2.1風及風能資源2.1.1風的形成地球從地面直至數萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉、公轉運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區。

空氣從高氣壓區域向低氣壓區域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學上，一般把空氣的不規則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風

!!風，按照形成原因，有信風、海陸風和山谷風等幾種。2.1風及風能資源2.1.1風的形成地1（1）信風。赤道附近地區，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現象。由于地球本身自西向東旋轉，大氣環流在北半球形成東北信風，在南半球形成東南信風。（2）海陸風。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風。（3）山谷風。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢低凹的山谷處受熱較少，則山谷內冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動，形成山風。（1）信風。赤道附近地區，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射22.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是風吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風，就稱為南風。（2）風速。風速就是單位時間內空氣在水平方向上移動的距離。通常所說的風速，是指一段時間內的風速的算術平均值。2.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是3

蒲福風級的定義和描述蒲福風級名稱風速/（m/s）表現形式0無風0-0.2零級無風炊煙上1軟風0.3-1.5一級軟風煙稍斜2輕風1.6-3.3二級輕風樹葉響3微風3.4-5.4三級微風樹枝晃4和風5.5-7.9四級和風灰塵起5清勁風8-10.7五級清風水起波6強風10.8-13.8六級強風大樹搖7疾風13.9-17.1七級疾風步難行8大風17.2-20.7八級大風樹枝折9烈風20.8-24.4九級烈風煙囪毀10狂風24.5-28.4十級狂風樹根拔11暴風28.5-32.6十一級暴風陸罕見12颶風>32.6十二級颶風浪滔天蒲福風級的定義和描述名稱風速/（m/s）表現形式0無風0-4（3）風能和風能密度。

風中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風能。

（2-1）單位面積上流過的風能就是風能密度。

（2-2）（3）風能和風能密度。（2-1）單位面積52.1.3世界風能資源2.1.3世界風能資源62.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖2.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖7風力發電及其控制可再生能源發電電子課件82.2風力發電系統結構原理

圖2-3并網型風力發電系統的組成根據所發電能是否并入電網，風力發電系統可分為并網型和離網型兩大類。圖2-3所示為并網型風力發電系統的簡要組成。2.2風力發電系統結構原理圖2-3并網型風力發電系統的9齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利于減小發電機的體積和重量。發電機是將機械能轉換為電能的裝置，是風力發電系統的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質量。對不同類型的發電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利10圖2-4風力發電機組的基本結構現代并網型風力發電系統通常還有變槳系統、偏航系統、制動裝置、測風裝置等。圖2-4風力發電機組的基本結構現代并網型風力11圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發電機系統原理離網型風力發電系統通常由風力機、發電機和電力電子接口等構成，其容量一般較小，風力機轉速較高，可直接驅動發電機，故一般沒有齒輪箱；發出的電能經電力電子接口變換后直接供給負載，因此，也沒有變壓器，結構上要簡單許多。下圖為某類復雜并網型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發電機系統原理離網12風力發電及其控制可再生能源發電電子課件13風力發電及其控制可再生能源發電電子課件14離網型：

離網型：152.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統2.3.6偏航系統2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理2162.3.1風力機的基本類型

風力機是將風的動能轉換為可用機械能的機械裝置，它通常由一個在風的升力或阻力作用下可自由旋轉的轉子組成。根據風力機轉子結構形式、安裝方式、運行模式等的不同，風力機可分為不同類型。根據轉子軸的位置，風力機可分為水平軸和垂直軸兩大類；對水平軸風力機，依據風力機轉子裝在塔架的迎風側還是下風側，可分為迎風型和順風型等；根據風力機槳距角是否可以調整，分為定槳距和變槳距風力機；根據風力機的轉速是否可以改變，又可分為恒速和變速風力機等。風力機是將風的動能轉換為可用機械能的機械裝置，它通常171.垂直軸與水平軸風力機（a）結構（b）實物照片圖2-6垂直軸風力機1.垂直軸與水平軸風力機（a）結構18垂直軸風力機最突出的優點,是它的發電機與傳動系統可以放在地面，減輕了對塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風中吸收能量，故不需要偏航和對風系統，使系統得以簡化。但是，垂直軸風力機的缺點也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風速環境下運行，風能利用率較低；其次，雖然它的發電機和傳動系統放在地面，但維護并不容易，常需將風力機轉子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會延伸很遠，占用較大地面空間。垂直軸風力機最突出的優點,是它的發電機與傳動19圖2-7水平軸風力機圖2-7水平軸風力機202.定槳距與變槳距風力機2.定槳距與變槳距風力機213.恒速與變速風力機

恒速風力機是指在正常運行時其轉速是恒定不變的。早期的風力發電機系統多采用異步發電機或同步發電機，定子繞組直接與電網相連，因此，發電機的轉速由電網的頻率所決定，無法調節，它雖然控制較簡單，但風能利用率較低。隨著電力電子等技術的發展，出現了雙饋異步發電機，通過控制轉子繞組中電流的頻率，可以在不同轉子轉速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風力機轉速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發電機。近年來新出現的低速直驅永磁同步發電機也是變速恒頻發電機，因為它是經由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風力機轉速在很大的范圍內改變。3.恒速與變速風力機恒速風力機是指在正常運行時其轉速是222.3.2風力機的工作原理、長度為2.3.2風力機的工作原理、長度為23當風經過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉矩的作用，其中推力方向與風輪旋轉平面垂直，轉矩使風輪旋轉。由于槳葉的參數（攻角、弦長等）沿著槳葉長度是變化的，因此，槳葉上每一點所受到的推力和轉矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉矩應是各點推力和轉矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風輪旋轉，葉素將掃掠出一個圓環。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環當風經過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉矩的作用，其中推24圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風輪旋轉平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角25為風速矢量

為風輪旋轉角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：為風速矢量為風輪旋轉角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：262.3.3風能利用系數

根據空氣動力學原理2.3.3風能利用系數根據空氣動力學原理27風能利用系數與葉尖速比的關系曲線

風能利用系數與葉尖速比的關系曲線28不同槳距角時的風能利用系數

不同槳距角時的風能利用系數29圖2-12具有不同葉片數的風力機風能利用系數的對比圖2-12具有不同葉片數的風力機風能利用系數的對比302.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風力機理想功率曲線2.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能31在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功率：

1.失速控制對于定速定槳距風力機，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動特性，使其在高風速時產生失速來限制風力機功率。在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功32風力發電及其控制可再生能源發電電子課件332.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定風速及以上時，通過人為地調節槳距角，使風力機加深失速。

圖2-152.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定34主動失速控制的優點是：功率調節性能好，控制較簡單（相對于后面的變槳控制）；缺點是：作用在轉子平面上的軸向推力增大，風力機氣動載荷加重。主動失速控制的優點是：功率調節性能好，控制較簡353.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速后，可通過變槳機構使葉片繞其軸線旋轉，增大葉素弦線與旋轉平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風力機的功率保持不變。3.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速36主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調節槳距角來調節風力機的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調節方向不同：主動失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風功率。因此，二者的槳距角調節方向相反。（2）調節頻率不同：變槳控制的槳距角可連續調節，其變槳機構較復雜；而主動失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規律不同：主動失速控制時，風輪軸向推力增加；而變槳控制時隨之減小，故氣動載荷減小。主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調節槳距角來調節風力機372.3.5變槳系統變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉，改變槳距角，從而改變風力機的氣動特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風輪開始旋轉時，采用較大的正槳距角可以產生一個較大的啟動力矩。（2）風輪停止時，經常使用的槳距角，使風輪剎車制動時，（3）額定風速以下時，為盡可能捕捉較多的風能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風力發電機組的最佳槳距角隨風速的變化而變化，因此，槳距角隨風速儀或功率輸出信號的變化而緩慢改變。（4）額定風速以上時，變槳控制可以有效調節風力發電機組吸收功率及風輪所受載荷，使其不超過設計的限定值。（5）在并網過程中，變槳距控制還可實現快速無沖擊并網。因此，現代大型風力發電機組多采用變槳距風力機。

空轉速度最小。在正槳距角時，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉，改變槳距角38圖2-19變槳系統組成框圖圖2-19變槳系統組成框圖39

（a）液壓變槳機構（b）電動變槳機構圖2-20變槳機構

402.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統2.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有41圖2-22主動偏航系統組成框圖圖2-22主動偏航系統組成框圖422.4風力發電機2.4風力發電機432.4.1籠型異步發電機

1.定槳距風電機組與籠型異步發電機定槳距就是風力機葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風角度不能隨風速的變化而變化。

定槳距風電機組需要配套的發電機具有恒轉速特性，并網運行的異步發電機能夠滿足這一要求。

采用異步發電機并網運行有一系列優點：籠型異步發電機的結構簡單、價格便宜；不需要嚴格的并網裝置，可以較容易地與電網連接；異步發電機并網運行時，轉速近似是恒定的，但允許在一定范圍內變化，因此可吸收瞬態陣風能量。2.4.1籠型異步發電機定槳距就是風力機葉44采用異步發電機的主要缺點是需要從電網吸收感性無功電流來勵磁，加重了電網對感性無功功率的負擔，因此，常需要對異步發電機進行無功補償。

在低風速運行區域，定槳距風電機組還面臨著系統效率低下的問題。

采用異步發電機的主要缺點是需要從電網吸收感性452.籠型異步發電機的結構特點目前，籠型異步發電機大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風速區域，4極繞組工作，發電機輸出的功率較大；在低風速區域，切換到6極繞組工作，發電機輸出的功率較小。

此外其他結構方面與普通籠型異步電機沒有區別。

2.籠型異步發電機的結構特點目前，籠型異步發電462.4.2同步發電機1.同步發電機與變速恒頻風電機組

直驅式風電機組采用低速永磁同步發電機，省去了中間變速機構，由風力機直接驅動發電機運行。采用變槳距技術可以使槳葉和風電機組的受力情況大為改善，然而，為了使機組轉速能快速跟蹤風速的變化，以便實行最佳的葉尖速比控制，必須對發電機的轉矩實施控制。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，這一直驅式風力發電變速恒頻控制的關鍵技術，目前已經得到解決，只需在發電機與電網之間接入變流器，使發電機與電網之間解耦，就允許發電機變速運行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組原理圖。2.4.2同步發電機1.同步發電機與變速恒頻風電機組47圖2-28變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組圖2-28變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組482.結構特點

同步發電機的定子結構與異步發電機基本相同，轉子結構則與異步發電機明顯不同。轉子分為電勵磁轉子和永磁轉子兩類。電勵磁轉子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結構，繞組中通以勵磁電流產生主磁場。永磁轉子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產生主磁場，磁極結構一般有表面式或內置式磁極結構。

2.結構特點同步發電機的定子結構與異步發電機49

3.運行原理

與異步發電機不同，同步發電機是一種雙邊激勵的發電機。其定子（電樞）繞組接到電網以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產生定子磁動勢，并建立起定子（電樞）旋轉磁場；轉子勵磁繞組中通入直流勵磁電流建立轉子主磁場，或者由永磁體直接產生主磁場。由于轉子以同步速度旋轉，轉子主磁場也將以同步速度旋轉。發電機穩定運行時，定、轉子旋轉磁場均以同步速度旋轉，二者是相對靜止的，依靠定、轉子磁極之間的磁拉力產生電磁轉矩，傳遞電磁功率。3.運行原理與異步發電機不同，同步發電機是一種雙502.4.3雙饋（繞線轉子）異步發電機1.變速恒頻風電機組與雙饋（繞線轉子）異步發電機當變速恒頻風電機組不需要大范圍的變速運行，而只需要在較窄的范圍內實現變速控制時，可選擇雙饋（繞線轉子）異步發電機，發電機的定子繞組直接與電網相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發電機轉子繞組與電網之間。采用雙饋異步發電機的變速恒頻風電機組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉子）異步發電機1.變速恒頻風電機組與512.結構特點雙饋（繞線轉子）異步發電機的定子結構與籠型異步發電機基本相同。二者在結構上的區別主要表現在轉子繞組結構的不同，前者為繞線型轉子繞組，后者為籠型轉子繞組。

為了使三相轉子繞組與外部控制電路（回饋變頻器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設三個集電環，將轉子繞組的三個出線端分別接到三個集電環上，再通過電刷引出。2.結構特點雙饋（繞線轉子）異步發電機的定子523.運行原理與特性雙饋異步發電機的運行原理與籠型異步發電機基本相同，只是由于轉子使用了繞線型繞組，才使之可以實現雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋異步發電機來說，定、轉子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當電能的傳送方向為電機-電網方向時，電機為發電機運行，電能傳送方向相反時為電動機運行；在轉子邊，在變流器的電機側電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發電機的運行狀態可以用功率傳遞關系來加以說明，如圖2-34所示。3.運行原理與特性雙饋異步發電機的運行原理與籠53圖2-34雙饋異步發電機的運行狀態和功率傳遞關系圖2-34雙饋異步發電機的運行狀態和功率傳遞關系54圖2-35雙饋異步發電機的機械特性圖2-35雙饋異步發電機的機械特性552.5風力發電機系統的運行與控制

控制系統要根據風速和風向的變化對風力發電機組進行優化控制，以提高風能轉換效率和發電質量。圖2-36風力機的理想功率曲線2.5風力發電機系統的運行與控制控制系統要56風力發電機組控制系統的主要目標和功能有：（1）在正常運行的風速范圍內，保證系統穩定可靠運行。（2）在低風速區，跟蹤最佳葉尖速比，實現最大功率點跟蹤（MPPT），捕獲最大風能。（3）在高風速區，限制風能的捕獲，保持輸出功率為額定值。（4）保證風力機轉速在允許速度以下，抑制風力機噪聲及風輪離心力。（5）抑制陣風引起的轉矩波動，減小風力機的機械應力和輸出功率的波動。（6）保持風力發電機組輸出電壓和頻率的穩定，保證電能質量。（7）減小傳動鏈的機械載荷，保證風力發電機組壽命。風力發電機組控制系統的主要目標和功能有：572.5.1基本控制內容2.5.2定槳距恒速風力發電機組的運行與控制2.5.3變槳距恒速風力發電機組的運行與控制2.5.4變槳距變速風力發電機組的運行與控制2.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介2.5.1基本控制內容2.5.2定槳距恒速風力發電機組的582.5.1基本控制內容1.風力發電機組的工作狀態及其轉換2.風力發電機組的啟動3.偏航系統的運行①運行；②暫停；③停機；④緊急停機。包括自啟動、本地啟動和遠程啟動。

主要包括自動偏航、手動偏航、側風、自動解纜等功能。

2.5.1基本控制內容1.風力發電機組的工作狀態及其轉換2592.5.2定槳距恒速風力發電機組的運行與控制1.失速與制動圖2-37葉尖擾流器的結構--（制動）失速見2.3.4節2.5.2定槳距恒速風力發電機組的運行與控制1.失速與制動602.安裝角的調整(隨溫度與海拔而調整)

(a)溫度的影響（b）海拔的影響圖2-38空氣密度變化的影響2.安裝角的調整(隨溫度與海拔而調整)(a)溫度的影響612.5.3變槳距恒速風力發電機組的運行與控制1.輸出功率特性圖2-40變槳距恒速風力發電機組的基本控制策略2.5.3變槳距恒速風力發電機組的運行與控制1.輸出功率特622.運行狀態根據變槳距系統所起的作用，變槳距風力發電機組可分為三種運行狀態：啟動狀態、欠功率狀態和額定功率狀態。

1）啟動狀態。變槳距風力機在靜止時，槳距角為如圖2-41所示。這時，氣流對槳葉不產生轉矩。當風速達到啟動風速時，葉片向槳距角為對葉片產生一定的攻角，風輪開始啟動.方向轉動，直至氣流2.運行狀態根據變槳距系統所起的作用，變槳距風632）欠功率狀態。當風力發電機組并入電網后，由于風速低于額定風速，發電機的輸出功率低于額定功率，此運行狀態稱為欠功率狀態。在采用籠型異步發電機的風力發電機系統中，欠功率狀態下對槳距角不加控制，這時的變槳距風力發電機組與定槳距風力發電機組相同。而在采用繞線轉子異步發電機的風力發電機系統中，可采用所謂的“優化滑差”技術，即可以根據風速的大小，調整發電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，從而改善低風速時風力發電機組的性能。2）欠功率狀態。而在采用繞線轉子異步發電機的風643）額定功率狀態。當風速達到額定風速以后，風力發電機組進入額定功率狀態。此時，變槳距系統開始根據發電機的功率信號進行控制，控制信號的給定值是恒定的額定功率。功率反饋信號與給定信號比較，當實際功率大于額定功率時，槳距角就向增大方向轉動（減小迎風面積），反之則向槳距角減小的方向轉動（增大迎風面積）。2.3.4節已對此有部分介紹。圖2-42變槳距恒速風力發電機組的控制框圖3）額定功率狀態。當風速達到額定風速以后，風力發電機組進入額652.5.4變槳距變速風力發電機組的運行與控制122.5.4變槳距變速風力發電機組的運行與控制1266風力發電及其控制可再生能源發電電子課件671.控制策略圖2-43變槳距變速風力發電機組的基本控制策略1.控制策略圖2-43變槳距變速風力發電機組的基本控制策682.運行狀態1）啟動狀態（Oa段）2）恒定區（ab段）：也稱變速運行區。3）轉速恒定區（bc段）4）功率恒定區：風速高于額定風速時，轉速和功率必須維持在額定值，因此，該狀態運行區域稱為功率恒定區。

5）切出區：當風速大于切出風速時，為保證風力發電機組的安全，需對機組進行制動減速控制，直至切出。2.運行狀態1）啟動狀態（Oa段）2）恒定區（ab段）：也69(a)恒定區（b）轉速恒定區（c）功率恒定區值變化情況圖2-46三個工作區域的(a)恒定區（b）轉速恒定區703.不同類型風力發電機組的比較

圖2-47不同類型風力發電機組的功率曲線對比3.不同類型風力發電機組的比較圖2-47不同類型風力發電712.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介欲使風力發電機組運行于最佳葉尖速比，實現最大功率點跟蹤，必須采用適當的控制方法，即所謂的最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT）控制方法，使風力機的轉速隨風速的變化而成比例地變化。目前，已有多種不同的MPPT控制方案，各有優缺點和適用范圍。1.最佳葉尖速比法當葉尖速比時，有最大值

2.5.5最大功率點跟蹤（MPPT）控制簡介72圖2-48最佳葉尖速比控制框圖圖2-48最佳葉尖速比控制框圖73風力發電及其控制可再生能源發電電子課件742.功率信號反饋法圖2-49最大功率曲線2.功率信號反饋法圖2-49最大功率曲線75圖2-50基于PI調節器的功率信號反饋法的控制框圖圖2-50基于PI調節器的76圖2-51基于模糊PI調節器的功率信號反饋法的控制框圖圖2-51基于模糊PI調節器的773.爬山搜索法爬山搜索法無需測量風速，也不需要事先知道風力機的功率曲線，而是人為地給風力機施加轉速擾動，根據發電機輸出功率的變化確定轉速的控制增量。

爬山搜索法的原理3.爬山搜索法爬山搜索法無需測量風速，也不需78爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖79該控制方法的優點是：不需要任何測定風速的裝置，不需要知道風力機確切的功率特性。它對風力機功率特性的掌握要求較低，且控制過程基本是由軟件編程實現的；它獨立于風力機的設計參數，可以自主地追蹤到最大功率點；對于無慣性的或慣性很小的小型風力發電系統，風力機轉速對風速的反應幾乎是瞬時的。該方法的缺點是：即使風速穩定，發電機的最終輸出功率也會有小幅波動；按照系統的控制目標，希望在某一風速下風力機能夠沿著功率曲線逐步移動到最佳功率負載線附近，所以要求系統在每一調整的離散時間點上達到穩態工作點，對于慣性較大的大型風力機系統，系統的時間常數較大，實現最大功率點跟蹤所需時間較長，因此在風速持續變化的情況下其控制性能將受到影響；此外，當風速變化較快時，可能引起系統振蕩，不宜采用此方法。該控制方法的優點是：不需要任何測定風速的裝置，不需要知802.6風力發電機系統并網

2.6.1同步風力發電機組并網2.6.2異步風力發電機組并網2.6.3風力發電機組的并網安全運行與防護措施2.6風力發電機系統并網2.6.1同步風力發電機組并網812.6.1同步風力發電機組并網同步風力發電機組并聯到電網時，為防止過大的電流沖擊和轉矩沖擊，風力發電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有5個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。1）并網條件2.6.1同步風力發電機組并網同步風力發電機組并822）并網方法（1）自動準同步并網。當風力發電機的轉速幾乎達到同步轉速、發電機的端電壓與電網電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時，控制斷路器合閘并網。同步風力發電機并網后通過自整步作用牽入同步，使發電機電壓頻率與電網一致。

優點：合閘時沒有明顯的電流沖擊；缺點：控制操作復雜、費時。

2）并網方法（1）自動準同步并網。當風力發電83（2）自同步并網。

同步發電機的轉子勵磁繞組先通過限流電阻短接，電機中無勵磁磁場，用原動機將發電機轉子拖到同步轉速附近（差值小于5%）時，將發電機并入電網，再立刻給發電機勵磁，在定、轉子之間的電磁力作用下，發電機自動牽入同步。

由于發電機并網時，轉子繞組中無勵磁電流，因而發電機定子繞組中沒有感應電動勢，不需要對發電機的電壓和相位角進行調節和校準，控制簡單，并且從根本上排除了不同步合閘的可能性。這種并網方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網電壓的短時下降現象（2）自同步并網。同步發電機的轉子勵磁繞組先84帶變頻器的同步發電機組并網并網優點明顯！缺點是電力電子裝置價格較高、控制較復雜，同時非正弦逆變器在運行時產生的高頻諧波電流流入電網，將影響電網的電能質量。帶變頻器的同步發電機組并網并網優點明顯！缺點是電力電852.6.2異步風力發電機組并網異步風力發電機組的并網方式主要有三種：直接并網、降壓并網和通過晶閘管軟并網。1）直接并網。

并網條件：一是發電機轉子的轉向與旋轉磁場的方向一致，即相序相同；二是發電機的轉速盡可能接近于同步轉速。其中第一條必須嚴格遵守，在接線時調整好相序；第二條的要求不是很嚴格，但發電機轉速與同步轉速的誤差越小，并網時產生的沖擊電流越小。

特點：比同步發電機的準同步并網簡單，但并網過程中會產生5-6倍額定電流的沖擊電流，引起電網電壓下降。因此只能用于百KW級以下，且電網容量較大的場合。2.6.2異步風力發電機組并網異步風力發電機862）降壓并網。

降壓并網是在發電機與電網之間串接電阻或電抗器，或接入自耦變壓器，以降低并網時的沖擊電流和電網電壓下降的幅度。發電機并網穩定運行后，將接入的電阻等元件迅速從線路中切除，以免消耗功率。這種并網方式的經濟性較差，適用于百KW級以上、容量較大的機組。2）降壓并網。降壓并網是在發電機與電網之間串接873）晶閘管軟并網。圖2-59異步風力發電機組晶閘管軟并網晶閘管軟并網是在異步發電機的定子和電網之間通過每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導通角(180度到0度逐步打開)來控制并網時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網暫態過程，如圖2-59所示。3）晶閘管軟并網。圖2-59異步風力發電機組晶閘管軟并網88雙饋異步風力發電機組并網（專屬方法）：風力機啟動后帶動發電機至接近于同步轉速時，由轉子回路中的變頻器通過對轉子電流的控制實現電壓匹配、同步和相位的控制，以便迅速地并入電網，并網時基本上無電流沖擊。通過轉子電流的控制還可以保證風力發電機的轉速隨風速及負載的變化而及時地調整，從而使風力機運行在最佳葉尖速比下，獲得最大的風能及高的系統效率。雙饋異步發電機可通過勵磁電流的頻率、幅值和相位的調節，實現變速運行下的恒頻及功率調節。當風力發電機的轉速隨風速及負載的變化而變化時，通過勵磁電流頻率的調節實現輸出電能頻率的穩定；改變勵磁電流的幅值和相位，可以改變發電機定子電動勢和電網電壓之間的相位角，也即改變了發電機的功率角，從而實現了有功功率和無功功率的調節。雙饋異步風力發電機組并網（專屬方法）：風力機啟89圖2-61雙饋異步發電機變速恒頻運行的并網系統圖2-61雙饋異步發電機變速恒頻運行的并網系統902.6.3風力發電機組的并網安全運行與防護措施圖2-63控制系統的安全保護組成2.6.3風力發電機組的并網安全運行與防護措施圖2-63911．雷電安全保護風力發電控制系統大多為計算機和電子器件，大部分是弱電器件，耐過電壓能力低，最容易因雷電感應造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。當雷電擊中電網中的設備后，大電流將經接地點泄入地網，使接地點電位大大升高。若控制設備接地點靠近雷擊大電流的入地點，則電位將隨之升高，會在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴重時會造成相關設備絕緣擊穿。根據國外風場的統計數據表明，風電場因雷擊而損壞的主要風電機部件是控制系統和通信系統。雷擊事故中的40%-50%涉及風電機控制系統的損壞，15%-20%涉及通信系統，15%-20%涉及風機葉片，5%涉及發電機。防雷是一個系統工程，不能僅僅從控制系統來考慮，需要從風電場整體設計上考慮，采取多層防護措施。1．雷電安全保護風力發電控制系統大多為計算機922.運行安全保護（1）大風安全保護：一般風速達到25m/s（10min）即為停機風速，機組必須按照安全程序停機，停機后，風力發電機組必須（2）參數越限保護：各種采集、監控的量根據情況設定有上、下限值，當數據達到限定位時，控制系統根據設定好的程序進行自動處理。（3）過電壓、過電流保護：指裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過電流所進行的保護。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態吸收元件、過電流保護器等。（4）振動保護：機組應設有三級振動頻率保護，即振動球開關、振動頻率上限1、振動頻率極限2，當開關動作時，控制系統將分級進行處理。（5）開機、關機保護：設計機組按順序正常開機，確保機組安全。在小風、大風、故障時控制機組按順序停機。對風控制。2.運行安全保護（2）參數越限保護：各種采集、監控的量根據情933.電網掉電保護4.緊急停機安全鏈保護5.微機控制器抗干擾保護6.接地保護7.低電壓穿越能力3.電網掉電保護4.緊急停機安全鏈保護5.微機控制器抗干擾保942.7風力發電機系統低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規范2.7.2低電壓對風力發電機組的影響2.7.3低電壓穿越技術2.7風力發電機系統低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基952.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規范所謂低電壓穿越（LowVoltageRideThrough,LVRT）,是指由于電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風力發電機組能夠不間斷并網運行，并向電網提供一定無功功率，支持電網電壓恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區域）。2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規范所謂低96圖2-60風力發電機組低電壓穿越要求圖2-60風力發電機組低電壓穿越要求97風電場低電壓穿越的規定：（1）風力發電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行625ms的低電壓穿越能力。（2）風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風力發電機組應具有不間斷并網運行的能力。（3）在電網故障期間沒有切出的風力發電機組，在故障清除后其有功功率應以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復至故障前的狀態。風電場低電壓穿越的規定：982.7.2低電壓對風力發電機組的影響當并網點電壓突然跌落時，輸出電功率隨之減小，風力發電機組的輸入輸出功率失去平衡，從而引起一系列電磁和機電暫態過程，對風力發電機組產生不利影響。不同類型風力發電機組的暫態過程及其導致的影響不盡相同。1.雙饋異步發電機組雙饋異步發電機組（DFIG）的定子側直接連接電網，這種直接耦合使得電網電壓的降落直接反映在發電機定子端電壓上，首先導致定子電流增大；又由于故障瞬間磁鏈不能突變，在轉子中感應出較大的電動勢并產生較大的轉子電流，導致轉子電路中電壓和電流大幅增加。定、轉子電流的大幅波動，會造成DFIG電磁轉矩的劇烈變化，對風力機、齒輪箱等機械部件構成沖擊，影響風力發電機組的運行和壽命。2.7.2低電壓對風力發電機組的影響當并網點99定子電壓跌落時，發電機輸出功率降低，若對捕獲功率不加控制，必然導致發電機轉速上升。在風速較高即機械動力轉矩較大的情況下，即使故障切除，雙饋異步發電機的電磁轉矩有所增加，也難較快抑制發電機轉速的上升，使雙饋異步發電機的轉速進一步升高，使得定子端電壓下降，進一步阻礙了電網電壓的恢復，嚴重時可能導致電網電壓無法恢復，致使系統崩潰。定子電壓跌落時，發電機輸出功率降低，若對捕獲功1002.永磁同步發電機組對于永磁同步發電機組（PMSG），定子經AC-DC-AC功率變換器與電網相接，發電機和電網不存在直接耦合。電網電壓的瞬間降落會導致輸出功率的減小，而發電機的輸出功率瞬時不變，顯然功率不匹配將導致直流母線（DC-Link）電壓上升，這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩定DC-Link電壓，必然會導致輸出到電網的電流增大，過大的電流同樣會威脅功率變換器的安全。當功率變換器直流側電壓在一定范圍波動時，發電機側功率變換器一般都能保持可控性，在電網電壓跌落期間，發電機仍可以保持很好的電磁控制。所以PMSG的低電壓穿越實現相對DFIG而言較為容易。2.永磁同步發電機組對于永磁同步發電機組（P1012.7.3低電壓穿越技術1.低速直驅永磁同步風力發電機組的低電壓穿越技術

電壓跌落期間PMSG的主要問題在于能量不匹配導致直流電壓的上升，可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。首先，在功率變換器設計方面，選擇器件時放寬電力電子器件的耐壓和過電流值，并提高直流電容的額定電壓。這樣在電壓跌落時可以把DC-Link的電壓限定值調高，以儲存多余的能量，并允許網側功率變換器電流增大，以輸出更多的能量。其次，在風力發電機組控制方面，可減小PMSG電磁轉矩設定值，這樣會引起發電機的轉速上升，從而利用轉速的暫時上升來儲存風力機部分輸入能量，減小發電機的輸出功率。2.7.3低電壓穿越技術1.低速直驅永磁同步風力發電機組的102最后，可以考慮采用額外電路的單元儲存或消耗多余能量。

最后，可以考慮采用額外電路的單元儲存或消耗多余能量。1032.雙饋異步風力發電機組的低電壓穿越技術與PMSG相比，DFIG在電壓跌落期間面臨的威脅更大。電壓跌落出現的暫態轉子過電流、過電壓會損壞電力電子器件，而電磁轉矩的衰減也會導致轉速的上升。

2.雙饋異步風力發電機組的低電壓穿越技術與P104由于DC-Link會出現過、欠電壓，因此可以考慮與PMSG一樣在DC-Link上接儲能系統（ESS），以保持DC-Link電壓穩定，如圖2-64所示。

圖2-64轉子側帶儲能系統的DFIG由于DC-Link會出現過、欠電壓，因此可以考1052.8風力發電場2.8.1風電場的概念2.8.2陸地風電場2.8.3海上風電場2.8風力發電場1062.8.1風電場的概念風電場是在某一特定區域內建設的所有風力發電設備及配套設施的總稱。圖2-65德國的內陸風電場圖2-66甘肅酒泉風電場2.8.1風電場的概念風電場是在某一特定區域107圖2-67江蘇海安海岸風電場圖2-68離岸近海風電場圖2-67江蘇海安海岸風電場圖2-68離岸近海風電場1082.8.2陸地風電場選擇安裝地點時經常有以下三方面情況應予考慮：一是風能資源與氣象條件；二是地形地貌；三是建筑物。圖2-69風力機與丘陵、樹林的安裝距離2.8.2陸地風電場選擇安裝地點時經常有以下109圖2-70氣流經過臺地和山地圖2-70氣流經過臺地和山地110圖2-72在建筑物上安裝風力發電機示意圖圖2-72在建筑物上安裝風力發電機示意圖111（a）對行排列（b）交錯排列圖2-73盛行風不是一個方向時風力發電機的排列（a）對行排列112圖2-74盛行風向基本不變的風電場風機排列圖2-74盛行風向基本不變的風電場風機排列113圖2-75迎風坡風電場風力發電機的排列圖2-75迎風坡風電場風力發電機的排列1142.8.3海上風電場相對陸地風電場，海上風電場與它的區別主要在坐落地址的不同，相應的針對海上場址相對陸地風電場有很大不同。海上風電場微觀選址工作主要依賴電力設計院和設備供應商，如采用丹麥編制的風資源與應用及分析軟件WasP分析風電場的風資源，然后運用各種風電場優化設計軟件設計風電機組的排布。2.8.3海上風電場相對陸地風電場，海上風電1152.8.4海上風電發展與現狀一、成本高，維護不便，單機容量大。二、歐洲在前三、直流化傳輸趨勢2.8.4海上風電發展與現狀116風力發電及其控制可再生能源發電電子課件117風力發電及其控制可再生能源發電電子課件118風力發電及其控制可再生能源發電電子課件119風力發電及其控制可再生能源發電電子課件120四、中國海上風電發展簡介五、浙江省海上風電規劃發展四、中國海上風電發展簡介121齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利于減小發電機的體積和重量。發電機是將機械能轉換為電能的裝置，是風力發電系統的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質量。對不同類型的發電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利122風力發電及其控制可再生能源發電電子課件1232.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統2.3.6偏航系統2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理21242.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統2.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有1252.結構特點

同步發電機的定子結構與異步發電機基本相同，轉子結構則與異步發電機明顯不同。轉子分為電勵磁轉子和永磁轉子兩類。電勵磁轉子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結構，繞組中通以勵磁電流產生主磁場。永磁轉子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產生主磁場，磁極結構一般有表面式或內置式磁極結構。

2.結構特點同步發電機的定子結構與異步發電機126爬山搜索法控制框圖爬山搜索法控制框圖1272.6.1同步風力發電機組并網同步風力發電機組并聯到電網時，為防止過大的電流沖擊和轉矩沖擊，風力發電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有5個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。1）并網條件2.6.1同步風力發電機組并網同步風力發電機組并1282.7風力發電機系統低電壓穿越

2.7.1低電壓穿越的基本概念及相關規范2.7.2低電壓對風力發電機組的影響2.7.3低電壓穿越技術2.7風力發電機系統低電壓穿越2.7.1低電壓穿越的基1292.1風及風能資源2.1.1風的形成地球從地面直至數萬米高空被厚厚的大氣層包圍著。由于地球的自轉、公轉運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使得地面的受熱并不均勻，從而不同地區有溫差，外加空氣中水蒸氣含量不同，就形成了不同的氣壓區。

空氣從高氣壓區域向低氣壓區域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學上，一般把空氣的不規則運動稱為紊流，垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動稱為風

!!風，按照形成原因，有信風、海陸風和山谷風等幾種。2.1風及風能資源2.1.1風的形成地130（1）信風。赤道附近地區，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射，受熱少，氣溫低。由于熱空氣比冷空氣密度小，赤道附近的熱空氣上升，兩極地區的冷空氣下降，留下的“空缺”相互填補，就形成了熱空氣在高空從赤道流向兩極、冷空氣在地面附近從兩極流向赤道的現象。由于地球本身自西向東旋轉，大氣環流在北半球形成東北信風，在南半球形成東南信風。（2）海陸風。大陸與海洋的熱容量不同。白天，在太陽照射下陸地溫度比海面高，陸地上的熱空氣上升，海面上的冷空氣在地表附近流向沿岸陸地，這就是海風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，相對溫度較高的海面上的空氣上升，陸地上較冷的空氣沿地面流向海洋，這就是陸風。（3）山谷風。白天受太陽照射的山坡朝陽面受熱較多，形成熱空氣；地勢低凹的山谷處受熱較少，則山谷內冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅度大，上方的空氣密度增大，沿山坡向下流動，形成山風。（1）信風。赤道附近地區，受熱多，氣溫高；兩極附近，太陽斜射1312.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是風吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風，就稱為南風。（2）風速。風速就是單位時間內空氣在水平方向上移動的距離。通常所說的風速，是指一段時間內的風速的算術平均值。2.1.2風的描述(描述風的幾個概念)（1）風向。風向就是132

蒲福風級的定義和描述蒲福風級名稱風速/（m/s）表現形式0無風0-0.2零級無風炊煙上1軟風0.3-1.5一級軟風煙稍斜2輕風1.6-3.3二級輕風樹葉響3微風3.4-5.4三級微風樹枝晃4和風5.5-7.9四級和風灰塵起5清勁風8-10.7五級清風水起波6強風10.8-13.8六級強風大樹搖7疾風13.9-17.1七級疾風步難行8大風17.2-20.7八級大風樹枝折9烈風20.8-24.4九級烈風煙囪毀10狂風24.5-28.4十級狂風樹根拔11暴風28.5-32.6十一級暴風陸罕見12颶風>32.6十二級颶風浪滔天蒲福風級的定義和描述名稱風速/（m/s）表現形式0無風0-133（3）風能和風能密度。

風中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風能。

（2-1）單位面積上流過的風能就是風能密度。

（2-2）（3）風能和風能密度。（2-1）單位面積1342.1.3世界風能資源2.1.3世界風能資源1352.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖2.1.4我國風能資源圖2-1我國陸地的平均風速分布圖136風力發電及其控制可再生能源發電電子課件1372.2風力發電系統結構原理

圖2-3并網型風力發電系統的組成根據所發電能是否并入電網，風力發電系統可分為并網型和離網型兩大類。圖2-3所示為并網型風力發電系統的簡要組成。2.2風力發電系統結構原理圖2-3并網型風力發電系統的138齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利于減小發電機的體積和重量。發電機是將機械能轉換為電能的裝置，是風力發電系統的核心部件。電力電子接口的主要作用是對發電機輸出電能的頻率、波形、電壓等進行變換與控制，以保證輸出電能的質量。對不同類型的發電機，電力電子接口的功能與作用也不同。齒輪箱又叫增速器，起增速作用，使發電機工作在較高轉速，這有利139圖2-4風力發電機組的基本結構現代并網型風力發電系統通常還有變槳系統、偏航系統、制動裝置、測風裝置等。圖2-4風力發電機組的基本結構現代并網型風力140圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發電機系統原理離網型風力發電系統通常由風力機、發電機和電力電子接口等構成，其容量一般較小，風力機轉速較高，可直接驅動發電機，故一般沒有齒輪箱；發出的電能經電力電子接口變換后直接供給負載，因此，也沒有變壓器，結構上要簡單許多。下圖為某類復雜并網型的原理圖。圖2-5變速變槳距控制雙饋異步風力發電機系統原理離網141風力發電及其控制可再生能源發電電子課件142風力發電及其控制可再生能源發電電子課件143離網型：

離網型：1442.3風力機及其控制2.3.1風力機的基本類型2.3.2風力機的工作原理2.3.3風能利用系數2.3.4風力機的功率控制2.3.5變槳系統2.3.6偏航系統2.3風力機及其控制2.3.2風力機的工作原理21452.3.1風力機的基本類型

風力機是將風的動能轉換為可用機械能的機械裝置，它通常由一個在風的升力或阻力作用下可自由旋轉的轉子組成。根據風力機轉子結構形式、安裝方式、運行模式等的不同，風力機可分為不同類型。根據轉子軸的位置，風力機可分為水平軸和垂直軸兩大類；對水平軸風力機，依據風力機轉子裝在塔架的迎風側還是下風側，可分為迎風型和順風型等；根據風力機槳距角是否可以調整，分為定槳距和變槳距風力機；根據風力機的轉速是否可以改變，又可分為恒速和變速風力機等。風力機是將風的動能轉換為可用機械能的機械裝置，它通常1461.垂直軸與水平軸風力機（a）結構（b）實物照片圖2-6垂直軸風力機1.垂直軸與水平軸風力機（a）結構147垂直軸風力機最突出的優點,是它的發電機與傳動系統可以放在地面，減輕了對塔架的要求；另外，它可以從任意方向的風中吸收能量，故不需要偏航和對風系統，使系統得以簡化。但是，垂直軸風力機的缺點也很明顯，首先是它的安裝高度受限，只能在低風速環境下運行，風能利用率較低；其次，雖然它的發電機和傳動系統放在地面，但維護并不容易，常需將風力機轉子移開；再則，它需要用拉索固定塔架，拉索在地面會延伸很遠，占用較大地面空間。垂直軸風力機最突出的優點,是它的發電機與傳動148圖2-7水平軸風力機圖2-7水平軸風力機1492.定槳距與變槳距風力機2.定槳距與變槳距風力機1503.恒速與變速風力機

恒速風力機是指在正常運行時其轉速是恒定不變的。早期的風力發電機系統多采用異步發電機或同步發電機，定子繞組直接與電網相連，因此，發電機的轉速由電網的頻率所決定，無法調節，它雖然控制較簡單，但風能利用率較低。隨著電力電子等技術的發展，出現了雙饋異步發電機，通過控制轉子繞組中電流的頻率，可以在不同轉子轉速下仍保持定子繞組輸出頻率的恒定，因此，它允許風力機轉速在較大范圍改變，故稱為變速恒頻發電機。近年來新出現的低速直驅永磁同步發電機也是變速恒頻發電機，因為它是經由全容量電力電子功率變換器向外輸出電能，其輸出頻率由逆變器決定，因此允許風力機轉速在很大的范圍內改變。3.恒速與變速風力機恒速風力機是指在正常運行時其轉速是1512.3.2風力機的工作原理、長度為2.3.2風力機的工作原理、長度為152當風經過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉矩的作用，其中推力方向與風輪旋轉平面垂直，轉矩使風輪旋轉。由于槳葉的參數（攻角、弦長等）沿著槳葉長度是變化的，因此，槳葉上每一點所受到的推力和轉矩也是變化的。槳葉所受到的總推力和總轉矩應是各點推力和轉矩的積分。為便于分析，在槳葉上取半徑為r,長度為的微元，稱為葉素，如圖2-9所示。隨著風輪旋轉，葉素將掃掠出一個圓環。下面以圖2-10所示的翼型為例來分析葉素的受力情況。圖2-9葉素掃掠出的圓環當風經過風輪平面時，槳葉上將受到推力和轉矩的作用，其中推153圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角稱為攻角（也稱仰角），葉素弦線與風輪旋轉平面之間的夾角稱為槳距角.

圖2-10葉素受力分析合成風速矢量與葉素弦線之間的夾角154為風速矢量

為風輪旋轉角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：為風速矢量為風輪旋轉角速度，R為風輪半徑。葉尖速比：1552.3.3風能利用系數

根據空氣動力學原理2.3.3風能利用系數根據空氣動力學原理156風能利用系數與葉尖速比的關系曲線

風能利用系數與葉尖速比的關系曲線157不同槳距角時的風能利用系數

不同槳距角時的風能利用系數158圖2-12具有不同葉片數的風力機風能利用系數的對比圖2-12具有不同葉片數的風力機風能利用系數的對比1592.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能通常用功率曲線來描述，如圖2-14所示。圖2-14風力機理想功率曲線2.3.4風力機的功率控制風力機的綜合性能160在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功率：

1.失速控制對于定速定槳距風力機，槳葉的槳距角是固定不變的。它利用葉片的氣動特性，使其在高風速時產生失速來限制風力機功率。在額定風速與切出風速之間，可采用下面的措施控制風力機吸收的功161風力發電及其控制可再生能源發電電子課件1622.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定風速及以上時，通過人為地調節槳距角，使風力機加深失速。

圖2-152.主動失速控制所謂主動失速控制，就是在風速達到額定163主動失速控制的優點是：功率調節性能好，控制較簡單（相對于后面的變槳控制）；缺點是：作用在轉子平面上的軸向推力增大，風力機氣動載荷加重。主動失速控制的優點是：功率調節性能好，控制較簡1643.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速后，可通過變槳機構使葉片繞其軸線旋轉，增大葉素弦線與旋轉平面之間的夾角，即槳距角，減小攻角，使風力機的功率保持不變。3.變槳控制對于變槳距風力機，當風速大于額定風速165主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調節槳距角來調節風力機的功率，但它們之間存在以下明顯差異：（1）調節方向不同：主動失速控制是減小槳距角，增大攻角，使失速加深；而變槳控制是增大槳距角，減小攻角，限制吸收風功率。因此，二者的槳距角調節方向相反。（2）調節頻率不同：變槳控制的槳距角可連續調節，其變槳機構較復雜；而主動失速控制的槳距角只能改變很少的幾步，且精度不高。（3）軸向推力變化規律不同：主動失速控制時，風輪軸向推力增加；而變槳控制時隨之減小，故氣動載荷減小。主動失速控制與變槳控制雖然都是通過調節槳距角來調節風力機1662.3.5變槳系統變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉，改變槳距角，從而改變風力機的氣動特性。改變槳距角的主要作用如下：（1）風輪開始旋轉時，采用較大的正槳距角可以產生一個較大的啟動力矩。（2）風輪停止時，經常使用的槳距角，使風輪剎車制動時，（3）額定風速以下時，為盡可能捕捉較多的風能，因而沒有必要改變槳距角。然而，恒速風力發電機組的最佳槳距角隨風速的變化而變化，因此，槳距角隨風速儀或功率輸出信號的變化而緩慢改變。（4）額定風速以上時，變槳控制可以有效調節風力發電機組吸收功率及風輪所受載荷，使其不超過設計的限定值。（5）在并網過程中，變槳距控制還可實現快速無沖擊并網。因此，現代大型風力發電機組多采用變槳距風力機。

空轉速度最小。在正槳距角時，葉片稱為“順槳”。2.3.5變槳系統變槳就是使槳葉繞其安裝軸旋轉，改變槳距角167圖2-19變槳系統組成框圖圖2-19變槳系統組成框圖168

（a）液壓變槳機構（b）電動變槳機構圖2-20變槳機構

1692.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉，保持風力機與風向始終垂直。這種裝置叫做偏航系統，也叫迎風裝置。

(a)尾舵偏航（b）主動偏航圖2-21偏航系統2.3.6偏航系統為保證風力機穩定工作，必須有170圖2-22主動偏航系統組成框圖圖2-22主動偏航系統組成框圖1712.4風力發電機2.4風力發電機1722.4.1籠型異步發電機

1.定槳距風電機組與籠型異步發電機定槳距就是風力機葉輪的槳葉與輪轂之間為剛性連接，槳葉的迎風角度不能隨風速的變化而變化。

定槳距風電機組需要配套的發電機具有恒轉速特性，并網運行的異步發電機能夠滿足這一要求。

采用異步發電機并網運行有一系列優點：籠型異步發電機的結構簡單、價格便宜；不需要嚴格的并網裝置，可以較容易地與電網連接；異步發電機并網運行時，轉速近似是恒定的，但允許在一定范圍內變化，因此可吸收瞬態陣風能量。2.4.1籠型異步發電機定槳距就是風力機葉173采用異步發電機的主要缺點是需要從電網吸收感性無功電流來勵磁，加重了電網對感性無功功率的負擔，因此，常需要對異步發電機進行無功補償。

在低風速運行區域，定槳距風電機組還面臨著系統效率低下的問題。

采用異步發電機的主要缺點是需要從電網吸收感性1742.籠型異步發電機的結構特點目前，籠型異步發電機大多采用雙速型，即可變極，一般在4和6極間變換。在高風速區域，4極繞組工作，發電機輸出的功率較大；在低風速區域，切換到6極繞組工作，發電機輸出的功率較小。

此外其他結構方面與普通籠型異步電機沒有區別。

2.籠型異步發電機的結構特點目前，籠型異步發電1752.4.2同步發電機1.同步發電機與變速恒頻風電機組

直驅式風電機組采用低速永磁同步發電機，省去了中間變速機構，由風力機直接驅動發電機運行。采用變槳距技術可以使槳葉和風電機組的受力情況大為改善，然而，為了使機組轉速能快速跟蹤風速的變化，以便實行最佳的葉尖速比控制，必須對發電機的轉矩實施控制。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，這一直驅式風力發電變速恒頻控制的關鍵技術，目前已經得到解決，只需在發電機與電網之間接入變流器，使發電機與電網之間解耦，就允許發電機變速運行了。圖2-28示出了變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組原理圖。2.4.2同步發電機1.同步發電機與變速恒頻風電機組176圖2-28變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組圖2-28變速恒頻控制的直驅式永磁同步發電機組1772.結構特點

同步發電機的定子結構與異步發電機基本相同，轉子結構則與異步發電機明顯不同。轉子分為電勵磁轉子和永磁轉子兩類。電勵磁轉子包括鐵心和繞組，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于套裝或嵌放勵磁線圈；繞組用圓銅漆包線或扁銅絕緣線繞制，通過凸極（或隱極）式磁極結構，繞組中通以勵磁電流產生主磁場。永磁轉子包括鐵心和永磁體，鐵心用鋼板疊壓而成，是主磁路的一部分，用于貼附或內置永磁體；永磁體用永磁材料（鈕鐵硼、鐵氧體等）加工而成，產生主磁場，磁極結構一般有表面式或內置式磁極結構。

2.結構特點同步發電機的定子結構與異步發電機178

3.運行原理

與異步發電機不同，同步發電機是一種雙邊激勵的發電機。其定子（電樞）繞組接到電網以后，定子（電樞）電流流過定子繞組產生定子磁動勢，并建立起定子（電樞）旋轉磁場；轉子勵磁繞組中通入直流勵磁電流建立轉子主磁場，或者由永磁體直接產生主磁場。由于轉子以同步速度旋轉，轉子主磁場也將以同步速度旋轉。發電機穩定運行時，定、轉子旋轉磁場均以同步速度旋轉，二者是相對靜止的，依靠定、轉子磁極之間的磁拉力產生電磁轉矩，傳遞電磁功率。3.運行原理與異步發電機不同，同步發電機是一種雙1792.4.3雙饋（繞線轉子）異步發電機1.變速恒頻風電機組與雙饋（繞線轉子）異步發電機當變速恒頻風電機組不需要大范圍的變速運行，而只需要在較窄的范圍內實現變速控制時，可選擇雙饋（繞線轉子）異步發電機，發電機的定子繞組直接與電網相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發電機轉子繞組與電網之間。采用雙饋異步發電機的變速恒頻風電機組原理圖如圖2-32所示。2.4.3雙饋（繞線轉子）異步發電機1.變速恒頻風電機組與1802.結構特點雙饋（繞線轉子）異步發電機的定子結構與籠型異步發電機基本相同。二者在結構上的區別主要表現在轉子繞組結構的不同，前者為繞線型轉子繞組，后者為籠型轉子繞組。

為了使三相轉子繞組與外部控制電路（回饋變頻器等）相連接，需要在非軸伸端的軸上裝設三個集電環，將轉子繞組的三個出線端分別接到三個集電環上，再通過電刷引出。2.結構特點雙饋（繞線轉子）異步發電機的定子1813.運行原理與特性雙饋異步發電機的運行原理與籠型異步發電機基本相同，只是由于轉子使用了繞線型繞組，才使之可以實現雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋異步發電機來說，定、轉子的饋電方向都是可逆的，在定子邊，當電能的傳送方向為電機-電網方向時，電機為發電機運行，電能傳送方向相反時為電動機運行；在轉子邊，在變流器的電機側電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的。因此，雙饋異步發電機的運行狀態可以用功率傳遞關系來加以說明，如圖2-34所示。3.運行原理與特性雙饋異步發電機的運行原理與籠182圖2-34雙饋異步發電機的運行狀態和功率傳遞關系圖2-34雙饋異步發電機的運行狀態和功率傳遞關系183圖2-35雙饋異步發電機的機械特性圖2-35雙饋異步發電機的機械特性1842.5風力發電機系統的運行與控制

控制系統要根據風速和風向的變化對風力發電機組進行優化控制，以提高風能轉換效率和發電質量。圖2-36風力機的理想功率曲線2.5風力發電機系統的運行與控制