風力發(fā)電設備技術及產(chǎn)業(yè)課件

第3章風能、風力發(fā)電與控制技術機械工業(yè)出版社1第3章機械工業(yè)出版社1機械工業(yè)出版社2機械工業(yè)出版社2

本章主要內(nèi)容3.1風的特性及風能利用3.2風力發(fā)電機組及工作原理3.3風力發(fā)電機組的控制策略3.4風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償3.5風力發(fā)電的經(jīng)濟技術性評價機械工業(yè)出版社3本章主要內(nèi)容機械工業(yè)出版社3緒論在新能源發(fā)電技術中，風力發(fā)電是其中最接近實用和推廣的一種。風力發(fā)電是一個綜合性較強的系統(tǒng)，涉及空氣動力學、機械、電機和控制技術等領域。

風力發(fā)電是在大量利用風力提水的基礎上發(fā)展起來的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風力發(fā)電設備的大國。20世紀70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機，隨之而來的環(huán)境問題迫使人們考慮可再生能源利用問題，風力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風力發(fā)電是近期內(nèi)最具開發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀中發(fā)展最快的一種可再生能源。機械工業(yè)出版社4緒論在新能源發(fā)電技術中，風力發(fā)感性認識：各式風機機械工業(yè)出版社5感性認識：各式風機機械工業(yè)出版社5機械工業(yè)出版社6機械工業(yè)出版社6機械工業(yè)出版社7機械工業(yè)出版社7機械工業(yè)出版社8機械工業(yè)出版社83.1風的特性及風能利用3.1.1風的產(chǎn)生

風是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉(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地球上風的運動機械工業(yè)出版社93.1風的特性及風能利用3.1.1風的產(chǎn)生圖3-1地球3.1.2風的特性與風能1、隨機性2、風隨高度的變化而變化

不同高度風速的表達式：

式中ν——距地面高度為h處的風速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風速（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。

機械工業(yè)出版社103.1.2風的特性與風能1、隨機性式中ν——距地3.1.3風的表示及應用1、風向

風向一般用16個方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風向方位圖機械工業(yè)出版社113.1.3風的表示及應用風向一般2、風速由于風時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風速是指一段時間內(nèi)的平均值，即平均風速。

3、風力風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小。國際上采用的為蒲福風級，從靜風到颶風共分為13個等級。

風力等級與風速的關系：式中VN——N級風的平均風速(m/s)；N——風的級數(shù)。機械工業(yè)出版社122、風速風力等級與風速的關系：式中VN——N級風的平均風4、風能

（1）風能密度，空氣在一秒鐘內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動能。表達式為：

（2）風能，空氣在一秒鐘時間內(nèi)以速度ν流過面積為S截面的動能。

表達式為：

（3）風能利用，風能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。機械工業(yè)出版社134、風能（2）風能，空氣在一秒鐘時間內(nèi)以速度ν流過面風能轉(zhuǎn)換及應用情況如圖所示。圖3-5風能轉(zhuǎn)換與應用情況機械工業(yè)出版社14風能轉(zhuǎn)換及應用情況圖3-5風能轉(zhuǎn)換與應用情況機械工業(yè)出版社3.2風力發(fā)電機組及工作原理3.2.1風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及分類

1、風力發(fā)電機組的分類

風力發(fā)電機組的分類一般有3種，如下表所示。機械工業(yè)出版社153.2風力發(fā)電機組及工作原理1、風力發(fā)電機組的分類風按風輪軸的安裝型式按風力發(fā)電機的功率

按運行方式

水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組

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）

獨立運行和并網(wǎng)運行

機械工業(yè)出版社16按風輪軸的安裝型式按風力發(fā)電機的功率按運行方式水平軸風力2、風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)

風力發(fā)電機組中，水平軸式風力發(fā)電機組是目前技術最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風力發(fā)電機組因其效率低、需起動設備等技術原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)。機械工業(yè)出版社172、風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社17（1）獨立運行的風力發(fā)電機組

水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)電機、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)見右圖。

圖3-6水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社18（1）獨立運行的風力發(fā)電機組水平軸獨

并網(wǎng)運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、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)運行的風力發(fā)電機組圖3-7并網(wǎng)運行的水平軸風力發(fā)電機組的原理框圖機械工業(yè)出版社19并網(wǎng)運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉(zhuǎn)體、制動器）等組成，結(jié)構(gòu)如右圖。

（3）大型風力發(fā)電機組圖3-8大型風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社20并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)3.2.2風力機風力機又稱為風輪，主要有水平軸風力機和垂直軸風力機。1、水平軸風力機：a.荷蘭式b.農(nóng)莊式c.自行車式d.槳葉式

圖3-9水平軸風力機機械工業(yè)出版社213.2.2風力機圖3-9水平軸風力機機械工業(yè)出版社212、垂直軸風力機：a.薩窩紐斯式b.達里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風力機機械工業(yè)出版社222、垂直軸風力機：圖-10垂直軸風力機機械工業(yè)出版社22水平軸垂直軸機械工業(yè)出版社23水平軸垂直軸機械工業(yè)出版社233.2.3風力機的氣動原理

風力發(fā)電機組中的風輪之所以能將風能轉(zhuǎn)化為機械能，原因是因為風力機具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風力機葉片的翼型及翼型受力分析圖。

圖3-11風力機的葉片翼型及受力機械工業(yè)出版社243.2.3風力機的氣動原理風力發(fā)電現(xiàn)分析風輪不動時受到風吹的情況：當風以速度矢量ν吹向葉片時，在翼型的上表面，風速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風速增大，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可以分解為與相對風速方向平行的阻力FD和垂直于風向的升力FL，升力使風力機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

機械工業(yè)出版社25現(xiàn)分析風輪不動時受到風吹的情況：機械工業(yè)出版社25風力機的輸出功率當風吹向風力機的葉片時，風力機的主要作用是將風能轉(zhuǎn)化為機械能，風力機的機械輸出功率可用式子表示為：機械工業(yè)出版社26風力機的輸出功率機械工業(yè)出版社26

對應于最大的風力機利用系CPm有一個葉尖速比λm，因風速經(jīng)常變化，為實現(xiàn)風能的最大捕獲，風力機應變速運行，以維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時，CP與葉尖速比λ的關系如下圖所示。

圖3-13風力機的利用系數(shù)與葉尖速比的關系機械工業(yè)出版社27對應于最大的風力機利用系CPm有一個葉尖速比λ3.2.4風力發(fā)電機

在由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心。獨立運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關磁阻發(fā)電機等。機械工業(yè)出版社283.2.4風力發(fā)電機在由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過1、獨立運行風力發(fā)電機組中的發(fā)電機

獨立運行的風力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-14獨立運行的交流風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社291、獨立運行風力發(fā)電機組中的發(fā)電機圖3-14獨立運行的（1）直流發(fā)電機直流發(fā)電機從磁場產(chǎn)生（勵磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機和電磁式直流發(fā)電機，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機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)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社30圖3-15電磁式直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社30（2）永磁式交流同步發(fā)電機永磁式交流同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應用于小型及微型風力發(fā)電機中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機結(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—氣隙6—定子繞組機械工業(yè)出版社31（2）永磁式交流同步發(fā)電機圖3-17凸極式永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)示（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機

如下圖，硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖。硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調(diào)節(jié)器，通過自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖機械工業(yè)出版社32（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機圖3-18硅整流自勵式交流（4）電容自勵式異步發(fā)電機

電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機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，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵式異步發(fā)電機電路原理機械工業(yè)出版社33（4）電容自勵式異步發(fā)電機圖3-19電容自勵式異步發(fā)電機并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機（1）異步發(fā)電機風力異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，只要發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對機組的調(diào)速要求不高，不需要同步設備和整步操作。異步發(fā)電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負載。（2）同步發(fā)電機當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機運行時可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，可使功率因數(shù)為1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

機械工業(yè)出版社34并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機（1）異步發(fā)電機機械工機械工業(yè)出版社35機械工業(yè)出版社35（3）雙饋異步發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機是當今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)是由一臺帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機和變頻器組成，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)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社36（3）雙饋異步發(fā)電機圖3-25雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械機械工業(yè)出版社37機械工業(yè)出版社37雙饋異步發(fā)電機工作原理：異步發(fā)電機中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1為同步轉(zhuǎn)速；p——發(fā)電機的極對數(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又稱為轉(zhuǎn)差頻率。機械工業(yè)出版社38雙饋異步發(fā)電機工作原理：機械工業(yè)出版社38根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)：1）亞同步運行狀態(tài)。此時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)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。機械工業(yè)出版社39根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運2）超同步運行狀態(tài)。此時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）同步運行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機相同。

機械工業(yè)出版社402）超同步運行狀態(tài)。此時n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風能捕獲；可對有功功率和無功功率進行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動和輸出功率的波動，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。機械工業(yè)出版社41雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，（4）無刷雙饋異步發(fā)電機

無刷雙饋異步發(fā)電機(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調(diào)制型兩種類型。圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機

圖3-28磁場調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機

機械工業(yè)出版社42（4）無刷雙饋異步發(fā)電機圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電（5）開關磁阻發(fā)電機開關磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（簡稱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)子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨立的集中繞組，徑向獨立的兩個繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。

圖3-29三相（6/4極）開關磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)

機械工業(yè)出版社43（5）開關磁阻發(fā)電機圖3-29三相（6/4極）開關磁阻發(fā)開關磁阻發(fā)電機用作為風力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風力機、開關磁阻發(fā)電機及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

開關磁阻發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅(qū)動、變速運行，有一定的開發(fā)、研究價值。圖3-30開關磁阻風力發(fā)電機系統(tǒng)的構(gòu)成機械工業(yè)出版社44開關磁阻發(fā)電機用作為風力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風3.3風力發(fā)電機組的控制策略與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性復雜控制系統(tǒng)。尤其是對于并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行數(shù)據(jù)，對機組進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風速和風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風力發(fā)電機組控制中的關鍵技術，現(xiàn)代風力發(fā)電機組一般都采用微機控制，如下圖所示。機械工業(yè)出版社453.3風力發(fā)電機組的控制策略與一般2－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風向標4－風速計5－頻率計6－電壓表7－電流表8－控制機構(gòu)9－執(zhí)行機構(gòu)10－液壓調(diào)速油缸11－調(diào)向電機12－其他傳感器

圖3-32風力發(fā)電機組的微機自控原理框圖機械工業(yè)出版社462－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風向標4－風速計5－頻率計6－3.3.1風力發(fā)電的特點及控制要求風力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標主要有四個：保證系統(tǒng)的可靠運行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機組壽命延長。風力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個：①在運行的風速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；②低風速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風能；③高風速時，限制風能的捕獲，保持風力發(fā)電機組的輸出功率為額定值；④減小陣風引起的轉(zhuǎn)矩波動峰值，減小風輪的機械應力和輸出功率的波動，避免共振；機械工業(yè)出版社473.3.1風力發(fā)電的特點及控制要求機械工業(yè)出版社47⑤減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應；⑥控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅；⑦調(diào)節(jié)機組的功率，確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。為實現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風力發(fā)電機組的控制技術經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來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。機械工業(yè)出版社48⑤減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應；為實現(xiàn)上3.3.2并網(wǎng)型風力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)控制風力機的功率調(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，其風力機的結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。在風速超過額定風速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機組的輸出功率在額定值附近。

機械工業(yè)出版社493.3.2并網(wǎng)型風力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)控制風力機的功定槳距失速控制的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，由風速變化引起的輸出功率的控制只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)實現(xiàn)，沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡化，整機結(jié)構(gòu)簡單、部件小、造價低。其缺點是葉片重量大、成形工藝復雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。2、變槳距風力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)與控制變槳距風力機的整個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)是指通過變槳距機構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風輪葉片的槳距角隨風速的變化而變化，一般用于變速運行的風力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。機械工業(yè)出版社50定槳距失速控制的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可（1）根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉(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.起動時的轉(zhuǎn)速控制

變距風輪的槳葉在靜止時，槳距角β為90o，當風速達起動風速時，槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風力機獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動

b.額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制

為了改善低風速時的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機上，利用新技術，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，以優(yōu)化功率輸出。機械工業(yè)出版社51（1）根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉(zhuǎn)速控制，額定

c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當風速過高時，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角β向迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，β增大，功角α減小，如圖所示。從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風力機在額定點的附近具有較高的風能利用因數(shù)。機械工業(yè)出版社52c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制機a）變槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

b）定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

由圖可見，在額定風速以下，兩者相似，但在額定風速以上，變槳距風力發(fā)電機的輸出功率維持恒定，而定槳距風力發(fā)電機組的輸出功率由于風力機的失速當風速增大時而減小。機械工業(yè)出版社53a）變槳距風力發(fā)電機組的功率曲線b）定槳距風力發(fā)電機組的3、變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由速度控制器起作用，起動結(jié)束后，在額定風速以下，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)不進行控制。當風速達到或超過額定風速時，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比較后進行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖機械工業(yè)出版社543、變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)圖3-38傳統(tǒng)的變槳新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個速度控制器及增加了轉(zhuǎn)子電流的控制。其中一個速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動時和同步轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速控制。另一個速度控制器的作用是在并網(wǎng)后，和功率控制器一起通過轉(zhuǎn)子電流的控制實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)速的控制。帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3-39帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社55新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸上，通過集電環(huán)與轉(zhuǎn)子電路相連，轉(zhuǎn)子電路中外接三相電阻，通過一組電力電子器件來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，實現(xiàn)調(diào)速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。圖中的開關S代表機組啟動并網(wǎng)前的控制方式，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；開關R代表機組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCC為異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流控制器。

機械工業(yè)出版社56轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機控制原理框圖

機械工業(yè)出版社57圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機控制原理框圖機械工業(yè)出版社5變速恒頻風力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)與控制

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

2、特點

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能，系統(tǒng)效率高；2.能吸收和存貯陣風能量，減少陣風沖擊對風力發(fā)電機產(chǎn)生的疲勞損壞、機械應力和轉(zhuǎn)矩脈動，延長機組壽命，減少噪聲；3.可以控制有功功率和無功功率，電能質(zhì)量高。機械工業(yè)出版社58變速恒頻風力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)與控制機械工業(yè)出版社583、調(diào)節(jié)控制過程(1)起動時通過調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)；(2)并網(wǎng)后，在額定風速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；(3)在額定風速以上，采用發(fā)電機轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風力機獲取能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使風力發(fā)電機保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機輸出功率的更加平穩(wěn)。機械工業(yè)出版社593、調(diào)節(jié)控制過程機械工業(yè)出版社594、變速恒頻風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和主要類型

(1)籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

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

機械工業(yè)出版社604、變速恒頻風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和主要類型不(2)同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機簡單，可通過轉(zhuǎn)子勵磁電流的控制來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無功功率的控制。機械工業(yè)出版社61(2)同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)特點：變(3)雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：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)具有很強的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。缺點是發(fā)電機仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

機械工業(yè)出版社62(3)雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)特(4)無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器的容量較?。怀龑崿F(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活控制，以補償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機上無電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大。但發(fā)電機結(jié)構(gòu)和控制器較復雜圖3-46無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)機械工業(yè)出版社63(4)無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)特點：變頻5、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：①低于額定風速時，跟蹤最大風能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風速時，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。機械工業(yè)出版社645、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略機械工業(yè)出版社64(1)轉(zhuǎn)速控制策略一般通過控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，圖為最佳轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線。機械工業(yè)出版社65(1)轉(zhuǎn)速控制策略機械工業(yè)出版社65為實現(xiàn)對最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，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

機械工業(yè)出版社66為實現(xiàn)對最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，一圖3-48b)直接速度控制策略

機械工業(yè)出版社67圖3-48b)直接速度控制策略機械工業(yè)出版社67(2)功率控制策略一般采用兩種方法：①控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而改變風輪的葉尖速比，維持功率不變；②改變槳葉節(jié)距角來改變空氣動力轉(zhuǎn)矩；或?qū)煞N方法結(jié)合起來，以改善性能。

機械工業(yè)出版社68(2)功率控制策略機械工業(yè)出版社68圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

機械工業(yè)出版社69圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖機械工業(yè)出版社69圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

機械工業(yè)出版社70圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖機械工業(yè)出版社706、雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制實現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機的方案最具優(yōu)勢。雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機根據(jù)風力機轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，實現(xiàn)恒頻輸出；再通過矢量變換控制實現(xiàn)發(fā)電機的有功和無功功率的獨立調(diào)節(jié)，進而控制發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最佳風能的捕獲。采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(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)電機的簡稱。

機械工業(yè)出版社716、雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制機械工業(yè)出版社7圖3-51采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

機械工業(yè)出版社72圖3-51采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路機械工業(yè)出版社73圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電7、風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)劃用于控制器的設計，不需要被控對象精確的數(shù)學模型，能克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)具有較強的魯棒性，非常適用于風力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對于變速恒頻控制的風力發(fā)電系統(tǒng)，可針對機組的不同狀態(tài)設計相應的模糊控制器，以達到最大風能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

機械工業(yè)出版社747、風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制機械工業(yè)出版社74圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量機械工業(yè)出版社75圖3-57模糊邏輯控制器框圖機械工業(yè)出版社75(2)模型參考自適應控制針對風力發(fā)電系統(tǒng)的復雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點，采用模型參考自適應控制，通過參考模型的建立和自適應機構(gòu)進行控制器參數(shù)的適時修正來降低不確定性對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和功率的控制。模型參考自適應控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，

機械工業(yè)出版社76(2)模型參考自適應控制機械工業(yè)出版社76圖3-58模型參考自適應控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉(zhuǎn)速，ω為發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速，ωw為風力機的轉(zhuǎn)速，υ為風速，ω*為參考轉(zhuǎn)速，e為參考轉(zhuǎn)速與發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速之間的偏差

機械工業(yè)出版社77圖3-58模型參考自適應控制系統(tǒng)ωopt為希望除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。機械工業(yè)出版社78除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡控制(3)神經(jīng)網(wǎng)絡控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其學習和自收斂性可設計自適應控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力，因此在風力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應的應用研究。神經(jīng)網(wǎng)絡控制還可以與模糊控制相結(jié)合，設計成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器來控制風力發(fā)電機組。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力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。

機械工業(yè)出版社79(3)神經(jīng)網(wǎng)絡控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有可任意3.4風力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術和功率補償

由于風能是一個不穩(wěn)定的能源，風力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行。10kW以下的小型風力發(fā)電機組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行。

為解決風力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前一般采用的方法是：1000kW以上的大型風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行；幾十kW～幾百kW的風力發(fā)電機組可以并網(wǎng)運行，或者與其他發(fā)電裝置互補運行（如風光互補、風力－柴油發(fā)電聯(lián)合運行）；機械工業(yè)出版社803.4風力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術和功率補償

由于風能是大中型風力發(fā)電機組主要是并網(wǎng)運行，由于發(fā)電機并網(wǎng)過程是一個瞬變過程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機的運行和電網(wǎng)電能質(zhì)量，在并網(wǎng)運行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問題。對并網(wǎng)運行的不同風力發(fā)電機組其控制方法和控制重點不同。機械工業(yè)出版社81大中型風力發(fā)電機組主要是并網(wǎng)運行，由于發(fā)電機3.4.1風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴格不變的固定關系，

同步發(fā)電機在運行過程中，可通過勵磁電流的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無功功率的補償，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)電機也是應用最普遍的。機械工業(yè)出版社823.4.1風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償

1、風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

風力同步發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路如圖3－59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。1）并網(wǎng)條件圖3－59同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的電路機械工業(yè)出版社831、風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

1）并網(wǎng)條件圖3－風力同步發(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。具體有五個條件：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，因風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對應，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機設計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿足的條件。

⑤相位相同。機械工業(yè)出版社84風力同步發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖擊和2）并網(wǎng)方法滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊。(1)自動準同步并網(wǎng)機械工業(yè)出版社852）并網(wǎng)方法(1)自動準同步并網(wǎng)機械工業(yè)出版社85

風力同步發(fā)電機組的起動與并網(wǎng)過程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風向傳感器測量的風向信號驅(qū)動風力機對準風向。當風速達到風力機的起動風速時，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風力機起動。當發(fā)電機在風力機的帶動下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，勵磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風力發(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)。風力同步發(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。以上的檢測與控制過程一般通過微機實現(xiàn)。機械工業(yè)出版社86風力同步發(fā)電機組的起動與并網(wǎng)過程如下：偏航系(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勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調(diào)節(jié)和校準，控制簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降現(xiàn)象。機械工業(yè)出版社87(2)自同步并網(wǎng)同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組先通2、功率調(diào)節(jié)與補償

1）有功功率的調(diào)節(jié)

風力同步發(fā)電機中，風力機輸入的機械能首先克服機械阻力，通過電機內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計銅損耗和鐵損耗，可認為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉(zhuǎn)子勵磁磁場軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場軸線之間的夾角功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關系，如圖3－60所示同步發(fā)電機內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵磁磁場和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場之間的相互作用。機械工業(yè)出版社882、功率調(diào)節(jié)與補償

1）有功功率的調(diào)節(jié)

風力同步發(fā)圖3－60同步發(fā)電機的功角特性a）凸極機b）隱極機機械工業(yè)出版社89機械工業(yè)出版社89這時可以增大勵磁電流，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，又稱為極限功率：對于隱極機而言，功率角為90°（凸極機功率角小于90°）時，輸出功率的最大功率。風力機輸入的機械功率↑→Pem↑→勵磁不作調(diào)節(jié)，δ

↑達到最大功率后，如果風力機輸入的機械功率繼續(xù)↑→δ＞

90°，Pem↓→轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。如一臺運行在額定功率附近的風力發(fā)電機，突然的一陣劇風可能導致發(fā)電機的功率超過極限功率而使發(fā)電機失步，機械工業(yè)出版社90這時可以增大勵磁電流，以增大功率極限，提高并網(wǎng)運行的風力同步發(fā)電機當功率角變?yōu)樨撝禃r，電機將運行在電動機狀態(tài)，此時風力發(fā)電機相當于一臺大風扇，電機從電網(wǎng)吸收電能。為避免發(fā)電機電動運行，當風速降到一臨界值以下時，應及時地將發(fā)電機與電網(wǎng)脫開。

機械工業(yè)出版社91并網(wǎng)運行的風力同步發(fā)電機當功率角變?yōu)樨撝禃r，電機將運2）無功功率的補償（2）同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用，發(fā)電機的輸出電壓也會下降。無功功率的補償：為了維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定和補償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁電流。發(fā)電機的輸出電壓下降的原因：（1）電網(wǎng)所帶的負載大部分為感性的異步電動機和變壓器，這些負載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會下降。機械工業(yè)出版社922）無功功率的補償（2）同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機的定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線也稱為V型曲線，如圖3－61所示。圖3－61同步發(fā)電機V型曲線機械工業(yè)出版社93同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁

cosφ=1時，If=IfN（額定電流），I最??；I＞IfN（過勵）時，功率因數(shù)為滯后的，發(fā)電機向電網(wǎng)輸出滯后的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；I＜IfN（欠勵）時，功率因數(shù)為超前的，發(fā)電機從電網(wǎng)吸引滯后的無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)更低，這時的發(fā)電機還存在一個不穩(wěn)定區(qū)（對應功率角大于90°）因此，同步發(fā)電機一般工作在過勵狀態(tài)下，以補償電網(wǎng)的無功功率和確保機組穩(wěn)定運行。從圖中可以看出：機械工業(yè)出版社94cosφ=1時，If=IfN（額定電流），I最?。?、帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)

同步發(fā)電機可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，方便地實現(xiàn)有功和無功功率的調(diào)節(jié)，這是其他發(fā)電機難以與其相比的優(yōu)點。但恒速恒頻的風力發(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。機械工業(yè)出版社953、帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)

同步發(fā)電機圖3－62變速恒頻風力同步發(fā)電機組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)的連接圖在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接，如圖3－62所示。圖中交流發(fā)電機為同步發(fā)電機，變頻器為交－直－交變頻器。機械工業(yè)出版社96圖3－62變速恒頻風力同步發(fā)電機組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)的連接圖當風速變化時，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉(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)電機與電網(wǎng)之間通過變頻器相連接，發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨立，并網(wǎng)時一般不會發(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)過程比較平穩(wěn)。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。帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)機械工業(yè)出版社97當風速變化時，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨之變3.4.2風力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)與功率補償

異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點，在風力發(fā)電系統(tǒng)中應用廣泛。但其主要缺點是需吸收20%～30%額定功率的無功電流以建立磁場，為提高功率因數(shù)必須另加功率補償裝置。機械工業(yè)出版社983.4.2風力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)與功率補償

異步發(fā)1、風力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)

風力異步發(fā)電機組的直接并網(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。風力異步發(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)

機械工業(yè)出版社991、風力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)

風力異步發(fā)電機組的直接當風力機在風的驅(qū)動下起動后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速附近（一般為98%～100%）時，測速裝置給出自動并網(wǎng)信號，通過自動空氣開關完成合閘并網(wǎng)過程。風力異步發(fā)電機組直接并網(wǎng)的電路如圖3－63所示圖3－63風力異步發(fā)電機與電網(wǎng)的直接并聯(lián)機械工業(yè)出版社100當風力機在風的驅(qū)動下起動后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機的

2）降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，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)電機穩(wěn)定運行時，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，適用于百千瓦級以上，容量較大的機組。機械工業(yè)出版社1012）降壓并網(wǎng)機械工業(yè)出版社1013）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3－64所示。圖3－64風力異步發(fā)電機經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)機械工業(yè)出版社1023）晶閘管軟并網(wǎng)圖3－64風力異步發(fā)電機經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)機械其并網(wǎng)過程如下：當風力機將發(fā)電機帶到同步轉(zhuǎn)速附近時，在檢查發(fā)電機的相序和電網(wǎng)的相序相同后，發(fā)電機輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，在微機的控制下，雙向晶閘管的觸發(fā)角由180o到0o逐漸打開，雙向晶閘管的導通角則由0o到180o逐漸增大，通過電流反饋對雙向晶閘管的導通角實現(xiàn)閉環(huán)控制，將并網(wǎng)時的沖擊電流限制在允許的范圍內(nèi)，從而異步發(fā)電機通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)。并網(wǎng)的瞬態(tài)過程結(jié)束后，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同時，控制器發(fā)出信號，利用一組自動開關將雙向晶閘管短接，異步發(fā)電機的輸出電流將不經(jīng)過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關流入電網(wǎng)。但在發(fā)電機并入電網(wǎng)后，應立即在發(fā)電機端并入功率因數(shù)補償裝置，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上。機械工業(yè)出版社103其并網(wǎng)過程如下：當風力機將發(fā)電機帶到同步轉(zhuǎn)速附近時，在檢查發(fā)要求器件本身的特性要一致、穩(wěn)定；觸發(fā)電路工作可靠，控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流一致；開通后晶閘管壓降相同。晶閘管軟并網(wǎng)對晶閘管器件和相應的觸發(fā)電路的要求：只有這樣才能保證每相晶閘管按控制要求逐漸開通，發(fā)電機的三相電流才能保證平衡。機械工業(yè)出版社104要求器件本身的特性要一致、穩(wěn)定；晶閘管軟并網(wǎng)對晶閘管器件和相其中移相觸發(fā)的缺點是發(fā)電機中每相電流為正負半波的非正弦波，含有較多的奇次諧波分量，對電網(wǎng)造成諧波污染，因此必須加以限制和消除；過零觸發(fā)是在設定的周期內(nèi)，逐步改變晶閘管導通的周波數(shù)，最后實現(xiàn)全部導通，因此不會產(chǎn)生諧波污染，但電流波動較大。

晶閘管軟并網(wǎng)的方式：觸發(fā)電路有移相觸發(fā)和過零觸發(fā)兩種方式機械工業(yè)出版社105其中移相觸發(fā)的缺點是發(fā)電機中每相電流為正負半波的非正弦波，含2、并網(wǎng)運行時的功率輸出及無功功率的補償

1）并網(wǎng)運行時的功率輸出異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線如圖3－65所示，圖3－65異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速關系曲線發(fā)電機穩(wěn)定運行區(qū)域Te↑→n↑A1→A2繼續(xù)穩(wěn)定運行失速區(qū)Te↓→n↑機械工業(yè)出版社1062、并網(wǎng)運行時的功率輸出及無功功率的補償1）并網(wǎng)運行時的發(fā)電機輸出的電流大小及功率因數(shù)決定于轉(zhuǎn)差率s和電機的參數(shù)，對于已制成的發(fā)電機其參數(shù)不變，而轉(zhuǎn)差率大小由發(fā)電機的負載決定。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率和機械轉(zhuǎn)矩增大時，發(fā)電機的輸出功率及轉(zhuǎn)矩也隨之增大。但當發(fā)電機輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩對應的功率時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升而出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，十分危險。必須配備可靠的失速槳葉或限速保護裝置。并網(wǎng)運行的特點及注意事項機械工業(yè)出版社107發(fā)電機輸出的電流大小及功率因數(shù)決定于轉(zhuǎn)差率s和電機的參數(shù)，對

因此對于小容量的電網(wǎng)，一方面選用過載能力大的發(fā)電機，另一方面配備可靠的過壓和欠壓保護裝置。

并網(wǎng)運行的風力異步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓變化時對其有一定的影響。（發(fā)電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比）當電網(wǎng)電壓下降過大時，發(fā)電機也會出現(xiàn)飛車；而當電網(wǎng)電壓過高時，發(fā)電機的勵磁電流將增大，功率因數(shù)下降，嚴重時將導致發(fā)電機過載運行。機械工業(yè)出版社108

因此對于小容量的電網(wǎng)，一方面選用過載能力大的發(fā)電機

風力異步發(fā)電機必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率來進立磁場和滿足漏磁的需要。因一般大中型異步發(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。2）并網(wǎng)運行時無功功率的補償☆進行無功功率的補償?shù)脑颍?/p>

有同步調(diào)相機、有源靜止無功補償器、并聯(lián)補償電容器等。其中以并聯(lián)電容器應用的最多?！钫{(diào)節(jié)無功的裝置：

為了實現(xiàn)無功功率的及時和準確的補償，必須計算出任何時期的有功功率、無功功率，并計算出需要投入的電容值來控制電容器的投入數(shù)量，而這些大量和快速的計算及適時的控制，目前可通過DSP和計算機來實現(xiàn)。機械工業(yè)出版社1092）并網(wǎng)運行時無功功率的補償☆進行無功功率的補償?shù)脑颍?.4.3風力雙饋異步發(fā)電機組的并網(wǎng)與功率補償雙饋異步發(fā)電機目前主要應用于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)電機與電網(wǎng)之間的連接是“柔性連接”，經(jīng)過矢量變換后雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流中的有功分量和無功分量實現(xiàn)了解耦，通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流勵磁電流的調(diào)節(jié)與控制來滿足并網(wǎng)條件，可以成功地實現(xiàn)并網(wǎng)；同時通過對轉(zhuǎn)子電流中的有功和無功分量的控制，可以很方便地實現(xiàn)功率控制及無功功率的補償。

機械工業(yè)出版社1103.4.3風力雙饋異步發(fā)電機組的并網(wǎng)與功率補償雙饋②通過轉(zhuǎn)子電流的控制可以保證風力發(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)電機的并網(wǎng)過程及特點：①風力機起動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(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；③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)。機械工業(yè)出版社111雙饋異步發(fā)電機的并網(wǎng)過程及特點：①風力機起動后帶動發(fā)電機至接3.5風力發(fā)電的經(jīng)濟技術性評價

風力發(fā)電的經(jīng)濟性評價主要由其經(jīng)濟性指標來衡量。3.5.1風力發(fā)電的經(jīng)濟性指標風力發(fā)電的經(jīng)濟性指標單位千瓦造價單位千瓦時投資成本財務內(nèi)部收益率財務凈現(xiàn)值投資回收期投資源利潤率機械工業(yè)出版社1123.5風力發(fā)電的經(jīng)濟技術性評價

風力發(fā)電的經(jīng)濟性評價主要由1單位千瓦造價

單位千瓦造價表示風力發(fā)電系統(tǒng)每千瓦的投資成本，其計算公式為（3－32）

總裝機容量是指風電場全部風力發(fā)電機組的總?cè)萘?。機械工業(yè)出版社1131單位千瓦造價

單位千瓦造價表示風力發(fā)電風電項目的總投資由風力發(fā)電機組、土建工程、電氣工程、安裝工程、財務成本及其他（含征地、設計勘測）等組成，其各部分所占的比例大致如圖3－66所示。

圖3－66風電項目投資中各部分所占的比例

機械工業(yè)出版社114風電項目的總投資由風力發(fā)電機組、土建工程、電氣工程、2單位千瓦時投資成本

其中：年固定費用包括設備的年折舊費、攤銷貸款利息、人工費、管理費、稅金等。運行維護費用包括計劃內(nèi)的保證風力發(fā)電機正常運行所進行的正常維修費用。

單位千瓦時投資成本表示在風力發(fā)電設備的使用期限（一般20～30年）內(nèi)，每生產(chǎn)單位千瓦時的電量所需要的投資費用，其計算公式為（3－33）大修費用指的是風力發(fā)電設備在使用期內(nèi)大修的年平均費用。一般風力發(fā)電機組每隔5年、10年、15年大修一次，主要維修機械部件。

機械工業(yè)出版社1152單位千瓦時投資成本

單位千瓦時投資成本表3財務內(nèi)部收益率(FIRR)和財務凈現(xiàn)值(FNPV)

式中

CI——現(xiàn)金流入量；CO——現(xiàn)金流出量（CI－CO）t——第t年的凈現(xiàn)金流量；n——計算期，t=1、2…n。

財務內(nèi)部收益率(FIRR)是指風電項目在整個計算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計等于零時的折現(xiàn)率。它反映項目所占資金的盈利率，是考察項目盈利能力的動態(tài)評價指標。其計算公式為（3－34）

只有在風電項目的財務內(nèi)部收益率大于電力行業(yè)基準的財務內(nèi)部收益率時，其項目的盈利能力才能滿足最低要求，在財務上才可以被接受。

機械工業(yè)出版社1163財務內(nèi)部收益率(FIRR)和財務凈現(xiàn)值(FNPV)

財務凈現(xiàn)值可以通過現(xiàn)金流量表計算得到，只有財務凈現(xiàn)值大于或等于零的項目才可以被接受。

財務凈現(xiàn)值（FNPV）是指行業(yè)的基準收益率或設定的折現(xiàn)率，將項目計算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到建設期初的現(xiàn)值之和。是考察項目在計算期內(nèi)盈利能力的動態(tài)評價指標。其計算公式為（3－35）其中，Ic——項目所屬行業(yè)的基準收益率。機械工業(yè)出版社117財務凈現(xiàn)值（FNPV）是指行業(yè)的基準收益率或

投資回收期可根據(jù)財務現(xiàn)金流量表（全部投資）中累計凈現(xiàn)金流量計算出，所計算的結(jié)果應小于行業(yè)的基準投資回收期。4投資回收期（Pt）

投資回收期或投資還本年限Pt是以項目的凈收益抵償全部投資（包括固定資產(chǎn)投資和流動資金投資）所需要的時間。它是考察項目在財務上的投資回收能力的主要靜態(tài)指標。投資回收期（以年表示）一般從建設開始年算起，其計算公式為（3－36）機械工業(yè)出版社118