1、風力發電與并網技術世界：風力發電是在大量利用風力提水的基礎上發展起來 的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產風力發電設備的大國。我國：短短十幾年的發展，我國成為風電大國 涌現出 金風、運達、華創、等優秀企業。 我校：沈陽工業大學從事風力發電技術研究已有25年，先后開發出0.320kW離網型風力發電機、301500kW并網型風力發電機組及風力機測試設備等系列產品三大類16個品種，4項成果納入聯合國亞太區域新能源合作項目，實施技術轉讓8項，有5種產品出口日本、蒙古、朝鮮、緬甸等國家。（一）風電機組結構（二）風力機的工作原理（三）風力機的主要類型（四）風力機的控制技術概述風電機組設計（一）風

2、力發電機組結構從外部看，整個風力發電機組看上去只有三個主要部分：風輪、機艙和塔架。發電機、傳動系統、控制系統等都集成在機艙內。機艙除了承擔容納所有機械部件的功能，還起到承受所有外力（ 包括靜負載及動負載）的作用。機艙底盤和塔架之間有回轉體，使機艙可水平轉動。 風力發電機主要組成部分介紹 1、風輪 風力機區別于其他機械的最主要特征就是風輪。風輪一般由23個葉片和輪轂所組成，其功能是將風能轉換為機械能。 由于風力發電機的理論基礎也是空氣動力學，故其葉片形狀與機翼很相似。風經過水平軸風力發電機的葉片時由于葉片與風有一個夾角，風在葉片上形成升力，風力發電機就是依靠葉片上的升力把風能轉換為旋轉的機械能，

3、從而帶動發電機進行發電的。2、塔架1 風力機的塔架除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關系。水平軸風力發電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。2 一般圓柱形塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力機，產生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風力機上，其優點是造價不高，運輸也方便。但這種塔架會使下風向風力機的葉片產生很大的紊流。塔架：3、機艙 實體結構圖 機組的總體簡化結構機組的總體結構圖：控 制 系 統風輪增速器發電機主繼電器主開關熔斷器變壓器晶閘管電網風變槳風速轉速并網功率無功補償風 機艙內部結構 （二

4、）風電機組的工作原理 風力發電的原理：是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。簡單的說風力發電就是將風能轉換為機械能進而將機械能再轉換為電能的過程。 現代風力發電機采用空氣動力學原 理 ，就像飛機的機翼一樣。風力機的氣動原理 風力發電機組中的風輪之所以能將風能轉化為機械能，原因是因為風力機具有特殊的翼型。圖示為現代風力機葉片的翼型及翼型受力分析圖。 圖3-11 風力機的葉片翼型及受力 現分析風輪不動時受到風吹的情況： 當風以速度矢量 吹向葉片時，在翼型的上表面，風速減小，形成低壓區，翼型的下表面，風速增大，形成高壓區，上下表面間形成壓差，產生垂直于翼弦的力

5、F ，力 F 可以分解為與相對風速方向平行的阻力 FD 和垂直于風向的升力 FL ，升力使風力機旋轉，實現能量的轉換。 風力機的輸出功率：風輪機的輸出功率 A：風輪掃掠面積：風能利用系數 ：風速（通常被稱為貝茨極限）：葉尖速比：槳距角3、葉尖速比的影響風能利用系數Cp與風力機葉尖速比的對應關系：按風輪軸的安裝型式按風力發電機的功率 按運行方式 水平軸風力發電機組和垂直軸風力發電機組 微型（額定功率501000W）、小型（額定功率1.010kW）、中型（額定功率10100kW）和大型（額定功率大于100kW） 獨立運行和并網運行 按采用發電機類型永磁同步風電機組 雙饋異步風電機組 等（三）風電機

6、組分類水平軸垂直軸風力發電機組中，水平軸式風力發電機組是目前技術最成熟、產量最大的形式；垂直軸風力發電機組因其效率低、需起動設備技術原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發電機組的結構（1）獨立運行的風力發電機組 水平軸獨立運行的風 力發電機組主要由風輪(包括尾舵)、發電機、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結構見右圖。 圖3-6 水平軸獨立運行的風力發電機組主要結構 并網運行的水平軸式風力發電機組由風輪、增速齒輪箱、發電機、偏航裝置、控制系統、塔架等部件組成，其結構如右圖所示 （2） 并網運行的風力發電機組圖3-7 并網運行的水平軸風力發電機組的原理框圖 并網運行的大型

7、風力發電機組的基本結構，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調向機構、發電機、塔架、控制系統及附屬部件（機艙、機座、回轉體、制動器）等組成，結構如右圖。 （3） 大型風力發電機組圖3-8 大型風力發電機組的基本結構1、普通異步風力發電機組技術特點：1、葉輪轉速較低，一般為每分鐘十幾轉，需要齒輪箱增速，轉子繞組短路，結構一般為鼠籠結構；2、轉子轉速固定，風能利用率低，其轉速由齒輪箱傳動比和發電機極對數決定；3、轉子電流產生的旋轉磁場的轉速高于同步速運行；4、發電機定子直接與電網連接，啟動時產生很大啟動電流，其配置啟動裝置。5、從系統吸收大量無功，需配置無功補償裝置。結構簡單，控制方便。2、雙饋式異

8、步風力發電機組技術特點1、葉輪轉速較低，一般為每分鐘十幾轉需要齒輪箱增速；2、轉子繞組通過電滑環或采用繞線結構與電力電子換流裝置連接；3、通過電力電子換流裝置的控制作用，可以調節控制發電機轉子電流和電磁轉矩，從而使轉子轉速可隨風速的變化而改變，使風力發電系統獲得最大風能捕獲效率，風能利用率高；4、在低風速時，發電機轉子低于同步速運行，發電機轉子繞組通過換流器向發電機饋入勵磁功率；在高風速時，發電機轉子高于同步速運行，發電機轉子繞組向換流器輸出勵磁功率；5、直接與電網連接，由于轉子電流可控，因此可以實現風力發電機平滑并網。3、直驅式同步風力發電機組 技術特點1）葉輪轉速較低，一般為每分鐘十幾轉，

9、轉子繞組通過增加極對數來降低同步轉速，從而避免了齒輪箱損耗；2）同步電機勵磁系統可采用直流電勵磁或永磁體勵磁方式，由于轉子極對數較多，電機外尺寸較大且較重，不方便運輸和吊裝。3）對于直流電勵磁方式的同步電機，轉子轉速的調節可以通過控制勵磁電流的大小來控制電磁轉矩，從而使風力發電系統獲得最大風能捕獲效率；對于永磁同步電機，可以通過調節直流電壓的方式來控制電磁轉矩，從而使風力發電系統獲得最大風能捕獲效率，風能利用率高；4）對于直流勵磁方式的同步電機，勵磁損耗較??；對于永磁同步電機，則存在永磁材料的消磁現象。 以上風電機組優缺點比較表風電機組類型 優點 缺點 普通異步風力發電機組 結構簡單，控制方便

10、 1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、風能利用率低；3、啟動電流大，需配置啟動裝置；4、消耗大量無功，需要從電網輸入無功；雙饋異步風力發電機組 1、可以實現變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發出無功； 1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、有勵磁功率損耗；3、結構復雜，控制系統復雜； 永磁同步風力發電機組 1、可以實現變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發出無功；4、無勵磁功率損耗；1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設備，價格稍貴；3、結構復雜，控制系統復雜；4、永磁體有消磁現象 直流勵磁同步風力

11、發電機組 1、可以實現變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發出無功 1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設備，價格稍貴；3、有勵磁功率損耗；4、結構復雜，控制系統復雜； 雙饋、永磁和直流勵磁 風力發電機外觀圖雙饋風力發電機外觀特點：機艙細長直驅永磁風力發電機外觀特點：機艙短粗直流勵磁風力發電機外觀特點：機艙臃腫（四）控制系統主要功能1）按預先設定的風速值(一般為34ms)自動啟動風力發電機組，并通過軟啟動裝置將異步發電機并人電網。2）借助各種傳感器自動檢測風力發電機組的運行參數及狀態，包括風速、風向、風力機風輪轉速、發電機轉速、發電機溫升、發電機

12、輸出功率、功率因數、電壓、電流等以從齒輪箱軸承的油溫、液壓系統的油壓等。3）當風速大干最大運行速度(一般設定為25ms)時實現自動停機。4）故障保護。5）通過光纜或電話線互相連接。 風機控制方式及內容一個完整的風力發電機組通常由風輪、增速齒輪箱、風力發電機、機座、塔架、調速器、調向器、停車制動器、控制系統等構成，為使風力機組能夠穩定運行，必須對其進行有效的控制?？紤]到風力發電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：1）風能轉換系統是穩定的；2）運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；3）控制代價小，即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調向的時間

13、等； 4）最大限度地將風能轉換為電能，即在額定風速以下，可能使發電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量； 5）風力發電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質質量。風力發電機組控制目標有很多項，控制方法多種多樣，按能質量問題。由風力機最大風能捕獲的運行原理可知，若風速越高，則與之相對應的風力機轉速越高。但受風電機組轉速極限、功率極限等限制，風力機轉速不可能太高。因此，為實現最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態： 低風速段實行變速運行，可保持一個恒定的風能利用系數Cp值，根據風速變化控制風力機轉速，使葉尖速比不變，直到轉速達到極限； 轉速達到極限后，風速進一步加大時，按恒定轉速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能Cp不一定是最大值； 超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調節風力機。（五）風的能量與測量產生能量的基本要素： 風具有一定的質量和速度。風能的一些主要特性參數：如風能、風能密度、風速與風級、風向與風頻以及風的