风力发电详解

风力发电

WindPower

Generation第二章

主要内容2.1风速2.2风力发电机组类型2.3风力发电机组结构2.4风力发电机组基本工作原理2.5风力发电机组控制系统2.2风力发电机组类型按旋转轴分类按容量分类按功率调节方式按发电机类型

按转速分类

2.2风力发电机组类型按旋转轴分类水平轴式垂直轴式2.2风力发电机组类型按旋转轴分类水平轴式类型垂直轴式类型比较、发展趋势…小型(10kW)家庭农场远程应用中型(100-660kW)村庄能源混合系统分布式电源大型(1MW)分布式电源大规模并网风场按功率大小分类2.2风力发电机组类型按功率调节方式分类定桨距失速型变桨距型桨距角：叶片也风轮旋转平面夹角。

如图所示。失速特性：当风速超过额定风速，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低。2.2风力发电机组类型按发电机类型分类鼠笼型异步发电机双馈式异步发电机永磁直驱式同步发电机电励磁同步发电机2.2风力发电机组类型外形图按转速分类恒速恒频风力发电机普通鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电机双馈式异步发电机永磁直驱式同步发电机电励磁同步发电机2.2风力发电机组类型2.3风力发电机组结构水平轴式961324510871-Blade2-Hub3-Mainshaft4-Gearbox5-Highspeedshaft&brake6-Generator7-Nacelle8-Windsensor9-Yawsystem10-Tower11-Controlsystem2.3风力发电机组结构主要结构风轮传动轴系偏航系统变桨系统发电机及控制系统塔架风轮叶片轮毂2.3风力发电机组结构传动轴系低速轴齿轮箱高速轴2.3风力发电机组结构偏航系统

跟踪风向功能

自动解缆2.3风力发电机组结构组成：风向标

扭揽开关

偏航编码器

软启动器

偏航机构偏航电机变桨系统变桨电机变频器电源（开关电源/超级电容）编码器限位开关2.3风力发电机组结构发电机及控制系统2.3风力发电机组结构鼠笼型异步风力发电机发电机及控制系统2.3风力发电机组结构双馈式异步风力发电机发电机及控制系统2.3风力发电机组结构永磁直驱式风力发电机几种常用变流器拓扑结构…发电机及控制系统2.3风力发电机组结构直驱永​磁型​风力发电机组（PMSG）变流器拓扑结构

塔架支撑作用

保持一定高度2.3风力发电机组结构风推力弯矩受力

偏心重量弯矩

风轮转动反力矩

风扰动弯矩格状筒状2.4基本原理风力机工作原理发电机工作原理

恒速恒频鼠笼型异步发电机

变速恒频双馈式异步发电机变速恒频永磁直驱式同步发电机变速恒频电励磁同步发电机2.4基本原理风力机工作原理风机旋转的工作原理

2.4基本原理风力机工作原理Betz理论

风力机：风能→机械能

转换效率风能利用系数

2.4基本原理风力机工作原理

叶尖速比：桨距角增大使减小2.4基本原理风力机工作原理风力机输出功率：

：空气密度，：风速，R：叶片半径风力机工作原理当风速<额定风速：使

2.4基本原理最大功率点跟踪——MPPT2.4基本原理MPPT控制算法1、叶尖速比法2.4基本原理缺点：1）风速测量精确性

2）不同风机不同算法不可移植。MPPT控制算法2、功率曲线法2.4基本原理缺点：不同风机特性不同

功率曲线：指风力发电机组输出功率和风速的对应曲线。描绘风电机组净电功率输出与风速的函数关系图和表。光伏发电中的最大功率点跟踪（MPPT）是随着日照强度及温度的改变，及时调整DC-DC变换器，从而使光伏电池输出阻抗与负载阻抗相匹配，让太阳能电池输出最大的功率。MPPT控制算法3、爬山法2.4基本原理特点：1）无需知道风机特性

2）控制灵活MPPT控制算法4、智能控制法2.4基本原理利用模糊控制、运用神经网络使控制系统不断学习，校正特性曲线，再利用功率闭环控制.恒速恒频鼠笼型异步发电机nr<n1，s<0：电动机状态，电磁转矩为驱动转矩，转子转速将被电网拉至n1.nr>n1，s>0：发电机状态，电磁转矩为制动转矩，转子转速将被电网拖至n1.发电机处于接近同步转速n1状态，就像转速恒定不变——恒速恒频风力发电机。2.4基本原理恒速恒频鼠笼型异步发电机采用定桨距失速型功率调节方式：1）风速超过额定风速-失速特性-维持额定功率。2）风速较低-增加定子极对数-提高发电效率。电容器组：无功补偿，提高功率因数。2.4基本原理恒速恒频鼠笼型异步发电机等值电路2.4基本原理变速恒频双馈式异步发电机当转速变化时，改变转子电流频率（），使，即可在定子侧感应出工频电压。转差：，且，只需在转子绕组中通入频率为的转子电流即可保证定子侧感应出工频电压。

1、转子频率2.4基本原理变速恒频双馈式异步发电机根据转子转速不同有三种工作状态：1）同步状态：nr=n1，s=0，相当于同步发电机；2）次同步状态：nr<n1，s>0，转子电流旋转方向与转子转向相同，转

子从电网吸收有功。3）超同步状态：nr>n1，s<0，转子电流旋转方向与转子转向相反，转

子向电网馈送有功。

2、改变转子电流相位，控制定子侧输出有功功率。3、改变转子电流幅值，控制定子侧输出无功功率和电压。2.4基本原理变速恒频双馈式异步发电机等值电路

2.4基本原理变速恒频永磁直驱式同步发电机风力机通过传动轴直接与永磁同步发电机连接，无须齿轮箱，发电机定子侧接大功率的变流器。当风速变化，发电机转子相应变化，多极永磁同步发电机在定子侧感应出与转子同频率的端电压，该电压频率变化，不能并网，经全功率变换器控制输出工频电压并网。2.4基本原理变速恒频电励磁同步发电机结构和原理与永磁式相似2.4基本原理各风电机组优缺点比较表风电机组类型优点缺点普通异步风力发电机组结构简单可靠1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、启动电流大，需配置启动装置；4、消耗大量无功，需要从电网输入无功；双馈异步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、有励磁功率损耗；3、结构复杂，控制系统复杂；永磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；4、无励磁功率损耗；1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、结构复杂，控制系统复杂；4、永磁体有消磁现象电励磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、有励磁功率损耗；4、结构复杂，控制系统复杂；2.4基本原理2.5风力发电机组控制系统发电机控制软并网变频器励磁调节主控制器运行监控，机组起/停电网、风况监测无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容变距系统转速控制功率控制液压系统刹车机构压力保持变距机构压力保持制动系统机械刹车机构气动刹车机构调向系统偏航自动解除电缆缠绕用户界面输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及故障状况主控系统

风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统，它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。2.5风力发电机组控制系统变桨控制系统控制运行状态

1、启动、并网

，转速控制。2、恒定区3、n恒定区4、恒功率区5、停机

2.5风力发电机组控制系统变桨控制系统

2.5风力发电机组控制系统典型控制结构调向控制系统

2.5风力发电机组控制系统典型控制结构发电机控制系统并网控制

直接并网

准同期并网

降压并网

软并网

2.5风力发电机组控制系统发电机控制系统

双馈机励磁控制

转子侧变流器控制：解耦控制

网侧变流器控制：电容电压稳定控制，功率因数控制.

2.5风力发电机组控制系统典型控制策略：基于定子侧定向的矢量控制。

发电机控制系统

双馈机励磁控制（机侧）

2.5风力发电机组控制系统发电机控制系统

永磁直驱机组