風力發(fā)電機結(jié)構組成及其應用

風力發(fā)電機組結(jié)構組成應用提

綱一

.

國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述二.風力發(fā)電的基本原理三

.

風力發(fā)電系統(tǒng)的分類四

.

籠型異步風力發(fā)電機組五.

雙饋型異步風力發(fā)電機組六.

直驅(qū)型同步風力發(fā)電機組

七

.風電功率預測八

.

風電場的并網(wǎng)技術九.風電場的低電壓穿越能力LVRT一〇.儲能裝置的應用年份國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述世界風電累計裝機容量中國風電累計裝機容量風電裝機容量(MW)風電

裝

機

容

量(

M

W

)年份■中國陸地上10m高度層上可開發(fā)的風能儲量為2.52億千瓦■近?？砷_發(fā)風能資源是陸地的3倍多◎郊州合起◎武漢九言山長沙○●

如東w

京肅

明上海號南匯

石杭

州●括花山

●

數(shù)頂山中國已建及部分擬建風電場分布圖LocationofExistingandSome

ProjectedWind

Farms

inChina昆明○●已建風電場●

擬建風電場也哈爾演通輸鉬林活特

長春◎臺北●東山●而澳狀

●紅海灣利川重慶赤峰未填福

潭

平州呼和油特

●張北◎◎沈陽仙人島漿太原石密生老

爺廟

南呂白東方

中長島榮成州門O.烏魯末齊朱日和

●

商都路損山

●

東街用輝周銷勒●W寧○濟南布爾津達坂城C

拉限0蘭州木蘭。◎費陽成都⊙鉤州高錦澳風電的快速發(fā)展>從1996年到2009年，世界累計風電裝機容量的增長率超過20%,平均28%;>2007年，世界累計風電裝機容量94112MW,

增長26.8%;>2007年，世界新增風電裝機容量20073MW,

增長32.1%;>到2007年，我國風電裝機容量6050MW,超過丹麥，成為世界第5;>到2008年，我國風電裝機12170MW,

居世界第4;有力的政策支持2006年1月：

《可再生能源法》2007年9月：

《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》2009年：

《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》到2011年：風電裝機3500萬千瓦其中陸地3000萬千瓦，海上500萬千瓦新能源在能源結(jié)構中比例達2%(含水電10%)

新能源發(fā)電占總裝機比例5%(含水電25%)新能源產(chǎn)業(yè)增加直接投資9700億帶動社會間接投資2萬億到2020年：風電裝機1.5億千瓦其中陸地1.2億千瓦，海上3000萬千瓦建設六個陸上千萬千瓦級風電基地及其外送聯(lián)網(wǎng)工程

新能源在能源結(jié)構中比例達9%(含水電20%)新能源發(fā)電裝機占總裝機比例達15%(含水電35%)新能源產(chǎn)業(yè)增加直接投資45000億帶動社會間接投資9萬億我國風電發(fā)展特點>風電總裝機容量快速增長，風電比重不斷加大；>單個風電場裝機容量不斷增加，已有多個10萬千瓦

級風電場投運，正建千萬千瓦級大型風電基地；>風電場接入系統(tǒng)的電壓等級由低到高(110kV);>風電機組的種類不斷增多，從早期的定速風電機組

(1MW以下),到雙饋感應風力發(fā)電和直驅(qū)同步風力

發(fā)電(1MW以上)世界風電技術發(fā)展趨勢>風電單機容量穩(wěn)步上升：以德國為例，03年平均單機容量超過1.5MW,葉片直徑大于64m的風機占77%;

>變漿調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)方式：德國03年裝

機的風電機組，超過91%采用了變漿調(diào)節(jié)方式；>變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式：通過控制發(fā)

電機轉(zhuǎn)速，是風機葉尖速比接近最佳，提高風機運行效率。德國03年裝機的風電機組，超過90%的風機

采用了變速恒頻方式；>無齒輪箱的直驅(qū)同步發(fā)電機組的市場份額迅速擴大風力發(fā)電的基本原理這就是風機如何發(fā)電的：風的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)葉輪轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機，發(fā)電機產(chǎn)生電。電纜機艙內(nèi)發(fā)電機產(chǎn)生

的電流通過電纜線

進入控制柜!t梯子所有塔架內(nèi)都有一個梯子，使你能夠爬到機艙上，梯子接近塔壁，以便于在你爬上或爬下梯子時可以用后背緊靠塔壁，以保證安全!控制器風機的控制裝置就是一臺計算機，它能檢查各個部件的工作狀態(tài)，如果某個部件停止工作，扌

將通過計算機向中央監(jiān)控室報告故障燈塔架沒有朝外的窗戶，因此塔架內(nèi)的照明很重要!燈塔架沒有朝外的窗戶，因此塔架內(nèi)的照明很重要!法蘭法蘭上的螺栓保證塔

架的各部分緊密相連t平臺塔架內(nèi)有兩個或三個

的平臺供維護人員休

息!一【我上到風機上了葉輪葉輪被固定在大的主軸上，

大的葉輪有三個吸收風能的

葉片，風速足夠大時就會驅(qū)

動葉輪旋轉(zhuǎn)!主軸主軸與齒輪箱連接，葉輪用

很大的力使主軸轉(zhuǎn)動，因此

軸必須足夠粗!道偏航軸承巨大的齒輪環(huán)被安裝在機艙

下部、塔架內(nèi)，齒輪環(huán)與偏

航電機的齒相嚙合，這樣使

機艙偏航對風!□偏航電機偏航電機將機艙轉(zhuǎn)動以便使

葉輪準確對風!精齒輪箱大型風機葉輪的旋轉(zhuǎn)速度在

每分鐘27轉(zhuǎn)左右，而發(fā)電機

的轉(zhuǎn)速要在每分鐘1500轉(zhuǎn)左

右，因此就需要齒輪箱將27

轉(zhuǎn)變?yōu)?500轉(zhuǎn)!房機械剎車當風機需要被維修或例行維

護時，機械剎車將葉輪鎖

定，使其停止轉(zhuǎn)動!高速軸高速軸將來自齒輪箱的能

量傳遞到發(fā)電機，此時高速

軸的轉(zhuǎn)速達到每分鐘1500轉(zhuǎn)精發(fā)電機發(fā)電機達到轉(zhuǎn)速后開始產(chǎn)生

電流，電流通過粗的電纜被

送到塔架下面的控制柜.散熱器發(fā)電機高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生熱量，如果溫度過高發(fā)電機就

會損壞，這就是為什么電機

需要冷卻。在一些風機上采

用水冷卻方式，而散熱器再

將水冷卻!風速儀風速儀用來測量風的速度，它將風速信息傳到控制器中!州風向標風向標隨風向擺動，它告訴

控制系統(tǒng)風的方向，計算機

啟動偏航電機偏航使葉輪對風控制器風機控制柜里是一臺能控制

風機各個部件的計算機，計

算機使機艙偏航對風，當風

速儀所測風速達到某一定值

時，計算機發(fā)出命令釋放剎

車，使葉輪轉(zhuǎn)動!心

山風

偏

偏中

未控X

遷自

莊于+

N輪機艙左山企筘車:主

軋

主

齒高車:主

軸葉輪被用螺栓固定在風機主軸上一個強

度很高的圓盤上。牢固、穩(wěn)定的固定葉輪是非常重要的。

齒輪箱則被固定在主軸的另一頭?？纯?/p>

主軸的實物照片主軸緩慢旋轉(zhuǎn)將很大的力傳送到齒輪箱

里，通過傳動裝置將轉(zhuǎn)速成比例提高。看看齒輪箱實物內(nèi)

部看看齒輪箱實物外部這是機艙內(nèi)部的齒輪箱。齒輪箱內(nèi)部有齒輪傳動裝置，內(nèi)部齒輪之間相互嚙合，葉輪轉(zhuǎn)速在每分鐘27轉(zhuǎn)左右齒輪箱高速軸發(fā)電機與齒輪箱是通過高速軸連接的.高速軸轉(zhuǎn)動并不像主軸那樣具有很大的扭矩這就是高速軸看起來很細的原因。另一方面，高速軸轉(zhuǎn)速很快，達到了每分

鐘1500轉(zhuǎn)來看一看高速軸的照片機械剎車被安裝在發(fā)電機與齒輪箱之間的高速軸上，它僅僅被用在當葉尖剎車失敗

需要緊急剎車時。當風機在停機檢修狀態(tài)

時，啟動剎車裝置以避免因風機突然啟動

而產(chǎn)生的隱患。機械剎車一臺風機有兩套原理不同的剎車：

一套是

葉尖剎車，另一套是機械剎車。發(fā)電機發(fā)電機用來產(chǎn)生電流。其內(nèi)部有一些磁鐵

和大量的銅線，發(fā)電機轉(zhuǎn)動就產(chǎn)生了電流。如果你的自行車上有發(fā)電機照明裝置，你就已經(jīng)了解了發(fā)電機了,當自行車輪轉(zhuǎn)動

時發(fā)電機被帶動，產(chǎn)生電流供照明。來看一看發(fā)電機的照片風速儀風速儀時刻測量著風的速度并通知風機控

制器在風速足夠時將風機偏航到對風狀態(tài)，并啟動。時刻監(jiān)測風速是十分重要的，因為在風速

過大時會使風機毀壞。這就是為什么當風速超過25m/s時，風機就會自動停下來。而

當風速降低時，風速儀會告訴控制器可以開機啟動了。在風向標的底部有一個很小的傳感器，它可以將風向信號傳給控制器，而控制器會

告訴偏航電機將機艙轉(zhuǎn)向葉輪對風位置。

來看一看風向標的照片風向標風向標總是跟隨著風的方向擺動。偏航電機葉輪應該總是處在對風狀態(tài)，以便于風輪

最大程度的吸收風能。偏航電機就起轉(zhuǎn)動

機艙使葉輪對風的作用。在偏航電機下面有一個小齒輪，用來與偏

航軸承嚙合!來看一看偏航電機的照片偏航軸承偏航電機下面有一個小齒輪與一個巨大的

齒輪嚙合!這個大齒輪叫做偏航軸承。一些小的偏航軸承是外齒，而大型風機的

偏航軸承一般是內(nèi)齒!相同的是它們都要

依靠偏航電機的驅(qū)動。來看一看偏航軸承的照片冷卻系統(tǒng)(散熱器)發(fā)電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生大量的熱，熱量如果不能及時排除就會對發(fā)電機有損壞，因此非常

有必要在發(fā)電機因為過熱而要停止前將溫度降下來。有兩種冷卻方式--通過空氣或水。使用水冷卻時，冷水被導入一些隱藏在發(fā)電

機外殼里的管中。水冷卻了發(fā)電機加熱了水

本身。而散熱器(如上圖)又利用周圍環(huán)境

的空氣再將水冷卻。由此，水在冷卻發(fā)電機的同時不斷的循環(huán)，溫度卻不會升高。葉輪所有大型風機都有三個葉片組成葉輪與主軸

連接，而每種風機的葉片長度都有所不同。

比如有一種風機葉片長度為25-27米，而最

大的風機的葉片達到39米，這相當于一懂13

層的高樓!Rotor點擊每個窗戶，可以

看到葉片的制作工Rotor葉片需要有足夠的強度，這就是為什么每個葉片中間都有一個梁，這個梁和葉片一樣長，它是在一個溫度極高的袋子里用玻璃纖維澆鑄而成的!Ad5

面2

3m4RPlRotor這兩個殼在另一個葉片生產(chǎn)廠澆鑄。它們隨后被組合成葉片。工人們用塑料制品附在玻璃纖維上保護

它，制造葉片時精確度是很重要的。B

我

：AH1

2

3

4

5Rotor這兩個外殼被放在一個模具中，然后封

閉。殼在烤爐中加熱以便玻璃纖維變得足夠

硬。pr

Tr3RRr

PW41

2AMM5FRotor在外殼裝配在一起之前，需要將大梁安裝進去。在大梁的上面你可以看見粘合層。用2別元4351Rotor在外殼裝配在一起之前，需要將大梁安裝進去。在大梁的上面你可以看見粘合層。用2別元4351偏

航風機的控制系統(tǒng)總是保證葉輪

處于對風的狀態(tài)。機艙頂部的風向

標告訴控制系統(tǒng)風的方向，當風變

向時，機艙和葉輪的方向也隨之改

變。葉輪應該總是處于對風狀態(tài)以

便于吸收最大的風能。點擊指南針代表風的方向Rotor偏航風機的控制系統(tǒng)總是保證葉輪

處于對風的狀態(tài)。機艙頂部的風向

標告訴控制系統(tǒng)風的方向，當風變

向時，機艙和葉輪的方向也隨之改

變。葉輪應該總是處于對風狀態(tài)以便于吸收最大的風能。點擊指南針代表風的方向Rotor塔架的高度塔架的兩種設計思路

塔架的制造Tower塔架看看你自己的判斷塔架頂部要安裝機艙和葉輪，那么是不是塔架必須非常高呢?1.塔架有多高并不重要，只要葉片不碰到地面就可以了2.葉輪應該盡可能的高，這一點非常重要Tower塔架頂部要安裝機艙和葉輪，那么是不是塔架必須非常高呢?1.

塔架有多高并不重要，只要葉片不碰到地面就可以了2.葉輪應該盡可能的高，這一點非常重要不，看看這兩個煙囪在高煙囪的頂部風最大地面上和40-70米高處的風速肯定是不一樣的。風越大，其中蘊藏的風能就越大。這就是為什么葉輪應該盡可能的高，以便吸收更大的風能看看你自己的判斷Tower看

看你自己的判斷塔架頂部要安裝機艙和葉輪，那么是不是塔架必須非常高呢?1.塔架有多高并不重要，只要葉片不碰到地面就可以了2.葉輪應該盡可能的高，這一點非常重要這是對的。40-70米高處的風比地面的風大的多。煙囪里出來的煙就可以告訴你這個答案葉輪越高，風機產(chǎn)生的能量就越大。兩種塔架格子狀的塔架和筒狀塔架.點擊塔架可以了解更多。Tower兩種塔架格子狀的塔架

和筒狀塔架.點擊塔架可以了解更多。格子狀的塔架塔架可以被設計為鋼結(jié)構的格子狀支撐結(jié)

構.這種塔架十分結(jié)實而且很經(jīng)濟?？匆粡埜褡訝钏艿恼掌愕奈恢茫核艿膬煞N設計思路|塔架

|

目錄Tower兩種塔架格子狀的塔架和筒狀塔架.點擊塔架可以了解更多。筒狀塔架為大型風力發(fā)電機設計的塔架應該是

底部比頂部略為粗些的筒狀塔架。一個筒狀鋼結(jié)構塔架十分結(jié)實?？匆粡埻矤钏艿恼掌琓owerSiting山

山坡的影響哪里的風更強?是山頂上還是山腳下呢?SitingM山坡的影響哪里的風更強?是山頂上還是山腳下呢?正確，山頂上的風更強，當風遇到山時

迅速向上爬升，風速隨之增大，這就是為

什么建造風機最理想的地方應該是在山頂。Siting山坡的影響哪里的風更強?是山頂上還是山腳下呢?不對，看看那些樹，

山頂上的風更強，當風遇到山時迅速向上爬升，風速隨之增大，這就是為什么建造風機最理想的地方

應該是在山頂。M?Siting陡峭的山崖并不是所有的山都適合建造風機，只有斜坡平緩的山才是最理想的地點。如果你把風機放在懸崖頂上，那么

葉輪面對的就是很不穩(wěn)定的氣流。點擊這里看看風遇到懸崖后的流動情況Sitingm陡峭的山崖并不是所有的山都適合建造風機，只有斜坡平緩的山才是最理想的地點。如果你把風機放在懸崖頂上，那么

葉輪面對的就是很不穩(wěn)定的氣流。點擊這里看看風遇到懸崖后的流動

情況Sitingmn組裝一臺風機地基安裝風機Installa

Turbine

>點擊座位后的數(shù)字，看看風機的地基是怎樣建造的Installa

Turbine>地基是用混凝土澆筑的。首先要在地上挖一個足夠大的坑，鋪上鋼筋以固定混凝土的位置。Install

a

Turbine當風機被雷電擊中時，強大的電流通過銅線

導入地下，這樣就防止風機被擊毀沒有絕緣外殼的銅線鋪設

在地基周圍

Installa

Turbine卡車將混凝土運到工地，通過一個很長的軟管注入

已經(jīng)挖好的坑里，照片中的三個工人中一個提著軟

管澆筑，另一個用振動器使混凝土充分融合在一起，第三個工人正忙著打平表面?；炷潦怯缮车[、沙子、水

泥和水組成的。Installa

Turbine塔架的底部用混凝土澆筑，現(xiàn)在工人們已經(jīng)做好了放塔架

的準備點擊米勒Installa

Turbine這里你可以看到一臺風機

是怎樣豎立起來的點擊數(shù)字按鈕Installa

TurbineInstalla

Turbine1)在風機豎立起來之前，塔架、機艙和葉輪都要用大

型卡車運到建造地點。Instadla

Turbinei2)葉輪在工地進行組裝，必須使用能提升50米以上的

大型起重機。45米高的塔架

分成兩部分，需要兩次吊裝，一定要確保兩部分連接

固定的十分可靠，這就得用強度很高的螺栓完成了。InstallaTurbine3)起重機要能夠很準確的對

好塔架的兩部分，因此常常

需要司機將起重臂僅僅作1-

2mm的移動。

如果風太大，吊裝就會很困難的了。<Installa

Turbine4)開始安裝機艙時，就必

須有一個人用繩素拉住機艙，這樣他就能比較精確的

將機艙與塔架頂部對準了。

他會用對講機和塔架里面的

人聯(lián)系。<1nstalla

Turbine5)葉輪安裝比較困難，這

就需要兩個人用繩索分別拉住兩個葉片來調(diào)整葉輪的方向。<Installa

Turbine6)葉輪被安裝在機艙上了，這時就要注意一下葉輪是不是非常精確的在機艙的

正前方。Installa

Turbine7)你肯定會認為現(xiàn)在風機安裝工作完成了，其實不然，還必須將它與電網(wǎng)連接

起來，這樣發(fā)的電才能到達

用戶端。最后檢查名個部件是否到位。風機固定好以后，可以

發(fā)電20-25年風力發(fā)電系統(tǒng)的分類按風輪槳葉分類：·失速型：高風速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾

流器動作，限制風力機的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；·變槳型：高風速時通過調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。按風輪轉(zhuǎn)速分類：·定速型：風輪保持一定轉(zhuǎn)速運行，風能轉(zhuǎn)換率較低，與

恒速發(fā)電機對應；·變速型：(1)雙速型：可在兩個設定轉(zhuǎn)速運行，改善風能

轉(zhuǎn)換率，與雙速發(fā)電機對應；(2)連續(xù)變速型：在一段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，

可捕捉最大風能功率，與變速發(fā)電機對應。按傳動機構分類：·齒輪箱升速型：用齒輪箱連接低速風力機和高速發(fā)電機；(減小發(fā)電機體積重量，降低電氣系統(tǒng)成本)·直驅(qū)型：直接連接低速風力機和低速發(fā)電機。(避免齒輪箱故障)按發(fā)電機分類：異步型：(1)籠型單速異步發(fā)電機；(2)籠型雙速變極異步發(fā)電機；(3)繞線式雙饋異步發(fā)電機；同步型：(1)電勵磁同步發(fā)電機；(2)永磁同步發(fā)電機。按并網(wǎng)方式分類：·并網(wǎng)型：并入電網(wǎng)，可省卻儲能環(huán)節(jié)?！るx網(wǎng)型：一般需配蓄電池等直流儲能環(huán)節(jié)，可帶交、直

流負載。或與柴油發(fā)電機、光伏電池并聯(lián)運行?！わL能轉(zhuǎn)換率C,=f(TSR,β)·葉尖速比TSR=oR/VTSR:葉尖速比Tip

Speed

Rateβ

:槳距角風力機風能轉(zhuǎn)換效率特性D0.S0.40.30.0.1·風輪的功率尖速比(TSR)Profit:Fitch

Control?風力發(fā)電機組輸出功率(定速vs

變速)100%FowerFrofit:SpeedVariationReference:Stall,Constant

SpeedWind

Speed3籠型異步風力發(fā)電機組■定速籠型異步風力發(fā)電機組■變速籠型異步風力發(fā)電機組mechASG—ff-Compensation定速籠型異步風力發(fā)電機組PgenGrid1三相籠型異步風力發(fā)電機機座定子鐵心風扇定子繞組端蓋轉(zhuǎn)子繞組(端環(huán))籠型異步風力發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構轉(zhuǎn)子鐵心籠型異步風力發(fā)電機的工作狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)

電動機狀態(tài)用轉(zhuǎn)差率s

可以表示異步電機的運行狀態(tài)!籠型異步風力發(fā)電機的特點(1)發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應

選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容；(2)絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機的效率曲線平坦；(3)風速不穩(wěn)，易受沖擊機械應力，希望發(fā)電機有較軟的機械特性曲線，Smax

絕對值要大；(4)并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似，存在很大的沖

擊電流，應在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝軟起動

限流裝置；converterconzroller!pitchdrive變速籠型異步風力發(fā)電機組gearbox,CageInductlon

generaton

rectifier

inveterng)terullrationver(fCgenerator

sidebreakerline

couplingtransformergrid

side

breakerwindturbinecontrollerYawdrivebrake變速籠型異步風力發(fā)電機組的特點(1)籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；(2)運行于小轉(zhuǎn)差率范圍，發(fā)電機機械特性硬，運行

效率高；(3)發(fā)電機機端電壓可調(diào)，輕載運行效率高；(4)發(fā)電機與電網(wǎng)被可控的變流器隔離，系統(tǒng)對電網(wǎng)

波動的適應性好；(5)變流器與發(fā)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。s*PGen3~3~主電路：雙饋異步發(fā)電機+交直交雙向功率變換器雙饋型異步風力發(fā)電機組辛DFM

州

-Converter5SPGenFilterGrid國產(chǎn)1MW

雙饋型異步風力發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機>繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的一種；>定子繞組直接接入交流電網(wǎng)；>轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出，接至一臺雙向

功率變換器；>轉(zhuǎn)子繞組通入變頻交流勵磁；>轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時也可運行于發(fā)電狀態(tài)；

>定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率；但轉(zhuǎn)子繞

組端口電功率的流向取決于轉(zhuǎn)差率；IET風力發(fā)電機控解國產(chǎn)600kW

交直交雙向功率變換器

(IGBT+DSP)交直交雙向功率變換器>兩套PWM控制型三相開關橋“背靠背”,中間存在電容支撐的直流母線；>在任一時刻，

一套三相橋處于脈沖整流狀態(tài)；而另一套處于逆變狀態(tài)；>發(fā)電機側(cè)三相開關橋采用定子磁場定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法；>電網(wǎng)側(cè)三相開關橋采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法；>可實現(xiàn)發(fā)電機輸出的有功和無功功率解耦控制。雙饋型異步風力發(fā)電機組的原理>引入轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器，控制轉(zhuǎn)子電流；>轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)速變化；>通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低

于同步轉(zhuǎn)速時都能保持發(fā)電狀態(tài)；>通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，可控制發(fā)電機定子輸出的無功功率；>轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，

容量與轉(zhuǎn)差率有關(約為全功率的S倍

)

。雙饋型異步發(fā)電機組的效率雙饋型異步風力發(fā)電機組的特點(1)連續(xù)變速運行，風能轉(zhuǎn)換率高；(2)部分功率變換，變流器成本相對較低；(3)電能質(zhì)量好(輸出功率平滑，功率因數(shù)高);

(4)并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；(5)降低槳距控制的動態(tài)響應要求；(6)改善作用于風輪槳葉上機械應力狀況;(7)雙向變流器結(jié)構和控制較復雜；(8)電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。直驅(qū)型同步發(fā)電機組◆電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組◆永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組◆混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組采用同步發(fā)電機的必要性>同步發(fā)電機用作風力發(fā)電機時，即可直接向交流負載供電，也可經(jīng)整流器變換為直流電，向直流負載供電。因此，同步風力發(fā)電

機已成為中小容量風力發(fā)電機組的首選機型。>近年來，在大容量風力發(fā)電機組產(chǎn)品中，同步風力發(fā)電機也已暫露頭角，有望成為未來的主力機型。去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由：>由齒輪箱引起的風電機組故障率高；>齒輪箱的運行維護工作量大，易漏油污染；

>系統(tǒng)的噪聲大，效率低，壽命短。直驅(qū)帶來的問題：>發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，體積重量明顯增大；>全功率整流逆變，變流器成本高。直驅(qū)型同步發(fā)電機組定

子

鐵

心

定

子

繞

組

發(fā)

電

機

轉(zhuǎn)

子直驅(qū)型同步發(fā)電機組電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組gearbox

brakeSGmaininverterrectifier

(fullrating)generatorside

breakerline

coupling

transformergridside

breakerwindturbinecontrolconvertercontrollerpitchdriveAVRexciterYawdriveconverter電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點>通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機的

端電壓恒定；>定子繞組輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化；

>可采用不控整流和PWM逆變，成本較低；

>轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；>轉(zhuǎn)子結(jié)構復雜，勵磁消耗電功率；>體積大、重量重，效率稍低。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的功率變換電路Pase2PhaselPhasc3永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點>永磁發(fā)電機具有最高的運行效率；>永磁發(fā)電機的勵磁不可調(diào)，導致其感應電動勢隨轉(zhuǎn)速和負載變化。采用可控PWM整流或不控整流后

接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同

時可控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速；>在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對電網(wǎng)波動的適應性好；>永磁發(fā)電機和全容量全控變流器成本高；>永磁發(fā)電機存在定位轉(zhuǎn)矩，給機組起動造成困難。fne

coupfing

transfo

merbrakegearboxSVGinverterCPWR

geNerator

Sub

ratinq)混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組gererator

sidebreakerwain

inverter

Guitrating)gnd

side

oreakerwird

turbine

controlconverter

controlpitcAdrivBYawdrivecomverterrectifrer混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點>利用轉(zhuǎn)子的凸極磁阻效應，增強永磁發(fā)電機的調(diào)

磁能力；>采用部分功率容量的SVG逆變器向發(fā)電機機端注入無功電流，以調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓；>無需全功率容量的脈沖整流或DC-DC變換器，可明顯節(jié)省變流器的容量；>SVG逆變器可兼有有源濾波的功能，能夠改善發(fā)電機中的電流波形，降低發(fā)電機的諧波損耗和溫升。小結(jié)：(1)籠型異步發(fā)電機成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要

角色；(2)雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)具有最高的性價比，特

別適合于變速恒頻風力發(fā)電。將在未來數(shù)年內(nèi)繼續(xù)

稱為風電市場上的主流產(chǎn)品；(3)直驅(qū)型同步風力發(fā)電機及其變流技術發(fā)展迅

速，利用新技術有望大幅度減小低速發(fā)電機的體積

和重量。風力機組類型發(fā)電機功率/風機葉片直徑/風機轉(zhuǎn)速制造商變速多級齒輪箱+部分容量變頻器DFIG4.5MW/120

m/14.9

r·min~l2MW/90

m/19

r·min~l3.6MW/104

m/15.3

r·min~l5MW/126

m/12,I

r·min-lVestasGamesaGEWindRepower受限轉(zhuǎn)速+多級齒輪箱WRIG2MW/88

m/17

r·min~lSuzlon變速多級齒輪箱+全額變頻器SCIGPMSG3.6MW/107

m/13

r-min-12.xMW/88

m/16.5

r·min-1SiemensWind

PowerCF

Wind變速單級齒輪箱+全額變頻器PMSG5MW/116

m/14.8

r·min~l3MW/90

m/16

r·min-lMultbridWinWind變速直驅(qū)+全額變頻器EESGPMSG4.5

MW/114m/13

r·min~12MW/71

m/23

r·min-lEnerconZephyros市場上2MW以上大型風力發(fā)電機組風電功率預測必要性：>風電裝機容量增大，對電力系統(tǒng)的影響越來越大

>風力發(fā)電具有間歇性和不確定性>為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須增加旋轉(zhuǎn)備用容量，間接地增加了風力發(fā)電的整體運營成本>通過對大型風電場的輸出功率進行準確的短期和

中期預測，可以大幅降低系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量，有

效降低風力發(fā)電的整體運營成本，為電網(wǎng)的運行調(diào)

度提供依據(jù)，成為風電接入電網(wǎng)的關鍵技術之一統(tǒng)計方法短期預測(<6

h)學習方法

(基于風速/功率的方法)風力發(fā)電功率預測NWP

→

風速

→

功率(基于風速的方法)NWP)歷史1

→功部實測值tlr(基于功率的方法)風力發(fā)電功率預測的方法物理方法統(tǒng)計方法學習方法歷史值實測值[中期預測

(<48

h)功JT>物理方法：先預測風機輪轂高度處的氣象信息如風速和風向，再利用風機的功率曲線得到風機的實

際輸出功率；需要利用數(shù)值天氣預報NWP的信息；>統(tǒng)計方法：實質(zhì)是在系統(tǒng)的輸入(NWP/歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)/實測數(shù)據(jù))和風機功率之間建立一種線性映射

關系。常用的有時間序列法ARMA、卡爾曼濾波、灰

色預測法等；>學習方法：利用人工智能的方法建立輸入和輸出

之間的非線性模型，如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡ANN、小波分

析法、支持向量機法等。>發(fā)展趨勢：

NWP的利用和多種預測方法的綜合由ARMA的平穩(wěn)性和可逆性分析確定ANN的網(wǎng)絡結(jié)構

由ANN網(wǎng)絡實現(xiàn)次日風電功率的滾動預測國內(nèi)外風電功率預測現(xiàn)狀德國：>WPMS:ISET

(德國太陽能研究所)開發(fā)，2001,

應用于四家電網(wǎng)公司>Previento:

德國奧爾登堡大學開發(fā)，2002丹麥：>Prediktor:Riso

開發(fā)，1994年開始運行>WPPT:

丹麥技術大學開發(fā)，1994>Zephy:

丹麥技術大學開發(fā)，2003國內(nèi)外風電功率預測現(xiàn)狀西班牙：>LocalPred-RegioPred:西班牙可再生能源中心，2001>SIPREoLICO:

西班牙卡洛斯II大學開發(fā)，2002美國：eWind:AWSTruewind開發(fā)，1998中科院：>采用NWP和ANN,預測精度15%,應用于吉林電網(wǎng)數(shù)值天氣預報預測程序功率輸出預測風電功率預測原理機unumnTa訓練數(shù)據(jù)：數(shù)值天氣預報和風電場的功率輸出：次日風電場的功率(15min為一個時段)風電功率預測原理風向正弦-風向余弦

·隱含層圖形用戶界面

預測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

EMS系統(tǒng)接口風電功率預測原理數(shù)值天氣預報預測程序350$1528024521017514010570352007-10-24

2007-10-25

2007-10-262007-10-272007-10-28

2007-10-29

2007-10-30預測功率：

實際功率：

誤差帶：一周的功率預測結(jié)果：預測精度15%風電功率預測原理一周預測曲線風電功率預測的效益分析>以吉林電網(wǎng)為例，最大電力5872MW,峰谷差2060MW;

>沒有風電，旋轉(zhuǎn)備用300MW,

平均發(fā)電負荷率77.8%>接入風電，沒有風電功率預測，平均發(fā)電負荷率降為73.9%;有風電功率預測，精度按20%計算，只需新增旋

轉(zhuǎn)備用65MW,

平均發(fā)電負荷率76.9%;>按發(fā)電負荷率每增加1%,煤耗降低1g/kWh計算，每年節(jié)約標準煤12.6萬噸，經(jīng)濟效益1.27億元，效益顯著;

>風電功率預測還能顯著提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，提高大型風電場接入電網(wǎng)的能力；風電場的并網(wǎng)技術風電場并網(wǎng)帶來的問題：>風力發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊：直接并網(wǎng)時，5～6倍額定電流的沖擊

電流，與并網(wǎng)時的滑差有關，造成電網(wǎng)電壓大幅下降。>

對電能質(zhì)量的影響：風力發(fā)電機在輸出有功功率的同時，從電網(wǎng)吸收無功

功率，造成電壓下降；風電功率的波動和頻繁啟停，造成電壓波動、電壓

閃變和電壓周期性脈動，威脅電壓穩(wěn)定性；>

對保護裝置的影響：潮流的雙向性和有限的短路電流對保護裝置帶來影響；>

對電網(wǎng)頻率的影響：風電功率的波動引起系統(tǒng)頻率變化，其大小取決于風電場容量與系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎?風電穿越功率極限);>

對系統(tǒng)運行成本的影響：由于風電的間歇性和不確定性，增加了系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量，客觀上在減少了系統(tǒng)的燃料成本的同時，也增加了電力系統(tǒng)

的可靠性成本。>

風電場短路容量比：

定義為風電場的額定容量與該風電場與電力系統(tǒng)的連接點PCC(Point

of

Common

Coupling)

的短路容量之比。風電

場短路容量比越小，表明電力系統(tǒng)承受風電擾動的能力越強。歐洲經(jīng)

驗數(shù)據(jù)為3.5～5%,日本為10%。風電場短路容量比

衡量風電場對電力系統(tǒng)影響的兩個指標>風電穿越功率極限：

指系統(tǒng)中風電場裝機容量占系統(tǒng)總裝機容量的比

例，它表征了一個給定規(guī)模的電網(wǎng)最大可以承受的風電功率。風力發(fā)電機組的并網(wǎng)方式分類及特點>直接并網(wǎng)方式：控制簡單，并網(wǎng)時存在較大沖擊電流，電

網(wǎng)電壓下降；適用于電網(wǎng)容量大，風機容量較小場合；>準同期并網(wǎng)：機組造價高，并網(wǎng)時間長，沖擊電流??；適

用于電網(wǎng)容量比風力發(fā)電機組容量大不了幾倍的場合；>降壓并網(wǎng)：降低沖擊電流幅值，減輕了電網(wǎng)電壓下降幅度，

系統(tǒng)成本高；適用于大中型異步風力發(fā)電機的并網(wǎng)；>捕捉式準同步快速并網(wǎng)：幾乎無沖擊電流，對機組的調(diào)速精度要求不高；適用于風力發(fā)電機組的準同步并網(wǎng)操作；>

軟

并

網(wǎng)(Soft

Cut-in):并網(wǎng)過渡過程平穩(wěn)，不會出現(xiàn)沖擊電流，控制電路略復雜；風力發(fā)電機普遍采用；異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升，接近同步轉(zhuǎn)速(92-99%)時，并網(wǎng)接

觸器動作；>發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，控制晶閘管的導通

角打開的速率，使并網(wǎng)過程中沖擊電流不大于技術條件的

規(guī)定值(額定電流的1.5倍);>并網(wǎng)的暫態(tài)過程結(jié)束，旁路斷路器閉合，將晶閘管短接；電網(wǎng)軟并網(wǎng)

裝置風機G

檢測單元軟并網(wǎng)過程(異步發(fā)電機)控制

單元變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組并網(wǎng)常用的三種方式>空載并網(wǎng)；>獨立負載并網(wǎng)；>孤島并網(wǎng)；>

并網(wǎng)

前

，DFIG定子空載；>調(diào)節(jié)定子的空載電壓，是它的幅值、頻率和相位與電網(wǎng)

電壓完全一致；>并網(wǎng)過程中，定子沖擊電流很?。?gt;并網(wǎng)后，系統(tǒng)切換到調(diào)速控制；風力機變速恒頻

雙饋電機轉(zhuǎn)子電流控制策略空載并網(wǎng)方式雙

PWM

變流器控制信號電網(wǎng)信息電網(wǎng)>并網(wǎng)前，

DFIG帶負荷運行；>

根據(jù)電網(wǎng)信息、定子的電壓電流的信息，控制DFIG的端

電壓，當滿足并網(wǎng)條件時實施并網(wǎng)；>特點：并網(wǎng)前定子有電流，需根據(jù)電網(wǎng)和定子兩側(cè)的信

息進行控制，較復雜；風力機變速恒頻雙饋電機轉(zhuǎn)子電流控制策略孤立負荷并網(wǎng)方式雙

PWM

變流器定子信息控制信號電網(wǎng)信息電阻箱電網(wǎng)直

充電器A(DC變換器孤島運行階段能量流向雙饋電機流二勵磁階段：>當風機達到一定要求后，

K1閉合，直流充電器給交直交

變換器的直流側(cè)充電；

電機側(cè)變流器供給轉(zhuǎn)子電流，直到定子電壓上升至額定

值，勵磁階段結(jié)束；孤島并網(wǎng)方式(1).濾1波

:器勵磁階段能量流向預充電

變壓器升壓電感電網(wǎng)K1-K2二直流充電器A(0A(.濾(波

;器雙饋電機孤島運行階段：>

先

斷

開K1,

后啟動網(wǎng)側(cè)變流器，使之開始升壓運行；>將直流側(cè)升壓到需要的值；>此時，能量在兩個變流器和雙饋電機之間流動，孤島運

行；孤島并網(wǎng)方式(2)孤島運行階段能量流向勵磁階段能量流向預充電

變壓器升壓電感變換器電網(wǎng)K1-K2二直流充電器AGK2

升壓電感

DC變換器

.濾孤島運行階段能量流向

!'

雙饋電機器波并網(wǎng)階段：>由于孤島運行階段定子側(cè)電壓的幅值、頻率和相位都與

電網(wǎng)電壓相同，此時閉合K2,

電機與電網(wǎng)實現(xiàn)無沖擊并

網(wǎng)；孤島并網(wǎng)方式(3)勵磁階段能量流向預充電

變壓器電網(wǎng)K1-三種并網(wǎng)方式的比較>空載并網(wǎng)方式：在并網(wǎng)前是由原動機來調(diào)節(jié)發(fā)電

機的轉(zhuǎn)速，要求具有足夠的調(diào)速能力；>獨立負載并網(wǎng)方式：發(fā)電機具有一定的能量調(diào)節(jié)

作用，可與原動機配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，降低了

對原動機調(diào)速能力的要求，但控制復雜；>孤島并網(wǎng)方式：有創(chuàng)意，分三個階段運行，可在任何轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)柔性并網(wǎng)；風電場的低電壓穿越能力(

LVRT)>隨著風電場裝機容量越來越大，它們對電力系統(tǒng)

的影響也越來越大；>為維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，電網(wǎng)公司對風電場

并網(wǎng)提出了更高的要求。如：>低電壓穿越能力(Low-Voltage

RideThough,LVRT)>無功控制能力>輸出功率控制能力等>其中，

LVRT被認為是風電機組設計制造技術的最

大挑戰(zhàn)。LVRT要求越高，造價越高。風電機組的LVRT能力：指當外部系統(tǒng)發(fā)生故障，風電機組的端電壓降低

到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運行，

甚至還為系統(tǒng)提供一定的無功功率，幫助系統(tǒng)恢

復電壓的能力。>陰影部分表示風電機組不但不脫離系統(tǒng)，而且還

向系統(tǒng)提供一定的無功支持；>當端電壓跌倒額定電壓的15%時要求風電機組能

夠維持運行625ms;>當風電機組端電壓在其額定電壓的90%及以上時，

要求風電機組能夠持續(xù)運行；德國E.ON公司對風電機組LVRT能力的要求U/UN>不同類型的風力發(fā)電機組可以采用不同的技術措

施來實現(xiàn)LVRT功能；>對普通定速風力發(fā)電機組，可以采用靜止無功補

償裝置SVC,通過無功補償來實現(xiàn)LVRT功能；>對直驅(qū)同步風電機組，可以通過改變轉(zhuǎn)子回路勵

磁方式實現(xiàn)LVRT功能；>雙饋風力發(fā)電機組，由于有功和無功功率可以實現(xiàn)解耦控制，因此可以通過機組本身實現(xiàn)LVRT功能；>雙饋風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)分為電機控制系統(tǒng)和風機控制系統(tǒng)；>雙饋電機運行于次同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子吸收有功功率，運行于超同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子

和定子一樣，發(fā)出有功功率；>通過為轉(zhuǎn)子電流提供幅值、相位和頻率可調(diào)的勵磁電流，可以實現(xiàn)有功和無

功功率的獨立控制；N

·PWM不

瓦

。wm轉(zhuǎn)子側(cè)

定子側(cè)變流器控制

變流器控制

電機控制系統(tǒng),convref

Om