新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)資料課件

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)劉細(xì)平博士副教授10/6/20237/29/2023本書主要內(nèi)容第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論

第2章電源變換和控制技術(shù)基礎(chǔ)知識

第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)

第5章生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

第6章天然氣、燃?xì)獍l(fā)電與控制技術(shù)

第7章水能、小水力發(fā)電與控制技術(shù)

第8章海洋能利用與發(fā)電技術(shù)

第9章其他新能源的發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)

10/6/2023本書主要內(nèi)容第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論

第2章電源變緒論新能源利用包括可再生能源(風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮?、氫能、核能轉(zhuǎn)換及其利用新技術(shù)（高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)）。

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)涉及：①利用可再生能源和清潔能源發(fā)電，以便持續(xù)獲得二次清潔能源―電能；②對電能通過變換與控制，滿足高質(zhì)量的終端能源消費(fèi)需求和電力的高效管理。

10/6/2023緒論7/29/2023第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論10/6/2023第1章7/29/202310/6/20237/29/20231.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略1.2能源的分類與基本特征1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式1.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義

本章主要內(nèi)容10/6/20231.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略本章主要內(nèi)容7/1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲備

1、中國的能源結(jié)構(gòu)中國是一個(gè)能源大國，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭儲量最為豐富，僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個(gè)能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。

10/6/20231.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲10/6/20237/29/2023

煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀(jì)中葉，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會改變。

在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中，以煤炭為主要能源直接進(jìn)行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。10/6/2023煤多油少是中國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后202、中國的資源和能源儲備

我國對能源的開發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度，但能源利用效率的低下。我國能源利用效率僅為30%左右。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當(dāng)突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實(shí)現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。10/6/20232、中國的資源和能源儲備7/29/2023中國與世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2001年）10/6/2023中國與世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀10/6/2023中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀7/29/2023年份占能源消費(fèi)總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)10/6/2023年份占能源消費(fèi)總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電1“十五”以來中國能源消費(fèi)增長情況10/6/2023“十五”以來中國能源消費(fèi)增長情況7/29/20231.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國能源發(fā)展成就巨大：實(shí)現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費(fèi)僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當(dāng)大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。10/6/20231.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略7/29/2023

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，陸續(xù)出臺一系列鼓勵(lì)政策與配套措施。這標(biāo)志著可再生能源的利用已進(jìn)入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟(jì)與社會事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機(jī)組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點(diǎn)。

10/6/2023在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，陸續(xù)風(fēng)力發(fā)電10/6/2023風(fēng)力發(fā)電7/29/2023水力發(fā)電10/6/2023水力發(fā)電7/29/2023燃料電池汽車10/6/2023燃料電池汽車7/29/2023奧體中心光伏發(fā)電項(xiàng)目

10/6/2023奧體中心光伏發(fā)電項(xiàng)目7/29/20231.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1、能源能源是可以直接或通過轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運(yùn)行。2、能源的分類

“世界能源理事會(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質(zhì)能；風(fēng)能；海洋能；地?zé)崮?；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

10/6/20231.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類7/29/21.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點(diǎn)，便少一點(diǎn)。

10/6/20231.2.2能源的基本特征一次能源可再生能源非再生能源二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油10/6/2023二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。如：終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源。常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。10/6/2023終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源1.2.3新能源及主要特征新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟(jì)上合理；環(huán)境和社會可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮堋淠?、核能新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)10/6/20231.2.3新能源及主要特征7/29/2023“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，不注重資源、環(huán)境代價(jià)的傳統(tǒng)能源利用理念。“新”：①高效利用能源；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

10/6/2023“新”與“舊”的區(qū)別7/29/20231.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源

國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項(xiàng)目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

10/6/20231.2.4分布式能源及主要特征7/29/2023國際公認(rèn)的兩個(gè)具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，這是實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池10/6/2023國際公認(rèn)的兩個(gè)具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：高效微型燃?xì)廨啓C(jī)10/6/2023微型燃?xì)廨啓C(jī)7/29/20232、分布式能源主要特征

(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電10/6/20232、分布式能源主要特征7/29/20231.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國家風(fēng)電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點(diǎn)主要集中在大型風(fēng)力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風(fēng)力預(yù)報(bào)方法；開展與風(fēng)能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電等。

10/6/20231.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式7/29/2023太陽能發(fā)電美國是世界上太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成多個(gè)MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項(xiàng)目——“太陽能之星”10/6/2023太陽能發(fā)電美國最大太陽能發(fā)電項(xiàng)目——“太陽能之星”7/29/燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點(diǎn)發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運(yùn)輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進(jìn)的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車10/6/2023燃料電池發(fā)電燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池汽車7/29/2023生物質(zhì)發(fā)電全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當(dāng)于10.2萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界每年耗能（87億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但目前開發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠10/6/2023生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠7/29/2023核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點(diǎn)：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣10/6/2023核能發(fā)電俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠核能發(fā)電廠水蒸氣7/29/2燃?xì)獍l(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃?xì)夤芫W(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達(dá)用戶。由小型燃機(jī)、微型燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽唤?。帕帕蘭多燃?xì)怆娬镜?臺燃?xì)鈾C(jī)組都是由中國制造?？傃b機(jī)容量為33.6萬千瓦。

10/6/2023燃?xì)獍l(fā)電距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽黄渌€有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地?zé)崮馨l(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站10/6/2023其他還有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。1.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——我國太陽能電池制造水平比較先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%。已建成1座光伏電站，總?cè)萘考s40MW。風(fēng)能發(fā)電——到2005年底，我國獨(dú)立風(fēng)電裝置有10多萬臺，總?cè)萘?0MW左右，80%以上在內(nèi)蒙古。新疆達(dá)板城風(fēng)電二場是我國目前最大的聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場，我國自行研制的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。地?zé)崮馨l(fā)電——地?zé)崮芪覈責(zé)岚l(fā)電站總裝機(jī)容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個(gè)地?zé)犭娬疽?guī)模較大。生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機(jī)容量約800MW。10/6/20231.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

7/29/2023燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進(jìn)展。燃料電池技術(shù)列入了國家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項(xiàng)目，其研究目標(biāo)直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風(fēng)險(xiǎn)低、效益穩(wěn)、運(yùn)營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵(lì)下，全國掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計(jì)，中國計(jì)劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達(dá)300億美元。開發(fā)時(shí)序預(yù)期為：2000－2020年重點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)；2020－2030年重點(diǎn)開發(fā)快中子堆技術(shù)；2030－2040年重點(diǎn)開發(fā)加速器驅(qū)動(dòng)亞1臨界系統(tǒng)；2040－2050年重點(diǎn)開發(fā)受控核聚變技術(shù)。

10/6/2023燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來，我國在燃料1.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1.3.3.1太陽能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負(fù)載等構(gòu)成。

10/6/20231.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)7/29/2（1）光伏陣列實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，將若干個(gè)光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級。1個(gè)光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成10/6/2023（1）光伏陣列圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成7/29/2023（2）蓄電池組

作為電能存儲環(huán)節(jié)，通過充電控制器實(shí)現(xiàn)對蓄電池組的充放電（太陽能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負(fù)載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實(shí)現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器10/6/2023（2）蓄電池組直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽能最大功率點(diǎn)控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負(fù)載

終端電能消耗設(shè)備，通過消耗電能作功，將電能再次轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。負(fù)載直流負(fù)載——由直流電源供電

交流負(fù)載——由交流電源供電

10/6/2023（4）控制器負(fù)載直流負(fù)載——由直流電源供電交流負(fù)載2、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)——獨(dú)立用戶安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電站。一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)10/6/20232、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電站（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)10/6/2023（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)7/29/3、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變電路是所有新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎(chǔ)。根據(jù)直流母線采用的儲能組件，將逆變電路分成兩大類：逆變電路電流源型電壓源型10/6/20233、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逆變電路電流源型電壓源型7/29（1）電流源逆變電路

——直流母線采用電感（L）儲能圖1-4典型電流源逆變電路

10/6/2023（1）電流源逆變電路圖1-4典型電流源逆變電路7/29/（2）電壓源逆變電路——直流母線采用電容（C）儲能圖1-5典型電壓源逆變電路

10/6/2023（2）電壓源逆變電路圖1-5典型電壓源逆變電路7/29（3）復(fù)雜逆變電路

優(yōu)點(diǎn)是輸出波形質(zhì)量高、諧波分量小，單只開關(guān)器件的電壓低；缺點(diǎn)是存在中點(diǎn)平衡問題，電路控制復(fù)雜，成本高。圖1-6二極管箝位的三電平電路

10/6/2023（3）復(fù)雜逆變電路優(yōu)點(diǎn)是輸出波形質(zhì)量高、諧波分量小，單只開關(guān)（4）級聯(lián)式逆變器

多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方便地組合成多電平光伏逆變器，但由于各級電平中對應(yīng)的光伏陣列可能存在不均衡，電平平衡控制仍然是一個(gè)難題，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖1-7級聯(lián)式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

10/6/2023（4）級聯(lián)式逆變器多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方1.3.3.2風(fēng)力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括兩大部分：一部分是風(fēng)力機(jī)，由它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；另一部分是發(fā)電機(jī)，由它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)型式上分水平軸式與垂直軸式。垂直軸水平軸10/6/20231.3.3.2風(fēng)力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)垂直軸水平軸1．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，由機(jī)械、電氣及控制３大系統(tǒng)組合構(gòu)成。包括風(fēng)輪（風(fēng)力機(jī)）、發(fā)電機(jī)、變速器及有關(guān)控制器和儲能裝置。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：風(fēng)能資源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制裝置蓄能裝置備用電源電能用戶10/6/20231．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7/29/2023２．獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

又稱離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶使用。圖1-8獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

10/6/2023２．獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖1-8獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲能方式：蓄電池蓄能(主要）——在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池作為存儲電能的裝置。抽水蓄能——地形條件合適壓縮空氣儲能飛輪儲能電解水制氫儲能10/6/2023儲能方式：7/29/2023３、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1）恒速恒頻方式——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。采用籠形異步發(fā)電機(jī)。圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

10/6/2023３、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)7恒速發(fā)電的特點(diǎn)：電氣系統(tǒng)簡單，可適合于在野外缺少維護(hù)的環(huán)境下工作。轉(zhuǎn)速不變，輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應(yīng)快，動(dòng)作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)易疲勞損壞；強(qiáng)陣風(fēng)來時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，機(jī)械承受應(yīng)力大，要求堅(jiān)固，所以又稱“剛性”風(fēng)力發(fā)電。適用于小功率風(fēng)電系統(tǒng)，通常不大于600kW。10/6/2023恒速發(fā)電的特點(diǎn)：7/29/2023（2）變速恒頻方式——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動(dòng)作變速運(yùn)行，但仍輸出恒定頻率的交流電。變速發(fā)電的特點(diǎn)：在不同風(fēng)速下，渦輪機(jī)都工作在最高效率點(diǎn)，提高效率10%；減小發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和機(jī)械承受的應(yīng)力，減輕機(jī)械強(qiáng)度要求，又稱“彈性”風(fēng)力發(fā)電；電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，發(fā)出電力的波動(dòng)小，提高發(fā)電質(zhì)量；在強(qiáng)風(fēng)來時(shí)傾角控制器才工作，對傾角控制的響應(yīng)速度大大降低、動(dòng)作次數(shù)顯著減少、機(jī)構(gòu)壽命得以延長。適用于大功率發(fā)電場合，通常大于1000kW

10/6/2023（2）變速恒頻方式7/29/2023a、同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)：①發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩；②可以使用永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輕、效率高，變換器增加的投資可以從節(jié)省的機(jī)械結(jié)構(gòu)中得到補(bǔ)償；③變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，形式簡單。

圖1-10同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)10/6/2023a、同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)：圖1-10同步發(fā)電機(jī)的直b、雙饋發(fā)電機(jī)(繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī))的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)。

圖1-11雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)系統(tǒng)10/6/2023b、雙饋發(fā)電機(jī)(繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī))的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW10/6/2023異步交直交并網(wǎng)發(fā)電7/29/2023特點(diǎn)：①在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，投資和損耗小，發(fā)電效率提高，諧波吸收方便；②要求雙向功率流過變頻器，變頻器必須是四象限雙PWM變頻器，由兩套IGBT變換器構(gòu)成；③只能使用雙饋發(fā)電機(jī)，比永磁發(fā)電機(jī)重，效率低。兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應(yīng)用。其中，由于雙饋發(fā)電系統(tǒng)可獲得較高的發(fā)電效率，屬于重點(diǎn)推廣技術(shù)。10/6/2023特點(diǎn)：7/29/2023４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制變速恒頻發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制?？刂埔螅孩俚惋L(fēng)速段按輸出最大功率要求進(jìn)行變速控制；②中風(fēng)速段為過渡區(qū)段，傾角控制器投入工作，功率則隨風(fēng)速增加上升；③高風(fēng)速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段，功率靠變頻器限制。10/6/2023４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制7/29/2023（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻器控制原理框圖10/6/2023（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻（2）風(fēng)機(jī)漿葉節(jié)距控制

圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖10/6/2023（2）風(fēng)機(jī)漿葉節(jié)距控制圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖1.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)分類：固定式的燃料電池汽車專用移動(dòng)式燃料電池特點(diǎn)：低噪聲；變換效率高，對環(huán)境的污染幾乎為零；體積小，使用方便；能使用多種燃料發(fā)電，可以代替火力發(fā)電。10/6/20231.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)7/29/20231．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

燃料重整系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)DC/AC變換系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)燃料空氣電力熱輸出（高溫燃料電池）圖1-14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖10/6/20231．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成燃料空氣DC/AC剩氣排熱燃料空氣電燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池能使用的以氫為主要成分的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；空氣供應(yīng)系統(tǒng)――可以使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的送風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)；DC/AC變換系統(tǒng)――直流到交流的逆變裝置；排熱回收系統(tǒng)――用于回收燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能；控制系統(tǒng)――燃料電池發(fā)電時(shí)的起動(dòng)、停止、運(yùn)行、外接負(fù)載等的控制裝置；剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)――在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。

10/6/2023燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池能使用的以氫為主要2．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)

燃料供給燃料處理器(汽油或甲烷)燃料電池堆DC/DC變換器DC/AC變換器220V/50Hz負(fù)載熱管理余熱回收蓄電池燃料電池控制器－空氣管理－燃料管理－傳感器電力控制器中央動(dòng)力控制單元H2并網(wǎng)運(yùn)行K燃料電池發(fā)電――電源變換系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機(jī)相似。

圖1-15燃料電池發(fā)電——電源變換控制系統(tǒng)框圖10/6/20232．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)燃料燃料處理器燃料燃料電池的分類：按電解質(zhì)性質(zhì)分：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell－AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell－PEMFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell－PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell－MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell－SOFC）按工作溫度分：低溫燃料電池（AFC、PEMFC、PAFC）高溫燃料電池（MCFC、SOFC）按開發(fā)早晚順序：把PAFC稱為第一代燃料電池；把MCFC稱為第二代燃料電池；把SOFC稱為第三代燃料電池。10/6/2023燃料電池的分類：7/29/20231.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義1.4.1能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎1、世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

過去100多年世界能源消費(fèi)變化10/6/20231.4新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義1.4.1能源是經(jīng)濟(jì)10/6/20237/29/20232、中國能源消費(fèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

10/6/20232、中國能源消費(fèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢7/29/20233、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

實(shí)現(xiàn)未來15年的發(fā)展目標(biāo)，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應(yīng)包括以下3個(gè)方面：綜合利用能源——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標(biāo)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式。替代能源——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術(shù)和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，降低對石油進(jìn)口的依賴。新能源轉(zhuǎn)換——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。10/6/20233、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用7/29/20231.4.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義1、新能源轉(zhuǎn)換的資源保障（1）光伏發(fā)電——利用光伏電池將太陽產(chǎn)生的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電形式太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式有：光――熱轉(zhuǎn)換光――電轉(zhuǎn)換光――化學(xué)轉(zhuǎn)換但如何合理利用太陽能發(fā)電，提高光――電轉(zhuǎn)換效率，降低開發(fā)和轉(zhuǎn)化成本，是太陽能發(fā)電與控制技術(shù)面臨的重要課題。

10/6/20231.4.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義7/29/2023（2）風(fēng)能發(fā)電——利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。中國的風(fēng)能總儲量估計(jì)為1.6×109kW，列世界第三位。風(fēng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性由風(fēng)車的安裝地點(diǎn)、方向、風(fēng)速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電——利用核反應(yīng)堆釋放出的核能量進(jìn)行的發(fā)電形式。新核能10/6/2023（2）風(fēng)能發(fā)電——利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式（4）小水利發(fā)電——裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。優(yōu)勢：開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；具有極強(qiáng)的適用性和輻射性；是國際上大力提倡的清潔可再生的綠色能源；在環(huán)境保護(hù)、扶貧及提供農(nóng)村能源等方面均具有顯著作用。小水利10/6/2023（4）小水利發(fā)電——裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程形成的生物質(zhì)氣、油通過燃燒發(fā)電的形式。全世界約25億人的生活能源的90%以上是生物質(zhì)能。優(yōu)點(diǎn)：燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點(diǎn)：熱值及熱效率低，能量密度低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，體積大而不易運(yùn)輸。10/6/2023（5）生物質(zhì)能發(fā)電——利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程形成的生物質(zhì)氣、油通（6）海洋能發(fā)電——利用海洋的各種能量，直接將其轉(zhuǎn)換為電能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能優(yōu)點(diǎn)：蘊(yùn)藏豐富、分布廣、清潔無污染，但能量密度低、地域性強(qiáng)缺點(diǎn)：開發(fā)困難，并有一定的局限潮汐發(fā)電和小型波浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。10/6/2023（6）海洋能發(fā)電——利用海洋的各種能量，直接將其轉(zhuǎn)換為電能（7）地?zé)崮馨l(fā)電——利用高溫地?zé)豳Y源進(jìn)行發(fā)電的形式。缺點(diǎn)：由于地?zé)崽锏姆植家话氵h(yuǎn)離人口密集的城鎮(zhèn)，要利用這些資源就存在蒸汽或熱水長距離輸送的困難。氫能發(fā)電——用電解法、熱化學(xué)法、光電化學(xué)法、等離子體化學(xué)法等制備氫氣，再經(jīng)燃料或制成氫燃料電池發(fā)電的形式。

BMW氫能7系概念車時(shí)速300km/h以上10/6/2023（7）地?zé)崮馨l(fā)電——利用高溫地?zé)豳Y源進(jìn)行發(fā)電的形式。BMW2、新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義目前除水電外，最有競爭潛力和增長速度最快的是風(fēng)能。2004年德國的風(fēng)力發(fā)電量已達(dá)245億kW·h，可滿足全國4%的用電量。太陽能設(shè)施建造成本太高，光伏發(fā)電系統(tǒng)平均為5000歐元／kW·h，太陽能供熱系統(tǒng)平均為2500歐元／kW·h，因此與化石能源相比，短期內(nèi)還缺乏競爭力。我國在地?zé)崮馨l(fā)電、潮汐發(fā)電等方面已有規(guī)模化應(yīng)用由于《京都議定書》的生效，氫能作為有望替代石油的動(dòng)力燃料，得到了各發(fā)達(dá)國家的普遍關(guān)注。作為替代石油的重要戰(zhàn)略選擇，生物質(zhì)燃料也成為世界最新關(guān)注的熱點(diǎn)。生物質(zhì)能可直接生產(chǎn)和提供動(dòng)力液體燃料，這對于解決交通能源十分重要。核電是新能源體系中能量密度最大，運(yùn)行成本較低的清潔能源。

10/6/20232、新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義7/29/2023第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)10/6/2023第3章7/29/202310/6/20237/29/2023

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)電機(jī)組及工作原理3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償3.5風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評價(jià)10/6/2023本章主要內(nèi)容7/29/2023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、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。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。10/6/2023緒論在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)感性認(rèn)識：各式風(fēng)機(jī)10/6/2023感性認(rèn)識：各式風(fēng)機(jī)7/29/202310/6/20237/29/202310/6/20237/29/202310/6/20237/29/20233.1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)10/6/20233.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1風(fēng)的產(chǎn)生圖3-1地球3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能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。

10/6/20233.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、隨機(jī)性式中ν——距地3.1.3風(fēng)的表示及應(yīng)用1、風(fēng)向

風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風(fēng)向方位圖10/6/20233.1.3風(fēng)的表示及應(yīng)用風(fēng)向一般2、風(fēng)速由于風(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)力風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對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)度等級來估計(jì)風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個(gè)等級。

風(fēng)力等級與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級風(fēng)的平均風(fēng)速(m/s)；N——風(fēng)的級數(shù)。10/6/20232、風(fēng)速風(fēng)力等級與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級風(fēng)的平均風(fēng)4、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度，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。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。

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能利用，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。10/6/20234、風(fēng)能（2）風(fēng)能，空氣在一秒鐘時(shí)間內(nèi)以速度ν流過面風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況如圖所示。圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況10/6/2023風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況7/29/203.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類

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。10/6/20233.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類風(fēng)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

10/6/2023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，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。10/6/20232、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)7/29/2023（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)見右圖。

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)10/6/2023（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水平軸獨(dú)

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)如右圖所示

（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10/6/2023并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪并網(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)如右圖。

（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)10/6/2023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)3.2.2風(fēng)力機(jī)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)10/6/20233.2.2風(fēng)力機(jī)圖3-9水平軸風(fēng)力機(jī)7/29/20232、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)10/6/20232、垂直軸風(fēng)力機(jī)：圖-10垂直軸風(fēng)力機(jī)7/29/2023水平軸垂直軸10/6/2023水平軸垂直軸7/29/20233.2.3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10/6/20233.2.3風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理風(fēng)力發(fā)電現(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。

10/6/2023現(xiàn)分析風(fēng)輪不動(dòng)時(shí)受到風(fēng)吹的情況：7/29/2023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：10/6/2023風(fēng)力機(jī)的輸出功率7/29/2023

對應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)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。

圖3-13風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系10/6/2023對應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系CPm有一個(gè)葉尖速比λ3.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)

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)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。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。10/6/20233.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過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)直流電和交流電的持續(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)10/6/20231、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)圖3-14獨(dú)立運(yùn)行的（1）直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)從磁場產(chǎn)生（勵(lì)磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機(jī)和電磁式直流發(fā)電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無刷化，永磁直流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機(jī)。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)10/6/2023圖3-15電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)7/29/2023（2）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3-17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10/6/2023（2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī)圖3-17凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)

如下圖，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)速變化對發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖10/6/2023（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)圖3-18硅整流自勵(lì)式交流（4）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，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理10/6/2023（4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)圖3-19電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)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。

10/6/2023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)7/210/6/20237/29/2023（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3-25雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10/6/2023（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)圖3-25雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7/10/6/20237/29/2023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)磁場始終是相對靜止的，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。10/6/2023雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：7/29/2023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)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。10/6/2023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)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)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。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。

10/6/20232）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)，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；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；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)。10/6/2023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，（4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)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，常用的有級聯(lián)式和磁場調(diào)制型兩種類型。圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

圖3-28磁場調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

10/6/2023（4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡稱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3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

10/6/2023（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)圖3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)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)成如圖所示。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，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)、研究價(jià)值。圖3-30開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成10/6/2023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)3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用微機(jī)控制，如下圖所示。10/6/20233.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略與一般2－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風(fēng)向標(biāo)4－風(fēng)速計(jì)5－頻率計(jì)6－電壓表7－電流表8－控制機(jī)構(gòu)9－執(zhí)行機(jī)構(gòu)10－液壓調(diào)速油缸11－調(diào)向電機(jī)12－其他傳感器

圖3-32風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微機(jī)自控原理框圖10/6/20232－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風(fēng)向標(biāo)4－風(fēng)速計(jì)5－頻率計(jì)6－3.3.1風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標(biāo)主要有四個(gè)：保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機(jī)組壽命延長。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個(gè)：①在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；②低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能；③高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值；④減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；10/6/20233.3.1風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求7/29/2023⑤減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；⑥控制器簡單，控制代價(jià)小，對一些輸入信號進(jìn)行限幅；⑦調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。10/6/2023⑤減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；為實(shí)現(xiàn)上3.3.2并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制風(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。1、定槳距失速調(diào)節(jié)定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，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失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。

10/6/20233.3.2并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制風(fēng)力機(jī)的功定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，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)大為簡化，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、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。2、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(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。10/6/2023定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡單可（1）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)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。10/6/2023（1）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

c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，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，功角α減小，如圖所示。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)。10/6/2023c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制7a）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。10/6/2023a）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3、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(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比較后進(jìn)行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖10/6/20233、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)圖3-38傳統(tǒng)的變槳新型控制系統(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)如圖所示。圖3-39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)10/6/2023新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)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)原理如下圖所示。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。

10/6/2023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)子軸圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖

10/6/2023圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖7/29/202變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制

1、原理變速恒頻是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過適當(dāng)?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。

2、特點(diǎn)

1.可大范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地吸收風(fēng)能，系統(tǒng)效率高；2.能吸收和存貯陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的疲勞損壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長機(jī)組壽命，減少噪聲；3.可以控制有功功率和無功功率，電能質(zhì)量高。10/6/2023變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制7/29/20233、調(diào)節(jié)控制過程(1)起動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)；(2)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；(3)在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。10/6/20233、調(diào)節(jié)控制過程7/29/20234、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類型

(1)籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機(jī)組中難以實(shí)現(xiàn)；需加電容補(bǔ)償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。

10/6/20234、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類型不(2)同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機(jī)簡單，可通過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無功功率的控制。10/6/2023(2)同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)：變(3)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(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。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

10/6/2023(3)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特(4)無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器的容量較小；除實(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3-46無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)10/6/2023(4)無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)：變頻5、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的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)，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。10/6/20235、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略7/29/2023(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，圖為最佳轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線。10/6/2023(1)轉(zhuǎn)速控制策略7/29/2023為實(shí)現(xiàn)對最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，一般有間接速度控制和直接速度控制兩種方法，分別如下圖所示。圖3-48a)間接速度控制策略

10/6/2023為實(shí)現(xiàn)對最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，一圖3-48b)直接速度控制策略

10/6/2023圖3-48b)直接速度控制策略7/29/2023(2)功率控制策略一般采用兩種方法：①控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)輪的葉尖速比，維持功率不變；②改變槳葉節(jié)距角來改變空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩；或?qū)煞N方法結(jié)合起來，以改善性能。

10/6/2023(2)功率控制策略7/29/2023圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

10/6/2023圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖7/29/2023圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

10/6/2023圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖7/29/20236、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制實(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。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)圖如圖所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機(jī)的簡稱。

10/6/20236、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制7/29/202圖3-51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)

10/6/2023圖3-51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)電圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路10/6/2023圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電7、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示為語言規(guī)劃用于控制器的設(shè)計(jì)，不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，非常適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對于變速恒頻控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可針對機(jī)組的不同狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器，以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

10/6/20237、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制7/29/2023圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量10/6/2023圖3-57模糊邏輯控制器框圖7/29/2023(2)模型參考自適應(yīng)控制針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點(diǎn)，采用模型參考自適應(yīng)控制，通過參考模型的建立和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制器參數(shù)的適時(shí)修正來降低不確定性對系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率的控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，

10/6/2023(2)模型參考自適應(yīng)控制7/29/2023圖3-58模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉(zhuǎn)速，ω為發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，ωw為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，υ為風(fēng)速，ω*為參考轉(zhuǎn)速，e為參考轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差

10/6/2023圖3-58模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)ωopt為希望除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會得到更大的發(fā)展。10/6/2023除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其學(xué)習(xí)和自收斂性可設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力，因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應(yīng)的應(yīng)用研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還可以與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。除了上述的三種智能控制方法外，還有滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會得到更大的發(fā)展。

10/6/2023(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)和功率補(bǔ)償

由于風(fēng)能是一個(gè)不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行。

10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電