第3章风能、风力发电与控制技术

1机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术2机械工业出版社3机械工业出版社

本章主要内容3.1风的特性及风能利用3.2风力发电机组及其工作原理3.3风力机的调节与控制3.4风力发电机组的控制策略3.5风力发电机组的并网技术3.6风力发电的经济技术性评价4机械工业出版社

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、发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。5机械工业出版社感性认识：各式风机/6机械工业出版社7机械工业出版社8机械工业出版社9机械工业出版社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10机械工业出版社3.1.2风的特性与风能1、随机性2、风随高度的变化而变化

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。

11机械工业出版社3.1.3风的表示及应用1、风向

风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2风向方位图12机械工业出版社2、风速由于风时有时无、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。

3、风力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。例5级风为：V5=9.4m/s.

风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风速(m/s)；

N——风的级数。13机械工业出版社4、风能

（1）风能密度：密度为ρ的空气，在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能称为风能密度（W/m2)。表达式为：

（2）风能：空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能(W)。

表达式为：

（3）风能利用：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。风能发电：风的动能—电能14机械工业出版社风能转换及应用情况如图3-5所示。图3-5风能转换与应用情况15机械工业出版社3.2风力发电机组及其工作原理3.2.1风力发电机组的分类及结构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。16机械工业出版社按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

17机械工业出版社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。18机械工业出版社（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，如图3-6。

图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构19机械工业出版社

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，其结构如图3-7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20机械工业出版社

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，结构如图3-8。

（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21机械工业出版社3.2.2风力机及风能转换原理一、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：

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22机械工业出版社2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式图-10垂直轴风力机23机械工业出版社水平轴垂直轴24机械工业出版社二、风力机的气动原理

风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。

图3-11风力机的叶片翼型及受力25机械工业出版社

现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量ν吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力F，力F可以分解为与相对风速方向平行的阻力FD和垂直于风向的升力FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。

26机械工业出版社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：27机械工业出版社

对应于风力机的最大利用系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。在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。其中：λ=ωr/v=2πnr/60v图3-13风力机的利用系数与叶尖速比的关系28机械工业出版社29机械工业出版社（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，系统结构如下图所示。图3-23双馈异步发电机的系统结构30机械工业出版社MW级双馈风力发电机组与变流系统原理

31机械工业出版社

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。32机械工业出版社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。此时转子n<定子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，功率流向如下图所示。33机械工业出版社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，功率流向如下图所示。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。

34机械工业出版社

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。优点：

1）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；

2）可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；

3）可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；

4）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。

35机械工业出版社3.2.4独立运行式风力发电机组的控制系统

独立运行式风力发电机组一般是1kW-10kW的风力发电系统，适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线保护站等用户。典型独立运行风电系统如图3-33所示。主要组成部分包括风力机、发电机、蓄电池、逆变器以及控制系统。

图3－33独立运行风电系统框图

36机械工业出版社风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以一般独立运行小型风力发电系统通过“AC-DC-AC”的方式供电，并且由于无风季节的存在，使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出供给负载。风力机和发电机的控制前面已经介绍过，下面主要对电力变换单元、控制器、最大功率控制、负载跟踪控制作介绍。

37机械工业出版社1电力变换单元：由AC-DC、DC-DC变换器和DC-AC逆变器组成。给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电。2控制器：在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它控制、协调整个系统的正常运行，实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。这些保护包括：蓄电池组过压、欠压保护，发电机的超速、过流保护。3最大功率控制：当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪最大功率。有两种控制方法，采用风速信号的控制方法和采用功率信号的控制方法。38机械工业出版社4负载跟踪控制：独立运行系统与并网运行系统的最大区别就是负载是不断变化的，捕获的风能要与负载用电量匹配。负载跟踪与蓄电池充电集成控制框图如图3-34所示。图3－34负载跟踪与充电集成控制框图39机械工业出版社3.4风力发电机组的控制策略3.4.1风力发电机组的变速恒频控制策略

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。40机械工业出版社3.4.2双馈异步风力发电机的变速恒频控制策略实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双PWM变频器，发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图3-46所示，图中DFIG为双馈异步发电机的简称。41机械工业出版社图3－46

采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构

42机械工业出版社图3－47由IGBT电力电子器件组成的双PWM变频器的主电路1.背靠背的双PWM变频器43机械工业出版社双馈异步风力发电机的变速恒频运行特性44机械工业出版社snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1双馈电机在次同步速的电动运行状态

~0<s<1双馈电机在超同步速的发电运行状态

-TePmCU-1<

s

＜

045机械工业出版社3.5风力发电机组的并网技术3.5.1

同步风力发电机组的并网技术1.同步风力发电机组的并网条件和并网方法图3－54同步发电机与电网并联运行的电路

46机械工业出版社风力同步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，具体有5个条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；⑤相位相同。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之间互相对应，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3条的检测和控制，这其中条件③、⑤两项的频率与相位相同是必须满足的。（1）并网条件47机械工业出版社（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48机械工业出版社

并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电机将运行在电动机状态，此时风力发电机相当于一台大风扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开。49机械工业出版社带变频器的风力同步发电机组的并网

同步发电机可通过调节转子励磁电流，方便地实现有功和无功功率的调节，这是其他发电机难以与其相比的优点。但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。50机械工业出版社图3－57变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图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，如图3-57所示。图中交流发电机为同步发电机，变频器为交－直－交变频器。51机械工业出版社3.5.2同步风力发电机的并网运行系统

特点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。52机械工业出版社3.5.3双馈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。53机械工业出版社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。其中第一条必须严格遵守，否则并网后，发电机将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。第二条的要求不是很严格，但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。异步风力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

54机械工业出版社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。

风力异步发电机组直接并网的电路如图3-59所示，图3－59异步风力发电机与电网的直接并联55机械工业出版社

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，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。56机械工业出版社3）晶闸管软并网

晶闸管软并网是在异步发电机的定子和电网之间通过每相串入一只双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程，如图3-60所示。图3－60风力异步发电机经晶闸管软并网57机械工业出版社3.5.4双馈异步风力发电机的并网运行系统

1、双馈异步发电机变速恒频运行的并网系统

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。

58机械工业出版社3.5.5风力发电机组的并网安全运行与防护措施

图3-64控制系统的安全保护组成

59机械工业出版社3.6风力发电的经济技术性评价

风力发电的经济性评价主要由其经济性指标来衡量。3.6.1风力发电的经济性指标风力发电的经济性指标单位千瓦造价单位千瓦时投资成本财务内部收益率财务净现值投资回收期投资源利润率60机械工业出版社1、单位千瓦造价

单位千瓦造价表示风力发电系统每千瓦的投资成本，其计算公式为（3－37）

总装机容量是指风电场全部风力发电机组的总容量。61机械工业出版社

风电项目的总投资由风力发电机组、土建工程、电气工程、安装工程、财务成本及其他（含征地、设计勘测）等组成，其各部分所占的比例大致如图3-65所示。

图3－65

风电项目投资中各部分所占的比例62机械工业出版社2、单位千瓦时投资成本

其中：年固定费用包括设备的年折旧费、摊销贷款利息、人工费、管理费、税金等。运行维护费用包括计划内的保证风力发电机正常运行所进行的正常维修费用。

单位千瓦时投资成本表示在风力发电设备的使用期限（一般20～30年）内，每生产单位千瓦时的电量所需要的投资费用，其计算公式为（3－38）

大修费用指的是风力发电设备在使用期内大修的年平均费用。一般风力发电机组每隔5年、10年、15年大修一次，主要维修机械部件。

63机械工业出版社3、财务内部收益率(FIRR)和财务净现值(FNPV)

式中：CI——现金流入量；CO——现金流出量；（CI－CO）t——第t年的净现金流量；

n——计算期，t=1、2…n。

财务内部收益率(FIRR)是指风电项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率。它反映项目所占资金的盈利率，是考察项目盈利能力的动态评价指标。其计算公式为（3－39）

只有在风电项目的财务内部收益率大于电力行业基准的财务内部收益率时，其项目的盈利能力才能满足最低要求，在财务上才可以被接受。

64机械工业出版社

财务净现值可以通过现金流量表计算得到，只有财务净现值大于或等于零的项目才可以被接受。

财务净现值（FNPV）是指行业的基准收益率或设定的折现率，将项目计算期内各年净现金流量折现到建设期初的现值之和。是考察项目在计算期内盈利能力的动态评价指标。其计算公式为（3－40）其中，Ic——项目所属行业的基准收益率。65机械工业出版社

投资回收期可根据财务现金流量表（全部投资）中累计净现金流量计算出，所计算的结果应小于行业的基准投资回收期。4、投资回收期（Pt）

投资回收期或投资还本年限Pt是以项目的净收益抵偿全部投资（包括固定资产投资和流动资金投资）所需要的时间。它是考察项目在财务上的投资回收能力的主要静态指标。投资回收期（以年表示）一般从建设开始年算起，其计算公式为（3－41）66机械工业出版社5、投资利润率

风力发电项目除了上面的直接经济性指标外，其项目还有巨大的社会效益。风能是一种可再生能源，取之不尽、用之不竭。风力发电是一种洁净的、无污染的发电方式，对人类赖以生存的生态环境没有任何破坏，环境效益十分明显。

投资源利润率是指项目达到设计生产能力后的一个正常年份的年利润总额与现项目总投资的比率。它是考察项目单位投资盈利能力的静态指标。其计算公式为（3－42）67机械工业出版社3.6.2影响风力发电经济性的主要因素

风力发电成本的影响因素很多，变化范围很大，其中以初期建设投资、运行时的发电量及管理、税收政策等为主要影响因素。

68机械工业出版社

在风电项目的投资中，风电机组的投资占到70%～80%左右，因此降低风电机组的造价是降低风电成本最有效的方法。１）风力发电机组的投资２）风电场配套部分投资

风电场配套部分投资占到总投资的20%～30%，这部分投资主要与风电场的选址、风电场与电网的距离、风电场的配套设施及接入电网的系统等有关。３）融资的成本

风电场的投资很大，一般本金只占到20%左右，大部分资金由贷款和融资获得，因此贷款的利息和还款的期限都直接影响风电场的投资及将来的财务成本。1、初期建设投资69机械工业出版社2、发电量

③发电机的选型，应根据风资源情况选择合适类型的风力发电机；

风电场的收入来源于发电量，发电量的多少直接影响风电场的经济指标。影响发电量的因素主要有：①风电场的风能资源，包括风力机轮毂点的年平均风速、风速频率分布、主风向是否明显、空气密度等；②风电场风力发电机的排列应合理，应充分利用场地，减少风力机之间的影响，使整个风电场的发电量达到最优；④风力发电场的运行管理水平。70机械工业出版社3、运行管理成本

运行管理成本主要包括风力发电机运行时的维护费用及人员工资等。政府对风力发电的税收政策对其影响也很大。71机械工业出版社风力发电发展的特点和趋势主要表现在四个方面：一是成本更低，性能更完善；