2025风力发电电气工程应用

目录TOC\o"1-3"\h\u14933第1 591671.1 533391.1.1 57801.1.2 5255611.1.3 6125931.2 644461.2.1 645911.2.2 10327401.2.3 1011835第2 1394702.1 13153722.2 13171032.2.1 13207222.2.2 15278272.3 17324192.3.1 17128452.3.2 18206532.3.3 19108192.4 2074022.4.1 20109262.4.2 22257092.4.3 2244812.4.4 2312544第3 27320673.1 27315963.2 27282943.3 38187223.3.1 38264983.3.2 38255933.3.3 423193.4 4525889第4 46274694.1 46216344.2 46128404.3 46266434.3.1 46188624.3.2 4728034.3.3 5011104.3.4 55210654.3.5直流— 5594784.3.6 57302714.4 58268114.4.1 58224024.4.2 5936874.4.3 6277394.4.4 6222182第5 6595665.1 655745.2 65157955.2.1 65198495.2.2 65281825.2.3 6761975.2.4 67170805.3 6792155.3.1 6729215.3.2 69272235.3.3 70105515.3.4 77184455.3.5 8019930（续 81305815.4 81255525.4.1 81216725.4.2 8319480第6 9012256.1 90181486.2 9083126.2.1 90181106.2.2 93171146.2.3 99107366.2.4 104107166.2.5 105297566.3 107147516.3.1 107130826.3.2 10810706.4 113187096.4.1 113163596.4.2 1132666.4.3 11310824第7 11441727.1 1145057.1.1 11499797.1.2 114231117.1.3 115266487.2 117234157.2.1 117120507.2.2 117242077.2.3 118304317.3 11921847.3.1 11958707.3.2 120266397.3.3 121277467.3.4 122292377.4 123313607.4.1 123240067.4.2 12490147.4.3 12866767.5 130248617.5.1 130177977.5.2WES 13030323第8 134269168.1 134247858.1.1 134107438.1.2 13481128.1.3 13426105图8-4100MW 13830638.1.4 13886728.2 138125908.2.1 13856578.2.2 138238148.2.32020 13823714 14083附录A 1403749附录B 1415294表B-1 14122533（续 1425210 143第1表1-1从图11中可以看出，在世界范围内煤炭、石油和天然气等化石能源仍然是主要的发电用能源（65），核能（16）和水能（17）乎相同的份额紧随其后，占总量2的可再生能源主要包括风能、生物质能和太阳能。在图11中，目前开发程度最高的可再生能源——水力发电被单独列出，所以可再生能源的比例才显得相对较少04。图1-1世界净发电量（2004年a）世界各地分布及电力来源b）欧洲陆上风电场（按照年平均风速5.5，每年1700h满功率输出，按照最佳效率为45计算）的单位风轮扫略面积的年电能输出为800～1000kh（2）。太阳能光伏系统的比发电量例如德国北部为700～900khkp。假设每52的光伏电池能够提供1k的峰值功率，那么相应的单位光伏发电面积的能量产出为160k（2）和燃气相比较时，所报道的数量是相对较低的，而显而易见的用一个相当的单位面积比较是不可取的。图1-2已安装的风能发电功率和年发电量（2002年a）装机容量（单位：TWh）b）电能输出（世界范围内地区的风电总量统计数据，从中可以明显看出，欧洲在风能利用领域走在了全世界的前沿，以76首。北美洲近年来风力发电也发展迅猛，截止2002底占据了16的份额。11GW。2007年，全世界新增装机容量约为20GW[GWEC，08update]，到2007年底，世界风电场总装机容量达到了94GW56.5，美国拥有16.8。从20世纪80千瓦时的成本显著降低。这些进步来源自结构分析和设计的先进技术采用、叶片设计与制造技术的完善、电力电子技术和变速技术的大量采用07，这一切都使得风力发电技术成为发展速度最快的绿色技术。图1307列出了世界上风力发电装机容量最大的10长趋势也都十分可观。除了这些国家和地区的情况外，参考文献06列出了国际能源机构（）27个成员国2006年的风能发展报告。图1-3前10个国家和地区装机容量和2006表12列出了2006年各个欧洲国家的新增装机容量和截止到2006年年底的累计风电总装机容量，从中可以看出，德国仍然居于欧洲各国年风电新增装机容量和截止到2006年年底累计风电总装机容量之首，西班牙次之，丹麦则是人均风能发电量最大的国家。参考文献还列举了欧盟15国、欧盟25国和整个欧洲的风电总装机容量。表1-22006年欧洲新增装机容量和截止到2006年年底的累计风电总装机容量（图1-4来自于欧洲风能并网研究组织（EWIS）2007年1月的调查报告[EWIS07]，该报告也再次确认了欧盟风电装机集中于10图1-4单看德国的情况，根据2007年的统计数据，德国全年用电量的14.8由可再生能源提供，其中风能是最主要的能源，约占可再生能源的一半（7.2）。由于风能资源分布的不均衡性，风力发电量也呈现出地区性的不均衡性。在德国北部沿海地区，在用电量的低谷时间内，风能发电量甚至会超过当地的所有能源需求量。因此风电的应用需要建立强大的高压输电网，将局部电网中的过剩电能输送到工业密集地区的耗能中心。德国已经计划在2020年前建成一条1050k均衡分布造成的储能问题，也是制约风力发电事业发展的一个重要难题。风轮机的发展还体现在单机容量的增加上。图15给出了德国1987～2007年的单机容量nd08，目前平均单机容量已经达到了1800k商已经可以大批量提供2.3～3的机组。考虑到未来修建的适用大容量风力发电机的海上风力发电场，未来的平均单机容量还会大大增加。目前最大容量的实验机组已经达到了5的容量。图1-5欧洲对于风力发电事业的支持是非常到位的，从成员国到欧盟都有相应的支持政策，根据2001（772001）。到2010年，欧洲境内能源的21确保每个成员国都支持发展可再生能源。具体行政引导手段由成员国自定，方法多种多样，比如保护上网的可再生电能的电价、固定补贴价格、可交易绿色凭证系统、税赋抵减、税收优惠等。图1-6[ISI06]描述了欧盟25（PTC）来实施的[AWEA]图1-6欧盟25国可再生能源支持体系①此处原书为“SL”为塞拉利昂简称，有误，此处似应为斯洛伐克。——德国在1999年颁布了《可再生能源法》04，并且实行了统一电价制度。2009年1海上风力发电场的重要性。该法规保证了风力发电场的运营商可以以保护价格把满足电能质量要求的所有电能都卖到电网上，该法规还包括了对其他可再生能源的资助和管理办法，如制定了随着设备服役年限延长而递减的保护性参考电价。保护电价和传统化石能源发电价格的差额将转给终端消费者。该法律的制定是各方长时间讨论和妥协的结果，它代表了现在各方都能接受的一个价格框架协议，并且会作为未来可再生能源支持工作的基础。[1]此处原书为欧盟25国，但以图来看应为欧盟27国实际情况。——第2风车的历史可以追溯至2000年前，早期的风车主要用来磨制谷类和汲水。在17世纪和18世纪近代风车重要的代表——荷兰风车以不同的形式出现，并在欧洲被大量建造。n是19世纪风车另一种典型的结构，应用于乡村地区，在美国至今仍有应用。现代的风能转换器发展起步于20世纪20年代，但直到80年代人们才对它进行了专门研究，其在可再生能源方面有着重要应用。由下式可知，来自于以速度v1通过截面积A假定流动着的空气为均匀介质，到达风轮面之前速度为1，通过风轮后由于部分能量转换为风轮的动能而速度降为3（见图21）。简化理论计算，认为在风轮面内气流平均速度为2（13）2。根据这些，26经过计算指出当3113时，风力机可获得最大有效功，此时功率系数p16270.59。实际上，由于损耗（翼剖面损耗、叶尖损耗和尾流效应损耗），风力机的最大功率系数为p，x0.4～0.5。为了保证可以传递到负载端（发电机、泵）的有效机械功，考虑到轴承、联轴器和变速器处的能量损耗，式（22）中要乘以机械传动系的效率进行修正。图2-1风轮理想流体模型 由此可知，转矩与风速的二次方（v2）成正比，能量与风速的三次方（v3 图2-2图2-3注意，这两个分力分别垂直、平行于气流方向。系数和表示了给定叶片轮廓的特征，取决于攻角。将图24中的范例应用于实际的非对称轮廓h56，对于小的值（010），可以得到近似的比例关系为（5.1～5.8），而在此区间内相对较小。称比值为升阻比。图2-4特定翼剖面下升力系数cA（α）和阻力系数cW（α）当风轮以角速度旋转时，叶片上距离旋转风轮轴线处的圆周切向速度为u（r）r。根据理论，风轮平面处的轴向风速为2上风向风速1的23。切向速度和轴向速度的矢量合成为该点处的相对风速（），（）与风轮平面之间成角，如图25所示。升力和阻力的微元变量d和dW全都作用于该点附近的叶片面积（d）内，则力分解得到的切向力d和轴向力da分别为图2-5对于一个给定叶片角的风轮，图2-6[Gas07]给出了其cP（λ）和cT（λ）曲线，从而可知该风轮的设计最优叶尖转速比为λA=6.5图2-6三叶片风轮功率系数cP（λ）和转矩系数cT（λ）图2-7阻力系数cS（λ）式中，1是在参考高度1的水平层流风速；z0农田，0取值0.03，如果周围是稀疏的树林和灌木丛，0取值0.1，如果周围分布着茂密的森林，z0取值0.5～1.6。本书的2.4.4节中，在评估风力发电机的参考捕获能量时也使用了式（29）。图2-8a）直方图b）韦伯函数近似表示（瑞利函数，其中图2-9风力机能捕获的功率与风力机的叶尖转速比相关（见图23），因此风力机运行时的风速和叶轮转速决定了捕获功率的瞬时值。图210桨风力机典型功率和轮毂转矩曲线图，图中纵坐标已经归一化，表示的是与参考功率和转距的比值，以风速为参数。该示例中的风力机额定风速为12，当风速8时，叶尖转速比为最优值，即op。曲线族的最大功率点被标识出，最大功率曲线与风速成3次方关系。图210中横纵坐标都取1.0的点即为功率转矩额定图2-10vN=12m/s图210中的曲线族是根据图26中c（）曲线推导而来的，其中6.5，，0.52。选择额定风速12，最优在8时能够得到。根据式（213），在额定工况下的叶尖转速比（），即4.5，相应的，0.448。角。随着桨距角的增大，功率系数和转矩系数的峰值都会减小，并且峰值也趋向于出现在较小的值上。随之出现的还有变大的起动转矩、显著降低的阻力系数等。根据图26的风力机数据推算出的变桨风力机性能曲线如图211所示。图2-11为了保证风力机在高风速下不会过载，当风轮转速超过预设的额定值后，风力机必须限制自己捕获的能量。像n这种简单的风力机采用的办法是给风轮一个偏航角，让风轮不再正对风向，因而减小了风轮的扫略面积，也就减少了风力机捕获的能量。对于没有变桨装置的定桨风力机来说，失速效应是一种被广泛用来限制捕获能量的机制。图212描述了失速效应当中空气由层流转变为湍流，进而损失了升力，因此降低了捕获能量。图212中是攻角，它是气流方向与叶片翼弦平面之间的夹角（见图24），是叶片翼弦平面与风轮平面之间的夹角。图2-12叶片层流/这种失速调速机制的一个变种叫做主动失速，使用该方法的风力机一旦检测到风轮运行超速，就会自主将叶片变至一个失速位置。图213大量湍流，变桨调节系统则尽量避免大范围湍流的产生。图2-13（）制定的标准在国际上被广为使用，见表2计了。根据的风级分类，同样额定功率的风力机，适用风级高的（风级数字越高，风速越低），风轮直径越大，轮毂高度也相应的更大。表21列出了不同风级对应的轮毂中心处水平风速平均值和50年一遇的周期为10的最强阵风。表2-1IEC风级（对于任何风力发电设备来说，功率曲线都是最重要的特性。功率—风速曲线和风速—概率分布曲线如（瑞利分布）都是用来估算风力发电设备年发电量必不可少的数据。图214是典型的风力机功率曲线，实线表示的是失速调速型风力机，虚线表示的是变桨调速型风力机。当风速低于额定风速时，风力机的理想工作状态是以最大功率系数c来跟随总功率曲线（风速的3次方）。只有当风速高于取值大约为3～4s风速时，风力发电机才会发电。图2-14最优工作点，包括该点的风速vopt和叶尖转速比λopt实际上风力发电机的功率曲线大都是在实验场中测量出来的。风力机在切入和切出风速之间运行，把它的有功功率和功率系数与风速的关系记录下来绘制成图表，这就是测量的结果了。图216是一台额定功率为1.8，额定风速为14s的风力机的实测曲线。测量装置如图15所示。图217、图21给出了一些风力机的捕获功率密度07，其中风力机仅包括850kW以上的大型风力机。图21的关系、额定转速与额定功率的关系。通过这些数据归纳出的趋势线可以发现，大多数风力机的捕获功率密度集中在0.35～0.45k2来的趋势是越来越大。图218右侧图的数据是一些2风力机的年参考捕获能量与轮毂高度的关系图。由图中趋势线可以看到，实际年均捕获参考能量多分布在900～1100（kha）2。如此大的数据离散性是因为有的风力机是设计在高风速下工作的，有的则是在低风速下工作的。图2-15图2-161.8MW平均发电量。假定风速分布规律满足瑞利分布，风力机的设计功率系数为0.46，图219给出的是相对年平均满负载能量输出曲线07考虑到实际设计时留出的裕量，真正工作时额定风速与平均风速之比在1.5～2。那么从图219中可以知道，年平均输出能量的效率在20～35%。图2-17850kW图2-18大于850kW的风电系统的比功率和2MW图2-19德国的“可再生能源法提供了风力机的年平均输出能量参考值04，该参考值的参数如下：在离地面30高处，风速符合瑞利分布，平均风速为5.5s，使用对数函数来描述风切效应，地面粗糙度特征长度为0.1。在这个参考条件下，让待评估的风力机运转5出能量，风力机必须能够捕获参考能量（即根据风速概率分布和风力机尺寸计算出来的理论捕获能量）的60%以上，上网风电才能享受保护价格。月平均输出能量则根据月份不同，波动极大。根据奥地利一个组织的调查数据，德国和奥地利的一些风电场在2002～2005能量不仅在不同月不同，在不同年的同样月差别也极大，如图220所示。但在测量这个数据的同时，风电场也在不停地更新风力机。新式的风力机拥有更高的效率，因此也改变了月平均输出能量，这也是数据波动的一个重要原因。图2-20德国与奥地利的月比能量kWh/m2第3电机可以分为直流电机、异步交流电机和同步交流电机三大类，其中直流电机由于自身固有的维修保养费用高昂、功率用高压绕组等缺点，除特殊场合外，已经不再作为发电机使用。与此相比，不管是同步交流电机还是异步交流电机都被广泛的作为发电机使用。感应电机是异步电机中的一种，它在风力发电机中普遍应用。感应电机的定子和转子绕组中只有一个通电，通常情况下负载线圈由三相绕组构成。图31给出的是一个三相感应电机的等效电路图。该电机定子绕组采用星形联结，、和端分别连接三相交流电源的1、2和3。图3所示的转子绕组也采用了三相绕组，转子绕组的、和端全部连接到集电环上。通过集电环和电刷，转子绕组中的感应电流也可以被输出。当转子绕组被短路时，图31所示的感应电机就变成了笼型感应电机。因此本章中也使用这种等效电路图来表示笼型感应电机，但是请读者注意，由于转子绕组结构不同，笼型感应电机和图示结构的双馈感应电机的转子位移电流特性并不相同。图3-1图32所示的是绕线转子式异步电机的形等效电路图，该模型绕组每相有两匝绕圈构成，转子绕组通过集电环和电刷与外部电路相连。该模型也可以视为一种特殊的变压器模型，因为初级绕组（定子）通过磁场来与次级绕组（转子）耦合。初级绕组的输入电压为1率为1。把次级绕组的所有参量都通过变压器变比和两极电流频率比12换算得来，其中，1是定子频率，2代表笼型异步电机时，图中所示的次级电路短接，2应该等于0。图3-2绕线转子式异步电机的T图3-3并网异步电机的TR1R′2=k2R211和′2′2分别是初级绕组磁感应系数和次级绕组磁感应系数，其中1和′222则分别是初级绕组和次级绕组的漏磁磁感应系数。式中，zp是电机的磁极对数；Ωsyn前面所述的形模型是个很经典的传统模型，为了细化这个模型，使其描述更精确，可以引入各种修正参数。图34阻e来代表负载无关损耗的修正模型。其中电阻与磁化电抗并联的模型是一种可行的模拟涡流损耗的方法，而且这是惟一可行的模拟磁滞损耗的方法。另一种简单的模拟恒定损耗的模型修正方法是在电机定子输入端并联一个电阻p，（摩擦损耗，转子转动造成的空气动力损耗和电机铁损。）如图34b所示。图3-4Ta）常规铁损电阻RFeb）电阻Rp如果电机的端电压情况已知，例如定子连入电网（恒定）或者由电压源逆变器（端电压可以通过逆变器的输入和其他参数来推算）来供电，那么式（32）也可以用来求解电流。如果已知1（11）1成立，那么式（32）中的定子绕组电阻1就可以忽略不计，并且可以化简为以下的两种形式：以转差率s为自变量，短路电抗Xk和极限转差率sk以转子频率为自变量，以转子短路时间常数τk2和无负载时间常数τ02因而磁链Ψ1=U1/ω1保持不变。在这种条件下，定子电流和转矩仅仅取决于转子旋转频率，图3-5（ω2τk2）进行了归一化。从图3-5中可以看出，当转子频率ω2=1/τk2时，电机产生的转矩正好是极限转矩Tk图3-5把定子电流的稳态根轨迹画在复平面当中，图32所示的次级绕组短接的等效电路的电流根轨迹正好是一个圆如图36a所示1轨迹图也叫做nn图，图中的圆可以通过以下3个点来定义：P0是无负载工况点。在该工况下，转差率s=0，电流矢量I0根轨迹圆的直径为0，圆心的实部则略微大于0。在nn图（或者ynd图）中，上半平面的点代表电机工作在电动机模式，下半平面的点则代表电机工作在发电机模式，右半平面的点代表消耗无功功率。点表示的是电机工作在电动机模式额定工况下，电流矢量与端电压矢量1之间有的相位差。与此相对，电流矢量表示的是电机工作在发电机模式下的额定电流，电流矢量端点如图36中所示。图3-6a）电流根轨迹（Ossanna循环图）b）矢量图（发电机状态点都代表定子电流为复数时的工况点。图中的线段1是圆的一条直径，由点0和圆心确定；线段2代表了定子和转子间的气隙功率和转矩为0的工况点；线段3代表的是无机械功率工况。这时假定所有的摩擦都不计，甚至忽略转子转动引起空气流动的能量。电机的转矩正比于图36 式中，2′就是转子绕组的阻抗，而另外一部分阻抗则是转差率的函数。这个依赖于转差率的阻抗成分叫做有效阻抗，当01抗为正数；当10时，有效阻抗为负数。图36b中已经给出了这种有效电阻的正负变化：见电压矢量，当电机工作于发电机模式时，绕组电阻引起的压降和转矩引起的压降方向相反。图3-7a）性能特性b）式中，u13121，代表三相电机的定子铜损；u2代表转子绕组的焦耳热损耗；是定子和转子之间通过气隙传递的电磁功率；e、dd和分别是铁损、摩擦损耗和转子空气动力损耗。上面讨论的损耗功率和总功率的关系可以通过图38所示的nky图来表示。图38表示电机工作在电动机模式，图38b则表示电机工作在发电机模式。在所有的损耗功率当中，u1、u2和dd是与负载有关的损耗，和则是与负载无关的损耗。正如式（311）所描述的那样，只要讨论的电机还是同一个，这些负载无关损耗就不变。图38所示的nky图中，为了便于理解，这里选择了电动机工况作为参照，它与发电机工况的区别是，这里的和h都是正数（发电机工况下，两者都是负数）。所有的损耗功率都是正数。图3-8异步电机的Sankeya）b）参考值的比值。如图37所示，横纵坐标表示的是电流和转矩，但是并没有使用电流和转矩的绝对值来给坐标轴标定数字。在图37中，横纵坐定电流和转矩作为参考数值的做法也是业界普遍做法。2.3.3额定工况下的磁通量ΨN和额定电感LN通常归一化的变量使用小写字母来表示，如电阻R1引起的阻性阻抗经过归一化后表示为r1，短路电抗引起的归一化压降表示为xk式中，Tk=3zI2L（1-p1p1由于考虑了主磁场饱和效应，那么这时主磁场磁通Ψ（）就不再是磁化电流的线性函数了。又因为Ψ，所以可以认为（）是一个关于的非线性函数，因此式（312）和式（313）也就都考虑了主磁场饱和效应了。图3-9Q=3U21ω1C（3-图3-10a）b）图311中的电压曲线与电流成非线性关系，这个非线性曲线使得电机自激运行成为可能。下面比较一下图31中的感应电压u（）曲线和图39中的曲线。图31中的感应电压曲线u，08（）表示的是当转子转速为额定转速的80%时，感应电压的值，曲线u（c）则是定子并联的电容端电压。从图311中可以看到，u和uc曲线是相交的（交点坐标还被用来定义归一化坐标），况。因此，通过选择合适的电容值，可以让异步电机工作在自激模式下，即。回顾一下异步电机的自激起动过程，在开始的一瞬间，还是需要一个磁场来产生感应电场的，所以异步电机即使工作在自激模式下，其内部也是存在一个小的剩磁场的。再回到图311中，假如电容值保持不变，但是转速降低为额定转速的80%，那么此时u直线和u，08曲线不再相交，也就是说这时异步电机没有稳定的自激工作点；同样的，假如电机转子转速保持不变，但是电容值降低为先前的80%，那么也能见到u，08直线和u曲线不再相交，即电机也无法自激运行。综上所述，对于电机的每一个转速，都存在一个最小电容值，当与定子并联的电容值小于这个临界值时，电机无法自激运行。图3-11图312中，1是用来带动发电机的动力机械；2是笼型异步电机；3是电容器组；4是开关；5是可调电阻—电感载荷。图312b则是异步电机的一个单相等效电路，其中所画异步电机模型被称为g等效模型，另外定子绕组的电阻忽略不计。异步电机的磁场参数可以通过式（3来计算，电压和电流应用迭代法计算。图3-12a）电路图b）图313所示是一个7.5k、2对磁极、额定频率为60施，随着负载电阻的增大，电机输出端电压下降很大，而且一旦降低到某个由电机转速和并联电容值决定的点，电机就无法再稳定运行了。这个临界稳定工作点则反映了此时电容和电机之间感应电流的差值已经达到了感应电流的临界值（见图311）。图3-13a）恒定转速，电容值为参数b）图314就是一个典型的三相同步电机电路图，该电机的定子、和W端连接到电网的、和3线上；转子承载励磁绕组，直流励磁电流通过1和2获得可控的励磁磁场。图3-14 式中，Xd=Xmd+Xσ1是d轴同步阻抗；为等效化到初级绕组端的励磁电流。如果电机是涡轮转子类型的匀强磁场电机，那么Xq=Xd。定子端 图3-15a）带恒压 b）带恒流源图316所示是b坐标平面内定子电流根轨迹图，以相对励磁电压（励磁电压与定子电压的比值）为参数。如果电机使用的是涡轮转子，那么电流根轨迹就是以点为中心的一系列同心圆。在图316中，如果电流矢量的端点处于上半平面（一象限、二象限），表明此时电机工作在电动机模式下；如果电流矢量的端点处于下半平面（三象限、四象限），表明此时电机工作在发电机模式下；如果电流矢量的端点位于右半平面（一象限、四象限），表示电机正在消耗无功功率（欠励）；同理，电流矢量的端点如果位于左半平面（二象限、三象限）表示此时电机正在向电网中输送无功功率（过励）。图316磁电压变化。在使用励磁绕组的同步电机中，无功功率可控。图315中的等效电路图基于励磁磁场圆周方向均匀地假设，因此只适用于涡轮转子的电机。对于凸极转子，由于定子和转子间的气隙周期性变化，励磁磁场也不再均匀，即qd。凸极转子同步电机的电流根轨迹图也不再是同心圆，而是圆锥曲线。在电机转矩中，一部分来自于同步转矩，另外一部分由变磁阻引起的转矩则正比于励磁电压的平方，并且也正比于n2，为功角。图317b所示是一台凸极转子同步电机的特性曲线图，该电机的q轴电抗小于d轴电抗（qd），显而易见，电机的极限转矩出现在2时。图3-16a）b）图3-17a）涡轮式电机b）图3-18a）涡轮转子电机等效电路b）负载—图3-19近年来永磁（）激励同步电机也在大型风力发电机上有所应用，甚至单机容量为5W的风力机都有使用永磁同步发电机的型号。永磁激励不需要励磁绕组，也没有励磁绕组的电阻损耗，因而效率比励磁绕组的型号要高一些。随着磁性材料技术的进步（钴磁性材料和稀土磁性材料），特别是铷铁硼材料的广泛应用，永磁电机的气隙磁场强度也可以达到励磁绕组型电机的强度。永磁体在电机内的安装也有不同的形式，可以均匀安置在圆柱形转子的表面，也可以安装在转子表面的插槽中，或者安装在转子的铁心之内[聚磁设计（budgn）。表面安装永磁体的转子，气隙磁阻与涡轮转子的电机类似，其他两种永磁体安装形式其气隙磁阻及转矩都有周向波动，一般来说dq。驱动，同时电机的频率也不能偏离50～60，因此直驱型风力机的磁极对数往往很大，需要多磁极的风力机，质量也大，单位功率质量比不高。电机的有效体积取决于额定转矩，所以这样会导致功率质量比下降。图320所示是轴向磁通电机的结构示意图，图中虚线为电机的旋转轴，图320和图320图中都是转子—定子—转子（）结构，图3-20c是定子—转子—定子（）结构。图320中的绕组是环形，图320b和图320中的绕组都是螺线管形。图321所示是转子—定子—构典型的磁场分布：图321中转子的一侧安排的都是同样极性的磁体，定子磁轭起到传导磁场的作用，将磁场传递给环形绕组；图321b中的结构是适合使用螺线管形绕组的电机。每种结构都有自己的优缺点，没有明显的优劣之分。图3-20下起动的变速风力发电机来说具有重要意义。图322k95所示是一个小型风力发电机使用轴向磁通发电机的例子。参考文献99更是提出了一种多定子—转子模组并联的轴向磁通电机结构，如图323所示，该结构尤其适合驱动船只螺旋桨或者低速风力发电机等。迄今由于其他机械和设计上的原因，轴向磁通电机还没有大规模应用。图3-21图3-22图3-23横向磁场电机的好处是可以拥有高转矩/体积比，同时允许安装多对磁极[Weh86]图324给出了横向磁场电机的结构示意图，图324是简化的版本，形软铁导磁元件只放在转子一侧，形元件中间包围的部件是定子绕组。磁极并列在两条导轨上，通过中间的软铁材料形成磁通回路，磁极距不再对绕组构成限制n97。图324b下两面对称地布置了定子和形软铁导磁元件，原设计制造难度极高。图3-24a）多相电机的单边组件b）异步电机，特别是笼型异步电机，既便宜，又结实耐用。如果使用笼型异步电机的风力发电机直接连入电网，它消耗的无功功率由电二个额定工作转速（丹麦型设计），两个额定转速比通常为3∶2。当使用绕线转子异步电机时，转差率可以通过静态r系统来实现串级调节。使用这种调节方法的电机叫做双馈异步电机。通过使用逆变器，双馈异步电机可以向转子回路中输入或者提取能量。双馈异步电机可以变速工作，不过需要容量大概为总装机容量13比值为2∶1的逆变器。[1]原书图3-6a有误，已更正。——第4无源补偿设备（电容器发电机的设计不同，对于电能同步也有不同的要求，图4-1所示是一些电力电子变流器电路可以完成的任务[Heu96]电力电子器件是一类常见的半导体开关器件，其中既包括二极管等不可控器件，也包括晶闸管、双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管（）、绝缘栅双极型晶体管（）、门极关断（）晶闸管等可控器件。在电力电子电路工作过程中，电流从逆变器的一个桥臂换相至另一个桥臂输出。根据换相所需电动势的来源不同，逆变器可以分为自换相逆变器和外部换相逆变器。电网、电机甚至负载都可以作为换相电动势的来源。根据功能，逆变器可以分为以下4交流—直流逆变器（整流器交流—直流—直流—交流—周波变流器则是无中间电路的交流—图4-1直流—直流逆变器（斩波器直流—直流逆变器可以改变直流电的电压和极性。使用储能元件和脉冲控制的直流—图42给出的是一个带三相变流变压器、6脉波晶闸管桥式电路和扼流线圈的全控整流器电路。因为此系统中选用的晶闸管只具有门极电路触发导通功能，而不具有门极触发关断功能，因此换相电压必须由外部电网提供。这种桥式整流器是直流拖动中最经典的交流—直流整流解决方案。通过相控技术来调节触发延迟角，输出直流电压的高低就可以调节。当触发延迟角达到预设值时，换相被初始化，电桥中对应的阀器开始工作，输出负载电流。当晶闸管的触发电流低于维持电流时，晶闸管关断，直到下次换相开始，阀器件才会再次工作。图42路，既可以用作三相电网给直流负载供电的整流器（02），也可以用作直流—交流逆变器的直流供电的整流电路（2x），其中x是临界稳定触发延迟角，大致范围在150～160之间）。图4-26脉波桥式（B6）考虑简单的理想情况，忽略换相延迟和直流端很大的电感，那么这时输出电流应该由图43所示的相位角为120的方波相互叠加构成。图2所示的y联结中，变压器一次和二次绕组的电流都会体现出这种120方波电流；如果逆变器的端子采用y联结，那么输出电流的基本构成就是另一种带有相位差的阶跃图形。图4-3带负载的B6电路简化波形a）无控制（α=0）或二极管的整流器模式；b）受控（0<α<π/2）图4-4带负载的M3a）整流器，α=22°b）在风力发电领域中，带6晶闸管桥式电路的逆变器可以用于和静止串级调速（）触发延迟角的变化不仅会改变平均直流电压，也会由于其与电网的相互作用而产生无功功率（0时，产生的是纯粹的有功功率，2时产生最大无功功率）。产生的无功功率是感性无功功率，其基波值由相位控制决定，即图4-5直流电压与受控无功功率的关系图（u0表示初始换相重叠角图4-5所示是直流电压与受控无功功率关系图[Heu96]当直流电压被调到较低的值时，使用6这是6晶闸管桥式电路的显著缺点。为了克服这个缺点，一种可调无功功率的电流源逆变器被设计出来。图46所示的电路中直流侧包含用作储能元件的电感器。其接近90的触发延迟角允许其调节无功功率。由于换相电压必须由电网提供，该装置只能产生电感性无功功率。图4-6a）b）图4-7图48给出了三相全波桥式逆变器工作在六阶段逆变方式下的相电压，其中假设直流电压d恒定不变。图48所示是交流输出端相对于0点的电压；图48b所示是交流输出端的线电压；图48c所示是当变压器绕组采用星形联结时，任意一相相对于中性点的电压；图48d电压参考点0和交流中性点之间的电压。图4-8产生脉冲波形的方法有很多，不同的方法适用于不同的应用场合，其中最常见的一种是脉宽调制（）。图410示意图，采用正弦形参考电压u和三角形载波电压u；载波电压和参考电压的频率比则应该是奇数，本例中该比值9；变流器开关臂连接正或者负直流端依据u是否大于u而定。如图410所示，相电压u10和u20构成了线电压u12。调制比（modulationratio）图4-9脉宽调制（PWM）桥式（B6）图4-10具有正弦调制的PWM图4-11利用复数计算，并且把发电机基波电压矢量Ug式中 Rk+jω1Lk=Zkejφk图4-12机工作在电动机模式）；式中 图4-13用电器（电动机）坐标下的功率根轨迹图（理想无损电感器图414给出了无功电压源逆变器的简化电路，该电路为得到方波工作模式使用电容器作为储能元件u96。图414是电路，图414b是电压和电流波形u96。与4.3.2.2节中叙述的电流源逆变器不同，这种自换相电压源逆变器，既能产生容性无功功率（过励），率（欠励）。该电路可以轻易用作脉宽调制工作方式。这个电路也可以认为是一种有源前端逆变器的特殊应用，那么可以利用4.3.3.3图4-14带电容储能元件的无功逆变器（在方波信号下运行a）b）图4-15a）VSI直流—图416给出了一些典型的直流—直流斩波器oh95。输入电压d被变换为可调的输出电压o，o既可以高于d（升压）又可以低于d（降压）。电路中的开关表示半导体开关器件，例如晶体管。它使用脉宽调制方法，周期性地接通或者断开压或者降压。电路中的是电感储能元件。在直流—直流斩波器正常工作时，流过电感的电流是连续的，在降压模式中，输入电流经由脉宽调制本身是不连续的；在升压模式中，输出电感电流经过开关器件的控制，由离散信号叠加而成。图416损耗都忽略不计。由此可以看到，随着电感周期性地吸收磁能与泄放磁能，在不同周期内，电流与时间成分段线性关系。为了限制电流的波动，电感不能小于一定的临界值。电感临界值与半导体的开关频率成反比。斩波器电路的一些特性值如下：图4-16带电感器的储能元件的直流—a）降压（buck）变换器b）升压（boost）[Moh95]。图4-17a表示减少的电感器电流iL在再次增加前的最后一刻刚好等于0。给定的平均电流ILB取决于占空比d图表4-17b所示是当输出电压图4-17a）连续导通/不连续导通临界情况b）边界曲线图4-18直流—交流电力控制器是相控电子装置，可以在不改变频率的情况下，调节串联负载上的电压有效值。交流电力控制器既有单相的也有三相的，采用反并联两个晶闸管或者直接采用双向晶闸管来导通交流电两个方向的半波。图419所示是一个典型交流电力控制器电路，电路中带电阻电感负载，三相中性点不接地。由晶闸管的触发延迟角决定开关器件导通，然后电压和电流开始输出，直到通过开关器件的电流降低到0，导通过程结束。由于在该设备中没有换相现象，所以交流电力控制器一般不叫变流器。施加于负载的电压有效值可以从最大（0时）到0之间进行调节。在图419中，晶闸管的触发延迟角150时，输出电压等于0。输出电流的大小则取决于负载，在图419中所采用的例子中，假设负载电流取决于相位角a（1）。图419b所示是该电路的电流控制特性曲线，其中的两条线分别是负载os和os0的特性曲线，对于其他负载相位角，曲线从开始并对应着最大电流I0，。负载的电压和电流都包含谐波，谐波的幅值与触发延迟角相关，因此当负载是异步电动机时就会产生额外损耗。图4-19a）带电阻负载的等效电路b）现在人们通过不同的技术角度来研究这个难题，参考文献n中列出了一些储能形式，即抽水储能、电池储能、压缩空气储能、热能储能、飞轮储能、超导储能、电解水—换能量，既能短期也能长期储存电能。电能存储量、充放电功率容量、能量密度（也称为比能量）和功率密度（也称为比功率）较不同储能技术的关键参数。下面将讨论一些有可能应用于风力发电领域的储能方法。图4-20储能装置的Ragone在摄氏25℃时，硫酸的密度为1.24g3。单体电池电压为2。一般乘用车使用6个单体电池串联来得到12电压。当蓄电池充满电后，单体电池电压会稍微增加达到2.3。图42列出了铅酸蓄电池单体电池的电压曲线，以荷电程序作为自变量，同时也标识出了在2.4的气体析出现象。因此车辆用电池的额定电压为14、18或者24，电池的铭牌上注明的容量以h为单位。蓄电池的容量主要取决于温度和放电电流。一种通用的标定电池容量的方法是20容量：假如电池以一个恒定电流放电20h电截止电压，那么这个电流叫做I20，对应的放电电量就是20容量。对于常用的12铅酸蓄电池来说，放电终止电压为10.5左右，如果持续放电的电流大于I20，电池将终止于更低的放电终止电压。图42给出了一个普通12铅酸蓄电池的特性曲线。使用蓄电池时要尽量避免深度充、放电。图4-21单体电池电压U与荷电程度图4-22a）b）C1R5C2R3，R4R1，R2图4-23采用电流/图4-24系统中的非线性参数靠来自实验测量的数据得到，另外一些参数则是上面所列参数的函数，如1的电压1和电量1，3的电流3和电压3。应用模型时，电阻值也经常被相加，如13和24表4-1传统电容器仅仅设计为存储少量静电能的储能元件，并不适合用于大规模储能，电化学双层电容器（）的诞生给电容器大规模储能带来了一个新的解决思路。市面上几种品牌的产品，如ps、upp和oop其实都是电化学双层电容器，这种电容的金属电极之直径。由于电极和金属层之间的距离非常小、表面积又大，因此电化学双层电容器可以达到很高的能量密度，其存储的静电能为容量为5000的可以轻易买到，但是其次使用电压则为2.52.8，能量密度约为4.7hk。电容存储的能量正比于充满电压和完全放电电压（约为1.2）的平方差。另外的串联电阻极低，因此可以通过多单体电池串联的方式使得功率密度轻易提高到10kk。为了把用于供电系统，串联单体电池之间需要使用均压线，整个电容器组也需要采用其他电力电子设备来达到供电电源的要求。的使用寿命可以达到50万次充放电循环，使用环境温度为35～65℃，而且其可靠性极高。因此虽然目前的能量密度还不如电化学电池，但其仍然被部分研究机构所青睐196。在风力发电系统中，被用作短期储能元件，参考文献n04]中提出了一种利用作为补偿器的直流升压降压斩波器。要设计支撑结构。螺线管造价较低，适合制造小型（超导磁储能系统）设备；螺绕环产生的安培力比较小，只需要较弱的支撑部件，因此适合制作大型。除了低温超导材料（）以外，还有高温超导材料（）。低温超导材料的典型使用温度为4.2，使用液态氦制冷；高温超导材料的典型工作温度则为77，液态氮就足以作为冷媒了。但是高温超导材料的许用电流密度低于低温超导材料，不同的制冷技术也会造成成本的不同。最终可以使用如支撑结构热传导损耗或者其损耗能量与制冷系统的输入功率的比值作为评价系统成本的参数。一套使用低温超导NbTi材料、2MJACCEL的系统具有如下性能：存储能量为2.1MJ、储能电流为1000A、线圈电感为4.1H、磁通密度为抽水蓄能法的思路是在电网电力过剩时，利用过剩的电能将水抽送至高水位的水库存储；当用电高峰期电网电力不足时，用高水位的水流向低水位产生的动能带动发电机发电，向电网回馈能量。这个概念已经出现了几十年，现在技术发展的比较成熟。抽水蓄能系统有两种结构，其一是用发电机电动机两用电机分别与水泵和水轮机相连接，抽水时电机驱动水泵，发电时水轮机驱动电机。另一种结构是电机与一个水泵/水轮两用机相连接，由于叶轮做水泵和水轮机的最适合结构并不同，所以该轮机做水轮机连接同步电机时效率低于前一种结构。如果使用逆变器，并且使用为水轮机优化的涡轮，在水泵工作模式时电机运行于异步转速，总体效率低的问题就可以被解决n00换时会有损耗，水库中的水也会蒸发，造成发电用水少于水泵送水，计入这些损耗，其总体效率仍然能达到70%～85。下面以odh电站作为例子来说明（2002）。该电站的高水位水库库容为13.51063，折合能量为8489h。电站配备4台机组，其中两台使用同步电机分别连接水泵和水轮机，这2台机组的额定功率都约为256W；另外2台机组使用异步电机，额定功率都约为265。其总装机额定功率为1060W。气体的压缩和扩张特性也能被用来存储能量，使用这一原理的系统叫做压缩空气储能器（）。空气被压缩机压缩，存入地下的存储压缩空气注入天然气燃气轮机中。压缩空气产生的热能用于燃气轮机的进气预热，燃烧产生的高温、高压气体推动轮机，最终带动发电机发电。图425所示是一套压缩空气储能系统的概念图，注意燃气轮机和压缩器都连接到同一台电机上，对应着电机的不同工作模式。图4-25CAES电站概念图（德国洪托夫镇表4-2洪托夫电站CAES①1bar=105Pa。——式中，J是飞轮绕旋转轴的转动惯量；是飞轮旋转的角速度。如果飞轮是质量为、半径为的圆柱体，那么有22；如果飞轮是质量为、内半径为、外半径为a的圆筒，那么（22）2。以上式子说明了使用同样的材料，带辐条的圆筒形结构可以获得更大的转动惯量。飞轮可以使用钢材来整体制作，但是碳纤维复合材料的抗拉强度却使得它更适合制作辐条。设计飞轮储能器时一定要标定飞轮外缘的最大许用线速度。高性能的储能飞轮设计额定转速高达20000n以上，能量密度高达130hk，而且总效率能达到95%。如此高的性能和超长的使用寿命使得飞轮储能器成为了固定设备不间断电源（）也被部分机构看好。第5定速风力发电机（并网同步发电机），或者允许速度轻微偏移的定速风力发电机（由并网同步发电机的并励特性决定）变速风力发电机（发电机的频率由逆变器与电网隔离开）图51所示是风力发电机的常见形式：图51中异步发电机直接连接电网，发电机转速必须恒定；图51b变换全部功率；图51中也使用逆变器隔离电网和发电机，但是逆变器只变换部分功率。这种部分逆变的安排形式，要求发电机转子使用绕线转子，发电机采用电刷—集电环图5-1典型发电方法——a）b）c）d）e）下面来关注在风力发电机中广泛应用的发电机并网形式。图52风轮通过齿轮箱驱动（1.5，齿轮箱变速比为100左右）。另外为了避免起动时的冲击电流，该型布置通常设有相控软启动设施。如果要描述双额定转速的丹麦型风力发电机，只需要对图52做微小的改动即可。图5-2电控制器，这样系统的结构可以非常简单。如果买了输出交流电的发电机，也可以参考图52b，将蓄电池置于逆变器的直流中间电路，一样可以正常使用。只要在发电机端设立一个有源前端逆变器来提供无功功率，异步发电机一样可以应用在孤立电网中。图5-32004年和2007定速风力机和变速风力机的区别在功率转矩——转速曲线图中可以清晰地看出，图54是功率—转速、转矩—性与图210中的相同，曲线簇以风速作为参数，额定风速为12。图中画出的曲线簇只考虑风速影响，不考虑桨距角的改变（相当于定桨距角）。注意最大功率与转速的三次方成正比，功率最大时对应的转速，其转矩并不是最大，而是在图的下降区中。图5-4定桨定速型风力发电机通常使用笼型异步发电机直接并网发电。这种发电机的励磁无功功率由电网提供，运行转差率不超过1（子转速几乎就是同步转速）。定速风力机的名称实际来源于笼型异步发电机的限制。定速定桨型风力发电机的转速调节依靠被动失速控制，当风速和转速过高时，叶片气流攻角会进入失速区进而降低能量捕获能力。叶片的气动设计也与电机和传动系统相配合，确保稳定叶尖转速比对应的正好是发电机的额定转速。风力发电机的年发电量依靠风力机的功率—度是常数，气流动能与风速成三次方关系。图5-5为根据[IEC61400]规定的环境进行实测的风力机功率—图5-5图5-6图5-7a）传感器布置b）Γ式中，X2′=ω1（L1+L′σ）=X1+X′σ；Lσ′=L1σ/（1-σ）；R2′=k2Γ 图5-8绕线转子异步发电机的L当研究级联电路时，把转子侧的参数等效到定子侧会比较方便，这需要定义一个复数变 ，幅值为k2，相角为φ2，此时式中，U1是定子电压矢量 是转子对定子的相对电压矢量。注意在静态情况下，转子自身的参数频率等于转差频率（sf1）超同步Kramer双馈异步电机的定子直接连接电网，转子绕组则通过集电环连接一个特殊的转差能回馈逆变器，该逆变器的中间直流电路含一个电感，如图59控系统。另外电网端还必须有变压器存在，使回馈的电能与电网电压一致。图5-9静态Kramer考虑逆变器的发电机端（连接转子绕组），转子电压恒定不变，即变压器变比k2不变。定子电流的根轨迹图还是个圆，只不过由于2的存在，无负载转差率会对应改变。图510是k20.为常数的电机电流根轨迹图，它的极限转差率k0.303。注意圆的内外侧比例尺不同，其外侧比例尺的级联无负载转差率0k20.，内侧代表级联无负载转差率020.1。s=-0.35时的电路电流和电压矢量，电压矢量和方向相反，其中的励磁电流相位落后电压的相位π/2，为了让读者方便到，它的幅值被放大了。表示转子电流，其经过逆变器变换到电网侧的电流由表示。和之间的相位差αW约为5π/6。电流矢下面用图511来表示电机的功率构成。不管是次同步的电动机工作模式还是超同步的发电机工作模式，在功率图中都能很好地吻合。图5-11a是级联的简化电路图，忽略所有损耗，其箭头代表功率的正方向。转差功率从转子绕组中产生，经过逆变器的转换输送到电网侧，最后再与定子绕组的功率相叠加成为级联功率。图511b给出了简化的nky图，左边表示电动机工作模式（）机工作模式（0）的功率成分。图5-10a）转子电压恒定下的电流根轨迹（如s0=±0.1）b）图5-11Kramera）支路恢复图（损耗忽略）b）Sankey图512所示为r级联电路的转矩—转速（或者转矩—转差率）曲线。通常情况下电机转速被限制在0，x0.5以内，但是一旦使用相控逆变器，图512中的第一象限（次同步，电动机模式）和第三象限（超同步，发电机模式）中的任意工况都可以达到。这里讨论的级联电路基于图59中的简化电路图，该结构无法工作在图512中的第二象限和第四象限。图512给出了r级联电路当k20.时的功率—转差率特性曲线。图5-12a）b）功率特性双馈异步电机的定子绕组直接连接电网，转子绕组通过集电环与一个变流器连接。这个变换器将转子提供的转差功率变换至电网的电压和频率后再馈入电网。转子侧变换器也形成一个级联，它的功能很像前面提到的r级联系统，但是这个变换器一般采用循环变换器和带中间直流电路的变换器，转子侧（I）和电网侧（）机模式和次同步的发电机模式下。图513给出了双馈异步电机的简化电路图，除了电机与逆变器以外它还包括了一个滤波器（）图5-13由于逆变器采用可控器件，它可以向转子绕组中输入一定的电压和电流，电压幅值和相角可以在一定范围内自由调节。在静态工况下，输入电压的频率为转差频率。图514给出了双馈异步电机定子电流根轨迹图，图中的参考圆I1，1a的电流根轨迹（类似于图510）；I1、I1b和I1分别代表等效变比k20.，φ2、21.13和20.885时图5-14a）电流根轨迹b） （）；I将电能转换为直流波动电压，然后送入中间电路；直流—直流升压逆变器（I）将1的电能变换为恒定电压直流电，再送入中间电路2，最后由电网端自控变换器（）调节输出电能的功率因数。电路中的滤波器（）必不可少。图5-15外界励磁电源可以是一个简单的小型直流发电机，也可以是一个从发电机端子取电的静止励磁器。这种静止励磁器出现在了图515当中，与定子连接并且标有字母的就是。孤立电网小功率风力发电机使用的自控发电机经常依靠发电机端子的电压和电流做复合励磁，电流和电压的矢量其实也表征了电路中负载造成的相位位移。自励磁发电机的起动是靠铁心和绕组中的剩磁完成的。对无刷励磁式发电机的电路简单扩展，很容易得到自控复合励磁发电机。图516中的磁场，3的磁场会与2提供的磁场相叠加来改善主发电机的励磁电流。如果对励磁电流有更高的要求，那就只有使用电子系统控制励磁电流了。图5-16图517所示为常用永磁材料的磁通密度曲线。铁氧体磁性材料磁场能密度低，但是很便宜，因此在小型直流电动机和车用发电机等大图518给出了适用于励磁的铷铁硼材料655 的性能曲线（节选自其生产厂家的产品名录），其产品的典型性为1.2、915k和（）275k3。图518中也显示出了广为人知的磁性转变效应：随着温度的升高，（）和J（）曲线会突然下降，显然材料的矫顽磁场强度也突降了。在设计使用永磁体设备时，一定要保证在正常工作和短路情况下，材料不要发生图5-17图5-18一种铷铁硼（NdFeB）磁铁的退磁曲线〔VAC图5-18中的磁性材料，生产商标注了许用工作温度为160℃。对于现代发电机（温度等级F）来说，160℃不足使用，VACODYM655AP能仅用于小型发电机上。兆瓦级的风力发电机要求更高的温度稳定性，在同一个产品名录中查询 AP[VAC]可以满足要图5-19永磁体同步发电机（PMSM）a）b）带2个绕组（不同磁极对数）的异步发电机（5.3.2节）双馈异步发电机，带转子侧逆变器（5.3.3.3节）同步发电机，逆变器全馈（5.3.4节）；还有部分永磁同步发电机（5.3.4.3节）表5-1（续最为著名的风力发电联合模式为柴油机—柴油机—图520给出了一个孤立电网电气岛的示意图，它包括2台带同步发电机的柴油机和用于控制无功功率的旋转移相器；配有异步发电机的2小型和1台中型风力发电机用于提供电能。2个电容器组来用于提供负载所需的基本无功功率。1个蓄电池组通过变换器与电网连接，它可以与负载控制器组合使用。此外，1个无源滤波器使发电系统功能更完善。图5-20风力发电机联合并入电气岛电网示意图（来源把图5-21[1]中的电路扩展一下，去掉柴油机—同步发电机，加入其他的可再生能源（如光伏发电）统，图522给出了1种可再生能源电气岛自主控制系统的电路图。在这个电路图中，有1种使用异步发电机的风力机、1机和1种光伏发电机。整个系统的核心部件是负责电路管理和补偿的“能源控制模块。参考文献ou01的作者把“能源控制模块叫做“电力同步器”，因为这个设备能够同时控制有功功率和无功功率。电路中的蓄电池及其自控变换器可以平衡短期电网的功率、电压和频率波动。最后这个电路中采用了有源滤波器来进一步过滤杂波，优化了电能质量。图5-21被动功率限制（通常通过被动机构实现）图5-22图523给出了一个风轮直径为1.5的风力发电机特性曲线。这个风力发电机如前面所述，用作蓄电池的充电器，额定输出功率为400W定转速为900n。从图52中可以看出，当转速高于300n时蓄电池才开始充电。这个300n的转速是配合风力机的切入风速而设定的。比较图523中的连接电池的发电机特性曲线和图31中的带被动负载的发电机特性曲线，可以发现连接电池的发电机并不是从0n而是从切入风速所对应的转速（本例中约为300n）。这是因为低风速低转速时发电机的固有摩擦损失造成效率不高发电机功率不大，不值得开机。流—以采用机械结构和电子功率预留设备来完成。机械功率限制法也有几种思路，图524给出了利用折尾装置在高风速下减少风轮扫掠面积的功率功率限制方法。另外，如果使用了短路负载电阻，甚至可以用它当作电子制动器。图5-23图5-24图524给出了折尾法调速的原理，图524中风速为正常工作风速，此时风轮正常工作以获取最大能量；图524中风速提高，此时折尾装置开始发挥作用，风轮发生了类似偏航的运动，在风向上的投影面积（即扫掠面积）减小，进而限制了捕获能量；图524极限位置h05。图5-2526d所示[Wha05]图5-26二极管桥式整流器无法提供恒定电压；整流器加直流—表5-2图527给出了一个带升压逆变器的发电机系统简化电路，图中发电机完全被简化为电压源，电压值取无负载电压o（o和内阻）。直流升压逆变器则用3个部件来模拟，即输入端用一个电感，中间电流用一个变压比为1（1d）的理想变压器，输出端用电容。电路的负载其实就是一个蓄电池，用电阻和恒定电动势来模拟。图5-27下面看一个演示例子，假定小型风力发电机额定功率为4kW，额定转速为350，图528给出了它作为蓄电池充电器的工作特性曲线。蓄电池采用连续电流充电，电磁转矩控制策略为通过M方式调节发电机励磁电流的占空比，让发电机转矩与转速成正比。图528中的3迹曲线分别为发电机电压、直流升压逆变器的输入和输出电压；图528b是逆变器的输入和输出电流曲线；图528是控制器的占空比；图528d是逆变器的输入功率。图529是一个千瓦级孤立风力发电系统典型电路图，读者可以比较这个电路与图51中电路的异同。风能被风力机（1）捕获，经过永磁三相同步发电机（2）转化为电能。二极管桥电路（3）对同步发电机的输出电流进行整流，然后把电能送入第一级中间直流电路（注意，没有经过任何逆变器，这个电路的电压是不稳定的）。直流升压逆变器（5）将直流电压升高并稳定，送入第二级中间直流电路，蓄电池（6）就连接在这个电路之中。最后这个电路还可以通过有源前端逆变器（7）和变压器（8）将电能馈入单相局部电网（10）。图529中的9高次谐波以提高电能质量的无源滤波器，图中的4是短路开关。注意本图与图515的相似性。图5-28a）b）c）d）图5-29图5-30在4.3.3.3节中已经了解，有源前端逆变器可以满足笼型异步发电机的励磁电流需求。图531给出了一个与图52几乎相同的孤立风力发电系统电路图，最大的区别是，图531使用异步发电机。电路中的电容器组1的是还能分担逆变器的负荷。电路的其他部分都与图529相同。这种两级中间直流电路，直流升压逆变器加有源前端逆变器的设计，虽然成本较高，元器件内部损耗也不小，但是它可以适应较广的发电机转速范围，因此不失为一种不错的异步发电机孤立发电系统励磁与控制方案。图5-31[1]此处原书有误，应为图5-20。——第6标准62428当中广泛采用了模态表示方法来研究三相交流电气系统的运行状况与瞬态响应。当系统中的元器件、相间存在感性、阻性和线性组合，因此系统中的电抗和电导得以解耦。u和电流i，电压特征模态为，电流的特征模态为，那么电压和电流向量的模态表达如下式中，i*表示电流i如果通过精巧的选择模态和模态转换矩阵让T 与上面这种变换相对立的另一种模态变换则是变功率模态变换，也叫做不变参考组件模态变换。模态变换矩阵要满足在平衡对称情况下，选定某一系统组件为参考（而不是以功率），模态变换以后该组件的参数形式上与未变换的时域表达式相同。k表6-1注：c、s定义见式（6-6）ϑ定义见式（6-9）αβ0模态变换（Clarke变换αβ0模态变换将时域中的相参量ga、gb和gc以正交向量gα、gβ和g0的线性组合来表示[1]。Clarke变换的变换矩阵Tαdq0模态变换（Park变换使用模态转换矩 将时域参数ga、gb和gc映射到模态向量gd、gq和g0表达的坐标系当中，就叫做dq0模态变换，其变换矩 如下量互为对方的共轭向量。空间向量模态变换（0变换）将时域变量ga、gb和g映射到模态向量g、g（gzg*）和零序向量g0上。零序向量保证变换矩阵可逆，变换矩阵的定义则要分两种情况讨论：模态空间不旋转，但是朝向任意方向（实际上向量a的方向即实轴方向），式中 对称模态变换（Fortescue变换比较变功率模态变换和不变功率模态变换，实际使用中前者更常用一些。表61和表62以三相电流为例，展示了变功率模态变换中的0换、dq0变换和0变换的模态变换矩阵及其逆矩阵。通过表61和表62，配合式（61）及模态变换矩阵的定义，模态变换的意义被更充分地展现于读者面前。标准62428当中还有更为详细的其他电气参量模态变换定义，读者可以自行查阅。表6-2图61给出了模态变换在交流电机系统中的一个应用实例。图61a所示是一个双磁极三相交流异步电机，其气隙均匀，定子绕组分为a、b，相邻绕组之间夹角为120。转子绕组也是三相，即图61中的、和，相邻绕组之间夹角也为120。表示电机转子的位置角度，由定子a轴和转子轴之间的夹角所定义。图6-1a）三相绕线式定子和转子b）图61b给出了经过模态变换之后的参量，叠加于原电路图上。依据0变换，在定子上建立新的坐标系，坐标轴的方向与a轴相重合；依据dq0变换，在转子上建立新的模态坐标系，原k、和向量则被映射到相互垂直的和两个向量上，和相对转子坐标系固定不动。图6中没有画出两个坐标变换的零序向量，因为这两个零序向量对电机的转矩没有任何影响。（65）中k变换矩阵中的角度被选为定子坐标系1（表征定子的磁场以同步转速旋转），转子坐标系2。在分析同步电机时，d轴和q轴一般附着于转子上，朝向磁极的方向。当d、q轴上的投影参量用复数ggg表示时，选定d轴为实轴方向。异步电机的αβ图6-2Clarke 至此，已经把异步电机的转子和定子的三相绕组转化为两个两相绕组。这个4绕组模型忽略了零序电流和零序电压，而且假定转子绕组短接；定子端电压等于定子绕组上感性和阻性阻抗上的压降。在低频电流情况下，容性阻抗造成的压降忽略不计。4相电路中的电压由式（6来计算，其中感性参量用磁通量的导数来表示，即如果使用空间向量模态法来表示电机的参数，那么定子参 gβ）；转子参 ，电机的电磁转矩（气隙转矩）图6-3表6-33 。此时的电机稳态运行（见3.2.2节），式中 图64所示是异步电机电磁参量的矢量图，图64b所示是控制框图，其中d、q和是系统的输入，ψ、和是电磁模型的输出。当使变量将为电机的磁场向量和转矩。图6-4a）b）稳态小扰动模型在许多工程问题当中（例如转子负载微小扰动）， （其中p表示微分运算），p2Δωr+p2δΔωr+v2Δωr=0（6-29）当v2>δ2图65所示为同步电机模型，定子三相绕组为a、b和；其转子为凸极转子，上面缠绕着励磁绕组f。在图65到0坐标系中；转子的电压和电流则被映射到dq0坐标系中，d轴方向为转子主磁通方向。图6中的模态坐标变换均没有考虑零序成分。假设电路中没有任何阻尼，那么定子电压（表达形式）和转子绕组电压如下：图6-5a）凸极转子三相电机b）在上面的线性方程中，添加的一阶非线性部分，其中瞬态电动势（ep′）经过式（636）修正的瞬态电压，再加上d轴同步阻抗dd、d轴瞬态阻抗′d′d和d轴瞬态时间常数′d等参量补充，同步电机的电磁转矩如下：当v2>δ2通常情况下v2>δ2，这时只要系统的转动惯量不是太大，就能观察到电机的电气—机械复合系统的固有频率表现为转子转速的波动。通常图6-6a）d、q轴中的绕组布置b）图6-6b风力发电机系统中使用的变换器大多是带中间直流电路的交流—交流电压源逆变器（，见4.3.4节）。在小型风力发电系统中两级逆变器几乎是标准配置；大型风力发电系统越来越倾向于使用中压电气系统（如3k），此时需要至少3逆变器的详细建模在参考文献06中有详细的介绍。除了这些交流变换器之外，直流—直流逆变器也被用作直流升压或者降压变换器。图6-7与式（6-48）图6-74 图6-8直流—直流逆变器的建模更加简单，仅仅通过平均方法即可图6-9风电机组传动系3惯量系统的模型（T：风轮；B：变速器；G：发电机一组来自实际风力机系统的转动惯量比为J∶J∶12∶0.6∶1，因此有些极其简化的模型会忽略变速器的转动惯量，而将其50的成分转化到风轮侧，另外50%转化到发电机侧形成2转子侧往往和实测结果吻合得更好。式（652）中计算扭转角度向量的式子，第一个因子是轴的扭转刚度的倒数；后面的描述系统惯性力影响；式（652）中传动系转矩和风轮转矩的比值函数是描述两者关系的传递函数。由于电机转子的转动惯量远远小于风轮的转动惯量，因此也远远小于风轮转矩。但是一旦出现共振现象，传动系的动力转矩也可能变得很大。因子和都是典型的二阶振动系统方程，它们的频率响应如图610所示。图6-10角位移Φ共振曲线（左）和转矩Tsh共振曲线（右）（阻尼比回顾图26，当叶尖转速比为设计值时，风力机的功率系数为最大值cp，。假如风力机一直保持叶尖转速比，那么式（653）的系数部分就是一个常数，起动转矩也仅仅取决于风轮转速的平方。如下式所示，系数部分被写为因子：另外一种广为接受的风力发电机最优化控制方法称为最大功率追踪（xumporpontkng，追踪）法。下面用光伏发电系统中的追踪法来做类比，说明在风力发电系统中这个方法如何应用。图611左侧的曲线是光伏电池的发电特性曲线：图中标明了电流相对于电压的关系，以光辐射能为参数。图中的x曲线标注出了最大功率曲线。图61右侧是风轮机的气动转矩与风轮转速的关系特性曲线，以风速v为参数。图中也标注出了最大功率曲线。通过对比图611的左右两部分，可以看到一些共同点，当然风力机的大转动惯量造成远比光伏发电系统长的时间常数。类似于光伏发电系统中的追踪法u07，参考文献h02]的功率、转速，并且根据监测到的状态来改变风轮机的设计工况值。其增量方法思路如下：其他参考文献中介绍的爬山算法（HillClimbingSearching，HCS）其实也是这种MPP追踪法的变种。例如参考文献[Wan04]使用人工智能控图6-11起动过程和超速保护功能）。功率控制器产生桨距角设定信号，这个信号再进入变桨电机系统。当风速高于风力机的额定风速时，需要调节变桨角来降低功率系数以保证风力机不会超速运行。图612中的风轮子系统有风速、风轮转速和桨距角3电机子系统的输入端子为电网频率、电网电压和转子转速；输出端子为电机的气隙转矩。风轮捕获的起动转矩与电机气隙转矩（经传动系放大后）之差为惯性转矩，用于加速整个传动系。当风力机运行于稳态工况时，惯性转矩为零。图6-12向量控制是一种先进的电机控制方法un08。图614给出了一个使用双馈异步发电机的风力发电机向量控制示意图u02量出的电压和电流被用来计算实际有功功率和无功功率；实际功率与其他控制器确定的设定值，和，的差进入两个比例—积分控制器，结果进入解耦器进行解耦。通过d、q轴变换法，定子和转子的d、q轴电流dq和dq通过其各相绕组的相电流计算而来，旋转环节的输入信号为转子位置角（通过编码器得到）和计算得到的电压向量角v。在解耦器中转子电压被直接计算到d、q轴坐标系中成为dq。图614中的逆变器是带中间直流电路的电压源逆变器，提供转子侧的电压，控制器通过M方式来调节电网侧电压和电流信号。图6-13图6-14参考文献u02的作者提供了1.5风力发电机的测量波形图，该发电机额定转速为1800n，数据采样周期为10n。如图61所示，当风速低于额定风速时，桨距角保持恒定，风力机由逆变器控制电动机气隙转矩来调速以保持最优尖速比；当风速高于额定转速时，通过调节图6-15当风速在切入风速和额定风速之间时，风力发电机发出的电能完全取决于风速，风轮的调速依靠发电机提供合适的气隙转矩实现；当风速介于额定风速和切出风速之间时，发电机气隙转矩恒定，依靠变桨距系统或者被动许风力发电机在短时间内过载。[1]如果将正交向量gα、gβ和g0看作某个虚坐标系的3个单位向量，模态变换可以当作是坐标变换。——第7风力机的功率曲线描述风力机容量的基本特性，见2.4.3为获得风电系统或风场并网许可，输电系统运营商（）需要进行技术性能声明。声明主要内容为普通连接点处（）由风电系统引起的电压偏离限制，通常限制标准为偏离额定电压的2常运营的电压和频率限制。过去几年，进一步的准则得到了发布，要求风力发电的功率因数、频率偏离时有功功率供应以及故障时短路容量与