华北电力大新能源发电技术课件03风力发电技术基础

第三章

风力发电技术基础目录风电的发展现状风能与风力资源风力机原理与特性发电机类型与模型风力发电系统风力发电控制技术风电场第三章

风力发电技术基础起源：世界上第一台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成。1986年5月，我国第一个并网风场建于山东荣成。发展：风电技术经过20几年的开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到6MW，风电成本从20美分/（kW·h），持续下降到1.4美分/（kW·h），运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前风力机之最：为维斯塔斯（丹麦）和三菱重工合资企业所生产的的V164-8.0，单机功率为8MW，风车直径为177m，高131m。风力发电技术基础第一节：风电的发展现状风力发电技术基础一

风电的发展1.世界风电的发展现状2014年，全球风电新增装机容量51477MW，同比上升44%，累计装机容量首次超过50GW门槛。2014年中国风电新增装机容量2335.05万千瓦，比2013年增长45.1%，累计装机容量1.1476339亿千瓦，同比新增25.5.%，成为全球装机规模最大的国家。风电业界普遍认为，风电行业未来将进入稳定增长的新常态，今后五年，每年新增装机容量或将至少达到2000万千瓦。风力发电技术基础第一节：风电的发展现状全球风电累计装机容量（1996-2013）

风力发电技术基础第一节：风电的发展现状全球风电新增装机容量前十（截止2013.12）风力发电技术基础第一节：风电的发展现状发展趋势与预测世界风电在加速发展，年新增装机市场将会以6-10%的增长速度持续到2018年。累计装机容量在五年期末将翻番，从2013年的300GW增加至2018年的600GW。预计到2018年，欧盟风电发展有望实现68GW的新增装机容量。墨西哥的能源改革对于其风电产业来说，意味着到2024年前每年装机容量实现2GW。在巴西，目前政府招标项目到2018年还有约10GW的项目容量。未来五年内，风电市场的增长将集中在亚洲，拉丁美洲和非洲。风力发电技术基础第一节：风电的发展现状2.中国风电的发展截止2014年9月底，全国累计并网容量8497万千瓦，同比增长22%；全国风电上网电量1060亿千瓦时，同比增长7.6%；风电弃风电量86亿千瓦时，同比下降28.3亿千瓦时；平均弃风率7.5%，同比下降3.36个百分点。“十三五”（2016-2020）期间，国内风电新增装机将达1亿千瓦，年均新增规模达2000万千瓦。其中，“三北”大风电基地5年内新增装机6000万千瓦，中东部中低风速资源区新增3000万千瓦，海上风电新增1000万千瓦。风力发电技术基础第一节：风电的发展现状2001－2013我国风电累计装机2014年我国风电产业监测数据风力发电技术基础第一节：风电的发展现状二

主要的风电设备厂商与市场1.国外厂商世界风电巨头企业主要集中在欧洲和北美：丹麦Vestas

西班牙Gamesa

美国GE德国Dewind风力发电技术基础第一节：风电的发展现状2.国内厂商与市场风电场业主主要来自国营大型电力集团，如龙源、华能、北国电、国华、华电国际、中电投等，另外有越来越多的民营企业参与投资风电场建设。风力发电机组整机制造厂约29个。零部件制造厂约30个。高校和科研院所约12家。专业研发中心2个。风资源前期咨询单位约5家。有能力进行风力发电机组整机及其零部件测试的机构约14家。风力发电技术基础第一节：风电的发展现状

2014年中国风电整机企业新增装机排名（不含台湾省）风力发电技术基础第一节：风电的发展现状

国内风电零部件主要厂商情况风力发电技术基础第一节：风电的发展现状2013年中国累计风电装机分布示意图风力发电技术基础第一节：风电的发展现状辉腾锡勒风电场图南澳风电场图风力发电技术基础第一节：风电的发展现状三

我国风电产业政策《可再生能源法》

2006年颁布的《可再生能源法》允许多种投资主体进入可再生能源领域，并且要求电网公司全额收购新能源发电量，从法律上为以风电为代表的新能源快速发展提供了法律和政策保障。国产化率指标

国家发改委公布的《关于风电建设管理有关要求的通知》强调风电设备国产化率要达到70%以上特许权招标制度

该方式不但规定由风电上网电价最低的投标商中标，而且要求投标商绑定设备制造商进行投标，为设备国产化率提供了实施性保障风力发电技术基础第一节：风电的发展现状电价分摊

《可再生能源发电价格与费用分摊管理试行办法》规定了可再生能源电价分摊的实行办法5.《国务院关于加快振兴装备业的若干意见》

提出大力发展大功率风力发电机等新能源装备，将大型清洁高效发电装备列为国家重点发展的16个重大技术专项之一风力发电技术基础第一节：风电的发展现状一风能基本知识1.风的特性风的方向不定、大小多变。风速随高度的增加而提高，风速沿高度的相对提高因地而异，大致上可以用下式表示：

Vn=V1(Zn/Z1)a

式中：Vn－Zn高度处风速（m/s）

V1－Z1高度处风速（m/s）

a－风切变指数：a＝ln(Vn/V1)/ln(Zn/Z1)风除了随高度变化而变化外，还随季节的变化而变化、随日夜的变化而变化、随地形的变化而变化。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源2.风的能量风能：空气运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：

E＝1/2ρsv3

式中:E－风能（W）

ρ－空气密度（kg/m3）

S－气流截面积（m2)v－风速（m/s)风能密度：单位时间内通过单位面积的风能

W＝1/2ρv3

有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源3.风速等级与风速频率

风力等级风速（m/s）风力等级

风速（m/s）00.0～0.2920.8～24.410.3～1.51024.5～28.421.6～3.31128.5～32.633.4～5.41232.7～36.945.5～7.91337.0～41.458.0～10.71441.5～46.1610.8～13.81546.2～50.9713.9～17.11651.0～56.0817.2～20.71756.1～61.2风力发电技术基础第二节：风能与风力资源

风速频率是指一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比。

利用风速频率分布可以计算出某一地区单位面积上全年的风能。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源风速频率分布曲线4.风向与风向频率通常把风吹来的地平方向定为风的方向，在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现次数的百分比。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源风向方位图风频玫瑰图5.风的测量

初步选定风电场之后，要进行1～2年的测风。测风的主要目的是正确估计该地区可利用风能的大小,为装备风力机提供风能依据。风的测量主要包括风向测量和风速测量两项.

测风高度一般为10m、30m、50m、70m。从测量数据中整理出每分钟（或每小时）的平均风速和最多风向，并选取日最大风速（10min平均）和极大风速（瞬时）以及对应的风向和出现的时间。对影响风机出力和安全其它气象数据（如气温、空气密度、湿度、太阳辐射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊气象情况（如台风、雷电、沙暴、盐雾、冰冻期等）有测量和统计。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源6.风的利用风力发电技术基础第二节：风能与风力资源风能的转换和利用途径华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉二风力资源

太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW。其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW，比世界上可利用的水能大10倍，相当于1000－10000座100万瓦量级的原子能发电站。风力发电技术基础第二节：风能与风力资源·

陆上约有2.53亿千瓦

(年电量5000亿千瓦时)·

海上约有7.5亿千瓦

据中国气象科学院预测，我国经济可开发风能资源合计约10亿千瓦：风力发电技术基础第二节：风能与风力资源

我国风能资源可分为四大区域：东部沿海及岛屿地区、三北（东北、华北、西北）地区、内陆局部地区和海上风能区。省区风能储量省区风能储量省区风能储量内蒙6,177.5山东393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1广西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6宁夏148.4黑龙江1,722.8江西292.9福建137.2甘肃1,143.0安徽250.5贵州100.6吉林637.5湖南246.5台湾104.8河北611.9江苏237.6海南64.0辽宁605.8陕西234.2四川435.8广东195.0全国合计25,300.0风力发电技术基础第二节：风能与风力资源一风力机的类型1.分类方法

•按风轮轴线的方向可分为水平轴式和垂直轴式

•按风轮的位置可分为上风式和下风式

•按风能转换的原理可分为升力型和阻力型

•按叶片与轮毂的连接分为定桨型和变桨型

•按塔架类型分桁架式、椎管式

•按叶片数目分为单片式、双片式、三片式、四片式和多片式

•按叶片的型式分为螺旋桨型、H型和S型等风电中的风力机，升力型、三叶片、水平轴式的占绝大多数。风力发电技术基础第三节：风力机的原理与特性风力发电技术基础第三节：风力机的原理与特性2008.6.202.水平轴风力机风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性3.垂直轴风力机

风轮轴垂直的风力机称为垂直轴风机。这类风力透平的形式也很多，如S型、H型、Ф型等。虽然目前还没有大量商品化，但它有许多特点，如不需要塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造方便等。风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性

二风力机的基本原理

自然界中的风能不便于利用。为了把风能转变成所需要的机械能、电能、热能等其他形式的能量，人们发明了多种形式的风能转换装置，这就是风力机。风速v风速vIIIFxFyFF’xF’yF’α风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性

如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力FD和一垂直于气流方向的升力FL，其值分别由下式确定：

FD=1/2CdρSV2FL=1/2ClρSV2

式中：CD－阻力系数

CL－升力系数

S－薄板的面积

ρ－空气的密度

V

－气流速度由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的风轮，称为阻力型风轮；而由升力FL而使其转动的风轮，称为升力型风轮。

现代风力机多采用升力型风轮。风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性风力机的叶片与受力风速vαβFFyFx风轮旋转面vωrVrvdα

β倾斜角Φ=α+β<90°FFxFyFy1Fx1风轮静止时受力风轮旋转时受力α——风轮叶片的攻角β——桨距角风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：其中Cp为风能转换系数，与叶尖速比λ、浆叶节距角β有关。λ＝ωwRw/v。三风力机的输出特性βωwvv∞CPToλλ风力机的输入输出数学关系模型风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性Cp=f(β,λ)特性CP几个经验公式风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性Cmax：最大风能利用系数λopt：最佳叶尖速比:

λopt＝ωoptRw/vCP几个经验公式式中式中：L/D——风力机提拉比(LifttoDragratio)；N——风力机叶片数。风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性风力机最佳功率为：风力机自然功率曲线及最佳功率曲线风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性风力机最佳转矩为：四主要技术参数指标风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大干4片；叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；风能利用系数Cp

，一般为0.15—0.5之间；启动风速，一般为3—5m/s;额定风速，一般为8—20m/s。停机风速，通常为15—35m/s;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；另外还有塔架高度等等。风力发电技术基础第三节：风力机原理与特性1.独立运行发电机直流发电机永磁式直流发电机(微、小型风机)，电磁式直流发电机(大、中型风机)永磁式交流同步发电机(微、小型风机)

转子采用永磁材料(铁氧体，汝铁硼等):凸极式，爪极式硅整流自励式交流同步发电机蓄电池，整流器电容自励式异步发电机发电机需有剩磁或具有蓄电池，足够的电容一

风力发电机类型风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型2.并网运行发电机风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型普通异步发电机笼型、绕线型，定子并联电容提供励磁功率转差率S大于0:电动状态转差率S小于0:发电状态

4极或6极，发电机转速高于1500r/min或1500r/min才能运行与发电状态,S=－2％－－5％并网方式：直接并网、降压并网、晶闸管软并网风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型

异步发电机0ω1ωg转矩Tem发电机运行区电动机运行区Tem.maxTem.min不稳定运行区线性近似普通感应电机的“转速-转矩”特性曲线风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型双馈感应发电机(DFIG)

评价：当今风电应用最广的一种发电机，构成双馈式风力发电系统。DFIG变速恒频实现原理

风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型DFIG的优势

转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型DFIG的3种运行状态亚同步同步速超同步

亚同步运行功率潮流超同步运行功率潮流风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型无刷双馈异步发电机取消电刷和集电环，可靠性好体积较大，效率比较低分为级联式和磁场调制型两种

风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型同步发电机普通（电磁）同步发电机凸极式结构简单，低速发电隐极式机械强度高，高速发电

风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型新型同步发电机

多极永磁低速同步发电机

免除齿轮箱，构成直驱式风力发电系统永磁高压同步发电机

定子：高压圆形电缆，高压至10－20KV，甚至40KV。转子：多极永磁，免除齿轮箱

风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型同步发电机变速恒频实现原理风力发电技术基础第五节：风力发电系统开关磁阻发电机(SRG)又称双凸极式发电机,定子转子双凸极定子极数比转子多转子无绕组

风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型二发电机数学模型1.坐标变换Clark变换风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型Park变换风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型2.异步发电机dq坐标系模型（发电机惯例）

电压方程

磁链方程

转矩方程

运动方程

功率方程华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉风力发电技术基础第四节：发电机类型与模型3.同步发电机dq坐标系模型（发电机惯例）

电压方程

磁链方程

转矩方程

运动方程

功率方程一风力发电系统的结构风力发电系统（机组）是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。典型的风力发电系统通常主要由叶轮、传动系统、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器)、发电机、调向机构及控制系统和储能装置等几大部分组成。风力发电技术基础第五节：风力发电系统两大核心：风力机（机械）系统＋发电机（电气）系统一个灵魂：控制系统风力机系统：

桨叶轮毂主轴调桨机构（液压或电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构风速传感器发电机系统：

发电机电力电子变换器并网装置无功补偿器主变压器发电机转速传感器

配电、计量装置风力发电技术基础第五节：风力发电系统轮毂齿轮箱油冷却器发电机变桨驱动旋转罩机舱低速轴热交换器控制箱旋转接头支撑轴承偏航驱动机舱座通风隔离减震大型风力发电机组结构风力发电技术基础第五节：风力发电系统1.调向机构作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外通称偏航系统)。类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。风力发电技术基础第五节：风力发电系统2.发电机微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在l00kW以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机。3.齿轮箱

作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。类型：1级行星齿轮和两级斜齿轮，1级行星齿轮和两级直齿轮风力发电技术基础第五节：风力发电系统3.塔架水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。4.控制系统组成：100kW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由微机、可编程控制器(PLC)、ARM以及DSP等处理器组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。风力发电技术基础第五节：风力发电系统控制系统主要功能①按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风力发电机组，并通过控制实现并网。②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。③各运行工况内的自动发电控制④当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现自动停机。同时实现各种情况下的机械或电气故障保护。⑤与风电场主控中心通信：如通过调制解调器与电话线连接。风力发电技术基础第五节：风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统双馈风力发电机组的控制系统5.电力变换器电压源型变换器不控整流+直流斩波+PWM逆变型双PWM变流型二极管钳位三电平双PWM变流型矩阵型风力发电技术基础第五节：风力发电系统用于多相永磁风力发电机中的多重化变流器（不控整流+直流斩波+PWM逆变型）风力发电技术基础第五节：风力发电系统电流源型变换器不控整流+PWM变流型双PWM变流型风力发电技术基础第五节：风力发电系统其他类型变换电路电流+电压主辅变流器并联型异步发电机转子电流控制（RCC）电路DFIG转子电流混合控制电路风力发电技术基础第五节：风力发电系统在不同的坐标系下PWM变换器有不同形式的数学模型。无论何种形式的数学模型，其本质是一样的，只不过是对同一物理对象和过程的不同表现形式。三相静止abc坐标系两相静止αβ坐标系两相同步旋转dq坐标系abc坐标系下PWM变换器数学模型（Sa、Sb、Sc分别表示三相桥臂的开关函数）第五节：风力发电系统风力发电技术基础两电平电压源型PWM变换器数学模型d轴q轴α轴β轴ωt

Clark变换

Park变换dq坐标系下数学模型αβ坐标系下数学模型同步旋转坐标系的突出优势：交流量→直流量；取消了三相变量之间的耦合；风力发电技术基础第五节：风力发电系统二风力发电系统类型1.独立运行风力发电系统独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。风力发电技术基础第五节：风力发电系统储能系统：风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能、抽水蓄能。正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。风力发电技术基础第五节：风力发电系统联合运行方式风力——柴油发电联合运行风力——大阳能发电联合运行风力发电技术基础第五节：风力发电系统具有负荷调节的独立风力发电系统具有负荷调节和储能的风-柴联合发电系统华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2.并网运行风力发电系统概述作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。应用：10kW以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种方式。风力发电技术基础第五节：风力发电系统华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉风力发电技术基础第五节：风力发电系统分类方法及相应类型并网型风力发电系统结构类型风力发电技术基础第五节：风力发电系统分类方法及相应类型按风力机功率调节方式定桨距风力发电机组叶片桨角固定的风力发电机组称为定桨距风力发电机组。结构简单、容量从数十千瓦到兆瓦级、性能可靠,但效率较低。变桨距风力发电机组叶片桨角在一定范围（一般0o～90o)内变化的风力发电机组称为变桨距风力发电机组。效率较高。兆瓦级及以上机组多采用此类机组。定桨距变桨距叶片和轮毂之间采用回转支撑连接，可以相对运动叶片相对轮毂固定风力机风力发电技术基础第五节：风力发电系统按发电机齿轮箱结构形式高速双馈感应发电机高速鼠笼异步发电机高速电磁同步发电机高速永磁同步发电机中速双馈感应发电机中速电磁同步发电机中速永磁同步发电机直驱电磁同步发电机直驱永磁同步发电机风力发电技术基础第五节：风力发电系统按驱动链形式齿轮箱传动方式（一般有多级齿轮箱)

需要高速电机，如IG,DFIG，SG半直驱方式（一般有一级齿轮箱)

需要中速发电机直驱方式（无齿轮箱)

需要低速发电机，如多极PMSG风力发电技术基础第五节：风力发电系统按发电机类型同步发电机包括普通同步发电机（SG）与PMSG，采用同步发电机一般均在发电机与电网之间配置全功率变换器。异步发电机包括笼型感应发电机（IG）与DFIG，IG应用于没有功率变换器的恒速风电机组或者采用全功率变换器的变速风电机组，DFIG用于部分功率变换的变速风电机组。风力发电技术基础第五节：风力发电系统按电力变换器处理功率大小全功率变换型发电机与电网之间配置全功率变换器，发电机类型可采用IG、SG、PMSG。部分功率变换型发电机采用DFIG，DFIG定子与电网直接相连，而转子通过变换器与电网相连。变换器只处理发电机20%-30%额定容量的功率。风力发电技术基础第五节：风力发电系统按风力机功率调节方式定桨距机组

偏航控制失速控制叶尖干扰器控制

变桨距机组

变桨控制：低于额定风速时通过变桨提高效率，高于额定风速时通过变桨限制功率。风力发电技术基础第五节：风力发电系统变桨调节的优点风速低于额定风速时，可通过变桨改变叶片桨角提高风机效率。风速高于额定风速时，可通过变桨限制风机功率，使其在额定功率下运行。停机时使叶片处于顺桨状态，以保护叶片和机器的安全。可使风机年平均发电量增加10％以上。

风力发电技术基础第五节：风力发电系统按机组运行方式恒速桓频方式风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不充分。该方式是老旧技术。变速恒频方式风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备。该方式是目前的主流技术。风力发电技术基础第五节：风力发电系统同步发电机系统笼型异步发电机系统变极双速笼型异步风力发电机方案大、小电机方案三恒速恒频风力发电系统1.方案类型风力发电技术基础第五节：风力发电系统三要素：（1）同步发电机、（2）调速器、（3）励磁调节器三要素：（1）异步发电机、（2）调速器、（3）无功补偿器典型的恒速恒频风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统2.常见的结构配置双速定速风力发电系统单速定速风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统笼型转子异步发电机＋全功率变换器电磁同步发电机＋全功率变换器绕线转子异步发电机+外接可变转子电阻双馈式：双馈异步发电机＋部分功率变换器无刷双馈异步发电机＋部分功率变换器直驱式：永磁同步发电机＋全功率变换器其他类型，如开关磁阻发电机、磁场调制型风力发电技术基础第五节：风力发电系统四变速恒频风力发电系统1.方案类型高速型：部分功率、全功率（发电机体积最小！）低速型：全功率（发电机体积最大！）中速型：全功率（发电机与齿轮箱集成,发电机体积中等！）典型的变速恒频风力发电系统风力发电技术基础2.变速恒频发电技术的优点1.系统效率高变转速运行可以最佳叶尖速比运行,提高了风力机的运行效率,与变桨恒速运行机组相比,年发电量可提高10%以上。2.能提高供电品质阵风时风轮转速增加，把风能余量存储在风轮转动惯量中,风速下降时,再将风轮动能缓慢释放出来变为电能送给电网。可减少对电网的冲击。3.使桨角调节简单化。低于额定风速时,桨角固定；高风速时,调节桨角限制输出功率。4.环保效果好低风速时,风轮处于低转速运行状态,使噪声降低。也不易引起视觉疲劳。风力发电技术基础第五节：风力发电系统3.变速恒频的实现原理风力发电技术基础第五节：风力发电系统全功率变换的实现原理部分功率变换的实现原理基于异步发电机的变速风力发电系统结构配置可变转子电阻的绕线异步发电机风力发电系统双馈感应发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统4.常见的结构配置采用两电平电压源变换器的笼型异步发电机风力发电系统采用并联变换器结构的笼型异步发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统采用二极管嵌位三电平电压源变换器的中压笼型异步发电机风力发电系统采用电流源变换器的中压笼型异步发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统基于同步发电机的变速风力发电系统结构配置采用背靠背电压源型变换器的同步发电机风力发电系统采用背靠背电流源型变换器的同步发电机风力发电系统采用并联背靠背电压源型变换器的多相同步发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统采用“不控整流器+升压变换器+电压源逆变器”的同步发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统采用“不控整流器+降压变换器+电流源逆变器”的同步发电机风力发电系统采用并联型“不控整流器+电压源逆变器”的多同步发电机风力发电系统风力发电技术基础第五节：风力发电系统优点：发电机、齿轮箱等大部件易拆卸，可维护较好；并且技术成熟、设计、制造难度低；供应链成熟，部件通用性较好。

缺点：齿轮箱增速比高，可靠性较低，负荷重，存在轴承与齿轮磨损、润滑油更换频繁、机械噪声、高速振动等；维护保养工作量大，有电刷和滑环，增加维护工作量；能量利用率较低，轴向尺寸较大。

此技术路线为技术最成熟、市场占有率最高的技术路线。5.变速恒频风力发电系统技术路线的对比分析风力发电技术基础第五节：风力发电系统高速双馈机型优点：风能利用率较高，电能质量较好，发电机、齿轮箱等大部件易拆卸，可维护较好；相同功率下发电机体积较小，不存在碳刷和滑环的维护。

缺点：同样存在齿轮箱增速比高，可靠性低等问题；永磁材料在震动、冲击、高温情况下容易发生失磁的现象；技术不成熟，需要全功率变流器。此技术路线是一种经高速双馈变型而来的技术路线。高速永磁同步机型风力发电技术基础第五节：风力发电系统优点：齿轮箱增速比小，齿轮抗疲劳特性增强，寿命提高；其所采用的轴承和齿轮等数量较少，系统可靠性较高；齿轮箱、发电机等大部件易拆卸，可维护性好，更适合海上机型；齿轮箱简单、体积小、制造难度小，对加工设备要求低，制造成本较低。缺点：机舱比同规格高速双馈较重；有电刷和滑环，增加维护工作量。

此技术路线为高速与直驱的折中型技术路线。中速双馈机型风力发电技术基础第五节：风力发电系统优点：齿轮箱增速比较低，寿命增加，可靠性提高；风能利用率较高，电能质量较好；相同功率下发电机体积较小，不存在碳刷和滑环的维护工作。

缺点：同样存在永磁材料在震动、冲击、高温情况下容易发生失磁的问题；技术尚未成熟，需全功率变流器。此技术路线是在提高可靠性的同时又能保证电能质量的一种技术路线。中速永磁同步机型风力发电技术基础第五节：风力发电系统优点：传动链无齿轮箱，减少了传动链能量损失，可靠性高；无碳刷和滑环，维护工作量小，系统噪音低；能量利用率高，发电质量好

。

缺点：电机体积与重量均较大，既影响机舱空气动力特性，又增加制造难度与成本，定、转子加工需要大型设备；同样存在永磁材料的失磁问题，永磁材料存在永久的强磁性，无法在现场条件下检修，所以一旦出现问题只有返回厂家才能维修，现场不具有可维护性。此技术路线是直驱机组中相对较优的一种技术路线。直驱永磁同步机型风力发电技术基础第五节：风力发电系统优点：传动链无齿轮箱，减少了传动链能量损失，机械系统可靠性高；能量利用率高，发电质量好

。

缺点：电机体积与重量更大大，不但影响机舱空气动力特性，同时增加制造难度与成本，而且发电机的陆上运输比较困难；存在电刷和滑环，既增加机械摩擦，也增加电损耗，降低电机效率；需要全功率变流器，成本高，损耗大。此技术路线是整机体积最大、重量最重的一种技术路线。直驱电磁同步机型风力发电技术基础第五节：风力发电系统一运行区域按照风速和机组运行特性（转速、功率）分为五大运行区域：并网区MPPT区转速限制区功率限制区切出停机区风力发电技术基础并网控制区域转速限制区域最大风能追踪区域功率限制区域不同运行区域的功率特性第六节：风力发电控制技术并网区：无功率输出。MPPT区：恒Cp区，转速变化保持最佳叶尖速比，小于额定转速，功率小于额定功率。转速限制区：转速保持为最大（额定）转速，功率小于等于额定功率。功率限制区：转速为最大（额定）转速，功率小于等于额定功率。风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术直驱风电机组的整体控制结构风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术双馈风电机组的整体控制结构风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术二.桨距角控制（变桨控制）策略典型线型桨距角控制器控制框图转速限制区和功率限制区适用于风速较大的场合，可以通过改变风力机桨距角减少输入的风能，控制机组的转速或功率。桨距角控制方式有两种：线型桨距角控制策略和非线性桨距角控制策略。用于限制转速的典型线性桨距角控制策略：转速闭环PID调节后输出桨距角的增量，与线性点处的桨距角参考值相加，经限幅后输入到执行机构。风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术三.最大功率点追踪（MPPT）技术风力机最佳功率为：风力机最佳转矩为：1.风力机的输出特性和最佳功率曲线风力机输出功率为：风力机输出转矩为：Cmax：最大风能利用系数λopt：最佳叶尖速比

λopt＝ωoptRw/v结论：（1）对于一台风力机，其Cmax、λopt、kw是不变的。（2）MPPT的实质是，随着风速v的变化，实时改变转速使其等于ωopt，

保持叶尖速比为λopt，从而保持风能利用系数为Cmax。风力发电技术基础第六节：风力发电控制技术2.风力机的MPPT实