源；在環(huán)境保護(hù)、扶貧及提供農(nóng)村能源等方面均具有顯著作用。小水利6/7/2023（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換過(guò)程形成的生物質(zhì)氣、油通過(guò)燃燒發(fā)電的形式。

全世界約25億人的生活能源的90%以上是生物質(zhì)能。優(yōu)點(diǎn)：燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點(diǎn)：熱值及熱效率低，能量密度低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，體積大而不易運(yùn)輸。6/7/2023（6）海洋能發(fā)電

——利用海洋的各種能量，直接將其轉(zhuǎn)換為電能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能優(yōu)點(diǎn)：蘊(yùn)藏豐富、分布廣、清潔無(wú)污染，但能量密度低、地域性強(qiáng)缺點(diǎn)：開(kāi)發(fā)困難，并有一定的局限潮汐發(fā)電和小型波浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。6/7/2023（7）地?zé)崮馨l(fā)電——利用高溫地?zé)豳Y源進(jìn)行發(fā)電的形式。

缺點(diǎn)：由于地?zé)崽锏姆植家话氵h(yuǎn)離人口密集的城鎮(zhèn)，要利用這些資源就存在蒸汽或熱水長(zhǎng)距離輸送的困難。氫能發(fā)電——用電解法、熱化學(xué)法、光電化學(xué)法、等離子體化學(xué)法等制備氫氣，再經(jīng)燃料或制成氫燃料電池發(fā)電的形式。

BMW氫能7系概念車(chē)時(shí)速300km/h以上6/7/20232、新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義目前除水電外，最有競(jìng)爭(zhēng)潛力和增長(zhǎng)速度最快的是風(fēng)能。2004年德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電量已達(dá)245億kW·h，可滿(mǎn)足全國(guó)4%的用電量。太陽(yáng)能設(shè)施建造成本太高，光伏發(fā)電系統(tǒng)平均為5000歐元／kW·h，太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)平均為2500歐元／kW·h，因此與化石能源相比，短期內(nèi)還缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)在地?zé)崮馨l(fā)電、潮汐發(fā)電等方面已有規(guī)?；瘧?yīng)用

由于《京都議定書(shū)》的生效，氫能作為有望替代石油的動(dòng)力燃料，得到了各發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍關(guān)注。作為替代石油的重要戰(zhàn)略選擇，生物質(zhì)燃料也成為世界最新關(guān)注的熱點(diǎn)。生物質(zhì)能可直接生產(chǎn)和提供動(dòng)力液體燃料，這對(duì)于解決交通能源十分重要。

核電是新能源體系中能量密度最大，運(yùn)行成本較低的清潔能源。

6/7/2023第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)6/7/20236/7/2023

本章主要內(nèi)容3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償3.5風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)6/7/2023

緒論在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種。風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和控制技術(shù)等領(lǐng)域。

風(fēng)力發(fā)電是在大量利用風(fēng)力提水的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國(guó)。20世紀(jì)70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機(jī)，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題迫使人們考慮可再生能源利用問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)最具開(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀(jì)中發(fā)展最快的一種可再生能源。6/7/2023感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)6/7/20236/7/20236/7/20236/7/20233.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1風(fēng)的產(chǎn)生

風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽(yáng)輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。圖3-1地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)6/7/20233.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、隨機(jī)性2、風(fēng)隨高度的變化而變化

不同高度風(fēng)速的表達(dá)式：

式中ν——距地面高度為h處的風(fēng)速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風(fēng)速（m／s），一般取h0為10m；

k——修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.125～0.5。

6/7/20233.1.3風(fēng)的表示及應(yīng)用1、風(fēng)向

風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風(fēng)向方位圖6/7/20232、風(fēng)速由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。

3、風(fēng)力風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小。國(guó)際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個(gè)等級(jí)。

風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)速(m/s)；

N——風(fēng)的級(jí)數(shù)。6/7/20234、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度，空氣在一秒鐘內(nèi)以速度ν流過(guò)單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。表達(dá)式為：

（2）風(fēng)能，空氣在一秒鐘時(shí)間內(nèi)以速度ν流過(guò)面積為S截面的動(dòng)能。

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能利用，風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。6/7/2023風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況如圖所示。圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況6/7/20233.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類(lèi)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類(lèi)一般有3種，如下表所示。6/7/2023按風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率

按運(yùn)行方式

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

微型（額定功率50～1000W）、小型（額定功率1.0～10kW）、中型（額定功率10～100kW）和大型（額定功率大于100kW）

獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行

6/7/20232、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其效率低、需起動(dòng)設(shè)備等技術(shù)原因應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。6/7/2023（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。

圖3-6水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)6/7/2023

并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示

（2）并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-7并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖6/7/2023并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成，結(jié)構(gòu)如右圖。

（3）大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-8大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)6/7/20233.2.2風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)又稱(chēng)為風(fēng)輪，主要有水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。1、水平軸風(fēng)力機(jī)：

a.荷蘭式

b.農(nóng)莊式

c.自行車(chē)式

d.槳葉式

圖3-9水平軸風(fēng)力機(jī)6/7/20232、垂直軸風(fēng)力機(jī)：a.薩窩紐斯式b.達(dá)里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風(fēng)力機(jī)6/7/2023水平軸垂直軸6/7/20233.2.3風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原因是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的翼型及翼型受力分析圖。

圖3-11風(fēng)力機(jī)的葉片翼型及受力6/7/2023現(xiàn)分析風(fēng)輪不動(dòng)時(shí)受到風(fēng)吹的情況：當(dāng)風(fēng)以速度矢量ν吹向葉片時(shí)，在翼型的上表面，風(fēng)速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風(fēng)速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力F，力F可以分解為與相對(duì)風(fēng)速方向平行的阻力FD和垂直于風(fēng)向的升力FL，升力使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

6/7/2023風(fēng)力機(jī)的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力機(jī)的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率可用式子表示為：6/7/2023

對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系CPm有一個(gè)葉尖速比λm，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，風(fēng)力機(jī)應(yīng)變速運(yùn)行，以維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時(shí)，CP與葉尖速比λ的關(guān)系如下圖所示。

圖3-13風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系6/7/20233.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。6/7/20231、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)

獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-14獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6/7/2023（1）直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)從磁場(chǎng)產(chǎn)生（勵(lì)磁）的角度來(lái)分，可分為永磁式直流發(fā)電機(jī)和電磁式直流發(fā)電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無(wú)刷化，永磁直流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機(jī)。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)6/7/2023（2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁繞組，因此無(wú)勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無(wú)集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉(zhuǎn)子4—轉(zhuǎn)子軸5—?dú)庀?—定子繞組6/7/2023（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)

如下圖，硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖。硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來(lái)抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖6/7/2023（4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)

電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場(chǎng)，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理6/7/2023并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)（1）異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作。異步發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線(xiàn)性關(guān)系，可通過(guò)轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)載。（2）同步發(fā)電機(jī)當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無(wú)功功率，可使功率因數(shù)為1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

6/7/20236/7/2023（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和變頻器組成，變頻器有交－交變頻器、交－直－交變頻器及正弦波脈寬調(diào)制雙向變頻器三種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-25雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6/7/20236/7/2023雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：異步發(fā)電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1

為同步轉(zhuǎn)速；

p——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；

f2——轉(zhuǎn)子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱(chēng)為轉(zhuǎn)差頻率。6/7/2023根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以有三種運(yùn)行狀態(tài)：1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。6/7/20232）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。

6/7/2023雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運(yùn)行，也可以超同步運(yùn)行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，因此電能質(zhì)量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機(jī)。6/7/2023（4）無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(BrushlessDoubly－FedMachine，簡(jiǎn)稱(chēng)BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機(jī)相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級(jí)聯(lián)式和磁場(chǎng)調(diào)制型兩種類(lèi)型。圖3-27級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

圖3-28磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

6/7/2023（5）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱(chēng)為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)SRG），定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，定子凸極上安放有彼此獨(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩個(gè)繞組串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一相。

圖3-29三相（6/4極）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

6/7/2023開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅(qū)動(dòng)、變速運(yùn)行，有一定的開(kāi)發(fā)、研究?jī)r(jià)值。圖3-30開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成6/7/20233.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過(guò)程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用微機(jī)控制，如下圖所示。6/7/20232－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風(fēng)向標(biāo)4－風(fēng)速計(jì)5－頻率計(jì)6－電壓表7－電流表8－控制機(jī)構(gòu)9－執(zhí)行機(jī)構(gòu)10－液壓調(diào)速油缸11－調(diào)向電機(jī)12－其他傳感器

圖3-32風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微機(jī)自控原理框圖6/7/20233.3.1風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標(biāo)主要有四個(gè)：保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機(jī)組壽命延長(zhǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個(gè)：①在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；②低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能；③高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值；④減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；6/7/2023⑤減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；⑥控制器簡(jiǎn)單，控制代價(jià)小，對(duì)一些輸入信號(hào)進(jìn)行限幅；⑦調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來(lái)的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。6/7/20233.3.2并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種。

1、定槳距失速調(diào)節(jié)定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。

6/7/2023定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，由風(fēng)速變化引起的輸出功率的控制只通過(guò)槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件小、造價(jià)低。其缺點(diǎn)是葉片重量大、成形工藝復(fù)雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。

2、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過(guò)變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風(fēng)輪葉片的槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，一般用于變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。6/7/2023（1）根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過(guò)程：起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。

a.起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制

變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角β為90o，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)

b.額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制

為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來(lái)，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以?xún)?yōu)化功率輸出。6/7/2023

c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，通過(guò)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳距角β

向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，β增大，功角α

減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。6/7/2023a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線(xiàn)

b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線(xiàn)

由圖可見(jiàn)，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率由于風(fēng)力機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)而減小。6/7/2023

3、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由速度控制器起作用，起動(dòng)結(jié)束后，在額定風(fēng)速以下，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，切換到功率控制，功率控制器根據(jù)給定與反饋的功率信號(hào)比較后進(jìn)行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖6/7/2023新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個(gè)速度控制器及增加了轉(zhuǎn)子電流的控制。其中一個(gè)速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動(dòng)時(shí)和同步轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速控制。另一個(gè)速度控制器的作用是在并網(wǎng)后，和功率控制器一起通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)速的控制。帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3-39帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6/7/2023轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，通過(guò)集電環(huán)與轉(zhuǎn)子電路相連，轉(zhuǎn)子電路中外接三相電阻，通過(guò)一組電力電子器件來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。圖中的開(kāi)關(guān)S代表機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前的控制方式，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；開(kāi)關(guān)R代表機(jī)組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCC為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制器。

6/7/2023圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖

6/7/2023

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制

1、原理變速恒頻是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。

2、特點(diǎn)

1.可大范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地吸收風(fēng)能，系統(tǒng)效率高；

2.能吸收和存貯陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的疲勞損壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，減少噪聲；

3.可以控制有功功率和無(wú)功功率，電能質(zhì)量高。6/7/20233、調(diào)節(jié)控制過(guò)程

(1)起動(dòng)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)；

(2)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問(wèn)題；

(3)在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。6/7/20234、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類(lèi)型

(1)籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機(jī)組中難以實(shí)現(xiàn)；需加電容補(bǔ)償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。

6/7/2023

(2)同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單，可通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無(wú)功功率的控制。6/7/2023(3)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來(lái)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

6/7/2023(4)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器的容量較??；除實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的靈活控制，以補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機(jī)上無(wú)電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大。但發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制器較復(fù)雜圖3-46無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)6/7/20235、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：①低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。6/7/2023

(1)轉(zhuǎn)速控制策略一般通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，圖為最佳轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。6/7/2023為實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)的跟蹤，一般有間接速度控制和直接速度控制兩種方法，分別如下圖所示。圖3-48a)間接速度控制策略

6/7/2023圖3-48b)直接速度控制策略

6/7/2023

(2)功率控制策略一般采用兩種方法：①控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)輪的葉尖速比，維持功率不變；②改變槳葉節(jié)距角來(lái)改變空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩；或?qū)煞N方法結(jié)合起來(lái)，以改善性能。

6/7/2023圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

6/7/2023圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

6/7/20236、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機(jī)的方案最具優(yōu)勢(shì)。雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出；再通過(guò)矢量變換控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能的捕獲。采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)。

6/7/2023圖3-51采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6/7/2023圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路6/7/20237、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言規(guī)劃用于控制器的設(shè)計(jì)，不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，能克服非線(xiàn)性因素的影響，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，非常適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對(duì)于變速恒頻控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可針對(duì)機(jī)組的不同狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器，以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

6/7/2023圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量6/7/2023(2)模型參考自適應(yīng)控制針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點(diǎn)，采用模型參考自適應(yīng)控制，通過(guò)參考模型的建立和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制器參數(shù)的適時(shí)修正來(lái)降低不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率的控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，

6/7/2023圖3-58模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉(zhuǎn)速，ω為發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，ωw為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，υ為風(fēng)速，ω*為參考轉(zhuǎn)速，e為參考轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差

6/7/2023除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會(huì)得到更大的發(fā)展。6/7/2023

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線(xiàn)性模型的非線(xiàn)性映射能力，利用其學(xué)習(xí)和自收斂性可設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應(yīng)的應(yīng)用研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還可以與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。除了上述的三種智能控制方法外，還有滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會(huì)得到更大的發(fā)展。

6/7/20233.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)和功率補(bǔ)償

由于風(fēng)能是一個(gè)不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲(chǔ)能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行。

10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行。

為解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定供電的問(wèn)題，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行；幾十kW～幾百kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以并網(wǎng)運(yùn)行，或者與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行（如風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)力－柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行）；6/7/2023大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是并網(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程是一個(gè)瞬變過(guò)程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和電網(wǎng)電能質(zhì)量，在并網(wǎng)運(yùn)行方式中主要解決的問(wèn)題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問(wèn)題。對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其控制方法和控制重點(diǎn)不同。6/7/20233.4.1風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)也是應(yīng)用最普遍的。6/7/20231、風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路如圖3－59所示，圖中同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過(guò)斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。1）并網(wǎng)條件圖3-59同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的電路6/7/2023風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為防止過(guò)大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的各相端電壓的瞬時(shí)值要與電網(wǎng)端對(duì)應(yīng)相電壓的瞬時(shí)值完全一致。具體有五個(gè)條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；在并網(wǎng)時(shí)，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機(jī)的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，條件④就可以滿(mǎn)足；而條件①可由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時(shí)，主要是其他三條的檢測(cè)和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿(mǎn)足的條件。

⑤相位相同。6/7/20232）并網(wǎng)方法滿(mǎn)足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱(chēng)為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會(huì)下降，也不會(huì)對(duì)定子繞組和其他機(jī)械部件造成沖擊。(1)自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)6/7/2023

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)與并網(wǎng)過(guò)程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)量的風(fēng)向信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁電流，通過(guò)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎達(dá)到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)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(shí)，控制斷路器合閘并網(wǎng)。風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后通過(guò)自整步作用牽入同步，使發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)一致。以上的檢測(cè)與控制過(guò)程一般通過(guò)微機(jī)實(shí)現(xiàn)。6/7/2023(2)自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先通過(guò)限流電阻短接，電機(jī)中無(wú)勵(lì)磁磁場(chǎng)。用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時(shí)，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機(jī)自動(dòng)牽入同步。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中無(wú)勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)定子繞組中沒(méi)有感應(yīng)電勢(shì)，不需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡(jiǎn)單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點(diǎn)是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降現(xiàn)象。6/7/20232、功率調(diào)節(jié)與補(bǔ)償

1）有功功率的調(diào)節(jié)

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能首先克服機(jī)械阻力，通過(guò)電機(jī)內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機(jī)繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計(jì)銅損耗和鐵損耗，可認(rèn)為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線(xiàn)與定、轉(zhuǎn)子合成磁場(chǎng)軸線(xiàn)之間的夾角功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關(guān)系，如圖3－60所示同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相互作用。6/7/2023圖3-60同步發(fā)電機(jī)的功角特性a）凸極機(jī)b）隱極機(jī)6/7/2023這時(shí)可以增大勵(lì)磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調(diào)節(jié)。失步功率，又稱(chēng)為極限功率：對(duì)于隱極機(jī)而言，功率角為90°（凸極機(jī)功率角小于90°）時(shí)，輸出功率的最大功率。風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率↑→

Pem↑→勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)，δ

↑達(dá)到最大功率后，如果風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率繼續(xù)↑→δ＞

90°，Pem↓→轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。如一臺(tái)運(yùn)行在額定功率附近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，突然的一陣劇風(fēng)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的功率超過(guò)極限功率而使發(fā)電機(jī)失步，6/7/2023并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)當(dāng)功率角變?yōu)樨?fù)值時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)大風(fēng)扇，電機(jī)從電網(wǎng)吸收電能。為避免發(fā)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速降到一臨界值以下時(shí)，應(yīng)及時(shí)地將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開(kāi)。6/7/20232）無(wú)功功率的補(bǔ)償（2）同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)，由于定子電流建立的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)中的勵(lì)磁磁場(chǎng)有去磁作用，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也會(huì)下降。無(wú)功功率的補(bǔ)償：為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定和補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功功率，需增大同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降的原因：（1）電網(wǎng)所帶的負(fù)載大部分為感性的異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，這些負(fù)載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無(wú)功功率，整個(gè)電網(wǎng)要是提供的無(wú)功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會(huì)下降。6/7/2023同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率補(bǔ)償可用其定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機(jī)的定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線(xiàn)也稱(chēng)為V型曲線(xiàn)，如圖3－61所示。圖3-61同步發(fā)電機(jī)V型曲線(xiàn)6/7/2023

cosφ=1時(shí)，If=IfN（額定電流），I最??；

I＞IfN（過(guò)勵(lì)）時(shí)，功率因數(shù)為滯后的，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出滯后的無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；

I＜IfN（欠勵(lì)）時(shí)，功率因數(shù)為超前的，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸引滯后的無(wú)功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)更低，這時(shí)的發(fā)電機(jī)還存在一個(gè)不穩(wěn)定區(qū)（對(duì)應(yīng)功率角大于90°）因此，同步發(fā)電機(jī)一般工作在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下，以補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功功率和確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。從圖中可以看出：6/7/20233、帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，方便地實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，這是其他發(fā)電機(jī)難以與其相比的優(yōu)點(diǎn)。但恒速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機(jī)輸出頻率完全取決于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機(jī)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的整步和（準(zhǔn)）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對(duì)控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。6/7/2023圖3－62變速恒頻風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)的連接圖在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連接，如圖3－62所示。圖中交流發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)，變頻器為交－直－交變頻器。6/7/2023當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的為變頻交流電，通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)。由于同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間通過(guò)變頻器相連接，發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨(dú)立，并網(wǎng)時(shí)一般不會(huì)發(fā)生因頻率差而產(chǎn)生的較大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，并網(wǎng)過(guò)程比較平穩(wěn)。缺點(diǎn)是電力電子裝置價(jià)格較高、控制較復(fù)雜，同時(shí)非正弦逆變器在運(yùn)行時(shí)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。帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)6/7/20233.4.2風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)與功率補(bǔ)償

異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易、無(wú)失步現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但其主要缺點(diǎn)是需吸收20%～30%額定功率的無(wú)功電流以建立磁場(chǎng)，為提高功率因數(shù)必須另加功率補(bǔ)償裝置。6/7/20231、風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致，即發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡可能接近于