第3章風能、風力發(fā)電與控制技術12

本章主要內容3.1風的特性及風能利用3.2風力發(fā)電機組及工作原理3.3風力發(fā)電機組的控制策略3.4風力發(fā)電機組的并網運行和功率補償3.5風力發(fā)電的經濟技術性評價3緒論在新能源發(fā)電技術中，風力發(fā)電是其中最接近實用和推廣的一種。風力發(fā)電是一個綜合性較強的系統(tǒng)，涉及空氣動力學、機械、電機和控制技術等領域。

風力發(fā)電是在大量利用風力提水的基礎上發(fā)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(fā)電設備的大國。20世紀70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機，隨之而來的環(huán)境問題迫使人們考慮可再生能源利用問題，風力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風力發(fā)電是近期內最具開發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀中發(fā)展最快的一種可再生能源。4感性認識：各式風機56783.1風的特性及風能利用3.1.1風的產生

風是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉、公轉和地表差異等引起，大氣是這種能源轉換的媒介。圖3-1地球上風的運動93.1.2風的特性與風能1、隨機性2、風隨高度的變化而變化

不同高度風速的表達式：

式中ν——距地面高度為h處的風速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風速（m／s），一般取h0為10m；k——修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.125～0.5。

103.1.3風的表示及應用1、風向

風向一般用16個方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風向方位圖112、風速由于風時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風速是指一段時間內的平均值，即平均風速。

3、風力風力等級是根據風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小。國際上采用的為蒲福風級，從靜風到颶風共分為13個等級。

風力等級與風速的關系：式中VN——N級風的平均風速(m/s)；N——風的級數(shù)。124、風能

（1）風能密度，空氣在一秒鐘內以速度ν流過單位面積產生的動能。表達式為：

（2）風能，空氣在一秒鐘時間內以速度ν流過面積為S截面的動能。

表達式為：

（3）風能利用，風能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能量。13風能轉換及應用情況如圖所示。圖3-5風能轉換與應用情況143.2風力發(fā)電機組及工作原理3.2.1風力發(fā)電機組的結構及分類

1、風力發(fā)電機組的分類

風力發(fā)電機組的分類一般有3種，如下表所示。15按風輪軸的安裝型式按風力發(fā)電機的功率

按運行方式

水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組

微型（額定功率50～1000W）、小型（額定功率1.0～10kW）、中型（額定功率10～100kW）和大型（額定功率大于100kW）

獨立運行和并網運行

162、風力發(fā)電機組的結構

風力發(fā)電機組中，水平軸式風力發(fā)電機組是目前技術最成熟、產量最大的形式；垂直軸風力發(fā)電機組因其效率低、需起動設備等技術原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發(fā)電機組的結構。17（1）獨立運行的風力發(fā)電機組

水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)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(fā)電機組主要結構18

并網運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結構如右圖所示

（2）并網運行的風力發(fā)電機組圖3-7并網運行的水平軸風力發(fā)電機組的原理框圖19并網運行的大型風力發(fā)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(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)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(fā)電機組圖3-8大型風力發(fā)電機組的基本結構203.2.2風力機風力機又稱為風輪，主要有水平軸風力機和垂直軸風力機。1、水平軸風力機：a.荷蘭式b.農莊式c.自行車式d.槳葉式

圖3-9水平軸風力機212、垂直軸風力機：a.薩窩紐斯式b.達里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風力機22水平軸垂直軸233.2.3風力機的氣動原理

風力發(fā)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(xiàn)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24現(xiàn)分析風輪不動時受到風吹的情況：當風以速度矢量ν吹向葉片時，在翼型的上表面，風速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產生垂直于翼弦的力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(xiàn)能量的轉換。

25風力機的輸出功率當風吹向風力機的葉片時，風力機的主要作用是將風能轉化為機械能，風力機的機械輸出功率可用式子表示為：26

對應于最大的風力機利用系CPm有一個葉尖速比λm，因風速經常變化，為實現(xiàn)風能的最大捕獲，風力機應變速運行，以維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時，CP與葉尖速比λ的關系如下圖所示。

圖3-13風力機的利用系數(shù)與葉尖速比的關系273.2.4風力發(fā)電機

在由機械能轉換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心。獨立運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網運行的風力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關磁阻發(fā)電機等。281、獨立運行風力發(fā)電機組中的發(fā)電機

獨立運行的風力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風力發(fā)電系統(tǒng)結構如下圖所示。

圖3-14獨立運行的交流風力發(fā)電機系統(tǒng)結構29（1）直流發(fā)電機直流發(fā)電機從磁場產生（勵磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機和電磁式直流發(fā)電機，典型結構如圖示。直流發(fā)電機可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機結構30（2）永磁式交流同步發(fā)電機永磁式交流同步發(fā)電機的轉子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應用于小型及微型風力發(fā)電機中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機結構示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉子4—轉子軸5—氣隙6—定子繞組31（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機

如下圖，硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖。硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調節(jié)器，通過自動調節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質量。圖3-18硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖32（4）電容自勵式異步發(fā)電機

電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機定子繞組的輸出端接上電容，以產生超前于電壓的容性電流建立磁場，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵式異步發(fā)電機電路原理33并網運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機（1）異步發(fā)電機風力異步發(fā)電機并入電網運行時，只要發(fā)電機轉速接近同步轉速就可以并網，對機組的調速要求不高，不需要同步設備和整步操作。異步發(fā)電機的輸出功率與轉速近似成線性關系，可通過轉差率來調整負載。（2）同步發(fā)電機當發(fā)電機的轉速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質量高；同步發(fā)電機運行時可通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，可使功率因數(shù)為1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

3435（3）雙饋異步發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機是當今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，其結構是由一臺帶集電環(huán)的繞線轉子異步發(fā)電機和變頻器組成，變頻器有交－交變頻器、交－直－交變頻器及正弦波脈寬調制雙向變頻器三種，系統(tǒng)結構如下圖所示。圖3-25雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構3637雙饋異步發(fā)電機工作原理：異步發(fā)電機中定、轉子電流產生的旋轉磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉子的轉速和定、轉子電流的頻率關系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1為同步轉速；p——發(fā)電機的極對數(shù)；n——轉子的轉速（r/min）；f2——轉子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉差頻率。38根據雙饋異步發(fā)電機轉子轉速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)：1）亞同步運行狀態(tài)。此時n<n1，轉差率s>0，頻率為f2的轉子電流產生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速同方向，功率流向如圖所示。392）超同步運行狀態(tài)。此時n>n1，轉差率s<0，轉子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉子電流產生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉子中的電流為直流，與同步發(fā)電機相同。

40雙饋異步發(fā)電機的轉子通過雙向變頻器與電網連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風能捕獲；可對有功功率和無功功率進行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風能量，減小轉矩脈動和輸出功率的波動，因此電能質量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機。41（4）無刷雙饋異步發(fā)電機

無刷雙饋異步發(fā)電機(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調制型兩種類型。圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機

圖3-28磁場調制型無刷雙饋異步發(fā)電機

42（5）開關磁阻發(fā)電機開關磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（簡稱SRG），定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉子的極數(shù)多，轉子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨立的集中繞組，徑向獨立的兩個繞組串聯(lián)起來構成一相。

圖3-29三相（6/4極）開關磁阻發(fā)電機結構

43開關磁阻發(fā)電機用作為風力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風力機、開關磁阻發(fā)電機及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構成如圖所示。

開關磁阻發(fā)電機的結構簡單，控制靈活，效率高而且轉矩密度大，在風力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅動、變速運行，有一定的開發(fā)、研究價值。圖3-30開關磁阻風力發(fā)電機系統(tǒng)的構成443.3風力發(fā)電機組的控制策略與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性復雜控制系統(tǒng)。尤其是對于并網運行的風力發(fā)電機組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網、風況和機組運行數(shù)據，對機組進行并網與脫網控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，還需要根據風速和風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電質量，而這正是風力發(fā)電機組控制中的關鍵技術，現(xiàn)代風力發(fā)電機組一般都采用微機控制，如下圖所示。452－A/D轉換模塊3－風向標4－風速計5－頻率計6－電壓表7－電流表8－控制機構9－執(zhí)行機構10－液壓調速油缸11－調向電機12－其他傳感器

圖3-32風力發(fā)電機組的微機自控原理框圖463.3.1風力發(fā)電的特點及控制要求風力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標主要有四個：保證系統(tǒng)的可靠運行、能量利用率最大、電能質量高、機組壽命延長。風力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個：①在運行的風速范圍內，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；②低風速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風能；③高風速時，限制風能的捕獲，保持風力發(fā)電機組的輸出功率為額定值；④減小陣風引起的轉矩波動峰值，減小風輪的機械應力和輸出功率的波動，避免共振；47⑤減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應；⑥控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅；⑦調節(jié)機組的功率，確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。為實現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風力發(fā)電機組的控制技術經歷了三個主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。483.3.2并網型風力發(fā)電機的功率調節(jié)控制風力機的功率調節(jié)方式有定槳距失速調節(jié)、變槳距調節(jié)和主動失速調節(jié)三種。1、定槳距失速調節(jié)定槳距失速調節(jié)一般用于恒速控制，其風力機的結構特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。在風速超過額定風速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機組的輸出功率在額定值附近。

49定槳距失速控制的優(yōu)點是失速調節(jié)簡單可靠，由風速變化引起的輸出功率的控制只通過槳葉的被動失速調節(jié)實現(xiàn)，沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機構，使控制系統(tǒng)大為簡化，整機結構簡單、部件小、造價低。其缺點是葉片重量大、成形工藝復雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。2、變槳距風力發(fā)電機組的調節(jié)與控制變槳距風力機的整個葉片可以繞葉片中心軸旋轉，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調節(jié)是指通過變槳距機構改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風輪葉片的槳距角隨風速的變化而變化，一般用于變速運行的風力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。50（1）根據其作用可分為三個控制過程：起動時的轉速控制，額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。

a.起動時的轉速控制

變距風輪的槳葉在靜止時，槳距角β為90o，當風速達起動風速時，槳葉向0o方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風力機獲得最大的起動轉矩，實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動

b.額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的控制

為了改善低風速時的槳葉性能，近幾年來，在并網運行的異步發(fā)電機上，利用新技術，根據風速的大小調整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。51

c.額定轉速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當風速過高時，通過調整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角β向迎風面積減小的方向轉動一個角度，β增大，功角α減小，如圖所示。從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風力機在額定點的附近具有較高的風能利用因數(shù)。52a）變槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

b）定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

由圖可見，在額定風速以下，兩者相似，但在額定風速以上，變槳距風力發(fā)電機的輸出功率維持恒定，而定槳距風力發(fā)電機組的輸出功率由于風力機的失速當風速增大時而減小。533、變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動時實現(xiàn)轉速控制，由速度控制器起作用，起動結束后，在額定風速以下，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)不進行控制。當風速達到或超過額定風速時，切換到功率控制，功率控制器根據給定與反饋的功率信號比較后進行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖54新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個速度控制器及增加了轉子電流的控制。其中一個速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動時和同步轉速附近的轉速控制。另一個速度控制器的作用是在并網后，和功率控制器一起通過轉子電流的控制實現(xiàn)電機轉差即轉速的控制。帶轉子電流控制器的繞線轉子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構如圖所示。圖3-39帶轉子電流控制器的繞線轉子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構55轉子電流控制器安裝在繞線轉子異步發(fā)電機的轉子軸上，通過集電環(huán)與轉子電路相連，轉子電路中外接三相電阻，通過一組電力電子器件來調整轉子回路電阻，從而調節(jié)發(fā)電機的轉差率，實現(xiàn)調速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。圖中的開關S代表機組啟動并網前的控制方式，為轉速閉環(huán)控制；開關R代表機組并網后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCC為異步發(fā)電機的轉子電流控制器。

56圖3-40轉差可調異步發(fā)電機控制原理框圖

57變速恒頻風力發(fā)電機組的調節(jié)與控制

1、原理變速恒頻是指發(fā)電機的轉速隨風速變化，通過適當?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。

2、特點

1.可大范圍的調節(jié)轉速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地吸收風能，系統(tǒng)效率高；2.能吸收和存貯陣風能量，減少陣風沖擊對風力發(fā)電機產生的疲勞損壞、機械應力和轉矩脈動，延長機組壽命，減少噪聲；3.可以控制有功功率和無功功率，電能質量高。583、調節(jié)控制過程(1)起動時通過調節(jié)槳距控制發(fā)電機的轉速，使發(fā)電機轉速在同步轉速附近，尋找最佳時機并網；(2)并網后，在額定風速以下，通過調節(jié)發(fā)電機的電磁制動轉矩使發(fā)電機轉子的轉速跟隨風速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；(3)在額定風速以上，采用發(fā)電機轉子變速和槳葉節(jié)距雙重調節(jié)，利用風輪轉速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風力機獲取能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使風力發(fā)電機保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機輸出功率的更加平穩(wěn)。594、變速恒頻風力發(fā)電機的基本結構和主要類型

(1)籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機組中難以實現(xiàn)；需加電容補償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。

60(2)同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機簡單，可通過轉子勵磁電流的控制來實現(xiàn)轉矩、有功功率和無功功率的控制。61(3)雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網，系統(tǒng)具有很強的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉子電流的相位和幅值來調節(jié)有功功率和無功功率。缺點是發(fā)電機仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

62(4)無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器的容量較小；除實現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活控制，以補償電網的功率因數(shù)；發(fā)電機上無電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大。但發(fā)電機結構和控制器較復雜圖3-46無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)635、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：①低于額定風速時，跟蹤最大風能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風速時，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。64(1)轉速控制策略一般通過控制發(fā)電機的電磁轉矩實現(xiàn)轉速的控制，圖為最佳轉矩－轉速曲線。65為實現(xiàn)對最佳轉矩—轉速曲線的跟蹤，一般有間接速度控制和直接速度控制兩種方法，分別如下圖所示。圖3-48a)間接速度控制策略

66圖3-48b)直接速度控制策略

67(2)功率控制策略一般采用兩種方法：①控制發(fā)電機的電磁轉矩來改變發(fā)電機的轉速，從而改變風輪的葉尖速比，維持功率不變；②改變槳葉節(jié)距角來改變空氣動力轉矩；或將兩種方法結合起來，以改善性能。

68圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

69圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

706、雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制實現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機的方案最具優(yōu)勢。雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機根據風力機轉速的變化調節(jié)轉子勵磁電流的頻率，實現(xiàn)恒頻輸出；再通過矢量變換控制實現(xiàn)發(fā)電機的有功和無功功率的獨立調節(jié)，進而控制發(fā)電機組的轉速實現(xiàn)最佳風能的捕獲。采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構圖如圖所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機的簡稱。

71圖3-51采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構

72圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路737、風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專家的經驗和知識表示為語言規(guī)劃用于控制器的設計，不需要被控對象精確的數(shù)學模型，能克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)具有較強的魯棒性，非常適用于風力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對于變速恒頻控制的風力發(fā)電系統(tǒng)，可針對機組的不同狀態(tài)設計相應的模糊控制器，以達到最大風能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

74圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量75(2)模型參考自適應控制針對風力發(fā)電系統(tǒng)的復雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點，采用模型參考自適應控制，通過參考模型的建立和自適應機構進行控制器參數(shù)的適時修正來降低不確定性對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的轉速和功率的控制。模型參考自適應控制系統(tǒng)的結構如圖所示，

76圖3-58模型參考自適應控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉速，ω為發(fā)電機的實際轉速，ωw為風力機的轉速，υ為風速，ω*為參考轉速，e為參考轉速與發(fā)電機實際轉速之間的偏差

77除了上述的二種智能控制方法外，還有神經網絡控制、滑模變結構控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。78(3)神經網絡控制

人工神經網絡具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其學習和自收斂性可設計自適應控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力，因此在風力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應的應用研究。神經網絡控制還可以與模糊控制相結合，設計成模糊神經網絡控制器來控制風力發(fā)電機組。除了上述的三種智能控制方法外，還有滑模變結構控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。

793.4風力發(fā)電機組的并網技術和功率補償

由于風能是一個不穩(wěn)定的能源，風力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行。10kW以下的小型風力發(fā)電機組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行。

為解決風力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前一般采用的方法是：1000kW以上的大型風力發(fā)電機組并網運行；幾十kW～幾百kW的風力發(fā)電機組可以并網運行，或者與其他發(fā)電裝置互補運行（如風光互補、風力－柴油發(fā)電聯(lián)合運行）；80大中型風力發(fā)電機組主要是并網運行，由于發(fā)電機并網過程是一個瞬變過程，它受制于并網前的發(fā)電狀況，影響并網后發(fā)電機的運行和電網電能質量，在并網運行方式中主要解決的問題是并網控制和功率調節(jié)問題。對并網運行的不同風力發(fā)電機組其控制方法和控制重點不同。813.4.1風力同步發(fā)電機組的并網運行和功率補償

同步發(fā)電機的轉速和頻率之間有著嚴格不變的固定關系，

同步發(fā)電機在運行過程中，可通過勵磁電流的調節(jié)，實現(xiàn)無功功率的補償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機也是應用最普遍的。821、風力同步發(fā)電機組的并網條件和并網方法

風力同步發(fā)電機組與電網并聯(lián)運行的電路如圖3－59所示，圖中同步發(fā)電機的定子繞組通過斷路器與電網相連，轉子勵磁繞組由勵磁調節(jié)器控制。1）并網條件圖3－59同步發(fā)電機與電網并聯(lián)的電路83風力同步發(fā)電機組并聯(lián)到電網時，為防止過大的電流沖擊和轉矩沖擊，風力發(fā)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。具體有五個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；在并網時，因風力發(fā)電機旋轉方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網各相互相對應，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機設計、制造和安裝保證；因此并網時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿足的條件。

⑤相位相同。842）并網方法滿足上述理想并聯(lián)條件的并網方式稱為準同步并網方式，在這種并網方式下，并網瞬間不會產生沖擊電流，電網電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊。(1)自動準同步并網85

風力同步發(fā)電機組的起動與并網過程如下：偏航系統(tǒng)根據風向傳感器測量的風向信號驅動風力機對準風向。當風速達到風力機的起動風速時，槳距控制器調節(jié)葉片槳距角使風力機起動。當發(fā)電機在風力機的帶動下轉速接近同步轉速時，勵磁調節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網電壓相近。在風力發(fā)電機的轉速幾乎達到同步轉速、發(fā)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。風力同步發(fā)電機并網后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網一致。以上的檢測與控制過程一般通過微機實現(xiàn)。86(2)自同步并網

同步發(fā)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(fā)電機轉子拖到同步轉速附近（差值小于5%）時，將發(fā)電機并入電網，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定、轉子之間的電磁力作用下，發(fā)電機自動牽入同步。由于發(fā)電機并網時，轉子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中沒有感應電勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調節(jié)和校準，控制簡單，并且從根本上排除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(xiàn)象。872、功率調節(jié)與補償

1）有功功率的調節(jié)

風力同步發(fā)電機中，風力機輸入的機械能首先克服機械阻力，通過電機內部的電磁作用轉化為電磁功率，電磁功率扣除電機繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計銅損耗和鐵損耗，可認為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉子勵磁磁場軸線與定、轉子合成磁場軸線之間的夾角功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關系，如圖3－60所示同步發(fā)電機內部的電磁作用可以看成是轉子勵磁磁場和定子電流產生的同步旋轉磁場之間的相互作用。88圖3－60同步發(fā)電機的功角特性a）凸極機b）隱極機89這時可以增大勵磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調節(jié)。失步功率，又稱為極限功率：對于隱極機而言，功率角為90°（凸極機功率角小于90°）時，輸出功率的最大功率。風力機輸入的機械功率↑→Pem↑→勵磁不作調節(jié)，δ

↑達到最大功率后，如果風力機輸入的機械功率繼續(xù)↑→δ＞

90°，Pem↓→轉速持續(xù)上升而失去同步。如一臺運行在額定功率附近的風力發(fā)電機，突然的一陣劇風可能導致發(fā)電機的功率超過極限功率而使發(fā)電機失步，90并網運行的風力同步發(fā)電機當功率角變?yōu)樨撝禃r，電機將運行在電動機狀態(tài)，此時風力發(fā)電機相當于一臺大風扇，電機從電網吸收電能。為避免發(fā)電機電動運行，當風速降到一臨界值以下時，應及時地將發(fā)電機與電網脫開。

912）無功功率的補償（2）同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用，發(fā)電機的輸出電壓也會下降。無功功率的補償：為了維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定和補償電網的無功功率，需增大同步發(fā)電機的轉子勵磁電流。發(fā)電機的輸出電壓下降的原因：（1）電網所帶的負載大部分為感性的異步電動機和變壓器，這些負載需要從電網吸收有功功率和無功功率，整個電網要是提供的無功功率不夠，電網的電壓會下降。92同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機的定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線也稱為V型曲線，如圖3－61所示。圖3－61同步發(fā)電機V型曲線93

cosφ=1時，If=IfN（額定電流），I最小；I＞IfN（過勵）時，功率因數(shù)為滯后的，發(fā)電機向電網輸出滯后的無功功率，改善電網的功率因數(shù)；I＜IfN（欠勵）時，功率因數(shù)為超前的，發(fā)電機從電網吸引滯后的無功功率，使電網的功率因數(shù)更低，這時的發(fā)電機還存在一個不穩(wěn)定區(qū)（對應功率角大于90°）因此，同步發(fā)電機一般工作在過勵狀態(tài)下，以補償電網的無功功率和確保機組穩(wěn)定運行。從圖中可以看出：943、帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網

同步發(fā)電機可通過調節(jié)轉子勵磁電流，方便地實現(xiàn)有功和無功功率的調節(jié)，這是其他發(fā)電機難以與其相比的優(yōu)點。但恒速恒頻的風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉速，并網之前發(fā)電機必須經過嚴格的整步和（準）同步，并網后也必須保持轉速恒定，因此對控制器的要求高，控制器結構復雜。95圖3－62變速恒頻風力同步發(fā)電機組經變頻器與電網的連接圖在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機的定子繞組通過變頻器與電網相連接，如圖3－62所示。圖中交流發(fā)電機為同步發(fā)電機，變頻器為交－直－交變頻器。96當風速變化時，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機和發(fā)電機的轉速隨之變化，發(fā)電機發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網并聯(lián)。由于同步發(fā)電機與電網之間通過變頻器相連接，發(fā)電機的頻率和電網的頻率彼此獨立，并網時一般不會發(fā)生因頻率差而產生的較大的電流沖擊和轉矩沖擊，并網過程比較平穩(wěn)。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。帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網973.4.2風力異步發(fā)電機組的并網與功率補償

異步發(fā)電機具有結構簡單、價格低廉、可靠性高、并網容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點，在風力發(fā)電系統(tǒng)中應用廣泛。但其主要缺點是需吸收20%～30%額定功率的無功電流以建立磁場，為提高功率因數(shù)必須另加功率補償裝置。981、風力異步發(fā)電機組的并網

風力異步發(fā)電機組的直接并網的條件有兩條：一是發(fā)電機轉子的轉向與旋轉磁場的方向一致，即發(fā)電機的相序與電網的相序相同；二是發(fā)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，否則并網后，發(fā)電機將處于電磁制動狀態(tài)，在接線時應調整好相序。第二條的要求不是很嚴格，但并網時發(fā)電機的轉速與同步轉速之間的誤差越小，并網時產生的沖擊電流越小，衰減的時間越短。風力異步發(fā)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

99當風力機在風的驅動下起動后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機的轉子帶到同步轉速附近（一般為98%～100%）時，測速裝置給出自動并網信號，通過自動空氣開關完成合閘并網過程。風力異步發(fā)電機組直接并網的電路如圖3－63所示圖3－63風力異步發(fā)電機與電網的直接并聯(lián)100

2）降壓并網降壓并網是在發(fā)電機與電網之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以降低并網時的沖擊電流和電網電壓下降的幅度，發(fā)電機穩(wěn)定運行時，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，適用于百千瓦級以上，容量較大的機組。1013）晶閘管軟并網晶閘管軟并網是在異步發(fā)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來控制并網時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網暫態(tài)過程，如圖3－64所示。圖3－64風力異步發(fā)電機經晶閘管軟并網102其并網過程如下：當風力機將發(fā)電機帶到同步轉速附近時，在檢查發(fā)電機的相序和電網的相序相同后，發(fā)電機輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機經一組雙向晶閘管與電網相連，在微機的控制下，雙向晶閘管的觸發(fā)角由180o到0o逐漸打開，雙向晶閘管的導通角則由0o到180o逐漸增大，通過電流反饋對雙向晶閘管的導通角實現(xiàn)閉環(huán)控制，將并網時的沖擊電流限制在允許的范圍內，從而異步發(fā)電機通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網。并網的瞬態(tài)過程結束后，當發(fā)電機的轉速與同步轉速相同時，控制器發(fā)出信號，利用一組自動開關將雙向晶閘管短接，異步發(fā)電機的輸出電流將不經過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關流入電網。但在發(fā)電機并入電網后，應立即在發(fā)電機端并入功率因數(shù)補償裝置，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上。103要求器件本身的特性要一致、穩(wěn)定；觸發(fā)電路工作可靠，控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流一致；開通后晶閘管壓降相同。晶閘管軟并網對晶閘管器件和相應的觸發(fā)電路的要求：只有這樣才能保證每相晶閘管按控制要求逐漸開通，發(fā)電機的三相電流才能保證平衡。104其中移相觸發(fā)的缺點是發(fā)電機中每相電流為正負半波的非正弦波，含有較多的奇次諧波分量，對電網造成諧波污染，因此必須加以限制和消除；過零觸發(fā)是在設定的周期內，逐步改變晶閘管導通的周波數(shù)，最后實現(xiàn)全部導通，因此不會產生諧波污染，但電流波動較大。

晶閘管軟并網的方式：觸發(fā)電路有移相觸發(fā)和過零觸發(fā)兩種方式1052、并網運行時的功率輸出及無功功率的補償

1）并網運行時的功率輸出異步發(fā)電機的轉矩－轉速曲線如圖3－65所示，圖3－65異步發(fā)電機的轉矩－轉速關系曲線發(fā)電機穩(wěn)定運行區(qū)域Te↑→n↑A1→A2繼續(xù)穩(wěn)定運行失速區(qū)Te↓→n↑106發(fā)電機輸出的電流大小及功率因數(shù)決定于轉差率s和電機的參數(shù)，對于已制成的發(fā)電機其參數(shù)不變，而轉差率大小由發(fā)電機的負載決定。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率和機械轉矩增大時，發(fā)電機的輸出功率及轉矩也隨之增大。但當發(fā)電機輸出功率超過其最大轉矩對應的功率時，發(fā)電機轉速迅速上升而出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，十分危險。必須配備可靠的失速槳葉或限速保護裝置。并網運行的特點及注意事項107

因此對于小容量的電網，一方面選用過載能力大的發(fā)電機，另一方面配備可靠的過壓和欠壓保護裝置。

并網運行的風力異步發(fā)電機當電網電壓變化時對其有一定的影響。（發(fā)電機的電磁制動轉矩與電壓的平方成正比）當電網電壓下降過大時，發(fā)電機也會出現(xiàn)飛車；而當電網電壓過高時，發(fā)電機的勵磁電流將增大，功率因數(shù)下降，嚴重時將導致發(fā)電機過載運行。108

風力異步發(fā)電機必須從電網中吸收滯后的無功功率來進立磁場和滿足漏磁的需要。因一般大中型異步發(fā)電機的勵磁電流約為其額定電流的20%～30%，如此大的無功電流的吸收，將加重電網無功功率的負擔，使電網的功率因數(shù)下降，同時引起電網電壓下降和線路損耗增大，影響電網的穩(wěn)定性。2）并網運行時無功功率的補償☆進行無功功率的補償?shù)脑颍?/p>

有同步調相機、有源靜止無功補償器、并聯(lián)補償電容器等。其中以并聯(lián)電容器應用的最多。☆調節(jié)無功的裝置：

為了實現(xiàn)無功功率的及時和準確的補償，必須計算出任何時期的有功功率、無功功率，并計算出需要投入的電容值來控制電容器的投入數(shù)量，而這些大量和快速的計算及適時的控制，目前可通過DSP和計算機來實現(xiàn)。1093.4.3風力雙饋異步發(fā)電機組的并網與功率補償

雙饋異步發(fā)電機目前主要應用于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)電機與電網之間的連接是“柔性連接”，經過矢量變換后雙饋異步發(fā)電機轉子電流中的有功分量和無功分量實現(xiàn)了解耦，通過對發(fā)電機轉子交流勵磁電流的調節(jié)與控制來滿足并網條件，可以成功地實現(xiàn)并網；同時通過對轉子電流中的有功和無功分量的控制，可以很方便地實現(xiàn)功率控制及無功功率的補償。

110②通過轉子電流的控制可以保證風力發(fā)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(tǒng)效率；雙饋異步發(fā)電機的并網過程及特點：①風力機起動后帶動發(fā)電機至接近同步轉速時，由轉子回路中的變頻器通過對轉子電流的控制實現(xiàn)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；③雙饋異步發(fā)電機可通過勵磁電流的頻率、幅值和相位的調節(jié)，實現(xiàn)變速運行下的恒頻及功率調節(jié)。1113.5風力發(fā)電的經濟技術性評價

風力發(fā)電的經濟性評價主要由其經濟性指標來衡量。3.5.1風力發(fā)電的經濟性指標風力發(fā)電的經濟性指標單位千瓦造價單位千瓦時投資成本財務內部收益率財務凈現(xiàn)值投資回收期投資源利潤率1121單位千瓦造價

單位千瓦造價表示風力發(fā)電系統(tǒng)每千瓦的投資成本，其計算公式為（3－32）

總裝機容量是指風電場全部風力發(fā)電機組的總容量。113風電項目的總投資由風力發(fā)電機組、土建工程、電氣工程、安裝工程、財務成本及其他（含征地、設計勘測）等組成，其各部分所占的比例大致如圖3－66所示。

圖3－66風電項目投資中各部分所占的比例

1142單位千瓦時投資成本

其中：年固定費用包括設備的年折舊費、攤銷貸款利息、人工費、管理費、稅金等。運行維護費用包括計劃內的保證風力發(fā)電機正常運行所進行的正常維修費用。

單位千瓦時投資成本表示在風力發(fā)電設備的使用期限（一般20～30年）內，每生產單位千瓦時的電量所需要的投資費用，其計算公式為（3－33）大修費用指的是風力發(fā)電設備在使用期內大修的年平均費用。一般風力發(fā)電機組每隔5年、10年、15年大修一次，主要維修機械部件。

1153財務內部收益率(FIRR)和財務凈現(xiàn)值(FNPV)

式中

CI——現(xiàn)金流入量；CO——現(xiàn)金流出量（CI－CO）t——第t年的凈現(xiàn)金流量；n——計算期，t=1、2…n。

財務內部收益率(FIRR)是指風電項目在整個計算期內各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計等于零時的折現(xiàn)率。它反映項目所占資金的盈利率，是考察項目盈利能力的動態(tài)評價指標。其計算公式為（3－34）

只有在風電項目的財務內部收益率大于電力行業(yè)基準的財務內部收益率時，其項目的盈利能力才能滿足最低要求，在財務上才可以被接受。

116

財務凈現(xiàn)值可以通過現(xiàn)金流量表計算得到，只有財務凈現(xiàn)值大于或等于零的項目才可以被接受。

財務凈現(xiàn)值（FNPV）是指行業(yè)的基準收益率或設定的折現(xiàn)率，將項目計算期內各年凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到建設期初的現(xiàn)值之和。是考察項目在計算期內盈利能力的動態(tài)評價指標。其計算公式為（3－35）其中，Ic——項目所屬行業(yè)的基準收益率。117

投資回收期可根據財務現(xiàn)金流量表（全部投資）中累計凈現(xiàn)金流量計算出，所計算的結果應小于行業(yè)的基準投資回收期。4投資回收期（Pt）

投資回收期或投資還本年限Pt是以項目的凈收益抵償全部投資（包括固定資產投資和流動資金投資）所需要的時間。它是考察項目在財務上的投資回收能力的主要靜態(tài)指標。投資回收期（以年表示）一般從建設開始年算起，其計算公式為（3－36）1185投資利潤率