緒論在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種。風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和控制技術(shù)等領(lǐng)域。

風(fēng)力發(fā)電是在大量利用風(fēng)力提水的基礎(chǔ)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(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國。20世紀(jì)70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機(jī)，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(fēng)力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)最具開發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀(jì)中發(fā)展最快的一種可再生能源。機(jī)械工業(yè)出版社1目前一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社2目前二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社3目前三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社4目前四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社5目前五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。圖3-1地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械工業(yè)出版社6目前六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、風(fēng)的表示法（1）風(fēng)向的表示法

風(fēng)吹來的地平方向定為風(fēng)的方向。風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。觀測風(fēng)向的儀器，目前使用最多的是風(fēng)向標(biāo)。圖3-2風(fēng)向方位圖機(jī)械工業(yè)出版社7目前七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）風(fēng)速的表示法

由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。國際上的單位為m/s或km/h。

機(jī)械工業(yè)出版社8目前八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（3）風(fēng)速與風(fēng)級(jí)

風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來估計(jì)風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個(gè)等級(jí)。

風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)(m/s)；N——風(fēng)的級(jí)數(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社9目前九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2、風(fēng)的特性（1）風(fēng)的隨機(jī)性

風(fēng)的產(chǎn)生是隨機(jī)的，但可以根據(jù)風(fēng)隨時(shí)間的變化總結(jié)出一定的規(guī)律。如地面上夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強(qiáng)；高空中夜里風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱，這個(gè)逆轉(zhuǎn)的零界高度為100~150m。我國大部分地區(qū)風(fēng)隨季節(jié)變化的情況是：春季最強(qiáng)、冬季次之、夏季最弱。（2）風(fēng)隨高度的變化而變化

機(jī)械工業(yè)出版社10目前十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)不同高度風(fēng)速的表達(dá)式：

式中ν——距地面高度為h處的風(fēng)速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風(fēng)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。

為了從自然界獲取最大的風(fēng)能，應(yīng)盡量利用高空中的風(fēng)能，一般至少比周圍的障礙物高10m左右。機(jī)械工業(yè)出版社11目前十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度

空氣在1s內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。表達(dá)式為：

（2）風(fēng)能

空氣在1s內(nèi)以速度ν流過面積為S截面的動(dòng)能。

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：蘊(yùn)量巨大、可再生、分布廣泛、沒有污染缺點(diǎn)：密度低（只有水力的1/816）、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大機(jī)械工業(yè)出版社12目前十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.1.3風(fēng)能的利用

風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，一般利用風(fēng)推風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)以形成動(dòng)能。機(jī)械工業(yè)出版社13目前十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有3種，如下表所示。機(jī)械工業(yè)出版社14目前十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)從風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率

按運(yùn)行方式

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行

機(jī)械工業(yè)出版社15目前十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其效率低、需起動(dòng)設(shè)備等技術(shù)原因應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。機(jī)械工業(yè)出版社16目前十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見右圖。

圖3-6水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)機(jī)械工業(yè)出版社17目前十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示。

（2）并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-7并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖機(jī)械工業(yè)出版社18目前十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成。（3）大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-8大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械工業(yè)出版社19目前十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.2.2風(fēng)力機(jī)

風(fēng)力機(jī)又稱為風(fēng)輪，主要有水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。1、水平軸風(fēng)力機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸與地面呈水平狀態(tài)a.荷蘭式b.農(nóng)莊式c.自行車式d.槳葉式

圖3-9水平軸風(fēng)力機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社20目前二十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社21目前二十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)水平軸風(fēng)力機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要有：

風(fēng)輪直徑：功率越大，直徑越大

葉片數(shù)量：高速風(fēng)力機(jī)2~4片，低速風(fēng)力機(jī)大于4片

風(fēng)能利用系數(shù)：0.15~0.5

起動(dòng)風(fēng)速：3~5m/s

停機(jī)風(fēng)速：15~35m/s

輸出功率：幾十W至幾MW

機(jī)械工業(yè)出版社22目前二十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2、垂直軸風(fēng)力機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面a.薩窩紐斯式b.達(dá)里厄式c.旋翼式圖3-10垂直軸風(fēng)力機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社23目前二十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

風(fēng)向改變時(shí)無需對(duì)風(fēng)，其設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行都比水平軸風(fēng)力機(jī)簡單方便。之前普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力差，葉尖速比低，風(fēng)能利用效率低，所以發(fā)展比較滯后。機(jī)械工業(yè)出版社24目前二十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.2.3風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非“推”動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。機(jī)械工業(yè)出版社25目前二十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

如果將一塊薄板翼形放在氣流中且與氣流方向平行，由于翼片上表面彎曲，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強(qiáng)比下方小，上下表面間的壓差產(chǎn)生垂直于氣流方向的升力。1、翼形和受力機(jī)械工業(yè)出版社26目前二十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

當(dāng)翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時(shí)，隨攻角增加升力會(huì)增大，阻力也會(huì)增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會(huì)發(fā)生分離，產(chǎn)生渦流，升力會(huì)迅速下降，阻力會(huì)急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。

機(jī)械工業(yè)出版社27目前二十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3、風(fēng)力機(jī)的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力機(jī)的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率可用式子表示為：

對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系CPm有一個(gè)葉尖速比λm，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，風(fēng)力機(jī)應(yīng)變速運(yùn)行，以維持葉尖速比λm不變。機(jī)械工業(yè)出版社28目前二十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)4、風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)與控制風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種。（1）風(fēng)力機(jī)的定槳距調(diào)節(jié)與控制

定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。

機(jī)械工業(yè)出版社29目前二十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

在流體力學(xué)中，失速是指翼型氣動(dòng)攻角增加到一定程度（達(dá)到臨界值）時(shí)，翼型所產(chǎn)生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型氣動(dòng)迎角超過該臨界值之前，翼型的升力是隨迎角增加而遞增的；但是迎角超過該臨界值后，翼型的升力將遞減。

機(jī)械工業(yè)出版社30目前三十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

基本原理：當(dāng)槳距角固定不變時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，增加到高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻角增大，氣流與翼型分離，上下翼面壓力差減小，致使阻力增加，升力減小，造成失速條件，其效率降低，從而達(dá)到限制功率的目的。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、部件小、造價(jià)低。

缺點(diǎn)：機(jī)組的整體效率較低。

解決措施：采用設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率、不同極對(duì)數(shù)的雙速異步發(fā)電機(jī)。機(jī)械工業(yè)出版社31目前三十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）風(fēng)力機(jī)的變槳距調(diào)節(jié)與控制

變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風(fēng)輪葉片的槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，一般用于變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過程：起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。機(jī)械工業(yè)出版社32目前三十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)①起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制

變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角β為90o，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之前，給定變槳距系統(tǒng)一個(gè)轉(zhuǎn)速參考值，根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)比較來調(diào)整槳距角，進(jìn)行速度閉環(huán)控制。

機(jī)械工業(yè)出版社33目前三十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)②額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定功率以下的低功率狀態(tài)，稱為欠功率狀態(tài)。早期的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)此狀態(tài)不作控制，控制器將葉片槳距角置于附近，不作變化，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。

為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。機(jī)械工業(yè)出版社34目前三十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)③額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳距角β向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，β增大，功角α減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。

機(jī)械工業(yè)出版社35目前三十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

由圖可見，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率由于風(fēng)力機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)而減小。機(jī)械工業(yè)出版社36目前三十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。機(jī)械工業(yè)出版社37目前三十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)1、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)

獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-14獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)械工業(yè)出版社38目前三十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（1）直流發(fā)電機(jī)直流電機(jī)典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)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(jī)的無刷化，永磁直流發(fā)電機(jī)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(jī)。

圖3-15直流發(fā)電機(jī)工作原理機(jī)械工業(yè)出版社39目前三十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，因此無勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉(zhuǎn)子4—轉(zhuǎn)子軸5—?dú)庀?—定子繞組機(jī)械工業(yè)出版社40目前四十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)

硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖機(jī)械工業(yè)出版社41目前四十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)

電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)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(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理機(jī)械工業(yè)出版社42目前四十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)

（1）異步發(fā)電機(jī)

定子：三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)子：繞組為籠型或繞線型。采用定子繞組上并接電容器來提供無功電流建立磁場，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運(yùn)行。通常，處于并網(wǎng)運(yùn)行的較大容量異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在（1~1.05）ns

之間。機(jī)械工業(yè)出版社43目前四十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作。異步發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整輸出。機(jī)械工業(yè)出版社44目前四十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）同步發(fā)電機(jī)a.普通同步發(fā)電機(jī)

定子：定子鐵心和三相繞組。轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子軸等組成；有隱極式和凸極式兩種。凸極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，一般用于低速發(fā)電場合。隱極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，可用于高速發(fā)電。機(jī)械工業(yè)出版社45目前四十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵(lì)磁電流來建立磁場。

工作原理：同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場切割定子上的三相繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為f1的三相對(duì)稱的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流輸出，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

機(jī)械工業(yè)出版社46目前四十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速的不定性使得發(fā)電機(jī)獲得不斷變化的機(jī)械能，給風(fēng)力機(jī)造成沖擊和高負(fù)載，對(duì)風(fēng)力機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)不利。為了維持發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率始終相同，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須恒定，這就要求風(fēng)力機(jī)有精確的調(diào)速機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)速變化時(shí)維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，即等于同步轉(zhuǎn)速。b.新型同步發(fā)電機(jī)

低速同步發(fā)電機(jī)高壓同步發(fā)電機(jī)

機(jī)械工業(yè)出版社47目前四十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社48目前四十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)

雙饋異步發(fā)電機(jī)是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)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(diào)制雙向變頻器三種。圖3-25雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)械工業(yè)出版社49目前四十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社50目前五十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：異步發(fā)電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1為同步轉(zhuǎn)速；p——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；f2——轉(zhuǎn)子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉(zhuǎn)差頻率。機(jī)械工業(yè)出版社51目前五十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以有三種運(yùn)行狀態(tài)：1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。機(jī)械工業(yè)出版社52目前五十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。

機(jī)械工業(yè)出版社53目前五十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運(yùn)行，也可以超同步運(yùn)行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，因此電能質(zhì)量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機(jī)。

機(jī)械工業(yè)出版社54目前五十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

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

圖3-27級(jí)聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

圖3-28磁場調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

機(jī)械工業(yè)出版社55目前五十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)

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

圖3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)械工業(yè)出版社56目前五十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)磁阻電機(jī)是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用齒極間的吸引力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通，磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開始逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到20度為止，此時(shí)磁路最短。然后切斷A相電源接通B相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到50度為止。機(jī)械工業(yè)出版社57目前五十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)：在磁阻未達(dá)到最小之前關(guān)斷開關(guān)S1、S2，這時(shí)A相繞組電流不可能瞬時(shí)減小到零，其輸出電能通過續(xù)流二極管VD1、VD2回饋給直流電源。機(jī)械工業(yè)出版社58目前五十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅(qū)動(dòng)、變速運(yùn)行，有一定的開發(fā)、研究價(jià)值。圖3-30開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)械工業(yè)出版社59目前五十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒速恒頻控制策略在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速(也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到恒頻的電能。目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)多屬于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺(tái)不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)速低時(shí)用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速高時(shí)則用大容量發(fā)電機(jī)發(fā)電。但這也只能使異步發(fā)電機(jī)在兩個(gè)風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。

機(jī)械工業(yè)出版社60目前六十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻控制策略在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻風(fēng)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(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。機(jī)械工業(yè)出版社61目前六十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)控制過程：

(1)起動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)槳距角控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)；(2)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；(3)在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。機(jī)械工業(yè)出版社62目前六十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)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(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

機(jī)械工業(yè)出版社63目前六十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)4、風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制

主要功能：一是使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能捕獲；二是當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。

一般在風(fēng)輪的前部或者機(jī)艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制器開始計(jì)時(shí)，這種方向偏差達(dá)到一定時(shí)間后，控制器控制偏航電機(jī)或者偏航液壓馬達(dá)將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方向。偏航角度大小的檢測通過安裝在機(jī)艙內(nèi)的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)緊急停車時(shí)，需要通過偏航調(diào)節(jié)使機(jī)艙經(jīng)過最短的路徑與風(fēng)向成90度夾角。機(jī)械工業(yè)出版社64目前六十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

由于風(fēng)能是一個(gè)不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲(chǔ)能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行。

10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行。

為解決風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行；

幾十kW～幾百kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以并網(wǎng)運(yùn)行，或者與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行（如風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)力－柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行）；機(jī)械工業(yè)出版社65目前六十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是并網(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程是一個(gè)瞬變過程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和電網(wǎng)電能質(zhì)量，在并網(wǎng)運(yùn)行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問題。對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其控制方法和控制重點(diǎn)不同。機(jī)械工業(yè)出版社66目前六十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.5.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，可通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)也是應(yīng)用最普遍的。機(jī)械工業(yè)出版社67目前六十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)1、同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路如圖3-50所示，圖中同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。（1）并網(wǎng)條件圖3-50同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的電路機(jī)械工業(yè)出版社68目前六十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的各相端電壓的瞬時(shí)值要與電網(wǎng)端對(duì)應(yīng)相電壓的瞬時(shí)值完全一致。五個(gè)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(wǎng)時(shí)，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機(jī)的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時(shí)，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。機(jī)械工業(yè)出版社69目前六十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）并網(wǎng)方法

滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式。在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會(huì)下降，也不會(huì)對(duì)定子繞組和其他機(jī)械部件造成沖擊。1）自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)與并網(wǎng)過程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向傳感器測量的風(fēng)向信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)。機(jī)械工業(yè)出版社70目前七十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

當(dāng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁電流，通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎達(dá)到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的端電壓與電網(wǎng)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(shí)，控制斷路器合閘并網(wǎng)。風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)一致。以上的檢測與控制過程一般通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械工業(yè)出版社71目前七十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2）自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先通過限流電阻短接，電機(jī)中無勵(lì)磁磁場。用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時(shí)，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機(jī)自動(dòng)牽入同步。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中無勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)定子繞組中沒有感應(yīng)電勢，不需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，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(wǎng)方法的缺點(diǎn)是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降現(xiàn)象。機(jī)械工業(yè)出版社72目前七十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)2、同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)與補(bǔ)償

（1）有功功率的調(diào)節(jié)

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能首先克服機(jī)械阻力，通過電機(jī)內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機(jī)繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計(jì)銅損耗和鐵損耗，可認(rèn)為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場軸線與定、轉(zhuǎn)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(guān)系。同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場之間的相互作用。機(jī)械工業(yè)出版社73目前七十三頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)圖3-51同步發(fā)電機(jī)的功角特性a）凸極機(jī)b）隱極機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社74目前七十四頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

這時(shí)可以增大勵(lì)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(diào)節(jié)。失步功率（極限功率）：對(duì)于隱極機(jī)而言，功率角為90°（凸極機(jī)功率角小于90°）時(shí)，輸出功率的最大功率。風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率↑→Pem↑→勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)，δ↑達(dá)到最大功率后，如果風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率繼續(xù)↑→δ＞90°，Pem↓→轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。機(jī)械工業(yè)出版社75目前七十五頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）無功功率的補(bǔ)償2）同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)，由于定子電流建立的磁場對(duì)電機(jī)中的勵(lì)磁磁場有去磁作用，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也下降。為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定和補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降的原因：1）電網(wǎng)所帶的負(fù)載大部分為感性的異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，這些負(fù)載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個(gè)電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會(huì)下降。機(jī)械工業(yè)出版社76目前七十六頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的無功功率補(bǔ)償可用其定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機(jī)的定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線也稱為V型曲線。圖3-52同步發(fā)電機(jī)V型曲線機(jī)械工業(yè)出版社77目前七十七頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3、帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

恒速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機(jī)輸出頻率完全取決于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機(jī)必須經(jīng)過嚴(yán)格的整步和（準(zhǔn)）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對(duì)控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接。機(jī)械工業(yè)出版社78目前七十八頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉(zhuǎn)化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)。由于同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間通過變頻器相連接，發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨(dú)立，并網(wǎng)時(shí)一般不會(huì)發(fā)生因頻率差而產(chǎn)生的較大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，并網(wǎng)過程比較平穩(wěn)。缺點(diǎn)是電力電子裝置價(jià)格較高、控制較復(fù)雜，同時(shí)非正弦逆變器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻諧波電流流入電網(wǎng)，將影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)機(jī)械工業(yè)出版社79目前七十九頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)3.5.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但其主要缺點(diǎn)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(bǔ)償裝置。機(jī)械工業(yè)出版社80目前八十頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)1、異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，即發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡可能接近于同步轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時(shí)間越短。

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要有三種：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)。（1）直接并網(wǎng)

機(jī)械工業(yè)出版社81目前八十一頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)

當(dāng)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速附近（一般為98%～100%）時(shí)，測速裝置給出自動(dòng)并網(wǎng)信號(hào)，通過自動(dòng)空氣開關(guān)完成合閘并網(wǎng)過程。并網(wǎng)簡單，但并網(wǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，引起電網(wǎng)電壓下降。因此，只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百kW級(jí)以下且電網(wǎng)容量較大的場合。圖3-55風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的直接并聯(lián)機(jī)械工業(yè)出版社82目前八十二頁\總數(shù)九十一頁\編于二十一點(diǎn)（2）降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性較差，適用于百KW級(jí)以上，容量較大的機(jī)組。機(jī)械工業(yè)出版社83目前八十三頁\總數(shù)九十