《风力发电原理》第5章 风力发电技术

图5.12 变速风力发电机组的功率曲线
• 5.2.2 变转速发电机
• 可以有以下三种方法：
• (1)采用两台定子绕组极对数不同的异步电机，一台为低同 步转速的，一台为高同步转速的；
• (2)在一台的双速电机；
• (3)在一台电机的定子上仅安置一套绕组，靠改变绕组的这 接方式获得不同的极对数、即所谓的单绕组双速电机。
图557可变转差率发电机结构示意图图558转子电流控制器原理图图559变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时的节距角转速与功率曲线557采用转子电流控制器的功率调节由于自然界风速处于不断的变化中较短时间34s内的风速上升或下降总是不断的发生因此变桨距机构也在不断的动作在转子电流控制器的作用下其桨距实际变化情况如图559所示
5.1功率调节
• 功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动 失速调节三种方式。定桨距失速控制最简单，利用高风速 时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率在高风速 时保持近似恒定。变桨距调节通过转动桨叶片安装角以减 小攻角，高风速时减小升力系数，以限制功率。叶片主动 失速调节简单可靠，利用桨距调节，在中低风速区可优化 功率输出。
图5-60小型独立风力发电系统图
• 2.整流器 • 1）可控型整流器 • 2）不可控型整流器 • 3.变换器 • 4.逆变器 • 5.蓄电池
• 5.6.2直接并网
• 1. 异步发电机的并网
• 1）并网条件
• 风力异步发电机组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地接近于同步转速。 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。
• 5.5.3. 同步发电机的变频控制 • 带变频系统的同步发电机结构如图5-52所示。所使用的是
凸极转子和笼型阻尼绕组同步发电机。变频器由一个三相 二极管整流器，一个平波电抗器和一个三相晶闸管逆变器 组成。
图5-52 带变频器的同步电机
• 5.5.4.功率控制系统
• 功率控制系统如图5-53所示，它由两个控制环组成。外环 通过测量转速产生功率参考曲线。发电机的功率参考曲线 如图5-54所示，参考功率以额定功率的百分比的形式给出， 在点画线限制的范围内，功率给定曲线是可变的。
a)海拔对定桨距风力机的影响
b)温度对定桨距风力机的影响
图5-19空气密度变化对功率输出的影响
图 5-20定桨距风力发电机组的功率曲线与功率系数图
图5-24变桨距风力发电机组的控制框图
• 5.4.2变速及恒频发电系统
• 1.变速恒频发电系统
• 风力发电机变速恒频控制方案一般有四种：鼠笼式异步发 电机变速恒频风力发电系统；交流励磁双馈发电机变速恒 频风力发电系统；无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 和永磁发电机变速恒频风力发电系统。
• 5.1.1风力发电技术的发展
• 随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展， 世界风力发电技术的发展趋向有以下几个。
• 1)单机容量不断增大 • 2)变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式 。采
用变桨距调节方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速 时发电功率下降的缺点。
• 3)变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统。 • 4)免齿轮箱系统的直驱方式发电系统。
5.3变转速及恒频
• 并网运行的风力发电机组，要求发电机的输出频率必须与 电网频率一致。保持发电机输出频率恒定的方法有两种： a．恒转速/恒频系统，采取失速调节或者混合调节的风力 发电机，以恒转速运行时，主要采用异步感应发电机；b. 变转速/恒频系统，用电力电子变频器将发电机发出的频 率变化的电能转化成频率恒定的电能。
图 5-59 变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时的节 距角、转速与功率曲线
• 5.5.7转子电流控制器在实际应用中的效果
• 由于自然界风速处于不断的变化中，较短时间3～4s内的 风速上升或下降总是不断的发生，因此变桨距机构也在不 断的动作，在转子电流控制器的作用下，其桨距实际变化 情况如图 5-59 所示。
图5-27 双馈发电机系统原理方框图
图5-28 变浆距变速恒频风力发电机组的基本结构
图5-29 风力发电机的功率曲线
• 图5-30 风力发电机性能曲线 图5-31 浆距角不变时风力发电机性能曲线
图5-32 不同风速下的转矩—速度特性
图5-35 最佳功率和风轮转速
• 5.4.2恒速恒频发电机
• 2.小型直流发电系统
• 直流发电系统大都用于10kW以下的微、小型风力发电装 置，与蓄电池储能配合使用。虽然直流发电机可直接产生 直流电，直流电机结构复杂，价格贵，而且带有整流子和 电刷，需要的维护多，不适于风力发电机的运行环境。
5.5控制技术
• 5.5.1 双速异步发电机的运行控制 • 如图5-43所示双馈异步发电机 绕线转子感应发电机和在转
5.2变转速运行
• 5.2.1概述 • 变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现 。在额
定风速以下时，主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速 变化，以 获得最 佳叶尖速比因此可作为跟踪问题来处理。 在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来 限制风力机获取能量 ，使风力发电机组保持在额定值下发 电，并使系统失速负荷最小化。
5.6供电方式
• 5.6.1离网供电 • 1.独立风力发电系统组成 • 普通的独立式小型风力发电系统由风力发电机、变桨距控
制系统、整流电路、逆变电路、蓄电池充放电控制电路、 蓄电池及其用电设备组成(见图5-60)，其中整流电路和逆 变电路也可以合称为电能变换单元电路，它实现了将风能 转换为电能和变换为能够使用的电能的整个过程。利用风 力带动发电机发电，将发出的电能存储在蓄电池中，在需 要使用的时候再把存储的电能释放出来。
子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。发电机 向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出 的功 率和通过逆变器从转子输出 的功率。
图5-43双馈异步发电机
• 5.5.2．风力机驱动滑差可调的绕线式异步发电机的运行控 制
• 现代风电场中应用最多的并网运行的风力发电机是异步发 电机。异步发电机在输出额定功率时的滑差率数值是恒定 的，约在2％～5％之间。
• (3)主动失速调节 采用叶片主动失速以保证功率调节简单 可靠。
图5.3 风力机叶片叶型的升力和阻力特性
• 2)恒速与变速运行 • （1）双速运行 将发电机分别设计成4极和6极。 • （2）变速运行方式 有两种变速方式。
• 5.1.3滑差可调的异步发电机的功率调节 • 5.1.4双速发电机的功率调节
图5-13 大型并网风力发电机组典型配置
• 5.3.1异步发电机的变速恒频技术 • 变速恒频是指发电机的转速随风速变化，发出的电流通过
适当的变换，使输出频率与电网频率相同。
图5-14 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统
• 5.3.2 同步发电机的变速恒频技术
• 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。
第五章 风力发电技术
• 【本章教学目标】
• 熟悉大气环流、季风环流，掌握我国季风环流的形成，熟 悉海陆风、山谷风的形成，了解风级；掌握测风系统组成、 风速和风向测量方法；理解风能的特点，熟悉中国风能资 源分布特点，掌握风能丰富区分布；理解风特性，掌握平 均风速和风向、湍流度；了解风速随时间变化规律，掌握 风速随高度变化规律；掌握风能公式。
图5-15 同步发电机的变速恒频发电机系统
• 5.3.3双馈异步发电机的变速恒频技术 • 双馈异步发电机应用在变速恒频风力发电系统中，发电机
与电网之间的连接是“柔性连接”。
图5-16 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统
• 5.3.4风力机变转速技术
• 风力发电机组的输出功率主要受3个因素的影响可利用的 风能、发电机的功率曲线和发电机对变化风速的响应能力。
图5-69 并网同步发电机的转矩-转速特性 图5-71 同步发电机V形曲线
• 3．功率调节和补偿 • 1) 有功功率的调节 • 2) 无功功率的补偿
• 5.6.3间接并网 • 1．准同期并网方式 • 2.降压并网方式 • 3.捕捉式准同步快速并网技术 • 4.软并网（SOFT CUT-IN）技术 • 5．风力发电机组并网与脱网
5.4发电系统
• 5.4.1恒频恒速发电系统 • 恒速恒频发电系统是指在风力发电过程中保持发电机的转
速不变，从而得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频 系统一般比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和 鼠笼式感应发电机。同步发电机转速由电机极对数和频率 所决定的同步转速，鼠笼式感应发电机以稍高于同步转速 的转速运行。
• 恒速恒频发电机系统比较简单，所采用的发电机主要有两 种，即同步发电机和鼠笼型感应发电机。前者运行于由电 机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速 的转速运行。
• 5.4.3小型直流发电系统
• 1.离网型风力发电机系统
• 通常离网型风力发电机组容量较小，发电容量从几百瓦至 几十千瓦的均属小型风力发电机组。
图5-53 功率控制系统
图5-54功率给定曲线
• 5.5.5.转子电流控制器原理
• 图5-53所示的功率控制环实际上是一个发电机转子电流控 制环，如图 5-55所示，转子电流控制器由快速数字式PI控 制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流，通过改 变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。
图5-55 转子电流控制系统
• 2．同步发电机的并网
• 1）并网条件
• 风力同步发电机组与电网并联运行的电路如图5-68所示， 图中同步发电机的定子绕组通过断路器与电网相连，转子 励磁绕组由励磁调节器控制。
图5-68 风力同步发电机组与电网并联运行的电路
• 2）并网方式 • (1) 自动准同步并网 • (2) 自同步并网 • (3) 转矩-转速特性
• 5.1.2功率调节方式
• 1)功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主 动失速调节3种方式。
• (1)定桨距失速控制 最简单的控制方法是利用高风速时升 力系数的降低和阻力系强的增加，限制功率输出的增加， 在高风速印保持近似恒定。
• (2)变桨距调节 高风速时，通过转动整个或部分叶片安装 角以减小攻角，而减小升力系数，达到限制功率的目的。
图5-66 风力异步发电机直接并网
• 2） 并网运行时的功率输出 • 异步发电机的转矩--转速特性曲线如图5-67所示，并网后，
发电机运行在曲线上的直线段，即发电机的稳定运行区域。
图5-67 并网异步发电机的转矩-转速特性曲线
• 3） 并网运行时无功功率补偿
• 风力异步发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从 电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场和满足漏磁的需要。 一般大中型异步发电机的励磁电流约为其额定电流的20 ％～30％，如此大的无功电流的吸收，将加重电网无功功 率的负担，使电网的功率因数下降，同时引起电网电压下 降和线路损耗增大，影响电网的稳定性。因此，并网运行 的风力异步发电机必须进行无功功率的补偿，以提高功率 因数及设备利用率，改善电网电能的质量和输电效率。
• 5.5.6.转子电流控制器的结构
• 转子电流控制器技术必须使用在绕线转子异步发电机上， 用于控制发电机的转子电流，使异步发电机成为可变转差 率发电机。采用转子电流控制器的异步发电机结构如图557所示。
图 5-57 可变转差率发电机结构示意图
图 5-58 转子电流控制器原理图
• 5.5.7 采用转子电流控制器的功率调节