风力发电机组的运行特性

第四章风力发电机组的运行特性

4.1风力发电系统的一般构成及分类 (1)

4.2风力机的功率调节原理 (3)

4.2.1风力机的输出功率 (3)

4.2.2风力机功率调节原理 (5)

4.2.3风力机相关技术参数 (5)

4.3三相交流异步电机的基本电磁理论 (7)

4.3.1三相交流异步电机的结构 (7)

4.3.2三相交流异步电机的基本工作原理 (8)

4.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型 (10)

4.3.4 dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型 (13)

4.4 电压源型变流器工作原理及运行特性 (17)

4.4.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 (17)

4.4.2 三相电压源型变流器联网运行特性 (19)

4.4.3 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 (20)

4.5定速型风电机组的运行特性 (23)

4.5.1鼠笼式感应风电机组的运行原理 (23)

4.5.2 鼠笼式感应风电机组的风速-功率特性 (26)

4.5.3鼠式笼感应风电机组的运行控制 (27)

4.6变速型风电机组的运行特性 (31)

4.6.1双馈感应式发电机组的转速调节原理 (31)

4.6.2双馈感应式风电机组的运行控制原理 (33)

4.6.3双馈感应式风电机组的功率传输特性 (34)

4.6.4双馈感应式异步风电机组的撬杠保护 (36)

4.6.5双馈感应式异步风电机组的运行操作 (38)

4.7直驱式永磁同步风电机组的运行特性 (40)

4.7.1永磁同步发电机的数学模型 (40)

4.7.2永磁同步发电机的外特性 (41)

4.7.3直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 (42)

4.7.4直驱式永磁同步风电机组的运行操作 (44)

参考文献 (46)

第4章风力发电机组的运行特性

风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统组成，其中风力机完成风能到机械能的转换，发电机及其控制系统完成机械能到电能的转换[1]。本章将首先介绍风力发电系统的构成及各主要设备的运行原理，在此基础上，介绍恒速恒频式、变速恒频式和永磁直驱式等三种典型风电机组运行特性。

4.1风力发电系统的一般构成及分类

风力机和发电机是风力发电系统的基本部件，随着电力电子技术的飞速发展，现代大容量风力发电机组还引入了电力电子变换器，以实现发电机电磁功率与风力机机械功率的柔性匹配，进而改善风电机组的整体运行性能[2]。

图4-1风力发电系统的一般构成为风力发电系统的一般构成[3]，主要包括风力机、齿轮箱（可选）、发电机、电能变换装置（可选）等。

风能

叶轮齿轮箱(可选)发电机电能变换

(可选)输电网

机械能电能

能量转换与能量控制能量传输能量转换

能量转换

与能量控制

能量传输

用户/负荷图4-1 风力发电系统的一般构成

根据图4-1风力发电系统的一般构成中各部件类型及组合的不同，目前主要有以下三类风力发电系统：

1)恒速恒频式（Constant Speed Constant Frequency, CSCF）风力发电

系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组产生的交流电能的频率恒

定，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；通常该类风力发电

系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。

2)变速恒频式（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）风力发电

系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子发出的交流电能的频

率恒定，而发电机组的运行转速变化；通常该类风力发电系统中的发电

机组为双馈感应式异步发电机组。

3)变速变频式（Variable Speed Variable Frequency, VSVF）风力发电

系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子侧产生的交流电能的

频率和发电机组转速都是变化的，因此，此类风力发电系统需要串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。

图4-2～图4-4是几种典型风力发电系统的结构示意图。

风力机

鼠笼式感应发电机

背靠背四象限变流器

风力机背靠背四象限变流器

图4-4 变速变频直驱式风力发电系统结构示意图

4.2风力机的功率调节原理

风力机是风力发电系统中的原动机，其功能是将风的动能转换为机械能，驱动后续装置——发电机旋转发电。

风力机主要包括风轮、塔架和对风装置。风轮是由轮毂及安装于轮毂上的叶片组成，是风力机捕获风能的部件；塔架是为了风轮能在地面上较高的风速中运行；对风装置是实现风向跟踪装置，使风轮总能处于最大迎风方向。

现代大容量风力机为水平轴风力机，其优点是扫风面积大、风能利用系数C p 高（C p 能大于0.5）等。

按风功率调节方式分类，风力机又可分为定桨距风力机和变桨距风力机两种。定桨距风力机其风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，难以对风功率的捕获进行精确的控制，其优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。变桨距风力机通过叶片桨距角调节实现风能捕获控制，在低风速条件下具有较高的风能捕获效率，高于额定风速时拥有平稳的风功率输出。因此得到了广泛的应用。但其控制系统较为复杂，对风速的跟踪有一定的延时，可能导致风力机的瞬间超载[4]。

4.2.1风力机的输出功率

风力机从风中吸收的功率可用下式表示：

3m p p 1w 0.5C A w P P V ρ=C ＝ （4-1） 式中：P m 为风轮输出功率（W ），C p 为风能利用系数——表征风力机捕获风能能力

的参数，A 1=R 2为风力机叶片扫略面积（m 2），为空气密度（kg/m 3），V w 为风速

（m/s ），R 为风力机叶片半径（m ）。 由式（4-1）可知，风力机从风中吸收的功率与空气密度

、风速V w 、叶片半径R 和风能利用系数C p 等都有关。在任一时刻，由于无法对空气密度、风速、

叶片半径等施加控制，因此，为了获得最大风能捕获，唯一的控制参数便是风能利用系数C p 。

众所周知，如果接近风轮的空气的全部动能都被转动的风轮叶片所吸收，则风轮后的空气就不动了，然而空气不可能不动，所以风力机的风能捕获效率总是小于1；根据Betz 理论，风力机的风能利用系数的理论最大值是0.59[5]，其实际值通常在0.47左右。

风力机的风能利用系数C

p

与风力机叶片参数（如攻角、桨距角、叶片翼型）和风力机转速等有关。

在实际应用中，往往用C

p

-叶尖速比的关系曲线来表示该风轮的空气动力特性，其中风轮的叶尖速比定义为风轮叶尖的线速度与风速之比，即：=R/V（4-2）

式中：为风轮旋转角速度；R为风轮半径；V为风速。

图4-5 现代大功率风力机的C p-特性曲线示意图

由图4-5可知，当叶尖速比取某一特定值时C

p 值最大，与C

p

最大值对应

的叶尖速比称之为最佳叶尖速比。因此，为了使C

p

维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随之变化，使之运行于最佳叶尖速。

图4-6 风力机的功率调节特性曲线

（Popt是各风速下风力机最大输出功率点曲线——最佳功率曲线）

图4-6是不同风速下（风速V

1、V

2

、V

3

和V

4

且V

1

>V

2

>V

3

>V

4

）风力机的输出功

率特性。由图可知，对于某给定风速，风力机有一最佳转速，在此转速下风力机捕获的风能最大，该转速即为最佳叶尖速。不同风速下的风力机最大输出功率点连线即为风力机最佳功率曲线。

4.2.2风力机功率调节原理

由前面分析可知，风力机输出功率与风速的三次方成正比，当风速超过额定风速时，风力机输出功率将超过额定值，进而导致发电机组、齿轮传动机构等过载运行，威胁着风力发电系统的安全运行。因此，当风速超过额定风速时，往往需要对风力机的输出功率进行调节，以保证发电机、齿轮箱等设备运行于允许范围内。

由前面的分析可知，调节风力机输出功率的有效途径是调节风能利用系数

C p ，而C

p

与风力机转速、风力机叶片空气动力特性密切相关，因此，通过调节风

力机转速或风力机叶片空气动力特性即可实现风力机输出功率的调节。

1.定桨距风力机功率调节

定桨距风力机是根据风力机叶片失速特性来调节风力机的输出功率。当风速超过额定风速时，风力机叶片翼型发生变化，使风力机风轮捕获风能的能力下降，保证风力机输出功率不随风速上升而增加，而使输出功率不超过额定功率。

2.变桨距风力机功率调节

变桨距风力机是通过调节风力机桨距角来改变叶片的风能捕获能力，进而调节风力机的输出功率。风力机启动时，调节风力机的桨距角，限制风力机的风能捕获以维持风力机转速恒定，为发电机组的软并网创造条件。

当风速低于额定风速时，保持风力机桨距角恒定，通过发电机调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。

当风速高于额定风速时，调节风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

4.2.3风力机相关技术参数

为了能够准确地描述风力机的运行性能，通常定义如下技术参数：

1.风速

某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。

2.有效风速

风速随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行。有效风速是指使风力发电机风轮安全转动的风速，有时也称可利用风速。

3.有效风速范围

把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称作有效风速范围。设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围。一般设计时常取3~20m/s（也有取6~20m/s）的风速范围为有效风速范围。

4.有效风速可利用的时间

把一年内有效风速所占的时间称作有效风速可利用时间。如东南沿海的泗礁岛年3~20m/s风速占7000h以上，有效风速时间即7000h以上。

5.起始风速（切入风速）与停机风速（切出风速）

在低风速下，风力发电机组的风轮虽然可以转动，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能。当风速上升到切入风速时，风力发电机组才开始发电。随着风速的不断升高，发电机组输出功率不断增加，当风速上升到切出风速，风力发电机组输出功率超过额定功率时，在控制系统的作用下机组停止发电。

因此，切入风速为使风力发电机组开始发电的最小风速；切出风速为风力发电机组输出功率超过额定功率时的最小风速。

对于不同厂商生产的风电机组，其切入、切出风速不完全相同，切入风速与切出风速之间的风速段称为“工作风速”。

6.额定风速与额定输出功率

风力发电机组产生额定输出功率时的最低风速，称为额定风速，它是由设计者为机组确定的一个参数。在额定风速下，风力发电机组产生出的功率，称为额定输出功率。

7.最大输出功率与安全风速

最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发电机组可以发出的最高功率值。最大输出功率高，说明风力发电机组的发电机容量具有较大的安全系数。

安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速。安全风速高，说明该机组强度高，安全性好，一般不要求机组在安全风速下工作。

8.风能利用系数

值高，表示风力机的空气动力性能好，风力机叶片吸收和转换风能的能力C

p

强，其理论最大极限值为0.593。

4.3三相交流异步电机的基本电磁理论

三相交流异步发电机是一种通过定、转子绕组间的电磁耦合来实现机械能——电能的能量转换装置。从电磁观点看，三相交流异步发电机可看作由一些相互耦合的线圈构成，这些线圈包括定子绕组、转子绕组等。研究三相交流异步电机的电磁关系是了解三相交流发电机运行问题的理论基础，对解决三相交流发电机运行问题具有重要的意义。为此，本节主要研究恒速恒频、变速恒频风电机组中的异步发电机组的基本电磁理论。

4.3.1三相交流异步电机的结构

三相交流异步电机主要由定子和转子两大部分组成，定、转子之间是空气隙。定子是一个圆筒形的铁心，在靠近铁心内表面的槽里嵌放了导体，把这些导体按一定的规律连接起来，叫定子绕组，也叫电枢绕组，三相定子绕组在空间对称分布。高电压大、中型容量的异步电机定子绕组通常采用Y联结，只有三根引出线。对于中、小容量低电压异步电机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形（Y联结）或形（D联结）。

圆筒形铁心的中间是可以旋转的转子。在转子铁心槽中，嵌放着转子绕组。转子绕组有鼠笼式绕组和绕线式绕组两类。如果是鼠笼式异步电机，则转子绕组是短接绕组，即是一种自行闭合的短路绕组。它是由插入转子铁心每个槽中的导条以及转子铁心两端的端环构成。在转子的每个槽里放上一根导条，每根导条都比转子铁心长，转子导条两端分别接在自行短路的端环上，即在转子铁心两端用两个端环把所有的导体都短接起来，形成一个自己短接的绕组。如果去掉铁心，单看转子导条的外型，就象一个松鼠笼，故称为鼠笼式绕组。

如果是绕线式异步电机，转子绕组嵌放在转子铁心槽中，和定子绕组相似，三相绕组在空间对称分布，它可以是Y或D联结，一般，小容量电机用D联结，中、大容量电机都采用Y联结。转子绕组的三条引线分别接到转轴的三个滑环上，通过电刷装置引出来，从而可以把外接电阻或交流变频励磁调速电源串联到转子绕组回路里去，实现调速目的[6-8]。

图4-7为绕线型异步电机结构纵向剖面示意图。图中：sA和sA’、sB和sB’、sC和sC’分别表示A、B、C三相定子绕组；ra和ra’、rb和rb’、rc和rc

’分别表示a 、b 、c 三相转子绕组。 sC sB ＇sA sB

sA ＇

sC ＇ra ＇rb ＇

rc ＇ra rb rc

定子

转子

空气隙

图4-7 绕线型异步电机结构纵向剖面示意图

4.3.2三相交流异步电机的基本工作原理

下面以鼠笼式异步电机为例，分析三相交流电机的基本工作原理。

把鼠笼式异步电机的定子接到三相电源时，定子中会有三相电流，定子电流产生一系列的气隙旋转磁通密度。其中起主要作用的是以同步速、顺着绕组相序旋转的基波气隙旋转磁通密度。同步速的大小取决于电网频率和绕组极对数，即n 1=60f /p 。

N S n 1

nn 1 N

S n 1n

（a ）电动状态 （b ）发电状态 （c ）制动状态

图4-8 鼠笼式异步电机运行状态示意图

图4-8（a ）是一台二极异步电动机的气隙磁通密度和转子转向示意图，n 1箭头表示气隙磁通密度的旋转方向，最里边的那个大圆圈代表转子，其中两个小圆圈代表转子绕组的导体，和⊙分别表示电流流入、流出纸面方向。先考虑转子还没有转动起来的情况。在图中所示的瞬间，气隙旋转磁通密度形象地用N 、S 极表示，例如，这时N 极在上面，S 极在下面。于是，气隙旋转磁通密度切割转子导体而感应电动势，图所示瞬间，假设导体中电流的方向与感应电动势同相，

根据右手定则，转子导体电流方向如图中的

和⊙所示。根据气隙旋转磁通密度的极性和电流方向，利用左手定则可以看出，会产生一个与气隙旋转磁通密度同方向的电磁转矩，作用在转子上，如果这个电磁转矩能够克服加在转子上的负载转矩，转子就能旋转起来，并加速旋转。

如果转子的转速n能加速到等于同步速n1时，转子绕组和气隙旋转磁通密度之间就没有相对运动，当然转子绕组中也就没有感应电动势，电流和电磁转矩都等于零。这就是说，这种情况不可能维持下去。但是，只要n

通常把同步转速n1和电动机转速n二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率，用S表示。转差率S定义如下：当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致时，则转差率S为

S=(n1-n)/n1（4-3）如果两者转向相反，则

S=(n1+n)/n1（4-4）式中：n1、n都理解为转速的绝对值，S是一个没有量纲的数，它的大小能够反映电机转子的转速。

如果用另外一台原动机拖动异步电机，使它的转速高于同步转速n1运行，即n>n1或S<0，如图4-8（b）所示。由于n>n1，使气隙旋转磁通密度切割转子导体的方向反了，导体中电动势、电流的方向以及产生的电磁转矩的方向也反了。这种情况下，电磁转矩对原动机来说，是一个制动转矩。要保持电机转子继续转动，原动机必须给电机输入机械功率，于是，异步电机定子向电网发送功率，即处于发电状态。

如果用其他机械拖动电机转子向着气隙旋转磁通密度转向相反的方向转动，即S>1，如图4-8（c）所示。这时转子中电动势、电流的方向仍然与电动机工作状态时的一样，作用在转子上的电磁转矩方向仍然与气隙旋转磁通密度的方向一致，但是，与转子的实际转向却相反了。可见，这种情况，电磁转矩与拖动机械加在电机转子上的转矩二者方向相反，互相平衡，而电磁转矩为制动性转矩。把这种情况叫做电机处于电磁制动状态运行。电机除了吸收拖动机械的机械功率外，还从电网吸收功率，这两部分功率在电机内部都以损耗的方式最终转化为热能散发出来。

对于双馈感应式异步电机，其绕组结构与绕线型异步电机相同，不同之处是在普通绕线型异步电机的基础上外加了交流变频励磁电源如背靠背四象限变流器。其运行特征是定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子电源为电压的幅值、频率和相位根据运行要求可分别进行调节的变频电源。对转子电源频率的要求很严格，即要求在任何情况下，都应与转子感应电动势同频率。

双馈感应型异步电机转子可以根据运行要求接原动机或机械负载。转子绕组由背靠背四象限变流器供电，负责控制电机的磁场变化。根据转子绕组加入的励磁电源电压的幅值、频率和相位的不同，双馈感应式异步电机可以运行在发电、电动和电磁制动三种不同的状态。

4.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型

为了便于定量分析三相交流异步电机的能量转换过程，本节基于理想电机假设，建立了三相交流异步电机的数学模型，即假设：

1)电机铁心的导磁系数为常数，即忽略铁心磁饱和、磁滞的影响，也不

计涡流及集肤作用等的影响；

2)对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的，即电机磁路在

空间上完全对称；

3)定（转）子三相绕组的位置在空间上互相相差120°电角度，三个绕

组在结构上完全相同；

4)定子绕组和转子绕组均在气隙空间中产生正弦分布的磁动势；

5)只考虑气隙基波磁场的作用，忽略谐波磁动势，谐波磁通及相应的谐

波电动势的影响；

6)定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子及转子的电感，即认为电

机的定子及转子具有光滑的表面；转子上没有阻尼绕组。

在此基础上，对定转子绕组回路电压电流正方向、定转子电流与磁链间正方向等做如下规定：

1)定子绕组回路电压极性及其电流正方向采用发电机惯例（从定子绕组端

电压的正极性端流出为定子电流正方向），并规定负值定子电流产生正

值磁链，且磁链正方向为绕组轴线方向；

2)转子绕组电压极性及其电流正方向采用电动机惯例（从转子绕组端电压

的正极性端流入为转子电流正方向），并且规定正值转子电流产生正值

磁链，磁链方向为转子绕组轴线方向。

根据以上假设，可得到如图4-9所示的三相交流异步电机绕组空间分布剖面示意图，电机转子由原动机驱动、相对于定子逆时针方向以电角速度

r 旋转。 q sC sB ＇sA sB sA ＇sC ＇

sD

ra ＇

rb ＇

rc ＇

ra rb rc β

r α

r θr ··

···r ω·

d 1ω1

θs

θ

图4-9 三相交流电机绕组空间分布纵向剖面示意图

图中：sA 和sA ’、sB 和sB ’、sC 和sC ’分别表示A 、B 、C 三相定子绕组；ra 和ra ’、rb 和rb ’、rc 和rc ’分别表示a 、b 、c 三相转子绕组；、⊙分别表示电流流入、流出纸面方向；定子A 相绕组轴线正方向为空间位置参考方向即sD 轴，转子绕组a 相轴线即r

轴超前sD 轴r 电角度。 1. 电压方程

根据所规定的电压、电流和磁链正方向，定、转子电压方程可表示为： ()()()()()()()()()sA sA s sA sB sB s sB sC sC s sC d t u t R i t dt d t u t R i t dt d t u t R i t dt ψψψ?=-+???=-+???=-+?? （4-5）

式中：R s 、R r 分别为定、转子绕组电阻；u sx 、u rx ，i sx 、i rx ，ψsx 、ψrx (x ＝a,b,c)分别为定、转子绕组电压、电流和磁链。

2. 磁链方程

其中，定、转子绕组磁链与电流之间的关系为：

ss sr s s rs rr r r L L t i t L L t i t ψψ-??????=????????????（）（）（）（） （4-7） 式中：ψs (t)=[ψsA (t) ψsB (t) ψsC (t)]T ；ψr (t)=[ψra (t) ψrb (t) ψrc (t)]T ；

i s (t)=[i sA (t) i sB (t) i sC (t)]T ；i r (t)=[i ra (t) i rb (t) i rc (t)]T ；

L ss 、L rr 、L sr =L rs T 均为3行*3列的电感子矩阵，分别表示定子绕组电感矩

阵、转子绕组电感矩阵和定、转子绕组之间的互感矩阵。

当假定三相定子绕组和三相转子绕组除了各自漏磁通之外，只存在同时和这6个绕组都交链的公共磁通，而不存在只和其中任意2个、3个、4个或5个绕组交链的磁通（公共磁通假设），则有

s

s s s

s s s s s ss L M M L M L M M M L ????=??????，=r r r rr r r r r r r L M M L M L M M M L ??????????

(120)(120)(120)(120)(120)(120)r r r T rs sr sr r r r r r r cos cos cos L L M cos cos cos cos cos cos θθθθθθθθθ??-+??==+-????-+??

式中：r =ωr t +

r0为转子a 相绕组轴线与定子A 相绕组轴线之间的空间位置角，r0为t=0时r 的初值；ωr 为转子旋转电角速度。

L s =L sm +L sl ，L r =L rm +L rl ，M s =-L sm /2，M r =-L rm /2，M sr 2=M s *M r

各电感量的物理含义：

根据公共磁通假设，与电机绕组交链的磁通主要有两类：一类是与所有绕组均交链的穿过气隙的公共磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。 ()()()()()()()()()ra ra r ra rb rb r rb rc rc r rc d t u t R i t dt d t u t R i t dt d t u t R i t dt ψψψ?=+???=+???=+?? （4-6）