章風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

1機(jī)械工業(yè)出版社第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)2機(jī)械工業(yè)出版社3機(jī)械工業(yè)出版社

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)電及其工作原理3.3風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)與控制3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制3.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)與安全運(yùn)行3.6風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)4機(jī)械工業(yè)出版社

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、發(fā)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)，隨之而來的環(huán)境問題迫使人們考慮可再生能源利用問題，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。5機(jī)械工業(yè)出版社感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)6機(jī)械工業(yè)出版社7機(jī)械工業(yè)出版社公元前950前

我國(guó)祖先使用的垂直型風(fēng)機(jī)抽水8機(jī)械工業(yè)出版社9機(jī)械工業(yè)出版社S形風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)10機(jī)械工業(yè)出版社3.1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)11機(jī)械工業(yè)出版社3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能

1.風(fēng)的表示法風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)力是描述風(fēng)的3個(gè)重要參數(shù)。（1）風(fēng)向的表示法

風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。12機(jī)械工業(yè)出版社（2）風(fēng)速的表示法由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無、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)速與風(fēng)級(jí)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)。例5級(jí)風(fēng)為：V5=9.4m/s.

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)。13機(jī)械工業(yè)出版社（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。

2.風(fēng)的特性14機(jī)械工業(yè)出版社3.風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度：密度為ρ的空氣，在一秒鐘內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能（E）稱為風(fēng)能密度（W/m2)。表達(dá)式為：

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

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能的特點(diǎn)：風(fēng)能與其他能源相比，既有其明顯的優(yōu)點(diǎn)，又有其局限性。風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)是，蘊(yùn)量巨大、可以再生、分布廣泛、沒有污染。缺點(diǎn)是，密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大。15機(jī)械工業(yè)出版社3.1.3風(fēng)能的利用風(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，一般利用風(fēng)推動(dòng)風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)以形成動(dòng)能。其具體用途包括風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)帆助航、風(fēng)車提水、風(fēng)力致熱采暖等。風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況如圖3-5所示。風(fēng)能發(fā)電：風(fēng)的動(dòng)能—電能風(fēng)輪取水、風(fēng)帆航行、風(fēng)力泵等

風(fēng)能的各種應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的最重要形式。16機(jī)械工業(yè)出版社圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況17機(jī)械工業(yè)出版社3.2風(fēng)力發(fā)電及其工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類及結(jié)構(gòu)1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有3種，如下表所示。18機(jī)械工業(yè)出版社按風(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

19機(jī)械工業(yè)出版社2、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，因此主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。20機(jī)械工業(yè)出版社（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)，如圖3-6。

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)21機(jī)械工業(yè)出版社

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)如圖3-7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22機(jī)械工業(yè)出版社

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)如圖3-8。

（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)23機(jī)械工業(yè)出版社3.2.2風(fēng)力機(jī)及風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理1.風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)又稱為風(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.自行車式

d.槳葉式

圖3-9水平軸風(fēng)力機(jī)24機(jī)械工業(yè)出版社2）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)25機(jī)械工業(yè)出版社水平軸垂直軸26機(jī)械工業(yè)出版社2.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27機(jī)械工業(yè)出版社

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。

28機(jī)械工業(yè)出版社風(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：

29機(jī)械工業(yè)出版社

對(duì)應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的最大利用系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。其中：λ=ωr/v=2πnr/60v圖3-13風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系30機(jī)械工業(yè)出版社3.2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其工作原理

在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，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)式交流同步發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)等。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)、低速直驅(qū)交流發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。31機(jī)械工業(yè)出版社3.2.3.1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)直流電或交流電的持續(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)32機(jī)械工業(yè)出版社（1）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)子上沒有勵(lì)磁繞組，因此無勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(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3-15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33機(jī)械工業(yè)出版社（2）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)

圖3-16為硅整流自勵(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，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來抵消因風(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3-16硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖34機(jī)械工業(yè)出版社（3）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3-17電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理35機(jī)械工業(yè)出版社3.2.3.2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)速近似成線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(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)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)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。

36機(jī)械工業(yè)出版社37機(jī)械工業(yè)出版社（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3-23雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)38機(jī)械工業(yè)出版社MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與變流系統(tǒng)原理

39機(jī)械工業(yè)出版社T主回路斷路器偏航槳葉距驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RIU)轉(zhuǎn)子能耗制動(dòng)（activeCrowbar）主熔斷器網(wǎng)側(cè)變流器(GIU)無源濾波線性耦合變壓器RIU=轉(zhuǎn)子側(cè)逆變單元GIU=網(wǎng)側(cè)有源逆變單元LCL濾波制動(dòng)器中壓組合開關(guān)2MW雙饋發(fā)電機(jī)主接觸器及充電電路

電源柜雙PWM變流器單元上位控制系統(tǒng)增速齒輪箱風(fēng)力機(jī)2MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其電氣控制系統(tǒng)

40機(jī)械工業(yè)出版社2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)變流器及控制組柜

41機(jī)械工業(yè)出版社

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又稱為轉(zhuǎn)差頻率。42機(jī)械工業(yè)出版社根據(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3-24（a）所示。43機(jī)械工業(yè)出版社2）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3-24（b）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。

44機(jī)械工業(yè)出版社

雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：

1）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；

2）可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；

3）可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；

4）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)。

45機(jī)械工業(yè)出版社（4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(BrushlessDoubly－FedGenerator，簡(jiǎn)稱BDFG)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)制型兩種類型。圖3-25級(jí)聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

圖3-26磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

46機(jī)械工業(yè)出版社（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)如圖3-27所示，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)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(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩個(gè)繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。

圖3-27三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

47機(jī)械工業(yè)出版社

開關(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3-28所示。

開關(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，有一定的開發(fā)、研究?jī)r(jià)值。圖3-28開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成48機(jī)械工業(yè)出版社3.3風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)與控制

風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電中的兩個(gè)關(guān)鍵部分，有限的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能使其速度和功率受到限制，因此風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率和速度控制是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)利用的是氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)技術(shù)。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，如圖3－29所示。我們主要介紹前兩種調(diào)節(jié)方式。49機(jī)械工業(yè)出版社圖3－29氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)原理a）額定風(fēng)速槳葉狀態(tài)b）定槳距失速c）變槳距d）主動(dòng)失速ν—軸向風(fēng)速β—槳距角α—攻角F—作用力FD—阻力FL—升力50機(jī)械工業(yè)出版社3.3.1風(fēng)力機(jī)的定槳距調(diào)節(jié)與控制

定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速恒頻控制，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)速超過額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的形變失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。

51機(jī)械工業(yè)出版社

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槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，沒有功率反饋系統(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。

3.3.2風(fēng)力機(jī)變槳距的調(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α在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角β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。52機(jī)械工業(yè)出版社

根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過程：起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制或槳葉角隨動(dòng)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，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λm上，以優(yōu)化功率輸出。（1）變槳距調(diào)節(jié)的3個(gè)過程53機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)力機(jī)承受的風(fēng)速過高時(shí)，通過調(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、攻角α

減小，配合關(guān)系為β+α=90o，大型風(fēng)力機(jī)的有效風(fēng)速利用范圍3-25M/Sec,如右圖所示。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)。c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制54機(jī)械工業(yè)出版社a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

由圖3-30可見，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。圖3－30變槳距和定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的輸出功率曲線

55機(jī)械工業(yè)出版社（2）變槳距的控制系統(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3-31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)開環(huán)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(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3-31傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖56機(jī)械工業(yè)出版社

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轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-32所示。圖3-32帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)57機(jī)械工業(yè)出版社

轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，其控制系統(tǒng)原理如圖3-33所示。圖中的開關(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。

58機(jī)械工業(yè)出版社圖3-33轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖

59機(jī)械工業(yè)出版社

（3）變槳距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制

現(xiàn)代變槳距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制可以由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)（比例閥）、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)）三類來實(shí)現(xiàn)。液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-34所示。圖3－34節(jié)距控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)60機(jī)械工業(yè)出版社q—線性系數(shù)，θ—槳距角采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變槳距控制系統(tǒng)的節(jié)距角調(diào)節(jié)示意圖

——HydraulicVariable-PitchSystemofWindTurbine61機(jī)械工業(yè)出版社

3.3.3風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制大型風(fēng)電機(jī)組的偏航控制類同小型風(fēng)機(jī)的方向舵，它是一個(gè)風(fēng)向隨動(dòng)系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)框圖如圖3-35所示。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制主要完成兩個(gè)功能：一是使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能的捕獲；二是當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。a)中小型偏航控制系統(tǒng)框圖

62機(jī)械工業(yè)出版社圖3－35偏航控制系統(tǒng)框圖

b)大型偏航控制系統(tǒng)框圖

63機(jī)械工業(yè)出版社3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制3.4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒速恒頻控制策略

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般應(yīng)用于獨(dú)立運(yùn)行式的系統(tǒng)中，不管風(fēng)速如何變化，發(fā)電機(jī)都維持在高于同步轉(zhuǎn)速附近作恒速運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)發(fā)電頻率的恒定，基本結(jié)構(gòu)如圖3-36所示圖3-36恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)64機(jī)械工業(yè)出版社3.4.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻控制策略

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)Cpmax，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。65機(jī)械工業(yè)出版社低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，以獲取最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)限制風(fēng)能的捕獲，以維持輸出功率不變；調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，以確保輸出電能的電壓和頻率穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制：

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性控制系統(tǒng)，其控制復(fù)雜，一般采用微機(jī)控制。66機(jī)械工業(yè)出版社(1)轉(zhuǎn)速控制策略一般通過控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，圖3-37為最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線。圖3－37最佳轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線67機(jī)械工業(yè)出版社

為實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，一般有間接速度控制（風(fēng)力機(jī)）和直接速度控制（發(fā)電機(jī)）兩種方法，分別如圖3-38a)、b）所示。a）間接速度控制策略

68機(jī)械工業(yè)出版社b）直接速度控制策略

圖3－38速度控制策略69機(jī)械工業(yè)出版社

70機(jī)械工業(yè)出版社圖3-39功率控制系統(tǒng)總框圖

71機(jī)械工業(yè)出版社圖3－40改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

72機(jī)械工業(yè)出版社3.4.2.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制策略實(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；再通過矢量變換控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功和無功功率的獨(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3-41所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)稱。

73機(jī)械工業(yè)出版社圖3－41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)

74機(jī)械工業(yè)出版社圖3－42由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路1.背靠背的雙PWM變頻器75機(jī)械工業(yè)出版社雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行特性76機(jī)械工業(yè)出版社snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1雙饋電機(jī)在次同步速的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)

~0<s<1雙饋電機(jī)在超同步速的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)

-TePmCU-1<

s

＜

077機(jī)械工業(yè)出版社2.雙饋發(fā)電機(jī)的矢量控制由于雙饋發(fā)電機(jī)的電路存在著磁路上的耦合，雙饋發(fā)電機(jī)在三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型是非線性、時(shí)變的高階系統(tǒng)，為達(dá)到直流電機(jī)的控制性能，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流即有功電流和無功電流的解耦控制，雙饋發(fā)電機(jī)一般都采用矢量控制技術(shù)。其基本方法是通過三相靜止繞組a、b、c到二相同步旋轉(zhuǎn)的d-q軸繞組的變換，將定子電流分解為d軸的無功勵(lì)磁電流分量和q軸的有功轉(zhuǎn)矩電流分量，通過對(duì)d軸電流的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)和無功功率的調(diào)節(jié)，而通過控制q軸電流可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。78機(jī)械工業(yè)出版社3.4.2.4永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制策略(1)永磁同步發(fā)電機(jī)控制策略永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）通過全功率并網(wǎng)變換器（電機(jī)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器）接入電網(wǎng)，不同的并網(wǎng)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有不同的控制策略。根據(jù)不同的電機(jī)側(cè)變換器及電網(wǎng)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)，應(yīng)用直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-47所示。79機(jī)械工業(yè)出版社圖3-47直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾種主要的控制策略(a)二極管不控整流接晶閘管逆變器(b)二極管不控整流接PWM電壓源型變換器(c)電機(jī)側(cè)變換器兩級(jí)結(jié)構(gòu)接PWM電壓源型變換器(d)雙PWM電壓源型變換器1.二極管不控整流接晶閘管逆變器80機(jī)械工業(yè)出版社

在這種并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出頻率和電壓變化的交流電，經(jīng)二極管整流至直流，再由晶閘管逆變器把直流電逆變?yōu)楹碗娋W(wǎng)匹配的交流電。優(yōu)點(diǎn)：并網(wǎng)變換器成本低，適合大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用。缺點(diǎn)：整個(gè)系統(tǒng)控制不夠靈活，需要額外的補(bǔ)償裝置且補(bǔ)償裝置的加入導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)控制復(fù)雜。2.二極管不控整流接PWM電壓源型變換器81機(jī)械工業(yè)出版社

這種并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與1方式相近，只是將電網(wǎng)側(cè)變換器改為有自關(guān)斷能力的器件組成的電壓源型變換器。與晶閘管逆變器相比，PWM電壓源型變換器開關(guān)頻率的提高，使得電網(wǎng)側(cè)變換器對(duì)于電網(wǎng)的諧波污染大大減少。優(yōu)點(diǎn)：具有靈活的有功功率和無功功率調(diào)節(jié)的能力缺點(diǎn)：直流側(cè)電壓低時(shí)運(yùn)行特性差3.電機(jī)側(cè)變換器兩級(jí)結(jié)構(gòu)接PWM電壓源型變換器82機(jī)械工業(yè)出版社這種并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在2的基礎(chǔ)上，直流側(cè)加入Boost升壓環(huán)節(jié)。這樣，將變化的直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一合理的范圍，以解決2中PWM電壓源型變換器直流側(cè)電壓較低時(shí)運(yùn)行特性差的問題。4.雙PWM電壓源型變換器83機(jī)械工業(yè)出版社為了解決以上并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中發(fā)電機(jī)側(cè)二極管不控整流帶來的諸多問題，將前述二極管不控整流部分換成PWM電壓源型變換器，這樣，電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器均為PWM電壓源型變換器，形成“背靠背”變換器或稱雙PWM變換器結(jié)構(gòu)。84機(jī)械工業(yè)出版社(2)電機(jī)側(cè)變換器的矢量控制

采用矢量控制技術(shù)可以使交流調(diào)速獲得直流調(diào)速同樣優(yōu)良的控制性能。其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置的控制。85機(jī)械工業(yè)出版社圖3-48電機(jī)側(cè)變換器的控制框圖86機(jī)械工業(yè)出版社（3）電網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制圖3-49電網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖87機(jī)械工業(yè)出版社3.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)與安全運(yùn)行3.5.1

同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)1.同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法圖3－50同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路

88機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為防止過大的電流沖擊和轉(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5個(gè)條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。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)各相之間互相對(duì)應(yīng)，條件④就可以滿足；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3條的檢測(cè)和控制，這其中條件③、⑤兩項(xiàng)的頻率與相位相同是必須滿足的。（1）并網(wǎng)條件89機(jī)械工業(yè)出版社（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(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)90機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)與并網(wǎng)過程如下：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)與控制過程一般通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)。91機(jī)械工業(yè)出版社2)自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先通過限流電阻短接，電機(jī)中無勵(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)子繞組中無勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)定子繞組中沒有感應(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。92機(jī)械工業(yè)出版社2、風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)和補(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)軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場(chǎng)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(guān)系，如圖3-55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。93機(jī)械工業(yè)出版社圖3－51同步發(fā)電機(jī)的功角特性a）凸極機(jī)b）隱極機(jī)94機(jī)械工業(yè)出版社這時(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)的功率超過極限功率而使發(fā)電機(jī)失步，95機(jī)械工業(yè)出版社

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。96機(jī)械工業(yè)出版社2）無功功率的補(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)吸收有功功率和無功功率，整個(gè)電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會(huì)下降。97機(jī)械工業(yè)出版社

同步發(fā)電機(jī)的無功功率補(bǔ)償可用其定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機(jī)的定子電流與勵(lì)磁電流的I-If的關(guān)系曲線也稱為V型曲線，如圖3-52所示。圖3－52同步發(fā)電機(jī)V型曲線98機(jī)械工業(yè)出版社

cosφ=1時(shí)，If=IfN（額定電流），I最小；

If＞IfN（過勵(lì)）時(shí)，功率因數(shù)為滯后的，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出滯后的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；

If＜IfN（欠勵(lì)）時(shí)，功率因數(shù)為超前的，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，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)一般工作在過勵(lì)狀態(tài)下，以補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率和確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。從圖中可以看出：99機(jī)械工業(yè)出版社3、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)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，方便地實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的調(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。100機(jī)械工業(yè)出版社圖3－53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)的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接，如圖3-53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。101機(jī)械工業(yè)出版社3.5.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

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。102機(jī)械工業(yè)出版社1、普通交流異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式

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)速盡可能接近于同步轉(zhuǎn)速。其中第一條必須嚴(yán)格遵守，否則并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)將處于電磁制動(dòng)狀態(tài)，在接線時(shí)應(yīng)調(diào)整好相序。第二條的要求不是很嚴(yán)格，但并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時(shí)間越短。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要有四種：直接并網(wǎng)、準(zhǔn)同期并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)。1）直接并網(wǎng)

103機(jī)械工業(yè)出版社當(dāng)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速附近（一般為98%～100%）時(shí)，測(cè)速裝置給出自動(dòng)并網(wǎng)信號(hào)，通過自動(dòng)空氣開關(guān)完成合閘并網(wǎng)過程。

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)的電路如圖3-54所示，圖3－54異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的直接并聯(lián)104機(jī)械工業(yè)出版社

2）準(zhǔn)同期并網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，先用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對(duì)已勵(lì)磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。

采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價(jià)，而且從整步達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，這是我們所不希望的。105機(jī)械工業(yè)出版社

3）降壓并網(wǎng)

降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機(jī)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(shí)的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將接入的電阻等元件迅速?gòu)木€路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性較差，適用于百千瓦級(jí)以上，容量較大的機(jī)組。106機(jī)械工業(yè)出版社4）晶閘管軟并網(wǎng)

晶閘管軟并網(wǎng)是在異步發(fā)電機(jī)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(dǎo)通角來控制并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程，如圖3-60所示。圖3－55風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)107機(jī)械工業(yè)出版社其并網(wǎng)過程如下：當(dāng)風(fēng)力機(jī)將發(fā)電機(jī)帶到同步轉(zhuǎn)速附近時(shí)，在檢查發(fā)電機(jī)的相序和電網(wǎng)的相序相同后，發(fā)電機(jī)輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機(jī)經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，在微機(jī)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(dǎo)通角則由0o到180o逐漸增大，通過電流反饋對(duì)雙向晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，將并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流限制在允許的范圍內(nèi)，從而異步發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，利用一組自動(dòng)開關(guān)將雙向晶閘管短接，異步發(fā)電機(jī)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(dòng)開關(guān)流入電網(wǎng)。但在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)提高到0.95以上。108機(jī)械工業(yè)出版社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(duì)晶閘管器件和相應(yīng)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(jī)的三相電流才能保證平衡。109機(jī)械工業(yè)出版社其中移相觸發(fā)的缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)中每相電流為正負(fù)半波的非正弦波，含有較多的奇次諧波分量，對(duì)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(shè)定的周期內(nèi)，逐步改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)全部導(dǎo)通，因此不會(huì)產(chǎn)生諧波污染，但電流波動(dòng)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110機(jī)械工業(yè)出版社2、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

目前，適合交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要是基于定子磁鏈定向矢量控制的準(zhǔn)同期并網(wǎng)控制技術(shù)，包括空載并網(wǎng)方式、獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式，以及孤島并網(wǎng)方式。另外，對(duì)于垂直軸型的雙饋機(jī)組，由于不能自動(dòng)起動(dòng)，所以必須采用“電動(dòng)式”并網(wǎng)方式。下面對(duì)各種并網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理分別給予簡(jiǎn)要介紹。111機(jī)械工業(yè)出版社（1）空載并網(wǎng)技術(shù)所謂空載并網(wǎng)就是并網(wǎng)前雙饋發(fā)電機(jī)空載，定子電流為零，提取電網(wǎng)的電壓信息(幅值、頻率、相位)作為依據(jù)提供給雙饋發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，通過引入定子磁鏈定向技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使建立的雙饋發(fā)電機(jī)定子空載電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值一致。當(dāng)滿足并網(wǎng)條件時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)操作，并網(wǎng)成功后控制策略從并網(wǎng)控制切換到發(fā)電控制，如圖3-56所示。圖3-56空載并網(wǎng)控制示意112機(jī)械工業(yè)出版社（2）獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)技術(shù)獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)控制如圖3-57，該技術(shù)的基本思路為：并網(wǎng)前雙饋電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行（如電阻性負(fù)載），根據(jù)電網(wǎng)信息和定子電壓、電流對(duì)雙饋電機(jī)和負(fù)載的值進(jìn)行控制，在滿足并網(wǎng)條件時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)。獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式的特點(diǎn)是并網(wǎng)前雙饋電機(jī)已經(jīng)帶有獨(dú)立負(fù)載，定子有電流，因此并網(wǎng)控制所需要的信息不僅取自于電網(wǎng)側(cè)，同時(shí)還取自于雙饋電機(jī)定子側(cè)。圖3-57獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)控制原理圖113機(jī)械工業(yè)出版社（3）孤島并網(wǎng)方式孤島并網(wǎng)控制方案可分為3個(gè)階段。第一階段為勵(lì)磁階段，如圖3-58所示，從電網(wǎng)側(cè)引入一路預(yù)充電回路接交直交變流器的直流側(cè)。預(yù)充電回路由開關(guān)K1、預(yù)充電變壓器和直流充電器構(gòu)成。圖3-58雙饋異步發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁階段圖114機(jī)械工業(yè)出版社

第二階段為孤島運(yùn)行階段。首先將Kl斷開，然后啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器，使之開始升壓運(yùn)行，將直流側(cè)升壓到所需值。此時(shí)，能量在網(wǎng)側(cè)變流器，電機(jī)側(cè)變流器以及雙饋異步發(fā)電機(jī)之間流動(dòng)，它們共同組成一個(gè)孤島運(yùn)行方式。

第三階段為并網(wǎng)階段。在孤島運(yùn)行階段，定子側(cè)電壓的幅值、頻率和相位都與電網(wǎng)側(cè)相同。此時(shí)閉合開關(guān)K2，電機(jī)與電網(wǎng)之間可以實(shí)現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)。并網(wǎng)后，可通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的槳距角來增加風(fēng)力機(jī)輸入能量，從而達(dá)到發(fā)電的目的。115機(jī)械工業(yè)出版社（4）“電動(dòng)式”并網(wǎng)方式前面介紹的幾種并網(wǎng)方式都是針對(duì)具有自起動(dòng)能力的水平軸雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式，對(duì)于垂直軸型的雙饋機(jī)組（又稱達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)）由于不具備自啟動(dòng)能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下的起動(dòng)可由雙饋電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)工況來實(shí)現(xiàn)。116機(jī)械工業(yè)出版社為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)起動(dòng)在轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器之間安裝一個(gè)單刀雙擲開關(guān)K3，在進(jìn)行并網(wǎng)操作時(shí)，首先操作K3將雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)電阻短路，然后閉合K1連接電網(wǎng)與定子繞組。在電網(wǎng)電壓作用下雙饋電機(jī)將以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻方式逐漸起動(dòng)。圖3-59雙饋發(fā)電機(jī)電動(dòng)式并網(wǎng)原理圖117機(jī)械工業(yè)出版社3、并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率輸出及無功功率的補(bǔ)償1）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率輸出異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線如圖3-60所示，圖3－60異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域Te↑→n↑A1→A2繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行失速區(qū)Te↓→n↑118機(jī)械工業(yè)出版社發(fā)電機(jī)輸出的電流大小及功率因數(shù)決定于轉(zhuǎn)差率s和電機(jī)的參數(shù)，對(duì)于已制成的發(fā)電機(jī)其參數(shù)不變，而轉(zhuǎn)差率大小由發(fā)電機(jī)的負(fù)載決定。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及轉(zhuǎn)矩也隨之增大。但當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的功率時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升而出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)。必須配備可靠的失速槳葉或限速保護(hù)裝置。并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)119機(jī)械工業(yè)出版社

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

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)對(duì)其有一定的影響。（發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比）當(dāng)電網(wǎng)電壓下降過大時(shí)，發(fā)電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)飛車；而當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流將增大，功率因數(shù)下降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載運(yùn)行。120機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率來進(jìn)立磁場(chǎng)和滿足漏磁的需要。因一般大中型異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(fù)擔(dān)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，同時(shí)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(yùn)行時(shí)無功功率的補(bǔ)償☆進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償?shù)脑颍?/p>

有同步調(diào)相機(jī)、有源靜止無功補(bǔ)償器、并聯(lián)補(bǔ)償電容器等。其中以并聯(lián)電容器應(yīng)用的最多。☆調(diào)節(jié)無功的裝置：

為了實(shí)現(xiàn)無功功率的及時(shí)和準(zhǔn)確的補(bǔ)償，必須計(jì)算出任何時(shí)期的有功功率、無功功率，并計(jì)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(jì)算及適時(shí)的控制，目前可通過DSP和計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。121機(jī)械工業(yè)出版社4、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行與功率補(bǔ)償

雙饋異步發(fā)電機(jī)目前主要應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電流中的有功分量和無功分量實(shí)現(xiàn)了解耦，通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)；同時(shí)通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流中的有功和無功分量的控制，可以很方便地實(shí)現(xiàn)功率控制及無功功率的補(bǔ)償。

122機(jī)械工業(yè)出版社②通過轉(zhuǎn)子電流的控制可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)載的變化而及時(shí)地調(diào)整，從而使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比下，獲得最大的風(fēng)能及高的系統(tǒng)效率；雙饋異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程及特點(diǎn)：①風(fēng)力機(jī)起動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由轉(zhuǎn)子回路中的變頻器通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制實(shí)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(shí)基本上無電流沖擊；③雙饋異步發(fā)電機(jī)可通過勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行下的恒頻及功率調(diào)節(jié)。123機(jī)械工業(yè)出版社3.5.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

1、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的并網(wǎng)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(diǎn)是發(fā)電機(jī)仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

124機(jī)械工業(yè)出版社2、無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的并網(wǎng)系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器的容量較?。怀龑?shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活控制，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3－62無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)125機(jī)械工業(yè)出版社3.5.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)安全運(yùn)行與防護(hù)措施

圖3-63控制系統(tǒng)的安全保護(hù)組成

126機(jī)械工業(yè)出版社1.雷電安全保護(hù)

多數(shù)風(fēng)機(jī)都安裝在山谷的風(fēng)口處、山頂上、空曠的草地、海邊海島等，易受雷擊。安裝在多雷雨區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受雷擊的可能性更大，其控制系統(tǒng)大多為計(jì)算機(jī)和電子器件，最容易因雷電感應(yīng)造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。

防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系統(tǒng)來考慮，需要在風(fēng)電場(chǎng)整體設(shè)計(jì)上考慮，采取多層防護(hù)措施。127機(jī)械工業(yè)出版社2.運(yùn)行安全保護(hù)（1）大風(fēng)安全保護(hù)：一般風(fēng)速達(dá)到25m/s（10min）即為停機(jī)風(fēng)速，機(jī)組必須按照安全程序停機(jī)，停機(jī)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須90°對(duì)風(fēng)控制。（2）參數(shù)越限保護(hù)：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情況設(shè)定有上、下限值，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到限定位時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序進(jìn)行自動(dòng)處理。（3）過壓過流保護(hù)：當(dāng)裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過流時(shí)所進(jìn)行的保護(hù)。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過流保護(hù)器等。128機(jī)械工業(yè)出版社（4）震動(dòng)保護(hù)：機(jī)組應(yīng)設(shè)有三級(jí)震動(dòng)頻率保護(hù)，震動(dòng)球開關(guān)、震動(dòng)頻率上限1、震動(dòng)頻率極限2，當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)將分級(jí)進(jìn)行處理。（5）開機(jī)關(guān)機(jī)保護(hù)：設(shè)計(jì)機(jī)組開機(jī)正常順序控制，確保機(jī)組安全。在小風(fēng)、大風(fēng)、故障時(shí)控制機(jī)組按順序停機(jī)。129機(jī)械工業(yè)出版社3.電網(wǎng)掉電保護(hù)突然失電會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)壽命造成一定的影響并使得主控計(jì)算機(jī)無法將停機(jī)前的參數(shù)保留下來，不利于對(duì)故障的判斷處理。針對(duì)上述情況，可以在控制系統(tǒng)電源中加設(shè)在線UPS后備電源，這樣當(dāng)電網(wǎng)突然停電時(shí)，UPS自動(dòng)投入，為風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)提供電力，使風(fēng)電控制系統(tǒng)按正常程序完成停機(jī)過程。130機(jī)械工業(yè)出版社4.緊急停機(jī)安全鏈保護(hù)安全鏈?zhǔn)菍⒖赡軐?duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個(gè)回路，當(dāng)安全鏈動(dòng)作后將引起緊急停機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)失電，機(jī)組瞬間脫網(wǎng)，控制系統(tǒng)在3s左右，將機(jī)組平穩(wěn)停止，從而最大限度地保證機(jī)組的安全。5．微機(jī)控制器抗干擾保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)的主要干擾源有:工業(yè)干擾：如高壓交流電場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電弧、可控硅等，自然界干擾：雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等；高頻干擾：微波通訊、無線電信號(hào)、雷達(dá)等。這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導(dǎo)進(jìn)入的方式進(jìn)入到控制系統(tǒng)，干擾控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。131機(jī)械工業(yè)出版社6．接地保護(hù)接地保護(hù)是非常重要的環(huán)節(jié)。良好的接地將確?？刂葡到y(tǒng)免受不必要的損害。在整個(gè)控制系統(tǒng)中通常采用以下幾種接地方式，來達(dá)到安全保護(hù)的目的。工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地、屏蔽接地。接地的主要作用一方面是為保證電器設(shè)備安全運(yùn)行，另一方面是防止設(shè)備絕緣被破壞時(shí)可能帶電，以致危及人身安全。同時(shí)能使保護(hù)裝置迅速切斷故障回路，防止故障擴(kuò)大。132機(jī)械工業(yè)出版社7．低電壓穿越能力電機(jī)組的低電壓穿越（LVRT，LowVoltageRideThrough）能力是風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行必不可少的條件及要求，是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。133機(jī)械工業(yè)出版社我國(guó)根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)電發(fā)展情況制定了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，其中對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力也做出了詳細(xì)的規(guī)定，規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求為：1）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)(與公共電網(wǎng)直接連接的風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)母線)電壓跌落至20%額定電壓時(shí)能保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能量；2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。134機(jī)械工業(yè)出版社（1）雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT模型及其控制基本要求：

①電網(wǎng)故障時(shí)，避免過電流、過電壓對(duì)變流器造成損壞；

②盡可能減少故障時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩躍變給齒輪箱和風(fēng)機(jī)帶來的沖擊，防止齒輪箱和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械損壞；

③滿足電網(wǎng)的LVRT標(biāo)準(zhǔn)。135機(jī)械工業(yè)出版社1）轉(zhuǎn)子Crowbar模型

圖3-64為保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器設(shè)置的旁路電路，其各相均串聯(lián)一個(gè)可關(guān)斷晶閘管和一個(gè)電阻器，并與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并聯(lián)。圖3-64保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器設(shè)置的旁路電路136機(jī)械工業(yè)出版社2）槳距角控制在定子電壓跌落的同時(shí)，雙饋電機(jī)的輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩下降，如果此時(shí)風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩的減小勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速。所以，在外部故障導(dǎo)致的低電壓持續(xù)存在時(shí)，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子旁路電路投入的同時(shí)s需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角，減小風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能，進(jìn)而減小風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，以穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越功能。137機(jī)械工業(yè)出版社3）LVRT控制雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的控制過程如下：①當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)子Crowbar投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被旁路，電網(wǎng)側(cè)變流器及發(fā)電機(jī)定子仍與電網(wǎng)相連；

②風(fēng)力機(jī)槳距角控制系統(tǒng)即刻啟動(dòng)，減少風(fēng)力機(jī)捕獲的功率，減小機(jī)械轉(zhuǎn)矩;

③根據(jù)具體設(shè)置退出轉(zhuǎn)子Crowbar，變流器恢復(fù)對(duì)機(jī)組的控制，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。138機(jī)械工業(yè)出版社（2）永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT模型及其控制永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過全功率變流器與電網(wǎng)隔離，在電壓跌落時(shí)，可以只在網(wǎng)側(cè)變流器和直流環(huán)節(jié)采取應(yīng)對(duì)措施，而不必影響到機(jī)側(cè)變流器以及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而在故障消除后，迅速恢復(fù)正常工作?；疽鬄椋孩匐娋W(wǎng)故障時(shí)，避免直流環(huán)節(jié)的過電壓對(duì)變流器造成損壞；②滿足電網(wǎng)的LVRT標(biāo)準(zhǔn)。139機(jī)械工業(yè)出版社圖3-65給出了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT保護(hù)策略，即在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)觸發(fā)IGBT投入卸荷負(fù)載，消耗直流環(huán)節(jié)滯留的功率，避免發(fā)生過電壓而損壞變流器。圖3-65永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT保護(hù)策略140機(jī)械工業(yè)出版社3.5.4.8防孤島保護(hù)能力

孤島效應(yīng)是指包含負(fù)荷和電源的部分電網(wǎng)，從主網(wǎng)脫離后繼續(xù)孤立運(yùn)行的狀態(tài)。孤島可分為非計(jì)劃性孤島和計(jì)劃性孤島。形成原因并網(wǎng)設(shè)備故障電壓或頻率越限失步保護(hù)動(dòng)作自動(dòng)重合閘的誤操作或自身的裝置缺陷141機(jī)械工業(yè)出版社3.5.4.9并網(wǎng)諧波抑制由于電力電子變流裝置的大量應(yīng)用，輸電線和分布式電網(wǎng)中總會(huì)存在一定程度的電力諧波。在雙饋風(fēng)電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波將引起定、轉(zhuǎn)子電流畸變和輸出功率、轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，甚至可能導(dǎo)致機(jī)組不得不從電網(wǎng)中解列。電力諧波的治理問題已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)引起了重視，主要在諧波的管理，諧波分析和治理方面。諧波問題的處理集中體現(xiàn)在諧波成分分析，諧波檢測(cè)和諧波抑制幾個(gè)方向。142機(jī)械工業(yè)出版社3.6風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)

風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)主要由其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來衡量。3.6.1風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)單位千瓦造價(jià)單位千瓦時(shí)投資成本財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值投資回收期投資源利潤(rùn)率143機(jī)械工業(yè)出版社1、單位千瓦造價(jià)

單位千瓦造價(jià)表示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)每千瓦的投資成本，其計(jì)算公式為（3－40）

總裝機(jī)容量是指風(fēng)電場(chǎng)全部風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘浚ㄎ覈?guó)國(guó)產(chǎn)MW級(jí)機(jī)組，平均5000元/Kw,2012a）。144機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)電項(xiàng)目的總投資由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、土建工程、電氣工程、安裝工程、財(cái)務(wù)成本及其他（含征地、設(shè)計(jì)勘測(cè)）等組成，其各部分所占的比例大致如圖3-66所示（2008之前）。

圖3－65風(fēng)電項(xiàng)目投資中各部分所占的比例145機(jī)械工業(yè)出版社2、單位千瓦時(shí)投資成本

其中：年固定費(fèi)用包括設(shè)備的年折舊費(fèi)、攤銷貸款利息、人工費(fèi)、管理費(fèi)、稅金等。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用包括計(jì)劃內(nèi)的保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行所進(jìn)行的正常維修費(fèi)用。

單位千瓦時(shí)投資成本表示在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的使用期限（一般20～30年）內(nèi)，每生產(chǎn)1Kwh的電量所需要的投資費(fèi)用，其計(jì)算公式為（3－41）

大修費(fèi)用指的是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在使用期內(nèi)大修的年平均費(fèi)用。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每隔5年、10年、15年大修一次，主要維修機(jī)械部件。

146機(jī)械工業(yè)出版社3、財(cái)務(wù)內(nèi)部收益