1、2.1 风及风能资源风及风能资源 2.1.1 风的形成风的形成 地球从地面直至数万米高空被厚厚的大气层包围着。由地球从地面直至数万米高空被厚厚的大气层包围着。由于地球的自转、公转运动，地表的山川、沙漠、海洋等地形于地球的自转、公转运动，地表的山川、沙漠、海洋等地形差异，以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别，使得地面的受差异，以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别，使得地面的受热并不均匀，从而不同地区有温差，外加空气中水蒸气含量热并不均匀，从而不同地区有温差，外加空气中水蒸气含量不同，就不同，就形成了不同的气压区形成了不同的气压区。空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为空气从高气压区域向低气压区域的
2、自然流动，称为大气大气运动运动。在气象学上，一般把空气的不规则运动称为在气象学上，一般把空气的不规则运动称为紊流紊流，垂，垂直方向的大气运动称为直方向的大气运动称为气流气流，水平方向的大气运动称为水平方向的大气运动称为风风!风，按照形成原因，有信风、海陆风和山谷风等几种。风，按照形成原因，有信风、海陆风和山谷风等几种。（1）信风信风。赤道附近地区，受热多，气温高；两极附近，太。赤道附近地区，受热多，气温高；两极附近，太阳斜射，受热少，气温低。由于热空气比冷空气密度小，赤道阳斜射，受热少，气温低。由于热空气比冷空气密度小，赤道附近的热空气上升，两极地区的冷空气下降，留下的附近的热空气上升，两极地
3、区的冷空气下降，留下的“空缺空缺”相互填补，就形成了热空气在高空从赤道流向两极、冷空气在相互填补，就形成了热空气在高空从赤道流向两极、冷空气在地面附近从两极流向赤道的现象。由于地球本身自西向东旋转，地面附近从两极流向赤道的现象。由于地球本身自西向东旋转，大气环流在北半球形成东北信风，在南半球形成东南信风。大气环流在北半球形成东北信风，在南半球形成东南信风。（2）海陆风海陆风。大陆与海洋的热容量不同。白天，在太阳照射。大陆与海洋的热容量不同。白天，在太阳照射下陆地温度比海面高，陆地上的热空气上升，海面上的冷空气下陆地温度比海面高，陆地上的热空气上升，海面上的冷空气在地表附近流向沿岸陆地，这就是海
4、风。夜间，陆地比海洋冷在地表附近流向沿岸陆地，这就是海风。夜间，陆地比海洋冷却得快，相对温度较高的海面上的空气上升，陆地上较冷的空却得快，相对温度较高的海面上的空气上升，陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，这就是陆风。气沿地面流向海洋，这就是陆风。（3）山谷风山谷风。白天受太阳照射的山坡朝阳面受热较多，形成。白天受太阳照射的山坡朝阳面受热较多，形成热空气；地势低凹的山谷处受热较少，则山谷内冷空气从山谷热空气；地势低凹的山谷处受热较少，则山谷内冷空气从山谷流向山坡，形成流向山坡，形成谷风谷风。夜间，山坡降温幅度大，上方的空气密。夜间，山坡降温幅度大，上方的空气密度增大，沿山坡向下流动，形成度增大，沿
5、山坡向下流动，形成山风山风。2.1.2 风的描述风的描述(描述风的几个概念描述风的几个概念)（1）风向风向。风向就是风吹来的方向。例如，大气从南向北流动形成的风，就称为南风。（2）风速风速。风速就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。通常所说的风速，是指一段时间内的风速的算术平均值。蒲福风级的定义和描述蒲福风级的定义和描述蒲福风级蒲福风级名称名称风速风速/（m/sm/s）表现形式表现形式0无风0-0.2零级无风炊烟上1软风0.3-1.5一级软风烟稍斜2轻风1.6-3.3二级轻风树叶响3微风3.4-5.4三级微风树枝晃4和风5.5-7.9四级和风灰尘起5清劲风8-10.7五级清风水起波6强风1
6、0.8-13.8六级强风大树摇7疾风13.9-17.1七级疾风步难行8大风17.2-20.7八级大风树枝折9烈风20.8-24.4九级烈风烟囱毁10狂风24.5-28.4十级狂风树根拔11暴风28.5-32.6十一级暴风陆罕见12飓风32.6十二级飓风浪滔天（3）风能和风能密度风能和风能密度。风中流动的空气所具有的能量（动能），称为风能。322121SvmvW （2-1）单位面积上流过的风能就是风能密度。321vSWE （2-2）2.1.3 世界风能资源世界风能资源2.1.4 我国风能资源我国风能资源图2-1 我国陆地的平均风速分布图2.2 风力发电系统结构原理风力发电系统结构原理 图2-3
7、并网型风力发电系统的组成 根据所发电能是否并入电网，风力发电系统可分为并网型和离网型两大类。图2-3所示为并网型风力发电系统的简要组成。齿轮箱又叫增速器，起增速作用，使发电机工作在较高转速，这有利于减小发电机的体积和重量。发电机是将机械能转换为电能的装置，是风力发电系统的核心部件。电力电子接口的主要作用是对发电机输出电能的频率、波形、电压等进行变换与控制，以保证输出电能的质量。对不同类型的发电机，电力电子接口的功能与作用也不同。图2-4 风力发电机组的基本结构 现代并网型风力发电系统通常还有变桨系统、偏航系统、制动装置、测风装置等。图2-5 变速变桨距控制双馈异步风力发电机系统原理 离网型风力
8、发电系统通常由风力机、发电机和电力电子接口等构成，其容量一般较小，风力机转速较高，可直接驱动发电机，故一般没有齿轮箱；发出的电能经电力电子接口变换后直接供给负载，因此，也没有变压器，结构上要简单许多。下图为某类复杂并网型的原理图。离网型：离网型：2.3 风力机及其控制风力机及其控制 2.3.1 风力机的基本类型风力机的基本类型2.3.2 风力机的工作原理风力机的工作原理2.3.3 风能利用系数风能利用系数2.3.4 风力机的功率控制风力机的功率控制2.3.5 变桨系统变桨系统2.3.6 偏航系统偏航系统2.3.1 风力机的基本类型风力机的基本类型 风力机是将风的动能转换为可风力机是将风的动能转
9、换为可用机械能的机械装置，用机械能的机械装置，它通常由一它通常由一个在风的升力或阻力作用下可自由个在风的升力或阻力作用下可自由旋转的转子组成。根据风力机转子旋转的转子组成。根据风力机转子结构形式、安装方式、运行模式等结构形式、安装方式、运行模式等的不同，风力机可分为不同类型。的不同，风力机可分为不同类型。根据转子轴的位置，风力机可分为根据转子轴的位置，风力机可分为水平轴和垂直轴水平轴和垂直轴两大类；对水平轴两大类；对水平轴风力机，依据风力机转子装在塔架风力机，依据风力机转子装在塔架的迎风侧还是下风侧，可分为迎风的迎风侧还是下风侧，可分为迎风型和顺风型等；根据风力机桨距角型和顺风型等；根据风力机
10、桨距角是否可以调整，分为是否可以调整，分为定桨距和变桨定桨距和变桨距距风力机；根据风力机的转速是否风力机；根据风力机的转速是否可以改变，又可分为可以改变，又可分为恒速和变速恒速和变速风风力机等。力机等。1.垂直轴与水平轴风力机 （a）结构 （b）实物照片图2-6 垂直轴风力机 垂直轴风力机最突出的优点,是它的发电机与传动系统可以放在地面，减轻了对塔架的要求；另外，它可以从任意方向的风中吸收能量，故不需要偏航和对风系统，使系统得以简化。但是，垂直轴风力机的缺点也很明显，首先是它的安装高度受限，只能在低风速环境下运行，风能利用率较低；其次，虽然它的发电机和传动系统放在地面，但维护并不容易，常需将风
11、力机转子移开；再则，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面会延伸很远，占用较大地面空间。图2-7 水平轴风力机2.定桨距与变桨距风力机3.恒速与变速风力机 恒速风力机是指在正常运行时其转速是恒定不变的。早期的风力发电机系统多采用异步发电机或同步发电机，定子绕组直接与电网相连，因此，发电机的转速由电网的频率所决定，无法调节，它虽然控制较简单，但风能利用率较低。随着电力电子等技术的发展，出现了双馈异步发电机，通过控制转子绕组中电流的频率，可以在不同转子转速下仍保持定子绕组输出频率的恒定，因此，它允许风力机转速在较大范围改变，故称为变速恒频发电机。近年来新出现的低速直驱永磁同步发电机也是变速恒频发电机，因
12、为它是经由全容量电力电子功率变换器向外输出电能，其输出频率由逆变器决定，因此允许风力机转速在很大的范围内改变。2.3.2 风力机的工作原理风力机的工作原理 当风经过风轮平面时，桨叶上将受到推力和转矩的作用，其中推力方向与风轮旋转平面垂直，转矩使风轮旋转。由于桨叶的参数（攻角、弦长等）沿着桨叶长度是变化的，因此，桨叶上每一点所受到的推力和转矩也是变化的。桨叶所受到的总推力和总转矩应是各点推力和转矩的积分。为便于分析，在桨叶上取半径为r,长度为 的微元，称为叶素，如图2-9所示。随着风轮旋转，叶素将扫掠出一个圆环。下面以图2-10所示的翼型为例来分析叶素的受力情况。r图2-9叶素扫掠出的圆环 图2
13、-10 叶素受力分析合成风速矢量 与叶素弦线之间的夹角称为攻角（也称仰角），叶素弦线与风轮旋转平面之间的夹角称为桨距角.wv为风速矢量 vR为风轮旋转角速度，R为风轮半径。叶尖速比：叶尖速比：2.3.3 风能利用系数风能利用系数 airPPPC593.02716limitPC 3322121AvCvCRPPP根据空气动力学原理 风能利用系数与叶尖速比的关系曲线 不同桨距角时的风能利用系数 图2-12 具有不同叶片数的风力机风能利用系数的对比2.3.4 风力机的功率控制风力机的功率控制 风力机的综合性能通常用功率曲线来描述，如图2-14所示。图2-14 风力机理想功率曲线在额定风速与切出风速之间
14、，可采用下面的措施控制风力在额定风速与切出风速之间，可采用下面的措施控制风力机吸收的功率：机吸收的功率：1.失速控制失速控制 对于定速定桨距风力机，桨叶的桨距角是固定不变的。它利用叶片的气动特性，使其在高风速时产生失速来限制风力机功率。2.主动失速控制主动失速控制 所谓主动失速控制，就是在风速达到额定风速及以上时，通过人为地调节桨距角，使风力机加深失速。图2-15 主动失速控制的优点是：功率调节性能好，控制较简单（相对于后面的变桨控制）；缺点是：作用在转子平面上的轴向推力增大，风力机气动载荷加重。3.变桨控制变桨控制 对于变桨距风力机，当风速大于额定风速后，可通过变桨机构使叶片绕其轴线旋转，增
15、大叶素弦线与旋转平面之间的夹角，即桨距角，减小攻角，使风力机的功率保持不变。TFTF 主动失速控制与变桨控制虽然都是通过调节桨距角来调节风力机的功率，但它们之间存在以下明显差异：（1）调节方向不同：主动失速控制是减小桨距角，增大攻角，使失速加深；而变桨控制是增大桨距角，减小攻角，限制吸收风功率。因此，二者的桨距角调节方向相反。（2）调节频率不同：变桨控制的桨距角可连续调节，其变桨机构较复杂；而主动失速控制的桨距角只能改变很少的几步，且精度不高。（3）轴向推力变化规律不同：主动失速控制时，风轮轴向推力增加；而变桨控制时随之减小，故气动载荷减小。2.3.5 变桨系统变桨系统9090变桨就是使桨叶绕
16、其安装轴旋转，改变桨距角，从而改变风力机的气动特性。改变桨距角的主要作用如下：（1）风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。（2）风轮停止时，经常使用的桨距角，使风轮刹车制动时，（3）额定风速以下时，为尽可能捕捉较多的风能，因而没有必要改变桨距角。然而，恒速风力发电机组的最佳桨距角随风速的变化而变化，因此，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢改变。（4）额定风速以上时，变桨控制可以有效调节风力发电机组吸收功率及风轮所受载荷，使其不超过设计的限定值。（5）在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。因此，现代大型风力发电机组多采用变桨距风力机。空转速度最小。在正桨距
17、角时，叶片称为“顺桨”。图2-19 变桨系统组成框图（a）液压变桨机构 （b）电动变桨机构图2-20 变桨机构2.3.6 偏航系统偏航系统 为保证风力机稳定工作，必须有一种装置使风力机随风向变化自动绕塔架中心线旋转，保持风力机与风向始终垂直。这种装置叫做偏航系统，也叫迎风装置。(a)尾舵偏航 （b）主动偏航图2-21 偏航系统图2-22 主动偏航系统组成框图2.4 风力发电机风力发电机 直流发电机发电机双馈（绕线转子）异步混合励磁同步发电机电励磁同步发电机永磁同步发电机同步发电机双绕组双速异步发电机单绕组双速异步发电机恒速异步发电机笼型异步发电机风力发电机2.4.1 笼型异步发电机笼型异步发电
18、机 1.定桨距风电机组与笼型异步发电机 定桨距就是风力机叶轮的桨叶与轮毂之间为刚性连接，桨叶的迎风角度不能随风速的变化而变化。定桨距风电机组需要配套的发电机具有恒转速特性，并网运行的异步发电机能够满足这一要求。采用异步发电机并网运行有一系列优点：笼型异步发电机的结构简单、价格便宜；不需要严格的并网装置，可以较容易地与电网连接；异步发电机并网运行时，转速近似是恒定的，但允许在一定范围内变化，因此可吸收瞬态阵风能量。采用异步发电机的主要缺点是需要从电网吸收感性无功电流来励磁，加重了电网对感性无功功率的负担，因此，常需要对异步发电机进行无功补偿。在低风速运行区域，定桨距风电机组还面临着系统效率低下的
19、问题。2.笼型异步发电机的结构特点笼型异步发电机的结构特点 目前，笼型异步发电机大多采用双速型，即可变极，一般在4和6极间变换。在高风速区域，4极绕组工作，发电机输出的功率较大；在低风速区域，切换到6极绕组工作，发电机输出的功率较小。此外其他结构方面与普通笼型异步电机没有区别。2.4.2 同步发电机同步发电机1.同步发电机与变速恒频风电机组 直驱式风电机组采用低速永磁同步发电机，省去了中间变速机构，由风力机直接驱动发电机运行。采用变桨距技术可以使桨叶和风电机组的受力情况大为改善，然而，为了使机组转速能快速跟踪风速的变化，以便实行最佳的叶尖速比控制，必须对发电机的转矩实施控制。随着电力电子技术和
20、计算机控制技术的发展，这一直驱式风力发电变速恒频控制的关键技术，目前已经得到解决，只需在发电机与电网之间接入变流器，使发电机与电网之间解耦，就允许发电机变速运行了。图2-28示出了变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组原理图。图2-28 变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组2.结构特点 同步发电机的定子结构与异步发电机基本相同，转子结构则与异步发电机明显不同。转子分为电励磁转子和永磁转子两类。电励磁转子包括铁心和绕组，铁心用钢板叠压而成，是主磁路的一部分，用于套装或嵌放励磁线圈；绕组用圆铜漆包线或扁铜绝缘线绕制，通过凸极（或隐极）式磁极结构，绕组中通以励磁电流产生主磁场。永磁转子包括铁心和永磁体
21、，铁心用钢板叠压而成，是主磁路的一部分，用于贴附或内置永磁体；永磁体用永磁材料（钮铁硼、铁氧体等）加工而成，产生主磁场，磁极结构一般有表面式或内置式磁极结构。3.运行原理运行原理 与异步发电机不同，同步发电机是一种双边激励的发电机。其定子（电枢）绕组接到电网以后，定子（电枢）电流流过定子绕组产生定子磁动势，并建立起定子（电枢）旋转磁场；转子励磁绕组中通入直流励磁电流建立转子主磁场，或者由永磁体直接产生主磁场。由于转子以同步速度旋转，转子主磁场也将以同步速度旋转。发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场均以同步速度旋转，二者是相对静止的，依靠定、转子磁极之间的磁拉力产生电磁转矩，传递电磁功率。2.4.
22、3 双馈（绕线转子）异步发电机双馈（绕线转子）异步发电机1.变速恒频风电机组与双馈（绕线转子）异步发电机 当变速恒频风电机组不需要大范围的变速运行，而只需要在较窄的范围内实现变速控制时，可选择双馈（绕线转子）异步发电机，发电机的定子绕组直接与电网相连，用于变速恒频控制的变流器接到发电机转子绕组与电网之间。采用双馈异步发电机的变速恒频风电机组原理图如图2-32所示。2.结构特点 双馈（绕线转子）异步发电机的定子结构与笼型异步发电机基本相同。二者在结构上的区别主要表现在转子绕组结构的不同，前者为绕线型转子绕组，后者为笼型转子绕组。为了使三相转子绕组与外部控制电路（回馈变频器等）相连接，需要在非轴伸
23、端的轴上装设三个集电环，将转子绕组的三个出线端分别接到三个集电环上，再通过电刷引出。3.运行原理与特性 双馈异步发电机的运行原理与笼型异步发电机基本相同，只是由于转子使用了绕线型绕组，才使之可以实现双馈运行。所谓双馈就是电机的定子和转子都可以馈电的一种运行方式，而馈电一般是指电能的有方向传送。对于双馈异步发电机来说，定、转子的馈电方向都是可逆的，在定子边，当电能的传送方向为电机-电网方向时，电机为发电机运行，电能传送方向相反时为电动机运行；在转子边，在变流器的电机侧电压的控制下，电能传送的方向也是可逆的。因此，双馈异步发电机的运行状态可以用功率传递关系来加以说明，如图2-34所示。图2-34
24、双馈异步发电机的运行状态和功率传递关系图2-35 双馈异步发电机的机械特性2.5 风力发电机系统的运行与控制风力发电机系统的运行与控制 控制系统要根据风速和风向的变化对风力发电机组进行优化控制，以提高风能转换效率和发电质量。图2-36 风力机的理想功率曲线风力发电机组控制系统的主要目标和功能有：（1）在正常运行的风速范围内，保证系统稳定可靠运行。（2）在低风速区，跟踪最佳叶尖速比，实现最大功率点跟踪 （MPPT），捕获最大风能。（3）在高风速区，限制风能的捕获，保持输出功率为额定值。（4）保证风力机转速在允许速度以下，抑制风力机噪声及风轮离心力。（5）抑制阵风引起的转矩波动，减小风力机的机械应
25、力和输出功率的波动。（6）保持风力发电机组输出电压和频率的稳定，保证电能质量。（7）减小传动链的机械载荷，保证风力发电机组寿命。2.5.1 基本控制内容基本控制内容2.5.2 定桨距恒速风力发电机组的运行与控制定桨距恒速风力发电机组的运行与控制2.5.3 变桨距恒速风力发电机组的运行与控制变桨距恒速风力发电机组的运行与控制2.5.4 变桨距变速风力发电机组的运行与控制变桨距变速风力发电机组的运行与控制2.5.5 最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（MPPT）控制简介）控制简介2.5.1 基本控制内容基本控制内容1.风力发电机组的工作状态及其转换2.风力发电机组的启动3.偏航系统的运行运行；暂停；停
26、机；紧急停机。包括自启动、本地启动和远程启动。主要包括自动偏航、手动偏航、90侧风、自动解缆等功能。2.5.2 定桨距恒速风力发电机组的运行与控制定桨距恒速风力发电机组的运行与控制1.失速与制动图2-37 叶尖扰流器的结构-（制动）失速见2.3.4节2.安装角的调整(随温度与海拔而调整)(a)温度的影响 （b）海拔的影响图2-38 空气密度变化的影响2.5.3 变桨距恒速风力发电机组的运行与控制变桨距恒速风力发电机组的运行与控制1.输出功率特性图2-40 变桨距恒速风力发电机组的基本控制策略2.运行状态 根据变桨距系统所起的作用，变桨距风力发电机组可分为三种运行状态：启动状态、欠功率状态和额定
27、功率状态。9001）启动状态。变桨距风力机在静止时，桨距角为如图 2-41所示。这时，气流对桨叶不产生转矩。当风速达到启动风速时，叶片向桨距角为对叶片产生一定的攻角，风轮开始启动.方向转动，直至气流2）欠功率状态。当风力发电机组并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机的输出功率低于额定功率，此运行状态称为欠功率状态。在采用笼型异步发电机的风力发电机系统中，欠功率状态下对桨距角不加控制，这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同。而在采用绕线转子异步发电机的风力发电机系统中，可采用所谓的“优化滑差”技术，即可以根据风速的大小，调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，从而改善低风速
28、时风力发电机组的性能。3）额定功率状态。当风速达到额定风速以后，风力发电机组进入额定功率状态。此时，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制，控制信号的给定值是恒定的额定功率。功率反馈信号与给定信号比较，当实际功率大于额定功率时，桨距角就向增大方向转动（减小迎风面积），反之则向桨距角减小的方向转动（增大迎风面积）。2.3.4节已对此有部分介绍。图2-42 变桨距恒速风力发电机组的控制框图2.5.4 变桨距变速风力发电机组的运行与控制变桨距变速风力发电机组的运行与控制121.控制策略 图2-43 变桨距变速风力发电机组的基本控制策略2.运行状态1）启动状态（Oa段）2）PC恒定区（ab段）：也
29、称变速运行区。3）转速恒定区（bc段）4）功率恒定区：风速高于额定风速时，转速和功率必须维持在额定值，因此，该状态运行区域称为功率恒定区。5）切出区：当风速大于切出风速时，为保证风力发电机组的安全，需对机组进行制动减速控制，直至切出。PCPC(a)恒定区 （b）转速恒定区 （c）功率恒定区值变化情况图2-46 三个工作区域的3.不同类型风力发电机组的比较 图2-47 不同类型风力发电机组的功率曲线对比2.5.5 最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（MPPT）控制简介）控制简介 欲使风力发电机组运行于最佳叶尖速比，实现最大功率点跟踪，必须采用适当的控制方法，即所谓的最大功率点跟踪（Maximum P
30、ower Point Tracking,MPPT）控制方法，使风力机的转速随风速的变化而成比例地变化。目前，已有多种不同的MPPT控制方案，各有优缺点和适用范围。1.最佳叶尖速比法321AvCPPoptPC当叶尖速比时，有最大值 图2-48 最佳叶尖速比控制框图2.功率信号反馈法 图2-49 最大功率曲线图2-50 基于PI调节器的功率信号反馈法的控制框图图2-51 基于模糊PI调节器的功率信号反馈法的控制框图3.爬山搜索法 爬山搜索法无需测量风速，也不需要事先知道风力机的功率曲线，而是人为地给风力机施加转速扰动，根据发电机输出功率的变化确定转速的控制增量。(a)爬山搜索法的原理爬山搜索法控制
31、框图 该控制方法的优点是：不需要任何测定风速的装置，不需要知道风力机确切的功率特性。它对风力机功率特性的掌握要求较低，且控制过程基本是由软件编程实现的；它独立于风力机的设计参数，可以自主地追踪到最大功率点；对于无惯性的或惯性很小的小型风力发电系统，风力机转速对风速的反应几乎是瞬时的。该方法的缺点是：即使风速稳定，发电机的最终输出功率也会有小幅波动；按照系统的控制目标，希望在某一风速下风力机能够沿着功率曲线逐步移动到最佳功率负载线附近，所以要求系统在每一调整的离散时间点上达到稳态工作点，对于惯性较大的大型风力机系统，系统的时间常数较大，实现最大功率点跟踪所需时间较长，因此在风速持续变化的情况下其
32、控制性能将受到影响；此外，当风速变化较快时，可能引起系统振荡，不宜采用此方法。2.6 风力发电机系统并网风力发电机系统并网 2.6.1 同步风力发电机组并网同步风力发电机组并网2.6.2 异步风力发电机组并网异步风力发电机组并网2.6.3 风力发电机组的并网安全运行与防护措施风力发电机组的并网安全运行与防护措施2.6.1 同步风力发电机组并网同步风力发电机组并网 同步风力发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致，具体有5个条件：波形相同；幅值相同；频率相同；相序相同；相位相同。1）并网条件2）并网方法（1）自动
33、准同步并网。当风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同和断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。同步风力发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。优点：合闸时没有明显的电流冲击；缺点：控制操作复杂、费时。（2）自同步并网。同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，电机中无励磁磁场，用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电动势，不需要对发电机的电压和相位角进
34、行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除了不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象 带变频器的同步发电机组并网 并网优点明显！缺点是电力电子装置价格较高、控制较复杂，同时非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将影响电网的电能质量。2.6.2 异步风力发电机组并网异步风力发电机组并网 异步风力发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。1）直接并网。并网条件：一是发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致，即相序相同；二是发电机的转速尽可能接近于同步转速。其中第一条必须严格遵守，在接线时调整好相序；第二条的要求不是很严格，但发电
35、机转速与同步转速的误差越小，并网时产生的冲击电流越小。特点：比同步发电机的准同步并网简单，但并网过程中会产生5-6倍额定电流的冲击电流，引起电网电压下降。因此只能用于百KW级以下，且电网容量较大的场合。2）降压并网。降压并网是在发电机与电网之间串接电阻或电抗器，或接入自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。发电机并网稳定运行后，将接入的电阻等元件迅速从线路中切除，以免消耗功率。这种并网方式的经济性较差，适用于百KW级以上、容量较大的机组。3）晶闸管软并网。图2-59 异步风力发电机组晶闸管软并网 晶闸管软并网是在异步发电机的定子和电网之间通过每相串入一只双向晶闸管，通过控制晶闸
36、管的导通角(180度到0度逐步打开)来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程，如图2-59所示。双馈异步风力发电机组并网（专属方法）：双馈异步风力发电机组并网（专属方法）：风力机启动后带动发电机至接近于同步转速时，由转子回路中的变频器通过对转子电流的控制实现电压匹配、同步和相位的控制，以便迅速地并入电网，并网时基本上无电流冲击。通过转子电流的控制还可以保证风力发电机的转速随风速及负载的变化而及时地调整，从而使风力机运行在最佳叶尖速比下，获得最大的风能及高的系统效率。双馈异步发电机可通过励磁电流的频率、幅值和相位的调节，实现变速运行下的恒频及功率调节。当风力发电机的转速随风速及负载
37、的变化而变化时，通过励磁电流频率的调节实现输出电能频率的稳定；改变励磁电流的幅值和相位，可以改变发电机定子电动势和电网电压之间的相位角，也即改变了发电机的功率角，从而实现了有功功率和无功功率的调节。图2-61 双馈异步发电机变速恒频运行的并网系统2.6.3 风力发电机组的并网安全运行与防护措施风力发电机组的并网安全运行与防护措施图2-63 控制系统的安全保护组成1雷电安全保护 风力发电控制系统大多为计算机和电子器件，大部分是弱电器件，耐过电压能力低，最容易因雷电感应造成过电压损坏，因此需要考虑防雷问题。一般使用避雷器或防雷组件吸收雷电波。当雷电击中电网中的设备后，大电流将经接地点泄入地网，使接
38、地点电位大大升高。若控制设备接地点靠近雷击大电流的入地点，则电位将随之升高，会在回路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会造成相关设备绝缘击穿。根据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电机部件是控制系统和通信系统。雷击事故中的40%-50%涉及风电机控制系统的损坏，15%-20%涉及通信系统，15%-20%涉及风机叶片，5%涉及发电机。防雷是一个系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要从风电场整体设计上考虑，采取多层防护措施。2.运行安全保护（1）大风安全保护：一般风速达到25m/s（10min）即为停机风速，机组必须按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必须90（2）参数越限保护
39、：各种采集、监控的量根据情况设定有上、下限值，当数据达到限定位时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。（3）过电压、过电流保护：指装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过电流所进行的保护。通常采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过电流保护器等。（4）振动保护：机组应设有三级振动频率保护，即振动球开关、振动频率上限1、振动频率极限2，当开关动作时，控制系统将分级进行处理。（5）开机、关机保护：设计机组按顺序正常开机，确保机组安全。在小风、大风、故障时控制机组按顺序停机。对风控制。3.电网掉电保护4.紧急停机安全链保护5.微机控制器抗干扰保护6.接地保护7.低电压穿越能力2.7 风力发电机系统低电压穿越风
40、力发电机系统低电压穿越 2.7.1 低电压穿越的基本概念及相关规范低电压穿越的基本概念及相关规范2.7.2 低电压对风力发电机组的影响低电压对风力发电机组的影响2.7.3 低电压穿越技术低电压穿越技术2.7.1 低电压穿越的基本概念及相关规范低电压穿越的基本概念及相关规范 所谓低电压穿越（Low Voltage Ride Through,LVRT）,是指由于电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网运行，并向电网提供一定无功功率，支持电网电压恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。图2-60 风力发电机组低电压穿越要求风电
41、场低电压穿越的规定：（1）风力发电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力。（2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风力发电机组应具有不间断并网运行的能力。（3）在电网故障期间没有切出的风力发电机组，在故障清除后其有功功率应以至少10%额定功率每秒的功率变化率恢复至故障前的状态。2.7.2 低电压对风力发电机组的影响低电压对风力发电机组的影响 当并网点电压突然跌落时，输出电功率随之减小，风力发电机组的输入输出功率失去平衡，从而引起一系列电磁和机电暂态过程，对风力发电机组产生不利影响。不同类型风力发电机组的暂态过程及其导致的
42、影响不尽相同。1.双馈异步发电机组双馈异步发电机组 双馈异步发电机组（DFIG）的定子侧直接连接电网，这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在发电机定子端电压上，首先导致定子电流增大；又由于故障瞬间磁链不能突变，在转子中感应出较大的电动势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加。定、转子电流的大幅波动，会造成DFIG电磁转矩的剧烈变化，对风力机、齿轮箱等机械部件构成冲击，影响风力发电机组的运行和寿命。定子电压跌落时，发电机输出功率降低，若对捕获功率不加控制，必然导致发电机转速上升。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下，即使故障切除，双馈异步发电机的电磁转矩有所增加，也难较快抑制发
43、电机转速的上升，使双馈异步发电机的转速进一步升高，使得定子端电压下降，进一步阻碍了电网电压的恢复，严重时可能导致电网电压无法恢复，致使系统崩溃。2.永磁同步发电机组永磁同步发电机组 对于永磁同步发电机组（PMSG），定子经AC-DC-AC功率变换器与电网相接，发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，显然功率不匹配将导致直流母线（DC-Link）电压上升，这势必会威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定DC-Link电压，必然会导致输出到电网的电流增大，过大的电流同样会威胁功率变换器的安全。当功率变换器直流侧电压在一定范围波动时，发电机侧
44、功率变换器一般都能保持可控性，在电网电压跌落期间，发电机仍可以保持很好的电磁控制。所以PMSG的低电压穿越实现相对DFIG而言较为容易。2.7.3 低电压穿越技术低电压穿越技术1.低速直驱永磁同步风力发电机组的低电压穿越技术低速直驱永磁同步风力发电机组的低电压穿越技术 电压跌落期间PMSG的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升，可采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。首先，在功率变换器设计方面，选择器件时放宽电力电子器件的耐压和过电流值，并提高直流电容的额定电压。这样在电压跌落时可以把DC-Link的电压限定值调高，以储存多余的能量，并允许网侧功率变换器电流增大，以输出更多的能
45、量。其次，在风力发电机组控制方面，可减小PMSG电磁转矩设定值，这样会引起发电机的转速上升，从而利用转速的暂时上升来储存风力机部分输入能量，减小发电机的输出功率。最后，可以考虑采用额外电路的单元储存或消耗多余能量。2.双馈异步风力发电机组的低电压穿越技术双馈异步风力发电机组的低电压穿越技术 与PMSG相比，DFIG在电压跌落期间面临的威胁更大。电压跌落出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件，而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。由于DC-Link会出现过、欠电压，因此可以考虑与PMSG一样在DC-Link上接储能系统（ESS），以保持DC-Link电压稳定，如图2-64所示。图2-64
46、转子侧带储能系统的DFIG2.8 风力发电场风力发电场2.8.1 风电场的概念风电场的概念2.8.2 陆地风电场陆地风电场2.8.3 海上风电场海上风电场2.8.1 风电场的概念风电场的概念 风电场是在某一特定区域内建设的所有风力发电设备及配套设施的总称。图2-65德国的内陆风电场图2-66 甘肃酒泉风电场图2-67 江苏海安海岸风电场图2-68 离岸近海风电场2.8.2 陆地风电场陆地风电场 选择安装地点时经常有以下三方面情况应予考虑：一是风能资源与气象条件；二是地形地貌；三是建筑物。图2-69 风力机与丘陵、树林的安装距离图2-70 气流经过台地和山地图2-72 在建筑物上安装风力发电机示
47、意图（a）对行排列 （b）交错排列图2-73 盛行风不是一个方向时风力发电机的排列图2-74 盛行风向基本不变的风电场风机排列图2-75 迎风坡风电场风力发电机的排列2.8.3 海上风电场海上风电场 相对陆地风电场，海上风电场与它的区别主要在坐落地址的不同，相应的针对海上场址相对陆地风电场有很大不同。海上风电场微观选址工作主要依赖电力设计院和设备供应商，如采用丹麦编制的风资源与应用及分析软件WasP分析风电场的风资源，然后运用各种风电场优化设计软件设计风电机组的排布。2.8.4 海上风电发展与现状海上风电发展与现状一、成本高，维护不便，单机容量大。一、成本高，维护不便，单机容量大。二、欧洲在前
48、二、欧洲在前三、直流化传输趋势三、直流化传输趋势四、中国海上风电发展简介四、中国海上风电发展简介五、浙江省海上风电规划发展五、浙江省海上风电规划发展齿轮箱又叫增速器，起增速作用，使发电机工作在较高转速，这有利于减小发电机的体积和重量。发电机是将机械能转换为电能的装置，是风力发电系统的核心部件。电力电子接口的主要作用是对发电机输出电能的频率、波形、电压等进行变换与控制，以保证输出电能的质量。对不同类型的发电机，电力电子接口的功能与作用也不同。2.3 风力机及其控制风力机及其控制 2.3.1 风力机的基本类型风力机的基本类型2.3.2 风力机的工作原理风力机的工作原理2.3.3 风能利用系数风能利
49、用系数2.3.4 风力机的功率控制风力机的功率控制2.3.5 变桨系统变桨系统2.3.6 偏航系统偏航系统2.3.6 偏航系统偏航系统 为保证风力机稳定工作，必须有一种装置使风力机随风向变化自动绕塔架中心线旋转，保持风力机与风向始终垂直。这种装置叫做偏航系统，也叫迎风装置。(a)尾舵偏航 （b）主动偏航图2-21 偏航系统2.结构特点 同步发电机的定子结构与异步发电机基本相同，转子结构则与异步发电机明显不同。转子分为电励磁转子和永磁转子两类。电励磁转子包括铁心和绕组，铁心用钢板叠压而成，是主磁路的一部分，用于套装或嵌放励磁线圈；绕组用圆铜漆包线或扁铜绝缘线绕制，通过凸极（或隐极）式磁极结构，绕
50、组中通以励磁电流产生主磁场。永磁转子包括铁心和永磁体，铁心用钢板叠压而成，是主磁路的一部分，用于贴附或内置永磁体；永磁体用永磁材料（钮铁硼、铁氧体等）加工而成，产生主磁场，磁极结构一般有表面式或内置式磁极结构。爬山搜索法控制框图2.6.1 同步风力发电机组并网同步风力发电机组并网 同步风力发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致，具体有5个条件：波形相同；幅值相同；频率相同；相序相同；相位相同。1）并网条件2.7 风力发电机系统低电压穿越风力发电机系统低电压穿越 2.7.1 低电压穿越的基本概念及相关规范低电压
