風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件

2.1風(fēng)及風(fēng)能資源2.1.1風(fēng)的形成地球從地面直至數(shù)萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區(qū)有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區(qū)。

空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動(dòng)，稱為大氣運(yùn)動(dòng)。在氣象學(xué)上，一般把空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為紊流，垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)

!!風(fēng)，按照形成原因，有信風(fēng)、海陸風(fēng)和山谷風(fēng)等幾種。2.1風(fēng)及風(fēng)能資源2.1.1風(fēng)的形成地1（1）信風(fēng)。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區(qū)的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補(bǔ)，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現(xiàn)象。由于地球本身自西向東旋轉(zhuǎn)，大氣環(huán)流在北半球形成東北信風(fēng)，在南半球形成東南信風(fēng)。（2）海陸風(fēng)。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風(fēng)。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對(duì)溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風(fēng)。（3）山谷風(fēng)。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢(shì)低凹的山谷處受熱較少，則山谷內(nèi)冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風(fēng)。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動(dòng)，形成山風(fēng)。（1）信風(fēng)。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射22.1.2風(fēng)的描述(描述風(fēng)的幾個(gè)概念)（1）風(fēng)向。風(fēng)向就是風(fēng)吹來的方向。例如，大氣從南向北流動(dòng)形成的風(fēng)，就稱為南風(fēng)。（2）風(fēng)速。風(fēng)速就是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上移動(dòng)的距離。通常所說的風(fēng)速，是指一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速的算術(shù)平均值。2.1.2風(fēng)的描述(描述風(fēng)的幾個(gè)概念)（1）風(fēng)向。風(fēng)向就是3

蒲福風(fēng)級(jí)的定義和描述蒲福風(fēng)級(jí)名稱風(fēng)速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風(fēng)0-0.2零級(jí)無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3-1.5一級(jí)軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6-3.3二級(jí)輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.4-5.4三級(jí)微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.5-7.9四級(jí)和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8-10.7五級(jí)清風(fēng)水起波6強(qiáng)風(fēng)10.8-13.8六級(jí)強(qiáng)風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.9-17.1七級(jí)疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2-20.7八級(jí)大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.8-24.4九級(jí)烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5-28.4十級(jí)狂風(fēng)樹根拔11暴風(fēng)28.5-32.6十一級(jí)暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng)>32.6十二級(jí)颶風(fēng)浪滔天蒲福風(fēng)級(jí)的定義和描述名稱風(fēng)速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風(fēng)0-4（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度。

風(fēng)中流動(dòng)的空氣所具有的能量（動(dòng)能），稱為風(fēng)能。

（2-1）單位面積上流過的風(fēng)能就是風(fēng)能密度。

（2-2）（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度。（2-1）單位面積52.1.3世界風(fēng)能資源2.1.3世界風(fēng)能資源62.1.4我國風(fēng)能資源圖2-1我國陸地的平均風(fēng)速分布圖2.1.4我國風(fēng)能資源圖2-1我國陸地的平均風(fēng)速分布圖7風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件82.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖2-3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成根據(jù)所發(fā)電能是否并入電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。圖2-3所示為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)要組成。2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2-3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的9齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機(jī)的體積和重量。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率、波形、電壓等進(jìn)行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對(duì)不同類型的發(fā)電機(jī)，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利10圖2-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常還有變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)裝置、測(cè)風(fēng)裝置等。圖2-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代并網(wǎng)型風(fēng)力11圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和電力電子接口等構(gòu)成，其容量一般較小，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較高，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，故一般沒有齒輪箱；發(fā)出的電能經(jīng)電力電子接口變換后直接供給負(fù)載，因此，也沒有變壓器，結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單許多。下圖為某類復(fù)雜并網(wǎng)型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理離網(wǎng)12風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件13風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件14離網(wǎng)型：

離網(wǎng)型：152.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.1風(fēng)力機(jī)的基本類型2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理2.3.3風(fēng)能利用系數(shù)2.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理2162.3.1風(fēng)力機(jī)的基本類型

風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可用機(jī)械能的機(jī)械裝置，它通常由一個(gè)在風(fēng)的升力或阻力作用下可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、安裝方式、運(yùn)行模式等的不同，風(fēng)力機(jī)可分為不同類型。根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的位置，風(fēng)力機(jī)可分為水平軸和垂直軸兩大類；對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)，依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子裝在塔架的迎風(fēng)側(cè)還是下風(fēng)側(cè)，可分為迎風(fēng)型和順風(fēng)型等；根據(jù)風(fēng)力機(jī)槳距角是否可以調(diào)整，分為定槳距和變槳距風(fēng)力機(jī)；根據(jù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速是否可以改變，又可分為恒速和變速風(fēng)力機(jī)等。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可用機(jī)械能的機(jī)械裝置，它通常171.垂直軸與水平軸風(fēng)力機(jī)（a）結(jié)構(gòu)（b）實(shí)物照片圖2-6垂直軸風(fēng)力機(jī)1.垂直軸與水平軸風(fēng)力機(jī)（a）結(jié)構(gòu)18垂直軸風(fēng)力機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn),是它的發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)可以放在地面，減輕了對(duì)塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風(fēng)中吸收能量，故不需要偏航和對(duì)風(fēng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。但是，垂直軸風(fēng)力機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風(fēng)速環(huán)境下運(yùn)行，風(fēng)能利用率較低；其次，雖然它的發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)放在地面，但維護(hù)并不容易，常需將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會(huì)延伸很遠(yuǎn)，占用較大地面空間。垂直軸風(fēng)力機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn),是它的發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)19圖2-7水平軸風(fēng)力機(jī)圖2-7水平軸風(fēng)力機(jī)202.定槳距與變槳距風(fēng)力機(jī)2.定槳距與變槳距風(fēng)力機(jī)213.恒速與變速風(fēng)力機(jī)

恒速風(fēng)力機(jī)是指在正常運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速是恒定不變的。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，因此，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率所決定，無法調(diào)節(jié)，它雖然控制較簡(jiǎn)單，但風(fēng)能利用率較低。隨著電力電子等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了雙饋異步發(fā)電機(jī)，通過控制轉(zhuǎn)子繞組中電流的頻率，可以在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發(fā)電機(jī)。近年來新出現(xiàn)的低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)也是變速恒頻發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗墙?jīng)由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)改變。3.恒速與變速風(fēng)力機(jī)恒速風(fēng)力機(jī)是指在正常運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速是222.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理、長(zhǎng)度為2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理、長(zhǎng)度為23當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪平面時(shí)，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推力方向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面垂直，轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。由于槳葉的參數(shù)（攻角、弦長(zhǎng)等）沿著槳葉長(zhǎng)度是變化的，因此，槳葉上每一點(diǎn)所受到的推力和轉(zhuǎn)矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉(zhuǎn)矩應(yīng)是各點(diǎn)推力和轉(zhuǎn)矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長(zhǎng)度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，葉素將掃掠出一個(gè)圓環(huán)。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環(huán)當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪平面時(shí)，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推24圖2-10葉素受力分析合成風(fēng)速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風(fēng)速矢量與葉素弦線之間的夾角25為風(fēng)速矢量

為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。葉尖速比：為風(fēng)速矢量為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。葉尖速比：262.3.3風(fēng)能利用系數(shù)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理2.3.3風(fēng)能利用系數(shù)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理27風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線

風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線28不同槳距角時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)

不同槳距角時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)29圖2-12具有不同葉片數(shù)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比圖2-12具有不同葉片數(shù)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比302.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制風(fēng)力機(jī)的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風(fēng)力機(jī)理想功率曲線2.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制風(fēng)力機(jī)的綜合性能31在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，可采用下面的措施控制風(fēng)力機(jī)吸收的功率：

1.失速控制對(duì)于定速定槳距風(fēng)力機(jī)，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動(dòng)特性，使其在高風(fēng)速時(shí)產(chǎn)生失速來限制風(fēng)力機(jī)功率。在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，可采用下面的措施控制風(fēng)力機(jī)吸收的功32風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件332.主動(dòng)失速控制所謂主動(dòng)失速控制，就是在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速及以上時(shí)，通過人為地調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)力機(jī)加深失速。

圖2-152.主動(dòng)失速控制所謂主動(dòng)失速控制，就是在風(fēng)速達(dá)到額定34主動(dòng)失速控制的優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡(jiǎn)單（相對(duì)于后面的變槳控制）；缺點(diǎn)是：作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力增大，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷加重。主動(dòng)失速控制的優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡(jiǎn)353.變槳控制對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，可通過變槳機(jī)構(gòu)使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增大葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風(fēng)力機(jī)的功率保持不變。3.變槳控制對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速36主動(dòng)失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調(diào)節(jié)方向不同：主動(dòng)失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風(fēng)功率。因此，二者的槳距角調(diào)節(jié)方向相反。（2）調(diào)節(jié)頻率不同：變槳控制的槳距角可連續(xù)調(diào)節(jié)，其變槳機(jī)構(gòu)較復(fù)雜；而主動(dòng)失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規(guī)律不同：主動(dòng)失速控制時(shí)，風(fēng)輪軸向推力增加；而變槳控制時(shí)隨之減小，故氣動(dòng)載荷減小。主動(dòng)失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)372.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角，從而改變風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生一個(gè)較大的啟動(dòng)力矩。（2）風(fēng)輪停止時(shí)，經(jīng)常使用的槳距角，使風(fēng)輪剎車制動(dòng)時(shí)，（3）額定風(fēng)速以下時(shí)，為盡可能捕捉較多的風(fēng)能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最佳槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，因此，槳距角隨風(fēng)速儀或功率輸出信號(hào)的變化而緩慢改變。（4）額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳控制可以有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收功率及風(fēng)輪所受載荷，使其不超過設(shè)計(jì)的限定值。（5）在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實(shí)現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。因此，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用變槳距風(fēng)力機(jī)。

空轉(zhuǎn)速度最小。在正槳距角時(shí)，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角38圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖39

（a）液壓變槳機(jī)構(gòu)（b）電動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)圖2-20變槳機(jī)構(gòu)

402.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)向變化自動(dòng)繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風(fēng)力機(jī)與風(fēng)向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風(fēng)裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動(dòng)偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有41圖2-22主動(dòng)偏航系統(tǒng)組成框圖圖2-22主動(dòng)偏航系統(tǒng)組成框圖422.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)432.4.1籠型異步發(fā)電機(jī)

1.定槳距風(fēng)電機(jī)組與籠型異步發(fā)電機(jī)定槳距就是風(fēng)力機(jī)葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨風(fēng)速的變化而變化。

定槳距風(fēng)電機(jī)組需要配套的發(fā)電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)速特性，并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)能夠滿足這一要求。

采用異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行有一系列優(yōu)點(diǎn)：籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜；不需要嚴(yán)格的并網(wǎng)裝置，可以較容易地與電網(wǎng)連接；異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速近似是恒定的，但允許在一定范圍內(nèi)變化，因此可吸收瞬態(tài)陣風(fēng)能量。2.4.1籠型異步發(fā)電機(jī)定槳距就是風(fēng)力機(jī)葉44采用異步發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是需要從電網(wǎng)吸收感性無功電流來勵(lì)磁，加重了電網(wǎng)對(duì)感性無功功率的負(fù)擔(dān)，因此，常需要對(duì)異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

在低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)域，定槳距風(fēng)電機(jī)組還面臨著系統(tǒng)效率低下的問題。

采用異步發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是需要從電網(wǎng)吸收感性452.籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前，籠型異步發(fā)電機(jī)大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風(fēng)速區(qū)域，4極繞組工作，發(fā)電機(jī)輸出的功率較大；在低風(fēng)速區(qū)域，切換到6極繞組工作，發(fā)電機(jī)輸出的功率較小。

此外其他結(jié)構(gòu)方面與普通籠型異步電機(jī)沒有區(qū)別。

2.籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前，籠型異步發(fā)電462.4.2同步發(fā)電機(jī)1.同步發(fā)電機(jī)與變速恒頻風(fēng)電機(jī)組

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了中間變速機(jī)構(gòu)，由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。采用變槳距技術(shù)可以使槳葉和風(fēng)電機(jī)組的受力情況大為改善，然而，為了使機(jī)組轉(zhuǎn)速能快速跟蹤風(fēng)速的變化，以便實(shí)行最佳的葉尖速比控制，必須對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，這一直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變速恒頻控制的關(guān)鍵技術(shù)，目前已經(jīng)得到解決，只需在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間接入變流器，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間解耦，就允許發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組原理圖。2.4.2同步發(fā)電機(jī)1.同步發(fā)電機(jī)與變速恒頻風(fēng)電機(jī)組47圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組482.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則與異步發(fā)電機(jī)明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵(lì)磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構(gòu)，繞組中通以勵(lì)磁電流產(chǎn)生主磁場(chǎng)。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場(chǎng)，磁極結(jié)構(gòu)一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)49

3.運(yùn)行原理

與異步發(fā)電機(jī)不同，同步發(fā)電機(jī)是一種雙邊激勵(lì)的發(fā)電機(jī)。其定子（電樞）繞組接到電網(wǎng)以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產(chǎn)生定子磁動(dòng)勢(shì)，并建立起定子（電樞）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流建立轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)，或者由永磁體直接產(chǎn)生主磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)也將以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均以同步速度旋轉(zhuǎn)，二者是相對(duì)靜止的，依靠定、轉(zhuǎn)子磁極之間的磁拉力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，傳遞電磁功率。3.運(yùn)行原理與異步發(fā)電機(jī)不同，同步發(fā)電機(jī)是一種雙502.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)1.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組與雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)當(dāng)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組不需要大范圍的變速運(yùn)行，而只需要在較窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變速控制時(shí)，可選擇雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間。采用雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)1.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組與512.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與籠型異步發(fā)電機(jī)基本相同。二者在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同，前者為繞線型轉(zhuǎn)子繞組，后者為籠型轉(zhuǎn)子繞組。

為了使三相轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電路（回饋?zhàn)冾l器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設(shè)三個(gè)集電環(huán)，將轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)出線端分別接到三個(gè)集電環(huán)上，再通過電刷引出。2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)的定子523.運(yùn)行原理與特性雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與籠型異步發(fā)電機(jī)基本相同，只是由于轉(zhuǎn)子使用了繞線型繞組，才使之可以實(shí)現(xiàn)雙饋運(yùn)行。所謂雙饋就是電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運(yùn)行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)來說，定、轉(zhuǎn)子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當(dāng)電能的傳送方向?yàn)殡姍C(jī)-電網(wǎng)方向時(shí)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電能傳送方向相反時(shí)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；在轉(zhuǎn)子邊，在變流器的電機(jī)側(cè)電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以用功率傳遞關(guān)系來加以說明，如圖2-34所示。3.運(yùn)行原理與特性雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與籠53圖2-34雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系圖2-34雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系54圖2-35雙饋異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性圖2-35雙饋異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性552.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行與控制

控制系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電質(zhì)量。圖2-36風(fēng)力機(jī)的理想功率曲線2.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行與控制控制系統(tǒng)要56風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)和功能有：（1）在正常運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。（2）在低風(fēng)速區(qū)，跟蹤最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），捕獲最大風(fēng)能。（3）在高風(fēng)速區(qū)，限制風(fēng)能的捕獲，保持輸出功率為額定值。（4）保證風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在允許速度以下，抑制風(fēng)力機(jī)噪聲及風(fēng)輪離心力。（5）抑制陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減小風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)。（6）保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定，保證電能質(zhì)量。（7）減小傳動(dòng)鏈的機(jī)械載荷，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壽命。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)和功能有：572.5.1基本控制內(nèi)容2.5.2定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制2.5.3變槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制2.5.4變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制2.5.5最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制簡(jiǎn)介2.5.1基本控制內(nèi)容2.5.2定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的582.5.1基本控制內(nèi)容1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)3.偏航系統(tǒng)的運(yùn)行①運(yùn)行；②暫停；③停機(jī)；④緊急停機(jī)。包括自啟動(dòng)、本地啟動(dòng)和遠(yuǎn)程啟動(dòng)。

主要包括自動(dòng)偏航、手動(dòng)偏航、側(cè)風(fēng)、自動(dòng)解纜等功能。

2.5.1基本控制內(nèi)容1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換2592.5.2定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制1.失速與制動(dòng)圖2-37葉尖擾流器的結(jié)構(gòu)--（制動(dòng)）失速見2.3.4節(jié)2.5.2定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制1.失速與制動(dòng)602.安裝角的調(diào)整(隨溫度與海拔而調(diào)整)

(a)溫度的影響（b）海拔的影響圖2-38空氣密度變化的影響2.安裝角的調(diào)整(隨溫度與海拔而調(diào)整)(a)溫度的影響612.5.3變槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制1.輸出功率特性圖2-40變槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制策略2.5.3變槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制1.輸出功率特622.運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)變槳距系統(tǒng)所起的作用，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為三種運(yùn)行狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài)。

1）啟動(dòng)狀態(tài)。變槳距風(fēng)力機(jī)在靜止時(shí)，槳距角為如圖2-41所示。這時(shí)，氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，葉片向槳距角為對(duì)葉片產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始啟動(dòng).方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至氣流2.運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)變槳距系統(tǒng)所起的作用，變槳距風(fēng)632）欠功率狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)的輸出功率低于額定功率，此運(yùn)行狀態(tài)稱為欠功率狀態(tài)。在采用籠型異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，欠功率狀態(tài)下對(duì)槳距角不加控制，這時(shí)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同。而在采用繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，可采用所謂的“優(yōu)化滑差”技術(shù)，即可以根據(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)行在最佳葉尖速比上，從而改善低風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能。2）欠功率狀態(tài)。而在采用繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)643）額定功率狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。此時(shí)，變槳距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制，控制信號(hào)的給定值是恒定的額定功率。功率反饋信號(hào)與給定信號(hào)比較，當(dāng)實(shí)際功率大于額定功率時(shí)，槳距角就向增大方向轉(zhuǎn)動(dòng)（減小迎風(fēng)面積），反之則向槳距角減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)（增大迎風(fēng)面積）。2.3.4節(jié)已對(duì)此有部分介紹。圖2-42變槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制框圖3）額定功率狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額652.5.4變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制122.5.4變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制1266風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件671.控制策略圖2-43變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制策略1.控制策略圖2-43變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制策682.運(yùn)行狀態(tài)1）啟動(dòng)狀態(tài)（Oa段）2）恒定區(qū)（ab段）：也稱變速運(yùn)行區(qū)。3）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)（bc段）4）功率恒定區(qū)：風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，轉(zhuǎn)速和功率必須維持在額定值，因此，該狀態(tài)運(yùn)行區(qū)域稱為功率恒定區(qū)。

5）切出區(qū)：當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行制動(dòng)減速控制，直至切出。2.運(yùn)行狀態(tài)1）啟動(dòng)狀態(tài)（Oa段）2）恒定區(qū)（ab段）：也69(a)恒定區(qū)（b）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)（c）功率恒定區(qū)值變化情況圖2-46三個(gè)工作區(qū)域的(a)恒定區(qū)（b）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)703.不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的比較

圖2-47不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線對(duì)比3.不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的比較圖2-47不同類型風(fēng)力發(fā)電712.5.5最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制簡(jiǎn)介欲使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，必須采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，即所謂的最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT）控制方法，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而成比例地變化。目前，已有多種不同的MPPT控制方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。1.最佳葉尖速比法當(dāng)葉尖速比時(shí)，有最大值

2.5.5最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制簡(jiǎn)介72圖2-48最佳葉尖速比控制框圖圖2-48最佳葉尖速比控制框圖73風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件742.功率信號(hào)反饋法圖2-49最大功率曲線2.功率信號(hào)反饋法圖2-49最大功率曲線75圖2-50基于PI調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)反饋法的控制框圖圖2-50基于PI調(diào)節(jié)器的76圖2-51基于模糊PI調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)反饋法的控制框圖圖2-51基于模糊PI調(diào)節(jié)器的773.爬山搜索法爬山搜索法無需測(cè)量風(fēng)速，也不需要事先知道風(fēng)力機(jī)的功率曲線，而是人為地給風(fēng)力機(jī)施加轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化確定轉(zhuǎn)速的控制增量。

爬山搜索法的原理3.爬山搜索法爬山搜索法無需測(cè)量風(fēng)速，也不需78爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖79該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是：不需要任何測(cè)定風(fēng)速的裝置，不需要知道風(fēng)力機(jī)確切的功率特性。它對(duì)風(fēng)力機(jī)功率特性的掌握要求較低，且控制過程基本是由軟件編程實(shí)現(xiàn)的；它獨(dú)立于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以自主地追蹤到最大功率點(diǎn)；對(duì)于無慣性的或慣性很小的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速的反應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。該方法的缺點(diǎn)是：即使風(fēng)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)的最終輸出功率也會(huì)有小幅波動(dòng)；按照系統(tǒng)的控制目標(biāo)，希望在某一風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)能夠沿著功率曲線逐步移動(dòng)到最佳功率負(fù)載線附近，所以要求系統(tǒng)在每一調(diào)整的離散時(shí)間點(diǎn)上達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)于慣性較大的大型風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤所需時(shí)間較長(zhǎng)，因此在風(fēng)速持續(xù)變化的情況下其控制性能將受到影響；此外，當(dāng)風(fēng)速變化較快時(shí)，可能引起系統(tǒng)振蕩，不宜采用此方法。該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是：不需要任何測(cè)定風(fēng)速的裝置，不需要知802.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)

2.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)2.6.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)2.6.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)安全運(yùn)行與防護(hù)措施2.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)2.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)812.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)同步風(fēng)力發(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。1）并網(wǎng)條件2.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并822）并網(wǎng)方法（1）自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)。當(dāng)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)。同步風(fēng)力發(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。

優(yōu)點(diǎn)：合閘時(shí)沒有明顯的電流沖擊；缺點(diǎn)：控制操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。

2）并網(wǎng)方法（1）自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電83（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)電動(dòng)勢(shì)，不需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和相位角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡(jiǎn)單，并且從根本上排除了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（2）自同步并網(wǎng)。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先84帶變頻器的同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)明顯！缺點(diǎn)是電力電子裝置價(jià)格較高、控制較復(fù)雜，同時(shí)非正弦逆變器在運(yùn)行時(shí)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。帶變頻器的同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)明顯！缺點(diǎn)是電力電852.6.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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)。

并網(wǎng)條件：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，在接線時(shí)調(diào)整好相序；第二條的要求不是很嚴(yán)格，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的誤差越小，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流越小。

特點(diǎn)：比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單，但并網(wǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生5-6倍額定電流的沖擊電流，引起電網(wǎng)電壓下降。因此只能用于百KW級(jí)以下，且電網(wǎng)容量較大的場(chǎng)合。2.6.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)862）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)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后，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(jì)性較差，適用于百KW級(jí)以上、容量較大的機(jī)組。2）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873）晶閘管軟并網(wǎng)。圖2-59異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組晶閘管軟并網(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(180度到0度逐步打開)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2-59所示。3）晶閘管軟并網(wǎng)。圖2-59異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組晶閘管軟并網(wǎng)88雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)（專屬方法）：風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近于同步轉(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。通過轉(zhuǎn)子電流的控制還可以保證風(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)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)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)載的變化而變化時(shí)，通過勵(lì)磁電流頻率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電能頻率的穩(wěn)定；改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，可以改變發(fā)電機(jī)定子電動(dòng)勢(shì)和電網(wǎng)電壓之間的相位角，也即改變了發(fā)電機(jī)的功率角，從而實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)（專屬方法）：風(fēng)力機(jī)啟89圖2-61雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的并網(wǎng)系統(tǒng)圖2-61雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的并網(wǎng)系統(tǒng)902.6.3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2-63控制系統(tǒng)的安全保護(hù)組成2.6.3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2-63911．雷電安全保護(hù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)大多為計(jì)算機(jī)和電子器件，大部分是弱電器件，耐過電壓能力低，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。當(dāng)雷電擊中電網(wǎng)中的設(shè)備后，大電流將經(jīng)接地點(diǎn)泄入地網(wǎng)，使接地點(diǎn)電位大大升高。若控制設(shè)備接地點(diǎn)靠近雷擊大電流的入地點(diǎn)，則電位將隨之升高，會(huì)在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿。根據(jù)國外風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)電場(chǎng)因雷擊而損壞的主要風(fēng)電機(jī)部件是控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。雷擊事故中的40%-50%涉及風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)的損壞，15%-20%涉及通信系統(tǒng)，15%-20%涉及風(fēng)機(jī)葉片，5%涉及發(fā)電機(jī)。防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系統(tǒng)來考慮，需要從風(fēng)電場(chǎng)整體設(shè)計(jì)上考慮，采取多層防護(hù)措施。1．雷電安全保護(hù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)大多為計(jì)算機(jī)922.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（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）過電壓、過電流保護(hù)：指裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過電流所進(jìn)行的保護(hù)。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過電流保護(hù)器等。（4）振動(dòng)保護(hù)：機(jī)組應(yīng)設(shè)有三級(jí)振動(dòng)頻率保護(hù)，即振動(dòng)球開關(guān)、振動(dòng)頻率上限1、振動(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)組按順序正常開機(jī)，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)。對(duì)風(fēng)控制。2.運(yùn)行安全保護(hù)（2）參數(shù)越限保護(hù)：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情933.電網(wǎng)掉電保護(hù)4.緊急停機(jī)安全鏈保護(hù)5.微機(jī)控制器抗干擾保護(hù)6.接地保護(hù)7.低電壓穿越能力3.電網(wǎng)掉電保護(hù)4.緊急停機(jī)安全鏈保護(hù)5.微機(jī)控制器抗干擾保942.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關(guān)規(guī)范2.7.2低電壓對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響2.7.3低電壓穿越技術(shù)2.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基952.7.1低電壓穿越的基本概念及相關(guān)規(guī)范所謂低電壓穿越（LowVoltageRideThrough,LVRT）,是指由于電網(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)力發(fā)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供一定無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）。2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關(guān)規(guī)范所謂低96圖2-60風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越要求圖2-60風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越要求97風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的規(guī)定：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力。（2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力。（3）在電網(wǎng)故障期間沒有切出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在故障清除后其有功功率應(yīng)以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的狀態(tài)。風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的規(guī)定：982.7.2低電壓對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓突然跌落時(shí)，輸出電功率隨之減小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸入輸出功率失去平衡，從而引起一系列電磁和機(jī)電暫態(tài)過程，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生不利影響。不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)過程及其導(dǎo)致的影響不盡相同。1.雙饋異步發(fā)電機(jī)組雙饋異步發(fā)電機(jī)組（DFIG）的定子側(cè)直接連接電網(wǎng)，這種直接耦合使得電網(wǎng)電壓的降落直接反映在發(fā)電機(jī)定子端電壓上，首先導(dǎo)致定子電流增大；又由于故障瞬間磁鏈不能突變，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流大幅增加。定、轉(zhuǎn)子電流的大幅波動(dòng)，會(huì)造成DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，對(duì)風(fēng)力機(jī)、齒輪箱等機(jī)械部件構(gòu)成沖擊，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和壽命。2.7.2低電壓對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)99定子電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率降低，若對(duì)捕獲功率不加控制，必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。在風(fēng)速較高即機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)矩較大的情況下，即使故障切除，雙饋異步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有所增加，也難較快抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，使雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，使得定子端電壓下降，進(jìn)一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓無法恢復(fù)，致使系統(tǒng)崩潰。定子電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率降低，若對(duì)捕獲功1002.永磁同步發(fā)電機(jī)組對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)組（PMSG），定子經(jīng)AC-DC-AC功率變換器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不存在直接耦合。電網(wǎng)電壓的瞬間降落會(huì)導(dǎo)致輸出功率的減小，而發(fā)電機(jī)的輸出功率瞬時(shí)不變，顯然功率不匹配將導(dǎo)致直流母線（DC-Link）電壓上升，這勢(shì)必會(huì)威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩(wěn)定DC-Link電壓，必然會(huì)導(dǎo)致輸出到電網(wǎng)的電流增大，過大的電流同樣會(huì)威脅功率變換器的安全。當(dāng)功率變換器直流側(cè)電壓在一定范圍波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)側(cè)功率變換器一般都能保持可控性，在電網(wǎng)電壓跌落期間，發(fā)電機(jī)仍可以保持很好的電磁控制。所以PMSG的低電壓穿越實(shí)現(xiàn)相對(duì)DFIG而言較為容易。2.永磁同步發(fā)電機(jī)組對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)組（P1012.7.3低電壓穿越技術(shù)1.低速直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)

電壓跌落期間PMSG的主要問題在于能量不匹配導(dǎo)致直流電壓的上升，可采取措施儲(chǔ)存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。首先，在功率變換器設(shè)計(jì)方面，選擇器件時(shí)放寬電力電子器件的耐壓和過電流值，并提高直流電容的額定電壓。這樣在電壓跌落時(shí)可以把DC-Link的電壓限定值調(diào)高，以儲(chǔ)存多余的能量，并允許網(wǎng)側(cè)功率變換器電流增大，以輸出更多的能量。其次，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方面，可減小PMSG電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，這樣會(huì)引起發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，從而利用轉(zhuǎn)速的暫時(shí)上升來儲(chǔ)存風(fēng)力機(jī)部分輸入能量，減小發(fā)電機(jī)的輸出功率。2.7.3低電壓穿越技術(shù)1.低速直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的102最后，可以考慮采用額外電路的單元儲(chǔ)存或消耗多余能量。

最后，可以考慮采用額外電路的單元儲(chǔ)存或消耗多余能量。1032.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)與PMSG相比，DFIG在電壓跌落期間面臨的威脅更大。電壓跌落出現(xiàn)的暫態(tài)轉(zhuǎn)子過電流、過電壓會(huì)損壞電力電子器件，而電磁轉(zhuǎn)矩的衰減也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的上升。

2.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)與P104由于DC-Link會(huì)出現(xiàn)過、欠電壓，因此可以考慮與PMSG一樣在DC-Link上接儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS），以保持DC-Link電壓穩(wěn)定，如圖2-64所示。

圖2-64轉(zhuǎn)子側(cè)帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的DFIG由于DC-Link會(huì)出現(xiàn)過、欠電壓，因此可以考1052.8風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)2.8.1風(fēng)電場(chǎng)的概念2.8.2陸地風(fēng)電場(chǎng)2.8.3海上風(fēng)電場(chǎng)2.8風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)1062.8.1風(fēng)電場(chǎng)的概念風(fēng)電場(chǎng)是在某一特定區(qū)域內(nèi)建設(shè)的所有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及配套設(shè)施的總稱。圖2-65德國的內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)圖2-66甘肅酒泉風(fēng)電場(chǎng)2.8.1風(fēng)電場(chǎng)的概念風(fēng)電場(chǎng)是在某一特定區(qū)域107圖2-67江蘇海安海岸風(fēng)電場(chǎng)圖2-68離岸近海風(fēng)電場(chǎng)圖2-67江蘇海安海岸風(fēng)電場(chǎng)圖2-68離岸近海風(fēng)電場(chǎng)1082.8.2陸地風(fēng)電場(chǎng)選擇安裝地點(diǎn)時(shí)經(jīng)常有以下三方面情況應(yīng)予考慮：一是風(fēng)能資源與氣象條件；二是地形地貌；三是建筑物。圖2-69風(fēng)力機(jī)與丘陵、樹林的安裝距離2.8.2陸地風(fēng)電場(chǎng)選擇安裝地點(diǎn)時(shí)經(jīng)常有以下109圖2-70氣流經(jīng)過臺(tái)地和山地圖2-70氣流經(jīng)過臺(tái)地和山地110圖2-72在建筑物上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖圖2-72在建筑物上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖111（a）對(duì)行排列（b）交錯(cuò)排列圖2-73盛行風(fēng)不是一個(gè)方向時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排列（a）對(duì)行排列112圖2-74盛行風(fēng)向基本不變的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排列圖2-74盛行風(fēng)向基本不變的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排列113圖2-75迎風(fēng)坡風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排列圖2-75迎風(fēng)坡風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排列1142.8.3海上風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)陸地風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電場(chǎng)與它的區(qū)別主要在坐落地址的不同，相應(yīng)的針對(duì)海上場(chǎng)址相對(duì)陸地風(fēng)電場(chǎng)有很大不同。海上風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作主要依賴電力設(shè)計(jì)院和設(shè)備供應(yīng)商，如采用丹麥編制的風(fēng)資源與應(yīng)用及分析軟件WasP分析風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源，然后運(yùn)用各種風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的排布。2.8.3海上風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)陸地風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電1152.8.4海上風(fēng)電發(fā)展與現(xiàn)狀一、成本高，維護(hù)不便，單機(jī)容量大。二、歐洲在前三、直流化傳輸趨勢(shì)2.8.4海上風(fēng)電發(fā)展與現(xiàn)狀116風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件117風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件118風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件119風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件120四、中國海上風(fēng)電發(fā)展簡(jiǎn)介五、浙江省海上風(fēng)電規(guī)劃發(fā)展四、中國海上風(fēng)電發(fā)展簡(jiǎn)介121齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機(jī)的體積和重量。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率、波形、電壓等進(jìn)行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對(duì)不同類型的發(fā)電機(jī)，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利122風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1232.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.1風(fēng)力機(jī)的基本類型2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理2.3.3風(fēng)能利用系數(shù)2.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理21242.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)向變化自動(dòng)繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風(fēng)力機(jī)與風(fēng)向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風(fēng)裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動(dòng)偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有1252.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則與異步發(fā)電機(jī)明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵(lì)磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構(gòu)，繞組中通以勵(lì)磁電流產(chǎn)生主磁場(chǎng)。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場(chǎng)，磁極結(jié)構(gòu)一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)126爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖1272.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)同步風(fēng)力發(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。1）并網(wǎng)條件2.6.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并1282.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關(guān)規(guī)范2.7.2低電壓對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響2.7.3低電壓穿越技術(shù)2.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基1292.1風(fēng)及風(fēng)能資源2.1.1風(fēng)的形成地球從地面直至數(shù)萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區(qū)有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區(qū)。

空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動(dòng)，稱為大氣運(yùn)動(dòng)。在氣象學(xué)上，一般把空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為紊流，垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)

!!風(fēng)，按照形成原因，有信風(fēng)、海陸風(fēng)和山谷風(fēng)等幾種。2.1風(fēng)及風(fēng)能資源2.1.1風(fēng)的形成地130（1）信風(fēng)。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區(qū)的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補(bǔ)，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現(xiàn)象。由于地球本身自西向東旋轉(zhuǎn)，大氣環(huán)流在北半球形成東北信風(fēng)，在南半球形成東南信風(fēng)。（2）海陸風(fēng)。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風(fēng)。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對(duì)溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風(fēng)。（3）山谷風(fēng)。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢(shì)低凹的山谷處受熱較少，則山谷內(nèi)冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風(fēng)。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動(dòng)，形成山風(fēng)。（1）信風(fēng)。赤道附近地區(qū)，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射1312.1.2風(fēng)的描述(描述風(fēng)的幾個(gè)概念)（1）風(fēng)向。風(fēng)向就是風(fēng)吹來的方向。例如，大氣從南向北流動(dòng)形成的風(fēng)，就稱為南風(fēng)。（2）風(fēng)速。風(fēng)速就是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上移動(dòng)的距離。通常所說的風(fēng)速，是指一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速的算術(shù)平均值。2.1.2風(fēng)的描述(描述風(fēng)的幾個(gè)概念)（1）風(fēng)向。風(fēng)向就是132

蒲福風(fēng)級(jí)的定義和描述蒲福風(fēng)級(jí)名稱風(fēng)速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風(fēng)0-0.2零級(jí)無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3-1.5一級(jí)軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6-3.3二級(jí)輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.4-5.4三級(jí)微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.5-7.9四級(jí)和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8-10.7五級(jí)清風(fēng)水起波6強(qiáng)風(fēng)10.8-13.8六級(jí)強(qiáng)風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.9-17.1七級(jí)疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2-20.7八級(jí)大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.8-24.4九級(jí)烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5-28.4十級(jí)狂風(fēng)樹根拔11暴風(fēng)28.5-32.6十一級(jí)暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng)>32.6十二級(jí)颶風(fēng)浪滔天蒲福風(fēng)級(jí)的定義和描述名稱風(fēng)速/（m/s）表現(xiàn)形式0無風(fēng)0-133（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度。

風(fēng)中流動(dòng)的空氣所具有的能量（動(dòng)能），稱為風(fēng)能。

（2-1）單位面積上流過的風(fēng)能就是風(fēng)能密度。

（2-2）（3）風(fēng)能和風(fēng)能密度。（2-1）單位面積1342.1.3世界風(fēng)能資源2.1.3世界風(fēng)能資源1352.1.4我國風(fēng)能資源圖2-1我國陸地的平均風(fēng)速分布圖2.1.4我國風(fēng)能資源圖2-1我國陸地的平均風(fēng)速分布圖136風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1372.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖2-3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成根據(jù)所發(fā)電能是否并入電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。圖2-3所示為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)要組成。2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2-3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的138齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利于減小發(fā)電機(jī)的體積和重量。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。電力電子接口的主要作用是對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率、波形、電壓等進(jìn)行變換與控制，以保證輸出電能的質(zhì)量。對(duì)不同類型的發(fā)電機(jī)，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發(fā)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速，這有利139圖2-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常還有變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)裝置、測(cè)風(fēng)裝置等。圖2-4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代并網(wǎng)型風(fēng)力140圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和電力電子接口等構(gòu)成，其容量一般較小，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較高，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，故一般沒有齒輪箱；發(fā)出的電能經(jīng)電力電子接口變換后直接供給負(fù)載，因此，也沒有變壓器，結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單許多。下圖為某類復(fù)雜并網(wǎng)型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理離網(wǎng)141風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件142風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件143離網(wǎng)型：

離網(wǎng)型：1442.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.1風(fēng)力機(jī)的基本類型2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理2.3.3風(fēng)能利用系數(shù)2.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制2.3.5變槳系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)2.3風(fēng)力機(jī)及其控制2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理21452.3.1風(fēng)力機(jī)的基本類型

風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可用機(jī)械能的機(jī)械裝置，它通常由一個(gè)在風(fēng)的升力或阻力作用下可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、安裝方式、運(yùn)行模式等的不同，風(fēng)力機(jī)可分為不同類型。根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的位置，風(fēng)力機(jī)可分為水平軸和垂直軸兩大類；對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)，依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子裝在塔架的迎風(fēng)側(cè)還是下風(fēng)側(cè)，可分為迎風(fēng)型和順風(fēng)型等；根據(jù)風(fēng)力機(jī)槳距角是否可以調(diào)整，分為定槳距和變槳距風(fēng)力機(jī)；根據(jù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速是否可以改變，又可分為恒速和變速風(fēng)力機(jī)等。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可用機(jī)械能的機(jī)械裝置，它通常1461.垂直軸與水平軸風(fēng)力機(jī)（a）結(jié)構(gòu)（b）實(shí)物照片圖2-6垂直軸風(fēng)力機(jī)1.垂直軸與水平軸風(fēng)力機(jī)（a）結(jié)構(gòu)147垂直軸風(fēng)力機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn),是它的發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)可以放在地面，減輕了對(duì)塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風(fēng)中吸收能量，故不需要偏航和對(duì)風(fēng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。但是，垂直軸風(fēng)力機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風(fēng)速環(huán)境下運(yùn)行，風(fēng)能利用率較低；其次，雖然它的發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)放在地面，但維護(hù)并不容易，常需將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會(huì)延伸很遠(yuǎn)，占用較大地面空間。垂直軸風(fēng)力機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn),是它的發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)148圖2-7水平軸風(fēng)力機(jī)圖2-7水平軸風(fēng)力機(jī)1492.定槳距與變槳距風(fēng)力機(jī)2.定槳距與變槳距風(fēng)力機(jī)1503.恒速與變速風(fēng)力機(jī)

恒速風(fēng)力機(jī)是指在正常運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速是恒定不變的。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)多采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，因此，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率所決定，無法調(diào)節(jié)，它雖然控制較簡(jiǎn)單，但風(fēng)能利用率較低。隨著電力電子等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了雙饋異步發(fā)電機(jī)，通過控制轉(zhuǎn)子繞組中電流的頻率，可以在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發(fā)電機(jī)。近年來新出現(xiàn)的低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)也是變速恒頻發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗墙?jīng)由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)改變。3.恒速與變速風(fēng)力機(jī)恒速風(fēng)力機(jī)是指在正常運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速是1512.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理、長(zhǎng)度為2.3.2風(fēng)力機(jī)的工作原理、長(zhǎng)度為152當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪平面時(shí)，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推力方向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面垂直，轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。由于槳葉的參數(shù)（攻角、弦長(zhǎng)等）沿著槳葉長(zhǎng)度是變化的，因此，槳葉上每一點(diǎn)所受到的推力和轉(zhuǎn)矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉(zhuǎn)矩應(yīng)是各點(diǎn)推力和轉(zhuǎn)矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長(zhǎng)度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，葉素將掃掠出一個(gè)圓環(huán)。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環(huán)當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪平面時(shí)，槳葉上將受到推力和轉(zhuǎn)矩的作用，其中推153圖2-10葉素受力分析合成風(fēng)速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風(fēng)速矢量與葉素弦線之間的夾角154為風(fēng)速矢量

為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。葉尖速比：為風(fēng)速矢量為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。葉尖速比：1552.3.3風(fēng)能利用系數(shù)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理2.3.3風(fēng)能利用系數(shù)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理156風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線

風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線157不同槳距角時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)

不同槳距角時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)158圖2-12具有不同葉片數(shù)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比圖2-12具有不同葉片數(shù)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比1592.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制風(fēng)力機(jī)的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風(fēng)力機(jī)理想功率曲線2.3.4風(fēng)力機(jī)的功率控制風(fēng)力機(jī)的綜合性能160在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，可采用下面的措施控制風(fēng)力機(jī)吸收的功率：

1.失速控制對(duì)于定速定槳距風(fēng)力機(jī)，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動(dòng)特性，使其在高風(fēng)速時(shí)產(chǎn)生失速來限制風(fēng)力機(jī)功率。在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，可采用下面的措施控制風(fēng)力機(jī)吸收的功161風(fēng)力發(fā)電及其控制可再生能源發(fā)電電子課件1622.主動(dòng)失速控制所謂主動(dòng)失速控制，就是在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速及以上時(shí)，通過人為地調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)力機(jī)加深失速。

圖2-152.主動(dòng)失速控制所謂主動(dòng)失速控制，就是在風(fēng)速達(dá)到額定163主動(dòng)失速控制的優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡(jiǎn)單（相對(duì)于后面的變槳控制）；缺點(diǎn)是：作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力增大，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷加重。主動(dòng)失速控制的優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制較簡(jiǎn)1643.變槳控制對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，可通過變槳機(jī)構(gòu)使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增大葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風(fēng)力機(jī)的功率保持不變。3.變槳控制對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速165主動(dòng)失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調(diào)節(jié)方向不同：主動(dòng)失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風(fēng)功率。因此，二者的槳距角調(diào)節(jié)方向相反。（2）調(diào)節(jié)頻率不同：變槳控制的槳距角可連續(xù)調(diào)節(jié)，其變槳機(jī)構(gòu)較復(fù)雜；而主動(dòng)失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規(guī)律不同：主動(dòng)失速控制時(shí)，風(fēng)輪軸向推力增加；而變槳控制時(shí)隨之減小，故氣動(dòng)載荷減小。主動(dòng)失速控制與變槳控制雖然都是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)1662.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角，從而改變風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生一個(gè)較大的啟動(dòng)力矩。（2）風(fēng)輪停止時(shí)，經(jīng)常使用的槳距角，使風(fēng)輪剎車制動(dòng)時(shí)，（3）額定風(fēng)速以下時(shí)，為盡可能捕捉較多的風(fēng)能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最佳槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，因此，槳距角隨風(fēng)速儀或功率輸出信號(hào)的變化而緩慢改變。（4）額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳控制可以有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收功率及風(fēng)輪所受載荷，使其不超過設(shè)計(jì)的限定值。（5）在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實(shí)現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。因此，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用變槳距風(fēng)力機(jī)。

空轉(zhuǎn)速度最小。在正槳距角時(shí)，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統(tǒng)變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變槳距角167圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖圖2-19變槳系統(tǒng)組成框圖168

（a）液壓變槳機(jī)構(gòu)（b）電動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)圖2-20變槳機(jī)構(gòu)

1692.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)向變化自動(dòng)繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風(fēng)力機(jī)與風(fēng)向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風(fēng)裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動(dòng)偏航圖2-21偏航系統(tǒng)2.3.6偏航系統(tǒng)為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有170圖2-22主動(dòng)偏航系統(tǒng)組成框圖圖2-22主動(dòng)偏航系統(tǒng)組成框圖1712.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)1722.4.1籠型異步發(fā)電機(jī)

1.定槳距風(fēng)電機(jī)組與籠型異步發(fā)電機(jī)定槳距就是風(fēng)力機(jī)葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨風(fēng)速的變化而變化。

定槳距風(fēng)電機(jī)組需要配套的發(fā)電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)速特性，并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)能夠滿足這一要求。

采用異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行有一系列優(yōu)點(diǎn)：籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜；不需要嚴(yán)格的并網(wǎng)裝置，可以較容易地與電網(wǎng)連接；異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速近似是恒定的，但允許在一定范圍內(nèi)變化，因此可吸收瞬態(tài)陣風(fēng)能量。2.4.1籠型異步發(fā)電機(jī)定槳距就是風(fēng)力機(jī)葉173采用異步發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是需要從電網(wǎng)吸收感性無功電流來勵(lì)磁，加重了電網(wǎng)對(duì)感性無功功率的負(fù)擔(dān)，因此，常需要對(duì)異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

在低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)域，定槳距風(fēng)電機(jī)組還面臨著系統(tǒng)效率低下的問題。

采用異步發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是需要從電網(wǎng)吸收感性1742.籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前，籠型異步發(fā)電機(jī)大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風(fēng)速區(qū)域，4極繞組工作，發(fā)電機(jī)輸出的功率較大；在低風(fēng)速區(qū)域，切換到6極繞組工作，發(fā)電機(jī)輸出的功率較小。

此外其他結(jié)構(gòu)方面與普通籠型異步電機(jī)沒有區(qū)別。

2.籠型異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前，籠型異步發(fā)電1752.4.2同步發(fā)電機(jī)1.同步發(fā)電機(jī)與變速恒頻風(fēng)電機(jī)組

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了中間變速機(jī)構(gòu)，由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。采用變槳距技術(shù)可以使槳葉和風(fēng)電機(jī)組的受力情況大為改善，然而，為了使機(jī)組轉(zhuǎn)速能快速跟蹤風(fēng)速的變化，以便實(shí)行最佳的葉尖速比控制，必須對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，這一直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變速恒頻控制的關(guān)鍵技術(shù)，目前已經(jīng)得到解決，只需在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間接入變流器，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間解耦，就允許發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組原理圖。2.4.2同步發(fā)電機(jī)1.同步發(fā)電機(jī)與變速恒頻風(fēng)電機(jī)組176圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組圖2-28變速恒頻控制的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組1772.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則與異步發(fā)電機(jī)明顯不同。轉(zhuǎn)子分為電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩類。電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵(lì)磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結(jié)構(gòu)，繞組中通以勵(lì)磁電流產(chǎn)生主磁場(chǎng)。永磁轉(zhuǎn)子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內(nèi)置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產(chǎn)生主磁場(chǎng)，磁極結(jié)構(gòu)一般有表面式或內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)178

3.運(yùn)行原理

與異步發(fā)電機(jī)不同，同步發(fā)電機(jī)是一種雙邊激勵(lì)的發(fā)電機(jī)。其定子（電樞）繞組接到電網(wǎng)以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產(chǎn)生定子磁動(dòng)勢(shì)，并建立起定子（電樞）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流建立轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)，或者由永磁體直接產(chǎn)生主磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)也將以同步速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均以同步速度旋轉(zhuǎn)，二者是相對(duì)靜止的，依靠定、轉(zhuǎn)子磁極之間的磁拉力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，傳遞電磁功率。3.運(yùn)行原理與異步發(fā)電機(jī)不同，同步發(fā)電機(jī)是一種雙1792.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)1.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組與雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)當(dāng)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組不需要大范圍的變速運(yùn)行，而只需要在較窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變速控制時(shí)，可選擇雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間。采用雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)1.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組與1802.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與籠型異步發(fā)電機(jī)基本相同。二者在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同，前者為繞線型轉(zhuǎn)子繞組，后者為籠型轉(zhuǎn)子繞組。

為了使三相轉(zhuǎn)子繞組與外部控制電路（回饋?zhàn)冾l器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設(shè)三個(gè)集電環(huán)，將轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)出線端分別接到三個(gè)集電環(huán)上，再通過電刷引出。2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙饋（繞線轉(zhuǎn)子）異步發(fā)電機(jī)的定子1813.運(yùn)行原理與特性雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與籠型異步發(fā)電機(jī)基本相同，只是由于轉(zhuǎn)子使用了繞線型繞組，才使之可以實(shí)現(xiàn)雙饋運(yùn)行。所謂雙饋就是電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運(yùn)行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)來說，定、轉(zhuǎn)子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當(dāng)電能的傳送方向?yàn)殡姍C(jī)-電網(wǎng)方向時(shí)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電能傳送方向相反時(shí)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；在轉(zhuǎn)子邊，在變流器的電機(jī)側(cè)電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以用功率傳遞關(guān)系來加以說明，如圖2-34所示。3.運(yùn)行原理與特性雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理與籠182圖2-34雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系圖2-34雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系183圖2-35雙饋異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性圖2-35雙饋異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性1842.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行與控制

控制系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電質(zhì)量。圖2-36風(fēng)力機(jī)的理想功率曲線2.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行與控制