所有的風(fēng)機類型和建模

1、第一部分風(fēng)機的分類風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成，即風(fēng)力機和發(fā)電機。其中，風(fēng)力機的功能是 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能；而發(fā)電機的功能則是將機械能轉(zhuǎn)換成電能。因此風(fēng)電裝備 的類型歸屬需要從兩個角度劃分，一是從機械角度劃分，二是從電氣角度劃分。1.從機械角度對風(fēng)機分類風(fēng)力機的類型和種類很多，但由于風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的主要部件是 受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，因此風(fēng)機依風(fēng)輪的機構(gòu)特點及其在氣流中所處的位置 （即風(fēng)機轉(zhuǎn)軸的機械位置）大體上可以分為兩大類：一類為水平軸風(fēng)機，一類為 垂直軸風(fēng)機。兩種類型的風(fēng)力發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上各有優(yōu)點，也各自有其不足之處， 在實際設(shè)計制造中應(yīng)結(jié)合具體情況確定結(jié)構(gòu)的具體形式。1.1水平軸風(fēng)

2、力機水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向 垂直，風(fēng)輪上的葉片與旋轉(zhuǎn)軸相垂直安裝，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度（安 裝角）。水平軸風(fēng)力機隨風(fēng)輪與塔架相對位置的不同可有上風(fēng)向與下風(fēng)向之分。風(fēng)輪 在塔架的前面迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，叫做上風(fēng)向風(fēng)力機；風(fēng)輪安裝在塔架的下風(fēng)位置的，則 稱為下風(fēng)向風(fēng)力機。上風(fēng)向風(fēng)力機必須有某種調(diào)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)。而下風(fēng) 向風(fēng)力機則能夠自動對準風(fēng)向，從而免除了調(diào)向裝置。水平軸風(fēng)力機組有兩個主要優(yōu)勢：一是實度較低，其能量成本低于垂直軸機 組；二是葉輪掃掠面的平均高度可以更高，有利于增加發(fā)電量。水平軸風(fēng)力機是 目前世界風(fēng)機市場中的主流機型。1.2垂直軸風(fēng)力機垂

3、直軸風(fēng)力機的傳動軸與地面垂直布置，設(shè)計較簡單，風(fēng)輪在風(fēng)向改變時無 需對風(fēng)，可減少風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)點如下：一是可以接受來自任何方向的風(fēng)，因而在風(fēng)向改 變時，無需對風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化；二是齒輪箱和發(fā)電機可 以安裝在地面上，檢修維護方便。2從電氣角度對風(fēng)機分類2.1異步風(fēng)力發(fā)電機在國內(nèi)已運行的風(fēng)電場大部分機組是異步風(fēng)力發(fā)電機。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單， 運行可靠，價格較便宜，此種發(fā)電機為恒速恒頻機組。運行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng) 力發(fā)電機組運行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機 組低。同時，運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場功率 因

4、數(shù)的要求，采用在機端并聯(lián)補償電容器，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組 固定容量電容器。由于風(fēng)速大小隨機變化，異步發(fā)電機的風(fēng)力機不可能經(jīng)常在額 定風(fēng)速下運轉(zhuǎn)，為了充分利用低風(fēng)速時的風(fēng)能，增加全年發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用 雙速異步發(fā)電機，此種電機可以改變極對數(shù)，有大、小電機兩種運行方式，采用 4極或6極電機，運行速度分別為1500r/min或1000r/min。2.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機現(xiàn)代兆瓦級以上的大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組都選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，能夠 實現(xiàn)風(fēng)力機葉片槳距調(diào)節(jié)及變速運行。由于風(fēng)力機變速運行，其運行速度能在一 個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到風(fēng)力機的最優(yōu)化效率數(shù)值，使風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到 優(yōu)化，獲

5、得較高的系統(tǒng)效率；可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出，達到優(yōu)化系 統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量，減少發(fā)電機溫度變化；發(fā)電機本身不需要另外附加無功補償設(shè) 備，可實現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如功率因素從0.95領(lǐng)先到0.95滯后 范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力，實現(xiàn)幾個相同的獨立運行機組的并 聯(lián)運行。2.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機大型風(fēng)電機組實際運行經(jīng)驗中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結(jié) 構(gòu)則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風(fēng)電機組的可靠性，降低風(fēng)電機組載 荷，提高風(fēng)力機組壽命。目前我國部分風(fēng)電場使用直接驅(qū)動永磁式同步發(fā)電機， 運行時全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。與其他機型

6、比較， 需考慮諧波治理問題。2.4高壓同步發(fā)電機此類發(fā)電機是將同步發(fā)電機的輸出端電壓提高到1020kV，甚至高達40kV 以上，可以不用變壓器而直接與電網(wǎng)連接。由于不用增速齒輪箱，以低速運轉(zhuǎn)， 減少了齒輪箱運行時的能量損耗，同時由于省去了一臺升壓變壓器，免除了變壓 器運行時的損耗，效率可提高5%左右。但由于使用大量的永磁材料，對永磁材 料的性能穩(wěn)定性要求高。第二部分恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是上世紀80年代和90年代初的經(jīng)典的風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)與控制簡單、性能可靠的優(yōu)點。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用同 步發(fā)電機或感應(yīng)發(fā)電機，不論風(fēng)速如何變化，保持風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不變（通常為同步

7、 速）從而實現(xiàn)發(fā)電頻率恒定。在這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機采用定槳距失速控 制或主動失速控制，葉尖速比不可能總保持在最佳值，也不能實現(xiàn)風(fēng)能最大利用 率，風(fēng)力機常常運行于低效狀態(tài)。恒速恒頻系統(tǒng)是一種剛性機電耦合系統(tǒng)。當風(fēng)速發(fā)生突變時，風(fēng)機的葉片承 受較大的扭應(yīng)力和風(fēng)力摩擦，為保持機械轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)能還將通過葉片在風(fēng)機主 軸、齒輪箱和電機等部件上產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，增加了這些部件的疲勞損壞程 度，縮短了使用壽命。并網(wǎng)運行還會潛在地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。大容量的 機組主要是采用主動失速控制，如果采用同步機，會在電網(wǎng)故障時引發(fā)一些問題， 所以一般不用同步機而采用異步發(fā)電機。一、異步風(fēng)力發(fā)電機的簡介異步風(fēng)

8、力發(fā)電機組目前仍然是我國乃至世界上主流的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其具有 結(jié)構(gòu)簡單、成本低、過載能力強以及運行可靠性高等優(yōu)點。但同時由于異步風(fēng)電 機組直接與電網(wǎng)連接屬強耦合型，風(fēng)電的隨機等特性會直接影響到電網(wǎng)的運行； 其次，由于異步發(fā)電機運行時需要吸收一定的無功功率，加重了電網(wǎng)的無功負擔(dān)， 勢必會影響電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。風(fēng)輪機利用葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為作 用在傳動軸上的機械能，傳動裝置將風(fēng)輪機軸上的低速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的轉(zhuǎn) 速，并與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連接，最后由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，輸送到電網(wǎng)。圖1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖大規(guī)模直接并網(wǎng)的異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由四個部分組成：

9、（1）風(fēng)速作用在風(fēng)力機葉片上的空氣流，也稱之為風(fēng)能，是風(fēng)電系統(tǒng)的原動力，具有 隨機性和間歇性的特點。（2）風(fēng)力機捕獲和傳動風(fēng)能的裝置。它主要包括葉片和輪毅、齒輪箱、聯(lián)軸器等中間傳 動裝置，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，與異步發(fā)電機柔性連接；風(fēng)力機是并網(wǎng)型異步風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的兩大部分之一，它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。單就風(fēng)力機的調(diào)節(jié)方式而言，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)又分為：定槳距失速調(diào) 節(jié)型和變槳距調(diào)節(jié)型兩種。定槳距是指葉片被固定安裝在輪毅上，其槳距角（葉片上某一點的弦線與轉(zhuǎn) 子平面間的夾角）固定不變，失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性（當風(fēng)速 高于額定值時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦

10、流，效率降低， 以達到限制轉(zhuǎn)速和輸出功率的目的）。它的優(yōu)點是調(diào)節(jié)控制簡單可靠；其缺點是 葉片重量大（與變槳距風(fēng)機葉片比較），輪毅、塔架等部件受力增加，機組的整體 效率較低。變槳距是風(fēng)機的控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變其 槳距角的大小以調(diào)整輸出電功率，以便更有效地利用風(fēng)能。其工作特性為：在額 定風(fēng)速以下時，槳距角保持零度附近，可認為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)電機 的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化；當風(fēng)速達到額定風(fēng)速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮 作用，調(diào)整槳距角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。它的主要優(yōu)點是槳 葉受力較小，因而可以做得比較輕巧，并且可以盡可能多的捕獲風(fēng)能，提高發(fā)電

11、量；其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高。（3）異步發(fā)電機異步風(fēng)力發(fā)電機組又稱為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組，這種發(fā)電系統(tǒng)單機容量一 般都不大，大都采用異步風(fēng)力發(fā)電機組，其中鼠籠異步發(fā)電機應(yīng)用最為廣泛。鼠籠型異步發(fā)電機的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機相同。轉(zhuǎn)子采 用鼠籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形，槽中嵌入金屬導(dǎo)條，在鐵心 兩端用鋁或銅端環(huán)將導(dǎo)條短接。轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而其 結(jié)構(gòu)簡單、堅固，基本上無需維護。由于異步發(fā)電機存在三個運行狀態(tài)：電動機 狀態(tài)，發(fā)電機狀態(tài)，電磁制動狀態(tài)。狀態(tài)由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速決定的。工作 在發(fā)電機狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向同定子電流產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁

12、場的方向一致，轉(zhuǎn)速大 于同步轉(zhuǎn)速。這種狀態(tài)下發(fā)電機吸收機械功率發(fā)出電功率。所以異步發(fā)電機帶一 定滑差運行，但在實際運行中滑差s是很小的，不僅輸出頻率變化較小，而且葉 片轉(zhuǎn)速變化范圍也很小，看上去葉片似乎是在“恒速”旋轉(zhuǎn)，故稱之為恒速恒頻。 直接并網(wǎng)的大中型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機基本上是異步發(fā)電機。它將機械能轉(zhuǎn) 化為電能，和風(fēng)力機一起實現(xiàn)了風(fēng)能到電能的能量轉(zhuǎn)換。（4）補償電容器組和STATCOM一般情況下，在異步發(fā)電機端配備有補償電容器組，根據(jù)風(fēng)功率的變化自動 投切，以提供異步發(fā)電機所需要的部分激磁無功，進而也提高了它的功率因數(shù)。 STATCOM靜止無功補償器）加裝在風(fēng)電場端口，從系統(tǒng)吸收或者注

13、入無功功率， 以調(diào)節(jié)端口母線電壓。二、異步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)及對電網(wǎng)的影響異步發(fā)電機的并網(wǎng)條件是發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向應(yīng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致并且 發(fā)電機轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能接近同步速（98%100%同步速）。異步發(fā)電機直接并網(wǎng)時， 最大瞬時電流達到額定值8倍，該沖擊電流大小，與其本身暫態(tài)電抗和并網(wǎng)時的 電壓高低有關(guān)，其有效值還與并網(wǎng)時的滑差有關(guān)?；钤酱髣t交流暫態(tài)衰減時間 就越長，并網(wǎng)時沖擊電流有效值也就越大。這也會導(dǎo)致局部電壓水平降低，造成 并網(wǎng)失敗。目前可以通過裝設(shè)軟起動裝置和風(fēng)機非同期并網(wǎng)來削弱沖擊電流，但 同時給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。并網(wǎng)風(fēng)電場一般采用感應(yīng)發(fā)電機直接并網(wǎng)的運行方式，在機端配備有無功補

14、 償電容器組，以提供感應(yīng)發(fā)電機在并網(wǎng)和運行時所需要的激磁無功。電容器組最 大無功補償量是根據(jù)異步發(fā)電機在額定功率時的功率因數(shù)設(shè)計的。即在額定功率 時無功補償量必須保證功率因數(shù)達到設(shè)計的額定功率因數(shù)，一般為大于0.98。1）對電壓的影響國內(nèi)風(fēng)電場大多在電網(wǎng)的邊緣即電網(wǎng)的薄弱點（短路容量較小的點）聯(lián)網(wǎng)，風(fēng) 力的波動會引起風(fēng)機吸收無功的變化，如果風(fēng)電場容量較大，當系統(tǒng)電壓水平降 低時，無功補償量下降，這是同時由于起無功補償作用的電容器組裝設(shè)在機端， 無功補償量與接入點的電壓的平方成正比。此時風(fēng)電場本身缺乏無功支持，而補 償無功又大大減少，導(dǎo)致風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功凈需求反而上升，進一步惡化電壓 水平，造

15、成電壓崩潰，部分風(fēng)電機組由于自身的低電壓保護停機。風(fēng)電機組停機 后，風(fēng)電場有功輸出減少，需求無功相應(yīng)減少，系統(tǒng)失去這部分無功負荷又容易 導(dǎo)致電壓水平偏高?？傊?，并網(wǎng)風(fēng)電場會顯著影響局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的 電壓穩(wěn)定性。風(fēng)電場對電壓的影響主要包括電壓波動，閃變以及波形畸變電壓不平衡等。 另外，正常運行中，無功補償不足時，有功和無功潮流都有發(fā)生反向的可能性， 逆潮流可能會引起繼電保護裝置的誤操作。2）對頻率的影響在系統(tǒng)頻率方面，風(fēng)電場的影響取決于風(fēng)電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤?。?風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時，其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的 影響會比較顯著，影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些頻率

16、敏感負荷的正常工作。由于 目前國內(nèi)風(fēng)電場占系統(tǒng)總?cè)萘勘壤€比較低，因此，頻率穩(wěn)定并不是電網(wǎng)穩(wěn)定運 行中的主要問題。3）對系統(tǒng)保護裝置的影響在繼電保護裝置整定方面，風(fēng)電場也與常規(guī)配電網(wǎng)保護不同。一方面，風(fēng)力 發(fā)電機組在有風(fēng)期間均與電網(wǎng)相連，當風(fēng)速在起動風(fēng)速附近變化時，為防止風(fēng)電 機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風(fēng)電機組短時電動機運行，此時會改變聯(lián)絡(luò) 線的潮流方向。通過風(fēng)電場與電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的潮流有時是雙向的，繼電保護裝 置應(yīng)充分考慮到這種運行方式；另一方面，由于目前一般風(fēng)機出口電壓大都是 0.69kV，折算到35kV （或更高電壓等級）側(cè)時其阻抗需乘以K=（35/0.69）2，因此 從35kV側(cè)

17、的等值電路來看，風(fēng)力發(fā)電機及相應(yīng)的低壓電纜相當于一個很大的限 流電抗，而并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機沒有其它獨立的勵磁機構(gòu)，因此在電網(wǎng)發(fā)生短 路故障時由于機端電壓顯著降低，很難向電網(wǎng)輸送短路電流，因此風(fēng)電接入點的 保護配置要考慮到風(fēng)電場的這一特點?？傊?，風(fēng)電場故障電流主要是公用電網(wǎng)電 源提供的。風(fēng)電場保護的困難是要根據(jù)有限的故障電流來識別故障的發(fā)生。第三部分變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一、變速恒頻的簡介變速恒頻發(fā)電是20世紀末發(fā)展起來的一種新型發(fā)電方式，它將電力電子技 術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機信息處理技術(shù)引入到發(fā)電控制技術(shù)之中，獲得了一 種全新的、高質(zhì)量的電能獲取方式。變速恒頻系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)

18、變化而不影響其輸出電壓和頻 率，即輸出頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，這就非常適用于風(fēng)能這種隨機性強的能源形式。既 然轉(zhuǎn)子速度可變范圍變寬，就可以在風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本恒定的最佳葉尖速比， 使風(fēng)能最大限度地轉(zhuǎn)換為機械能提供給發(fā)電機，因此風(fēng)能利用率比恒速風(fēng)機高得 多。當風(fēng)電機組安裝在平均風(fēng)速與其最佳設(shè)計工況的平均風(fēng)速相差較大時，變速 運行的優(yōu)勢就更加明顯了。另外，由于電力電子裝置的應(yīng)用，許多變速恒頻發(fā)電 系統(tǒng)還具有控制系統(tǒng)功率因數(shù)的能力，甚至向電網(wǎng)輸送無功，這是一般的感應(yīng)型 發(fā)電系統(tǒng)所不具備的。采用變速恒頻技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由于采用不同類型的發(fā)電機，并輔之相 關(guān)的電力電子變流裝置，配合發(fā)電機進行功率控制，就構(gòu)成

19、了形式多樣的變速恒 頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具體如圖2-（a）（b）（c）（d）所示：電網(wǎng)部分額定值雙向變頻器風(fēng)力機永破同步/發(fā)屯機7/1 V風(fēng)力機二二-爰流勵磁雙 饋發(fā)電機（砂.永磁b i步發(fā)電機爽速瀕發(fā)屯（b）交流則磁雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電部分額定值雙向變頻器（C）籠型斤步發(fā)中機度速怕瀕發(fā)也_速_Lln,1 1 1籠.型升少 發(fā)電機（。無刷雙.饋發(fā)機變速仲顧發(fā)中圖2多樣的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng). （a）永磁發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，不需要外邊提供勵磁電源，提高了效率。它 的變速恒頻控制是在定子回路中實現(xiàn)的，因此所用變頻器容量與系統(tǒng)的額定容量 相同。該方案的優(yōu)點是由于采用了永磁

20、發(fā)電機，因此可以做到風(fēng)機與發(fā)電機的直 接耦合，省去了齒輪箱，減少了系統(tǒng)的噪聲，提高了可靠性，主要缺點是發(fā)電機 的轉(zhuǎn)速低，使得整個系統(tǒng)的體積比較大。.（b）交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)交流勵磁雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子具有三相勵磁繞組結(jié)構(gòu)，當通以某一頻率（轉(zhuǎn)差頻 率）的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速加上交流 勵磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則在電機氣隙中形成一個同步 旋轉(zhuǎn)磁場，在定子側(cè)感應(yīng)出同步頻率的感應(yīng)電勢。從定子側(cè)看，這與同步發(fā)電機 直流勵磁的轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場是等 效的。如果按電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否與同步轉(zhuǎn)速一致來區(qū)分異步

21、發(fā)電機或同步發(fā)電 機，則交流勵磁發(fā)電機應(yīng)當被稱為異步發(fā)電機。但是，從外特性來看，交流勵磁 發(fā)電機在很多地方又與同步發(fā)電機類似。從能量流動的特性來看，與采用直流勵 磁的同步發(fā)電機相比，同步發(fā)電機勵磁的可調(diào)量只有直流勵磁電流的幅值一個， 所以同步發(fā)電機勵磁一般只能對無功功率進行調(diào)節(jié)；而使用雙饋發(fā)電機，其勵磁 的可調(diào)量除了勵磁電流的幅值外，還有勵磁電流的頻率和相位。通過改變勵磁電 流的頻率來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，以達到調(diào)速的目的，從而按最佳運行方式調(diào)整發(fā) 電機運行功率；通過改變勵磁電流的相位，來改變發(fā)電機的空載電勢與電網(wǎng)電壓 矢量之間的相對位置，從而改變發(fā)電機的功率角。因此，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，不 僅可以

22、調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功功率，也可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率。.（c）籠型異步發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速變化時，風(fēng)輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子變速運行，發(fā)電機發(fā)出的電能頻率是變 化的，通過連接在發(fā)電機定子和電網(wǎng)之間的變頻器把其轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)頻率相同的恒 頻電能，并輸入到電網(wǎng)中。由于變頻器為全容量，使得發(fā)電系統(tǒng)的體積增大和成 本提高。運行時需從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率，需要增加無功補償裝置，同時 它的功率因數(shù)控制也比較困難。.（d）無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)自1983年美國Steinmetz和德國的Gorges提出級聯(lián)式無刷雙饋電機后，由 于該電機沒有滑環(huán)和電刷，彌補了雙饋電機的不足，而且它還能夠?qū)崿F(xiàn)低速運行， 因此

23、受到人們的廣泛關(guān)注。無刷雙饋發(fā)電機定子有兩套繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個 稱為控制繞組，與變頻器連接。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特殊，可以為籠型短路繞阻型、凸極磁 阻型、磁障磁阻型或軸向疊片磁阻型結(jié)構(gòu)，無需電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定 子兩繞組極對數(shù)之和。發(fā)電機轉(zhuǎn)子和風(fēng)機相連，兩定子繞阻以特殊的轉(zhuǎn)子為中介 互相作用，變頻器產(chǎn)生定子控制繞組的電壓，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時，可以通 過變頻器改變控制繞組中電流的頻率，從而使得發(fā)電機的輸出電壓頻率保持不變。這種方法的恒頻控制方案是在定子繞組中實現(xiàn)的，流過定子控制繞組的功率僅僅是發(fā)電機總功率中的小部分，能夠有效地降低變頻器的容量，同時還能靈活 控制發(fā)電機的有

24、功和無功功率。該系統(tǒng)省去了電機中的滑環(huán)和電刷等機械裝置， 提高了系統(tǒng)運行可靠性;可低速運行，是中大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很好的選擇之一。 缺點是需要定子兩套繞組，電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，電機效率相對較低。另外， 由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)原因，轉(zhuǎn)子電流的諧波分量較大。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解藕，降低了風(fēng)力發(fā) 電與電網(wǎng)之間的相互影響，但是它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大。但是隨著電 力電子技術(shù)的發(fā)展，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進一步成熟。二、變速恒頻風(fēng)電場接入系統(tǒng)風(fēng)電場存在發(fā)電機組多、集中分布等特點，在電氣主接線方面與普通發(fā)電廠有很大區(qū)別。變速恒頻風(fēng)電場接入系統(tǒng)如圖3所示:IIO/220kV并網(wǎng)

25、交屯站（PCC）機端35kV 變壓器 O.69KVI*鳳電機風(fēng)電機圖3風(fēng)電場接入系統(tǒng)示意圖對比傳統(tǒng)火電廠，風(fēng)電場接線有如下特點：（1）常規(guī)發(fā)電廠，一級升壓接入系統(tǒng)；風(fēng)電場經(jīng)機端變壓器、風(fēng)電場主變壓 器兩級升壓接入系統(tǒng)，在場內(nèi)產(chǎn)生兩次電壓降和兩次有功、無功功率損耗后才接 入電力系統(tǒng)。（2）風(fēng)電場中的風(fēng)電機組數(shù)量很多，但由于其一般采用相同型號的風(fēng)電機組 和相同的控制策略，各臺風(fēng)電機組集中放置且排布整齊，對外的功率特性應(yīng)該基 本相同，因此風(fēng)電場對外功率特性應(yīng)該和單臺風(fēng)電機組基本類似。在通常風(fēng)速下， 風(fēng)電場發(fā)出的有功功率隨著風(fēng)速的變化在一個較大的區(qū)間內(nèi)變動。三、雙饋風(fēng)力發(fā)電機雙饋式變速恒頻發(fā)電機組具有

26、良好的動態(tài)性能。與恒速風(fēng)電機組相比，并網(wǎng) 運行的雙饋式變速恒頻發(fā)電機組在最大限度地利用風(fēng)能、提高機組運行效率的同 時變速平穩(wěn)，能夠保持輸出有功功率的平穩(wěn)變化，對電網(wǎng)其它負荷的運行沒有影 響。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，雙饋式變速恒頻發(fā)電機組能夠有效控制機端電壓，增大 向電網(wǎng)輸出的無功功率，對系統(tǒng)故障恢復(fù)起到一定的作用。3.1雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機的簡介雙饋異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電，主要由風(fēng)力機、雙饋發(fā)電機、變頻器勵磁系統(tǒng)、檢 測控制系統(tǒng)組成。所謂雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機是指發(fā)電機的定子繞組發(fā)出的電能直接接入到電 網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子繞組通過雙向變流器與電網(wǎng)相連接。當風(fēng)機的風(fēng)葉轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時， 風(fēng)力系統(tǒng)控制器首先調(diào)整槳距，使得風(fēng)葉的

27、轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時風(fēng)力 系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上電流的頻率，保證定子總是發(fā)出50Hz的電能。當轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁 場的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相疊加等于定子的同步轉(zhuǎn)速n 1 :n = n n2式中，氣定子同步轉(zhuǎn)速(rpm)； n2 磁場轉(zhuǎn)速(rpm)； n了 轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速 (rpm)。這樣就可以在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速ni的工頻電壓。 當風(fēng)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速n隨之變化。在n變化的同時，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度n2，以補償電機轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。當DFIG的轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速運行時(氣=七)，轉(zhuǎn)子中的勵磁

28、電流頻率f2 = 0， 表示勵磁電流為直流電流；當DFIG的轉(zhuǎn)子以超同步轉(zhuǎn)速運行時(n 氣)，上式取負號，表示勵磁電 流產(chǎn)生的磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反；當DFIG的轉(zhuǎn)子以次同步轉(zhuǎn)速運行時(n 漸變風(fēng)速(ramp wind speed)、陣風(fēng)(gusty wind)和隨機噪聲風(fēng)(turbulence wind)。風(fēng)速變化的 模型通常用這4種成分的組合來模擬?；撅L(fēng)基本風(fēng)就是風(fēng)場在一定時間內(nèi)的平均風(fēng)速。風(fēng)力發(fā)電機向系統(tǒng)輸送的額定功 率的大小主要由基本風(fēng)來決定，可以由威布爾(Weibull)分布參數(shù)近似確定，該 分量一般不隨時間變化而變化。八 1、V = A (1+ )(1)K式中V為基本風(fēng)

29、(m/s)，A和K是威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，1r(1+土)表示伽馬函數(shù)。當考慮秒級時間段的計算時，基本風(fēng)速就可視為常 數(shù)。陣風(fēng)陣風(fēng)在風(fēng)力系統(tǒng)中被用來描述突然變化的風(fēng)速，在該時間段內(nèi)風(fēng)速具有余弦 特性，在電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定分析中用來觀察電壓的波動特性對電網(wǎng)電壓的影響， 特別是在風(fēng)速的變化較大時。在風(fēng)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真中，通常用它來考察系統(tǒng)在 較大的風(fēng)速擾動下的動態(tài)特性。0 t T1G匕=匕Tg*T、0tTg + TgVcos=(V/2)1-cos2兀(t/T)-(TG /T)(3)式中Vgmax，T1GT分別為陣風(fēng)風(fēng)速的最大值、陣風(fēng)啟動時間、陣風(fēng)周期。(3)漸變風(fēng)漸變風(fēng)反應(yīng)了風(fēng)速的逐漸變化情

30、況。V =r0VrampVr max0t T1RT t v TT T + Tr乂 (t - T )1/?(4)V二 Vrmaxramp T TTR分別為漸變風(fēng)風(fēng)速最大值，起始時間，終止時間與持續(xù)(5)其中 Vrmax，T時間。(4)隨機風(fēng)風(fēng)速在任何時刻都是不停變化的，為了反映這種小范圍變化，可以用隨機的噪聲風(fēng)來模擬。隨機風(fēng)用來反映實際風(fēng)速中隨機特性:(6)V =於S ()1/2COS( +。)i=1渚出 3 = ( i J) 3 S (S ) = / gJ _=j 4 E3 A O式中 i (2)， V i兀 21+ (F3 / 日兀)24/3， i 是0-2兀i間均勻分布的隨機量；Kn是地表

31、粗糙系數(shù)，一般為0.004； F(m2)為擾動范圍;R為相對高度的平均風(fēng)速。綜合上述四種風(fēng)速分量，模擬實際作用域風(fēng)力機上的風(fēng)速Vw為：，我+匕+V +匕二、風(fēng)力機模型風(fēng)輪機是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機械能的部件。風(fēng)以一定的速度和攻角作用 在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能，進而驅(qū)動發(fā)電機。風(fēng)力機 把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程是個復(fù)雜的空氣動力學(xué)過程，精確描述它非常困難。 根據(jù)貝茲理論，風(fēng)機捕獲的機械功率為：P = 0.5 C 兀pv 3R 2（8）其中P為風(fēng)機捕獲的功率，P為空氣密度，CP為風(fēng)能捕獲系數(shù)，R為風(fēng)葉半徑， v為風(fēng)速。Cp為風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)。它的物理意義是：風(fēng)力機的風(fēng)輪能夠

32、從自然風(fēng)中吸收能量與風(fēng)輪掃風(fēng)面積內(nèi)未擾動氣流所具有風(fēng)能的百分比。Cp為葉尖速比人與槳矩角p的函數(shù)，可用如下 非線性的函數(shù)模擬：f151C = 0.73 - (_ - 0.58 p - 0.002 p 2.14 -13.2) -e 18.4/ 人.P FI（9）)_ 10.003】廣人-0.02 ppm 由上式根據(jù)不同的槳距角和葉尖速比計算得到的，可得出不同槳距角情圖7不同槳距角情況下% -人曲線當槳距角P逐漸增大時，曲線Cp顯著減小。如果槳距角p不變（定槳距）， 則Cp唯一由葉尖速比入決定?？紤]X的定義式可知，對于一個固定的風(fēng)速V， 又有唯一的可以使得Cp最大。這時的X被稱為這一固定槳距角下的

33、最佳葉尖 速比Xopt，它對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)為Cpmax。當尖速比X大于或者小于Xopt時，風(fēng)能利用系數(shù)Cp都會偏離最大值，引起機組效率的下降。因此，所謂的變速恒 頻風(fēng)力發(fā)電，就是在風(fēng)速在一個較大的范圍內(nèi)變化時，通過改變風(fēng)力機轉(zhuǎn)速s 使風(fēng)力機始終運行在Cpmax點附近，同時采用電力電子變換，實現(xiàn)電機輸出電 能頻率始終保持恒定，高質(zhì)量地向電網(wǎng)或者用戶供電。變速運行能夠使槳距調(diào)節(jié) 簡單化，吸收陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對機組造成的疲勞損壞，還能夠改善功率 質(zhì)量，減少運行噪聲，這就是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電最大的優(yōu)勢及理論基礎(chǔ)。三、異步發(fā)電機模型建立普通異步發(fā)電機的模型時，值得注意的是，它存在著與同步機不同的特

34、 性：A）轉(zhuǎn)子有對稱結(jié)構(gòu)，這使得d軸和q軸等值電路相同；B）轉(zhuǎn)速不固定，而是隨著負載變化的；C）沒有勵磁電源施加到轉(zhuǎn)子繞組上，其結(jié)果是，轉(zhuǎn)子電路的動態(tài)是由滑差 而不是由勵磁控制來確定的；D）短接轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場有相同的極 數(shù)，因此，可以用一個等值三相繞組來模擬轉(zhuǎn)子繞組。電路可用于分析異步發(fā)電機的動態(tài)模型。定子繞組由空間相距120的三相繞 組a、b和c組成，轉(zhuǎn)子電路由三個分布繞組A、B和C組成。定子和轉(zhuǎn)子繞組 的相繞組可以接成Y形和形，圖8中取Y形。1aCr圖8普通異步發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子接線定子Vcca由于異步電機的定、轉(zhuǎn)子磁場及電氣量都是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此如果參考

35、 坐標系取為以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標系，會帶來很大的簡化，按照將d、q軸放在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上來建立電機的狀態(tài)方程。異步發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子均采用電動機 慣例，設(shè)d、q坐標系以同步速相對定子abc三相坐標系逆時針旋轉(zhuǎn)，設(shè)d軸在 時間t=0時與定子a相軸重合，則任意時刻t，d軸與定子a相的相位移為尖t， 可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的發(fā)電機電壓方程，對于普通的異步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子繞組 短接，所以其轉(zhuǎn)子側(cè)電壓為零，即：（10）（11）（12）（13）疽廣叩華+叫s廣 + 叩 ds + W qsdr = ML 電如 qr + dr = 0 u = R i + （pQ ）w + 州=0qr r qrr drqr其中，ds

36、、qs、dr、qr分別為定子電壓直、交軸電壓，轉(zhuǎn)子直、交軸 電壓。匕、iqs、ldr、iqr分別為定、轉(zhuǎn)子直、交軸電流；R R為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；qs、ds、qr、 dr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的直、交軸分量；L為同步轉(zhuǎn)速，P為微分算子，PQ r項是滑差角速度：pQ = s rs（14）發(fā)電機磁鏈方程為：=L i + L idsss dsm dr（15）=L i + L iqsss qsm qr（16）=L i + L idrrr drm ds（17）=L i + L iqrrr qrm qs（18）其中 Lm = 3 LaA，LaA為定、轉(zhuǎn)子互感幅值。轉(zhuǎn)子加速方程為：1P 9 P = 2H 氣一 T（

37、19）式中H為發(fā)電機慣量常數(shù)，Tm為機械轉(zhuǎn)矩，Te為電磁轉(zhuǎn)矩。四、雙饋發(fā)電機模型在考慮DFIG的數(shù)學(xué)模型時，定轉(zhuǎn)子繞組均采用電動機慣例，即定、轉(zhuǎn)子繞 組電流以流入為正。為便于分析問題，假定如下：（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，產(chǎn)生的磁勢沿氣隙圓周按正旋規(guī)律分 布。（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是定常線性對稱的。（3）忽略頻率和溫度變化對繞組電阻的影啊，忽略鐵芯損耗。（4）轉(zhuǎn)子繞組己經(jīng)折算到定子側(cè)，折算后每相匝數(shù)相等。由于與同步發(fā)電機相似，在三相靜止坐標系下雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型也具有 非線性、時變性、強耦合等特點，分析和求解困難。為簡化分析和應(yīng)用于矢量控 制變化，通過坐標變換的方法簡化雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，即利用派克變換來使 得研究問題更簡單準確。派克變換是一種坐標系統(tǒng)的變換，是一種線性變換。將靜止的a、b、c三相 坐標系統(tǒng)（三相靜止的坐標軸在空間互差120。）表示的電磁量變換為在空間隨轉(zhuǎn) 子一起旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標d、q系統(tǒng)和靜止的0軸系統(tǒng)（稱為d、q、0坐標系 統(tǒng)）表示的電磁量。考