新能源转换与控制技术风力发电(本科)-樊

绪论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。

风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。机械工业出版社1现在是1页\一共有91页\编辑于星期三感性认识：各式风机机械工业出版社2现在是2页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社3现在是3页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社4现在是4页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社5现在是5页\一共有91页\编辑于星期三3.1风的特性及风能利用3.1.1风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动机械工业出版社6现在是6页\一共有91页\编辑于星期三3.1.2风的特性与风能1、风的表示法（1）风向的表示法

风吹来的地平方向定为风的方向。风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。观测风向的仪器，目前使用最多的是风向标。图3-2风向方位图机械工业出版社7现在是7页\一共有91页\编辑于星期三（2）风速的表示法

由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。国际上的单位为m/s或km/h。

机械工业出版社8现在是8页\一共有91页\编辑于星期三（3）风速与风级

风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。

风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风(m/s)；N——风的级数。机械工业出版社9现在是9页\一共有91页\编辑于星期三2、风的特性（1）风的随机性

风的产生是随机的，但可以根据风随时间的变化总结出一定的规律。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中夜里风强，白天风弱，这个逆转的零界高度为100~150m。我国大部分地区风随季节变化的情况是：春季最强、冬季次之、夏季最弱。（2）风随高度的变化而变化

机械工业出版社10现在是10页\一共有91页\编辑于星期三不同高度风速的表达式：

式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；

ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。

为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。机械工业出版社11现在是11页\一共有91页\编辑于星期三3、风能

（1）风能密度

空气在1s内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：

（2）风能

空气在1s内以速度ν流过面积为S截面的动能。

表达式为：

（3）风能的特点优点：蕴量巨大、可再生、分布广泛、没有污染缺点：密度低（只有水力的1/816）、不稳定、地区差异大机械工业出版社12现在是12页\一共有91页\编辑于星期三3.1.3风能的利用

风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，一般利用风推风车的转动以形成动能。机械工业出版社13现在是13页\一共有91页\编辑于星期三3.2风力发电机组及工作原理3.2.1风力发电机组的结构及分类

1、风力发电机组的分类

风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。机械工业出版社14现在是14页\一共有91页\编辑于星期三从风轮轴的安装型式按风力发电机的功率

按运行方式

水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组

微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）

独立运行和并网运行

机械工业出版社15现在是15页\一共有91页\编辑于星期三2、风力发电机组的结构

风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。机械工业出版社16现在是16页\一共有91页\编辑于星期三（1）独立运行的风力发电机组

水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。

图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构机械工业出版社17现在是17页\一共有91页\编辑于星期三

并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示。

（2）并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图机械工业出版社18现在是18页\一共有91页\编辑于星期三

并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成。（3）大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构机械工业出版社19现在是19页\一共有91页\编辑于星期三3.2.2风力机

风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：旋转轴与地面呈水平状态a.荷兰式b.农庄式c.自行车式d.桨叶式

图3-9水平轴风力机机械工业出版社20现在是20页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社21现在是21页\一共有91页\编辑于星期三水平轴风力机的技术参数主要有：

风轮直径：功率越大，直径越大

叶片数量：高速风力机2~4片，低速风力机大于4片

风能利用系数：0.15~0.5

起动风速：3~5m/s

停机风速：15~35m/s

输出功率：几十W至几MW

机械工业出版社22现在是22页\一共有91页\编辑于星期三2、垂直轴风力机：旋转轴垂直于地面a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式图3-10垂直轴风力机机械工业出版社23现在是23页\一共有91页\编辑于星期三

风向改变时无需对风，其设计、制造、安装、运行都比水平轴风力机简单方便。之前普遍认为垂直轴风力机自启动能力差，叶尖速比低，风能利用效率低，所以发展比较滞后。机械工业出版社24现在是24页\一共有91页\编辑于星期三3.2.3风力机的气动原理

现代风力机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。机械工业出版社25现在是25页\一共有91页\编辑于星期三

如果将一块薄板翼形放在气流中且与气流方向平行，由于翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，上下表面间的压差产生垂直于气流方向的升力。1、翼形和受力机械工业出版社26现在是26页\一共有91页\编辑于星期三

当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。

机械工业出版社27现在是27页\一共有91页\编辑于星期三3、风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：

对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。机械工业出版社28现在是28页\一共有91页\编辑于星期三4、风力机的调节与控制风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。（1）风力机的定桨距调节与控制

定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。

机械工业出版社29现在是29页\一共有91页\编辑于星期三

在流体力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。

机械工业出版社30现在是30页\一共有91页\编辑于星期三

基本原理：当桨距角固定不变时，随着风速的增加，增加到高于额定风速时，气流的攻角增大，气流与翼型分离，上下翼面压力差减小，致使阻力增加，升力减小，造成失速条件，其效率降低，从而达到限制功率的目的。

优点：结构简单、性能可靠、部件小、造价低。

缺点：机组的整体效率较低。

解决措施：采用设计有两个不同功率、不同极对数的双速异步发电机。机械工业出版社31现在是31页\一共有91页\编辑于星期三（2）风力机的变桨距调节与控制

变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。机械工业出版社32现在是32页\一共有91页\编辑于星期三①起动时的转速控制

变桨距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动。在发电机并入电网之前，给定变桨距系统一个转速参考值，根据转速参考值和反馈的转速信号比较来调整桨距角，进行速度闭环控制。

机械工业出版社33现在是33页\一共有91页\编辑于星期三②额定转速以下（欠功率状态）的不控制发电机并网后，当风速低于额定风速时，发电机运行于额定功率以下的低功率状态，称为欠功率状态。早期的变桨距风力发电机组对此状态不作控制，控制器将叶片桨距角置于附近，不作变化，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。

为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。机械工业出版社34现在是34页\一共有91页\编辑于星期三③额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制

当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。

机械工业出版社35现在是35页\一共有91页\编辑于星期三a）变桨距风力发电机组的功率曲线

b）定桨距风力发电机组的功率曲线

由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。机械工业出版社36现在是36页\一共有91页\编辑于星期三3.2.4风力发电机

在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。机械工业出版社37现在是37页\一共有91页\编辑于星期三1、独立运行风力发电机组中的发电机

独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。

图3-14独立运行的交流风力发电机系统结构机械工业出版社38现在是38页\一共有91页\编辑于星期三（1）直流发电机直流电机典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。

图3-15直流发电机工作原理机械工业出版社39现在是39页\一共有91页\编辑于星期三（2）永磁式交流同步发电机永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。图3-17凸极式永磁发电机结构示意图

1—定子齿2—定子轭3—永磁体转子4—转子轴5—气隙6—定子绕组机械工业出版社40现在是40页\一共有91页\编辑于星期三（3）硅整流自励式交流同步发电机

硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图机械工业出版社41现在是41页\一共有91页\编辑于星期三（4）电容自励式异步发电机

电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。

图3-19电容自励式异步发电机电路原理机械工业出版社42现在是42页\一共有91页\编辑于星期三2、并网运行的风力发电机组中所用的发电机

（1）异步发电机

定子：三相绕组，可采用星形或三角形联结。转子：绕组为笼型或绕线型。采用定子绕组上并接电容器来提供无功电流建立磁场，发电机转子的转速略高于旋转磁场的同步转速，并且恒速运行。通常，处于并网运行的较大容量异步发电机的转子转速一般在（1~1.05）ns

之间。机械工业出版社43现在是43页\一共有91页\编辑于星期三风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整输出。机械工业出版社44现在是44页\一共有91页\编辑于星期三（2）同步发电机a.普通同步发电机

定子：定子铁心和三相绕组。转子：转子铁心、转子绕组、集电环、转子轴等组成；有隐极式和凸极式两种。凸极式同步发电机结构简单、制造方便，一般用于低速发电场合。隐极式同步发电机结构均匀对称，转子机械强度高，可用于高速发电。机械工业出版社45现在是45页\一共有91页\编辑于星期三

转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场。

工作原理：同步发电机在风力机的拖动下，转子以转速n旋转，旋转的转子磁场切割定子上的三相绕组，在定子绕组中产生频率为f1的三相对称的感应电动势和电流输出，从而将机械能转化为电能。当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，因此被电力系统广泛接受。

机械工业出版社46现在是46页\一共有91页\编辑于星期三在风力发电中，由于风速的不定性使得发电机获得不断变化的机械能，给风力机造成冲击和高负载，对风力机及整个系统不利。为了维持发电机发出的电能频率与电网频率始终相同，发电机的转速必须恒定，这就要求风力机有精确的调速机构，以保证风速变化时维持发电机的转速不变，即等于同步转速。b.新型同步发电机

低速同步发电机高压同步发电机

机械工业出版社47现在是47页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社48现在是48页\一共有91页\编辑于星期三（3）双馈异步发电机

双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种。图3-25双馈异步发电机的系统结构机械工业出版社49现在是49页\一共有91页\编辑于星期三机械工业出版社50现在是50页\一共有91页\编辑于星期三双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：

式中

f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；p——发电机的极对数；n——转子的转速（r/min）；f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。机械工业出版社51现在是51页\一共有91页\编辑于星期三根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。机械工业出版社52现在是52页\一共有91页\编辑于星期三2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。

机械工业出版社53现在是53页\一共有91页\编辑于星期三双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。

机械工业出版社54现在是54页\一共有91页\编辑于星期三（4）无刷双馈异步发电机

无刷双馈异步发电机(BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。

图3-27级联式无刷双馈异步发电机

图3-28磁场调制型无刷双馈异步发电机

机械工业出版社55现在是55页\一共有91页\编辑于星期三（5）开关磁阻发电机

开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。

图3-29三相（6/4极）开关磁阻发电机结构

机械工业出版社56现在是56页\一共有91页\编辑于星期三磁阻电机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；磁力一直牵引转子转到20度为止，此时磁路最短。然后切断A相电源接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动，磁力一直牵引转子转到50度为止。机械工业出版社57现在是57页\一共有91页\编辑于星期三开关磁阻发电机：在磁阻未达到最小之前关断开关S1、S2，这时A相绕组电流不可能瞬时减小到零，其输出电能通过续流二极管VD1、VD2回馈给直流电源。机械工业出版社58现在是58页\一共有91页\编辑于星期三开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。

开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。图3-30开关磁阻风力发电机系统的构成机械工业出版社59现在是59页\一共有91页\编辑于星期三3、风力发电机组的控制策略（1）风力发电机组的恒速恒频控制策略在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能。目前，在风力发电系统中采用的异步发电机多属于恒速恒频发电机组。为了适应大小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能。

机械工业出版社60现在是60页\一共有91页\编辑于星期三（2）风力发电机组的变速恒频控制策略在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：①低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；②高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。机械工业出版社61现在是61页\一共有91页\编辑于星期三变速恒频风力发电机组的调节控制过程：

(1)起动时通过调节桨距角控制发电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网；(2)并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；(3)在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变化，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。机械工业出版社62现在是62页\一共有91页\编辑于星期三双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

特点：大大降低了变频器的成本和控制难度；定子直接上网，系统具有很强的抗干扰性和稳定性；通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率。缺点是发电机仍有电刷和集电环，工作可靠性受影响。

图3-45双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

机械工业出版社63现在是63页\一共有91页\编辑于星期三4、风力机偏航系统的调节与控制

主要功能：一是使风轮跟踪方向的变化，利于最大风能捕获；二是当机舱的电缆发生缠绕时自动解缆。

一般在风轮的前部或者机舱一侧，装有风向仪，当风轮的主轴与风向仪指向偏离时，控制器开始计时，这种方向偏差达到一定时间后，控制器控制偏航电机或者偏航液压马达将风轮调整到与风向一致的方向。偏航角度大小的检测通过安装在机舱内的角度编码器实现。当紧急停车时，需要通过偏航调节使机舱经过最短的路径与风向成90度夹角。机械工业出版社64现在是64页\一共有91页\编辑于星期三3.3风力发电机组的并网技术

由于风能是一个不稳定的能源，风力发电本身难以提供稳定的电能输出，因此风力发电必须采用储能装置或与其他发电装置互补运行。

10kW以下的小型风力发电机组主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。

为解决风力发电稳定供电的问题，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型风力发电机组并网运行；

几十kW～几百kW的风力发电机组可以并网运行，或者与其他发电装置互补运行（如风光互补、风力－柴油发电联合运行）；机械工业出版社65现在是65页\一共有91页\编辑于星期三大中型风力发电机组主要是并网运行，由于发电机并网过程是一个瞬变过程，它受制于并网前的发电状况，影响并网后发电机的运行和电网电能质量，在并网运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。对并网运行的不同风力发电机组其控制方法和控制重点不同。机械工业出版社66现在是66页\一共有91页\编辑于星期三3.5.1同步风力发电机组的并网技术

同步发电机的转速和频率之间有着严格不变的固定关系，同步发电机在运行过程中，可通过励磁电流的调节，实现无功功率的补偿，其输出电能频率稳定，电能质量高，因此在发电系统中，同步发电机也是应用最普遍的。机械工业出版社67现在是67页\一共有91页\编辑于星期三1、同步风力发电机组的并网条件和并网方法

同步风力发电机组与电网并联运行的电路如图3-50所示，图中同步发电机的定子绕组通过断路器与电网相连，转子励磁绕组由励磁调节器控制。（1）并网条件图3-50同步发电机与电网并联的电路机械工业出版社68现在是68页\一共有91页\编辑于星期三同步风力发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致。五个条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；

在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件④就可以满足；而条件①可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他三条的检测和控制，这其中第③条频率相同是必须满足的条件。

⑤相位相同。机械工业出版社69现在是69页\一共有91页\编辑于星期三（2）并网方法

满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网方式。在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。1）自动准同步并网同步风力发电机组的起动与并网过程如下：偏航系统根据风向传感器测量的风向信号驱动风力机对准风向。当风速达到风力机的起动风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。机械工业出版社70现在是70页\一共有91页\编辑于星期三

当发电机在风力机的带动下转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过励磁电流的调节使发电机输出的端电压与电网电压相近。在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同和断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。风力同步发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。以上的检测与控制过程一般通过微机实现。机械工业出版社71现在是71页\一共有91页\编辑于星期三2）自同步并网

同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，电机中无励磁磁场。用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象。机械工业出版社72现在是72页\一共有91页\编辑于星期三2、同步风力发电机组的功率调节与补偿

（1）有功功率的调节

风力同步发电机中，风力机输入的机械能首先克服机械阻力，通过电机内部的电磁作用转化为电磁功率，电磁功率扣除电机绕组的铜损耗和铁损耗后即为输出的电功率，若不计铜损耗和铁损耗，可认为输出功率近似等于电磁功率。功率角δ：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间的夹角；功角特性：电磁功率Pem与功率角δ之间的关系。同步发电机内部的电磁作用可以看成是转子励磁磁场和定子电流产生的同步旋转磁场之间的相互作用。机械工业出版社73现在是73页\一共有91页\编辑于星期三图3-51同步发电机的功角特性a）凸极机b）隐极机机械工业出版社74现在是74页\一共有91页\编辑于星期三

这时可以增大励磁电流，以增大功率极限，提高静态稳定度，这就是有功功率的调节。失步功率（极限功率）：对于隐极机而言，功率角为90°（凸极机功率角小于90°）时，输出功率的最大功率。风力机输入的机械功率↑→Pem↑→励磁不作调节，δ↑达到最大功率后，如果风力机输入的机械功率继续↑→δ＞90°，Pem↓→转速持续上升而失去同步。机械工业出版社75现在是75页\一共有91页\编辑于星期三（2）无功功率的补偿2）同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用，发电机的输出电压也下降。为了维持发电机的端电压稳定和补偿电网的无功功率，需增大同步发电机的转子励磁电流。发电机的输出电压下降的原因：1）电网所带的负载大部分为感性的异步电动机和变压器，这些负载需要从电网吸收有功功率和无功功率，整个电网要是提供的无功功率不够，电网的电压会下降。机械工业出版社76现在是76页\一共有91页\编辑于星期三同步发电机的无功功率补偿可用其定子电流I和励磁电流If之间的关系曲线来解释。在输出功率P2一定的条件下，同步发电机的定子电流I和励磁电流If之间的关系曲线也称为V型曲线。图3-52同步发电机V型曲线机械工业出版社77现在是77页\一共有91页\编辑于星期三3、带变频器的风力同步发电机组的并网

恒速恒频的风力发电系统中，同步发电机和电网之间为“刚性连接”，发电机输出频率完全取决于原动机的转速，并网之前发电机必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也必须保持转速恒定，因此对控制器的要求高，控制器结构复杂。

在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接。机械工业出版社78现在是78页\一共有91页\编辑于星期三当风速变化时，为实现最大风能捕获，风力机和发电机的转速随之变化，发电机发出的为变频交流电，通过变频器转化后获得恒频交流电输出，再与电网并联。由于同步发电机与电网之间通过变频器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并网时一般不会发生因频率差而产生的较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。缺点是电力电子装置价格较高、控制较复杂，同时非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将影响电网的电能质量。带变频器的风力同步发电机组的并网机械工业出版社79现在是79页\一共有91页\编辑于星期三3.5.2异步风力发电机组的并网技术

异步发电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容易、无失步现象等优点，在风力发电系统中应用广泛。但其主要缺点是需吸收20%～30%额定功率的无功电流以建立磁场，为提高功率因数必须另加功率补偿装置。机械工业出版社80现在是80页\一共有91页\编辑于星期三1、异步风力发电机组的并网

风力异步发电机组的直接并网的条件有两条：一是发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致，即发电机的相序与电网的相序相同；二是发电机的转速尽可能接近于同步转速。并网时发电机的转速与同步转速之间的误差越小，并网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。

风力异步发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。（1）直接并网

机械工业出版社81现在是81页\一共有91页\编辑于星期三

当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步发电机的转子带到同步转速附近（一般为98%～100%）时，测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合闸并网过程。并网简单，但并网过程中会产生冲击电流，引起电网电压下降。因此，只适用于异步发电机容量在百kW级以下且电网容量较大的场合。图3-55风力异步发电机与电网的直接并联机械工业出版社82现在是82页\一共有91页\编辑于星期三（2）降压并网降压并网是在发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度，发电机稳定运行时，将接入的电阻等元件迅速从线路中切除，以免消耗功率。这种并网方式的经济性较差，适用于百KW级以上，容量较大的机组。机械工业出版社83现在是83页\