新能源及其發(fā)電技術(shù)2第2章風(fēng)力發(fā)電2.1風(fēng)與風(fēng)資源2.2風(fēng)力機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與控制2.5風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望32.1

風(fēng)與風(fēng)資源風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)是空氣流動的結(jié)果太陽輻射地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)地面形態(tài)差異，各處受熱不均勻風(fēng)的特性隨機(jī)性隨高度的增加而變化隨季節(jié)、日夜變化大氣壓差是風(fēng)產(chǎn)生的根本原因！大氣環(huán)流：地球上的風(fēng)帶與三圈環(huán)流季風(fēng)環(huán)流在一個大范圍地區(qū)內(nèi)，盛行風(fēng)向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季節(jié)變化，這種在一年內(nèi)隨著季節(jié)的不同，有規(guī)律轉(zhuǎn)變風(fēng)向的風(fēng)，稱為季風(fēng)。季風(fēng)盛行地區(qū)的氣候又稱季風(fēng)氣候。局地環(huán)流海陸風(fēng)山谷風(fēng)4白天夜間白天夜間5風(fēng)速沿高度的相對增加量因地而異，大致上可表示為(a)典型分布；(b)不同地形風(fēng)速與高度的關(guān)系.1—大城市；2—城市及多樹農(nóng)村；3—平原、沿海一般取H0=10m,n為修正指數(shù)，其值為1/2~1/8。6風(fēng)的測量風(fēng)能單位時間內(nèi)流過垂直于風(fēng)速截面積S（m2）的風(fēng)能，即風(fēng)功率為風(fēng)能密度風(fēng)向風(fēng)頻某風(fēng)向風(fēng)頻=某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)/風(fēng)向的總觀測次數(shù)x100%(kg/m3)7風(fēng)頻風(fēng)頻玫瑰圖風(fēng)速風(fēng)頻分布曲線變化陡峭，最大頻率出現(xiàn)在低風(fēng)速區(qū)變化平緩，最大頻率在較高風(fēng)速區(qū)8風(fēng)速與風(fēng)級共17級，前13級如表颶風(fēng)9風(fēng)能資源分布我國是風(fēng)力資源較豐富的國家之一，陸地潛在可開發(fā)利用風(fēng)能約23億kW中國風(fēng)能密度分布圖(W/m2)10中國每年3-20m/s風(fēng)速累計時數(shù)分布1年=365天=8760小時11中國風(fēng)能資源分布圖12百萬千瓦級風(fēng)能資源區(qū)5、河西走廊3、張北1、吉林4、內(nèi)蒙草原9、蘇滬沿海8、山東半島12、廣東10、浙江2、河北北部6、新疆戈壁7、黑龍江11、福建13千萬千瓦級風(fēng)電基地規(guī)劃甘肅酒泉地區(qū)1100萬千瓦新疆哈密地區(qū)2000萬千瓦內(nèi)蒙古地區(qū)5000萬千瓦河北沿海和北部地區(qū)1000萬千瓦江蘇沿海和近海地區(qū)1000萬千瓦14中國風(fēng)能分區(qū)及占全國面積百分比指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度(W/m2)>200200-150<150-50<50年風(fēng)速

3m/s累計小時數(shù)(h)>50005000-4000<4000-2000<2000年風(fēng)速

6m/s累計小時數(shù)(h)>22002200-1500<1500-350<350占全國面積的百分比（%）8185024風(fēng)能最佳區(qū)：東南沿海、山東半島、遼東半島及海上島嶼，內(nèi)蒙古、甘肅北部，黑龍江南部、吉林東部。此外，近海風(fēng)能資源也非常豐富風(fēng)能較佳區(qū)：西藏高原中北部，東南沿海，三北的南部區(qū)風(fēng)能可利用區(qū)：兩廣沿海（包括福建50~1000km的沿海地帶）、大小興安嶺山區(qū)，中部地區(qū)等風(fēng)能貧乏區(qū)：云貴川、甘南、陜西、湘西、鄂西和福建、兩廣的山區(qū)等；塔里木盆地、雅魯藏布江各地15中國風(fēng)能資源分布特點(diǎn)風(fēng)能最佳區(qū)：根據(jù)中國氣象局2014年公布的最新評估結(jié)果，我國陸地70米高度風(fēng)功率密度達(dá)到150瓦/平方米以上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為72億千瓦，風(fēng)功率密度達(dá)到200瓦/平方米以上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為50億千瓦；80米高度風(fēng)功率密度達(dá)到150瓦/平方米以上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為102億千瓦，達(dá)到200瓦/平方米以上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為75億千瓦。風(fēng)能較佳區(qū)：西藏高原中北部，東南沿海，三北的南部區(qū)風(fēng)能可利用區(qū)：兩廣沿海（包括福建50~1000km的沿海地帶）、大小興安嶺山區(qū)，中部地區(qū)等風(fēng)能貧乏區(qū)：云貴川、甘南、陜西、湘西、鄂西和福建、兩廣的山區(qū)等；塔里木盆地、雅魯藏布江各地162.2

風(fēng)力機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)一、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成1718二、風(fēng)力機(jī)類型－水平軸19

白城”55”型風(fēng)車(1955)簡易風(fēng)力機(jī)(安徽滁縣1959)20單葉片21雙葉片22三葉片23順風(fēng)型優(yōu)點(diǎn)：可以不需要偏航系統(tǒng)；風(fēng)輪轉(zhuǎn)子制造更加靈活，可減輕重量缺點(diǎn)：由于塔影效應(yīng)，風(fēng)功率波動大；疲勞負(fù)荷較上風(fēng)向風(fēng)機(jī)大24二、風(fēng)力機(jī)類型－垂直軸優(yōu)點(diǎn)：無需對風(fēng)不需大型塔架發(fā)電機(jī)裝在地面，維修方便內(nèi)蒙古化德首臺垂直軸風(fēng)力機(jī)25垂直軸26三、風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理阻力型風(fēng)機(jī)：葉片速度<風(fēng)速，效率低。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中很少采用。2728前緣后緣FD:與相對風(fēng)速平行FL:與相對風(fēng)速垂直升力與阻力之比稱為升阻比L/D節(jié)距角29無論采用何種風(fēng)輪，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能！

阻力阻力風(fēng)輪（傳統(tǒng)的風(fēng)車）升力升力風(fēng)輪（現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)）風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率攻角a（度）當(dāng)攻角增加到某一臨界值時，升力突然減小，而阻力急劇增加，此時葉片突然喪失支承力，這種現(xiàn)象稱為失速。30貝茨理論（貝茨極限）理想風(fēng)輪的氣流模型風(fēng)輪的最大理論效率（理論風(fēng)能利用系數(shù)）無論采用何種風(fēng)輪，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能！ΩRR31葉尖速比lCp（風(fēng)能利用系數(shù)）32不同型式風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)垂直軸達(dá)里厄風(fēng)輪葉片面積與風(fēng)輪掃風(fēng)面積之比稱為實(shí)度低實(shí)度(0.10)=高速，低轉(zhuǎn)矩高實(shí)度(>0.80)=低速，高轉(zhuǎn)矩RAa實(shí)度=3a/A實(shí)度34實(shí)度及其對利用系數(shù)的影響單葉雙葉三葉四葉五葉1、實(shí)度小，曲線寬而平坦；2、實(shí)度大，則曲線尖而窄，對葉尖速比敏感；3、最佳實(shí)度為三葉風(fēng)輪，其次為二葉風(fēng)輪（最大Cp雖低，但峰值分布廣，有可能捕獲更大的風(fēng)能）35葉片數(shù)的選擇36四、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)速風(fēng)功率風(fēng)功率：風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率37風(fēng)輪直徑增大一倍，功率增大4倍！3839風(fēng)力機(jī)直徑越做越大的原因P：功率D：風(fēng)輪直徑H：塔高40五、風(fēng)力機(jī)功率控制定槳距失速型風(fēng)力機(jī)(Stallcontrol)主動失速型定槳距風(fēng)力機(jī)(activestallcontrol)變槳距風(fēng)力機(jī)(Pitchcontrol)變速風(fēng)力機(jī)組(Variablespeed)定槳距風(fēng)力機(jī)的氣動特性槳葉與輪轂固定連接，槳葉的迎風(fēng)角度不隨風(fēng)速而變化依靠槳葉的氣動特性自動失速，即當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時依靠葉片的失速特性保持輸入功率基本恒定。葉尖擾流器——風(fēng)輪制動葉尖擾流器結(jié)構(gòu)定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過風(fēng)輪葉片失速來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時的功率輸出，以及通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。41失速正常運(yùn)行氣流緊貼42影響風(fēng)力機(jī)輸出功率的其他因素海拔高度溫度標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度：kg/m3溫度變化10°C，空氣密度就變化±4%。而槳葉的失速性能只與風(fēng)速有關(guān)，因此，海拔高度和溫度會影響風(fēng)機(jī)輸出功率。冬季和夏季應(yīng)對槳葉的安裝角各作一次調(diào)整同樣的風(fēng)機(jī)安裝在不同地點(diǎn)，其槳葉角度不應(yīng)該相同。43定槳距失速型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：葉片固定，無復(fù)雜的變槳機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，部件少，成本低缺點(diǎn)：因失速控制依賴于獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝難度大隨著功率增大，葉片加長，葉片的剛度減弱，失速動態(tài)特性不易控制在MW級風(fēng)機(jī)上很少采用44主動失速型定槳距風(fēng)力機(jī)

開機(jī)時將槳葉節(jié)距推進(jìn)到可獲最大功率位置，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組超過額定功率后，減小節(jié)距角，相應(yīng)的攻角增大，使失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲，將功率調(diào)整在額定值上。主動失速1）V=3m/s，葉片與風(fēng)速垂直，切入風(fēng)速2）V=8m/s3）V=12m/s4）V<=25m/s5)V>25m/s，葉片與風(fēng)速平行，切出停機(jī)45變槳距風(fēng)力機(jī)額定功率以下時，葉片節(jié)距在0°附近不作變化，等同于定槳距。功率根據(jù)葉片氣動特性隨風(fēng)速而變化大于額定功率時，調(diào)整葉片使節(jié)距角b增大，從而減小攻角a,使功率限制在額定功率附近在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)對于定槳距風(fēng)機(jī)，一般在低風(fēng)速區(qū)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，而在額定點(diǎn)附件，利用系數(shù)大幅下降，風(fēng)速上升，功率上升趨緩或隨風(fēng)速上升而下降，使功率保持恒定。對于變槳距風(fēng)機(jī)，無需擔(dān)心額定點(diǎn)后的功率控制問題，故在額定點(diǎn)可具有較高風(fēng)能利用系數(shù)。46不同槳距角時的功率曲線（40m直徑，33rpm,500kW)474849主動失速與變槳距的區(qū)別：槳距調(diào)節(jié)方向不同：主動失速型風(fēng)機(jī)使節(jié)距角減小，增大攻角，使風(fēng)葉失速；變槳型風(fēng)機(jī)使節(jié)距角增大，減小攻角，限制吸收的風(fēng)功率。槳距調(diào)節(jié)頻率不同：變槳型風(fēng)機(jī)節(jié)距角可連續(xù)調(diào)節(jié)；主動失速型風(fēng)機(jī)的節(jié)距角只有很少的幾步，精度不高。50功率特性比較51變速風(fēng)力機(jī)（風(fēng)能利用系數(shù)）（葉尖速比）變速風(fēng)力機(jī)可在很寬的風(fēng)速范圍保持較高的風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT），而定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只能在某一風(fēng)速下獲得較高風(fēng)能利用系數(shù)。522.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同于電網(wǎng)中的普通發(fā)電機(jī)/photos/photo.asp?PhotoID=2748953風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度分TypeA:恒速發(fā)電機(jī)TypeB:有限變速發(fā)電機(jī)TypeC:部分容量功率變換器的變速發(fā)電機(jī)TypeD:全容量功率變換器的變速發(fā)電機(jī)54SpeedControlPowerControlStallPitchActiveStallFixedSpeedTypeATypeA0TypeA1TypeA2VariableSpeedTypeBTypeB0TypeB1TypeB2TypeCTypeC0TypeC1TypeC2TypeDTypeD0TypeD1TypeD2表中陰影部分在當(dāng)今風(fēng)機(jī)中不用。55風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型離網(wǎng)型發(fā)電機(jī)（獨(dú)立運(yùn)行）直流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)——永磁式發(fā)電機(jī)，硅整流自勵交流發(fā)電機(jī)，電容自勵異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)型發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)低速交流發(fā)電機(jī)（直驅(qū)）56籠型異步發(fā)電機(jī)57異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性58

轉(zhuǎn)差率絕對值越大，則系統(tǒng)平衡陣風(fēng)擾動的能力越好。一般在（2-5）%59籠型異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)：（1）發(fā)電機(jī)勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)，并在機(jī)端并聯(lián)電容；（2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負(fù)載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦；（3）風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機(jī)械應(yīng)力，希望發(fā)電機(jī)有較軟的機(jī)械特性曲線，Ｓmax絕對值要大；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機(jī)起動相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝軟起動限流裝置；60異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式直接并網(wǎng)：方法簡單，但沖擊電流較大，只適用于百千瓦級以下容量電機(jī)降壓并網(wǎng)：在電機(jī)與電網(wǎng)之間串入電阻或電抗或自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流通過晶閘管軟并網(wǎng)：將并網(wǎng)時的沖擊電流限制在允許的限度內(nèi)。

步驟：1、檢查相序一致2、啟動風(fēng)力機(jī)，接近同步速（99-100）%3、晶閘管導(dǎo)通角由0到180度逐漸增大，異步機(jī)經(jīng)晶閘管平穩(wěn)并入電網(wǎng)4、當(dāng)轉(zhuǎn)差為零時自動開關(guān)閉合，晶閘管被短接，5、在發(fā)電機(jī)端并入補(bǔ)償電容，將功率因數(shù)提高到0.95以上。61異步發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)62從定速到變速概念變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SiemensWind,SWTserieswindturbineswith1.5MW,2.5MWand3.6MW兼具籠型異步電機(jī)維護(hù)性好（無刷）、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但需采用全功率變換器并網(wǎng)。犧牲了經(jīng)濟(jì)性，換取發(fā)電機(jī)組高的并網(wǎng)性能。63

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)適用于半變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)64Vestas,GEWind,Siemens-GamesaGoldwind,UnitedPower,Envision6566雙饋異步發(fā)電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)（1）亞同步速運(yùn)行：n<n1,n+n2=n1（2）超同步速運(yùn)行：n>n1,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，n-n2=n1.轉(zhuǎn)子繞組必須能自動改變相序。（3）同步運(yùn)行：n=n1,f2=0.67雙饋異步發(fā)電機(jī)的功率傳遞關(guān)系亞同步運(yùn)行超同步運(yùn)行Pm—輸入機(jī)械功率；Pem—電磁功率(1-S)Pem68亞同步運(yùn)行超同步運(yùn)行69基本控制方法(1)轉(zhuǎn)矩控制or70轉(zhuǎn)矩控制環(huán)基本控制方法(1)轉(zhuǎn)矩控制71電壓控制環(huán)基本控制方法(2)電壓控制72雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換(約三分之一），變流器成本相對較低；（3）電能質(zhì)量較好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求；（6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（7）雙向變流器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。73

低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)1.5MW88極定子外徑4.3m外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)7475半直驅(qū)概念是一個折中方案，采用一級增速齒輪箱，將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速增高8~9倍，與多級增速齒輪箱相比，其可靠性和效率均較高。傳動鏈76分?jǐn)?shù)槽繞組外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)扁平型碟式結(jié)構(gòu)77功率變換器及其控制采用雙PWM功率變換器的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)78永磁驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：永磁發(fā)電機(jī)具有最高的運(yùn)行效率；永磁發(fā)電機(jī)的勵磁不可調(diào)，導(dǎo)致其感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好；永磁發(fā)電機(jī)和全容量全控變流器成本高；永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動造成困難。79電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定；定子繞組輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化；可采用不控整流和PWM逆變，成本較低；轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵磁消耗電功率；體積大、重量重，效率稍低。80直接驅(qū)動同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由：?由齒輪箱引起的風(fēng)電機(jī)組故障率高；?齒輪箱的運(yùn)行維護(hù)工作量大，易漏油污染；?系統(tǒng)的噪聲大，效率低，壽命短。直驅(qū)帶來的問題：?發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，體積重量明顯增大；?全功率整流逆變，變流器成本高。81各種類型發(fā)電機(jī)的對比（1）籠型異步發(fā)電機(jī)成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色；（2）雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有最高的性價比，特別適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。將在未來數(shù)年內(nèi)繼續(xù)成為風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品；（3）直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量。82無刷雙饋發(fā)電機(jī)83無刷雙饋電機(jī)（Brushlessdoubly-fedmachine–BDFM）

定子側(cè)具有兩套極對數(shù)不同的獨(dú)立繞組，極對數(shù)為P的定子繞組稱為功率繞組，極對數(shù)為Pe的定子繞組稱為控制繞組，轉(zhuǎn)子采用自行閉合的環(huán)路結(jié)構(gòu)，兩套定子繞組在電路和磁路上完全解耦，取消了滑環(huán)和電刷，因而特別適用于風(fēng)力發(fā)電。研究表明，變速恒頻無刷雙饋電機(jī)發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界風(fēng)力發(fā)電的趨勢。84無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)原理極對數(shù)p極對數(shù)pe85

無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)原理勵磁機(jī)定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢頻率相同取“-”，相反取+主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組磁場轉(zhuǎn)速：主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場相對定子的轉(zhuǎn)速主發(fā)電機(jī)定子電勢頻率可見，當(dāng)nR變化時，只要改變fe1，就可實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)定子繞組輸出電流的頻率為恒值50Hz.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速86無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)的功率傳遞關(guān)系低風(fēng)速時能量傳遞關(guān)系高風(fēng)速時能量傳遞關(guān)系n1>nR，ne1與nR旋轉(zhuǎn)方向相反。P1=Pm+Pe1nR>n1，ne1與nR旋轉(zhuǎn)方向相同。Pm=P1+Pe1控制繞組從電網(wǎng)吸收功率控制繞組向電網(wǎng)輸出功率87無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子獨(dú)立同心式轉(zhuǎn)子回路公共端環(huán)和獨(dú)立同心式轉(zhuǎn)子回路由無刷雙饋電機(jī)的工作原理可知,定子極數(shù)不同的兩個空間磁場是通過轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)耦合,與轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子磁場需要進(jìn)行極數(shù)轉(zhuǎn)換才能與定子磁場匹配。因此,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的功能88無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)89六、變槳系統(tǒng)主要作用風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩；風(fēng)輪停止時，保持“順槳”位置（90o槳距角）；額定風(fēng)速以上，調(diào)節(jié)功率/載荷不超設(shè)計的限定值；并網(wǎng)過程中變槳距控制可實(shí)現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。變槳機(jī)構(gòu)的實(shí)物照片90六、變槳系統(tǒng)變槳系統(tǒng)組成框圖獨(dú)立變槳技術(shù)旨在減小葉片載荷和轉(zhuǎn)矩波動，目前仍在發(fā)展之中91七、風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)用尾舵控制對風(fēng)，用于小型風(fēng)力機(jī)在風(fēng)力機(jī)兩側(cè)裝設(shè)舵輪，多用于中型風(fēng)力機(jī)利用傳動機(jī)構(gòu)；多用于大型風(fēng)力機(jī)92八、風(fēng)輪制動高速軸制動盤93九、葉片的結(jié)構(gòu)形式 (a)用玻璃纖維蒙皮的木制葉片結(jié)構(gòu)；(b)用金屬作蒙皮的管狀梁葉片結(jié)構(gòu)；(c)用玻璃纖維作蒙皮的管狀梁葉片結(jié)構(gòu)；(d)典型的帆翼結(jié)構(gòu)94十、風(fēng)輪防雷系統(tǒng)葉片防雷方法TypeAandB:有限感受器；CandD:防護(hù)整葉片95十一、塔架用料省，成本低，塔影小，但外觀差。大型風(fēng)機(jī)中已少見重量輕，成本低，但難以靠近。適用于小型風(fēng)機(jī)對維護(hù)人員而言安全、舒適，美觀；但用料多，成本高962.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與控制一、控制目標(biāo)二、基本控制內(nèi)容三、定速定槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與控制四、定速變槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與控制五、變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與控制97一、控制目標(biāo)根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化，控制機(jī)組保持高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電質(zhì)量，還要抑制機(jī)組的動態(tài)載荷，保證安全運(yùn)行?；究刂撇呗裕旱惋L(fēng)速區(qū)（區(qū)間I）：最大可能獲取風(fēng)功率；典型風(fēng)力機(jī)組的功率曲線高風(fēng)速區(qū)（區(qū)間III）：通過變槳距來限制風(fēng)力機(jī)獲得能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定功率下發(fā)電；轉(zhuǎn)換區(qū)間（區(qū)間II）：控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度在允許范圍。98二、基本控制內(nèi)容工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)行暫停停機(jī)緊急停機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換機(jī)械剎車松開允許機(jī)組并網(wǎng)機(jī)組自動調(diào)向液壓系統(tǒng)保持工作壓力葉尖阻尼板回收剎車松開液壓系統(tǒng)保持工作壓力自動調(diào)向葉尖阻尼板回收機(jī)組空轉(zhuǎn)剎車松開葉尖阻尼板彈出液壓系統(tǒng)保持工作壓力調(diào)向系統(tǒng)停止工作剎車動作緊急電路開啟計算機(jī)輸出信號無效計算機(jī)運(yùn)行并測量所有輸入99風(fēng)電機(jī)組的起動過程待機(jī)狀態(tài)：風(fēng)力機(jī)處于自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，但沒有并網(wǎng)，機(jī)械剎車已松開，風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，機(jī)組的所有狀態(tài)參數(shù)均在控制系統(tǒng)檢測之中。一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)即可并網(wǎng)。自起動及其條件：v>4m/s即可自起動到發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。起動條件：1、電網(wǎng)：連續(xù)10分鐘內(nèi)無過電壓、低電壓；電網(wǎng)電壓0.1s內(nèi)跌落值小于設(shè)定值；電網(wǎng)頻率在設(shè)定范圍內(nèi)；三相平衡2、風(fēng)況：連續(xù)10分鐘風(fēng)速在(3~25m/s)范圍內(nèi)3、機(jī)組：發(fā)電機(jī)溫度、油溫正常，壓力正常，控制系統(tǒng)電源正常等。1004、風(fēng)輪對風(fēng)：連續(xù)10分鐘平均風(fēng)速>3m/s允許風(fēng)輪對風(fēng)5、制動解除：松開盤式制動器，準(zhǔn)備起動自起動：早期定槳距風(fēng)機(jī)要在發(fā)電機(jī)的協(xié)助下完成起動，現(xiàn)代變槳距風(fēng)機(jī)具有良好的自起動能力。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動風(fēng)速時，槳葉從靜止?fàn)顟B(tài)的90o，向0o方向轉(zhuǎn)動，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)：1、風(fēng)速高于25m/s，持續(xù)10min，正常停機(jī)2、風(fēng)速>33m/s，持續(xù)2s，正常停機(jī)3、風(fēng)速>50m/s，持續(xù)1s，安全停機(jī)，側(cè)風(fēng)90度101

風(fēng)力機(jī)特性（風(fēng)能利用系數(shù)）（葉尖速比）

由于風(fēng)速測量的不可靠性，實(shí)際上并不是根據(jù)風(fēng)速來調(diào)整轉(zhuǎn)速。以電機(jī)轉(zhuǎn)速為變量的功率方程：以風(fēng)速為變量的功率方程風(fēng)力機(jī)性能曲線三、變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與控制102

風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性安全運(yùn)行區(qū)OAdcC五個速度運(yùn)行區(qū)切入前—Oa段恒最佳功率系數(shù)區(qū)—ab段恒轉(zhuǎn)速區(qū)—bc段，與定槳距相同恒功率區(qū)—cd段，需降低Cp

切出區(qū)實(shí)際功率并不是無限的，有兩個限制：功率限制，所有電路和電力電子器件受功率限制轉(zhuǎn)速限制，所有旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械強(qiáng)度受轉(zhuǎn)速限制功率極限103

變速風(fēng)電機(jī)組的基本控制策略起動階段，風(fēng)速在切入風(fēng)速以下，不涉及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制額定風(fēng)速以下區(qū)a)變速運(yùn)行區(qū)，使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持Cp恒定b)恒速運(yùn)行區(qū)。受機(jī)械限制，轉(zhuǎn)速不能再高，恒功率運(yùn)行區(qū)104三個區(qū)域Cp值變化情況CP恒定區(qū)轉(zhuǎn)速恒定區(qū)功率恒定區(qū)105減小Cp的途徑：降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，改變?nèi)~尖速比改變槳距角106Cp恒定區(qū)的控制設(shè)發(fā)電機(jī)原工作點(diǎn)為A2，現(xiàn)風(fēng)速變?yōu)関2，風(fēng)力機(jī)工作點(diǎn)為A1。因PA1>PA2，過剩功率使轉(zhuǎn)速增大。風(fēng)力機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)都向A3點(diǎn)變化，在A3點(diǎn)功率達(dá)成平衡。107

轉(zhuǎn)速恒定區(qū)的控制轉(zhuǎn)速控制方式功率恒定區(qū)的控制要靠降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或改變槳距角使功率低于其極限轉(zhuǎn)速恒定區(qū)n=nr功率恒定區(qū)P=Pr108

低于額定風(fēng)速時的轉(zhuǎn)速控制—最大功率點(diǎn)跟蹤根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲公式：可以看出：在某一風(fēng)速下：因此可以捕獲最大風(fēng)能傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法功率信號反饋法爬山尋優(yōu)法109

最佳葉尖速比控制110功率信號反饋控制－PowerSignalFeedback(PSF)control在風(fēng)速不可測的情況下，先測量出風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)最大功率曲線計算出相應(yīng)的最大輸出功率，并作為風(fēng)力機(jī)的輸出功率給定值，對風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的捕獲。111功率信號反饋控制－PowerSignalFeedback(PSF)control優(yōu)點(diǎn)：通過對最大功率曲線表的查詢，可以控制系統(tǒng)輸出最大功率曲線適用于大功率系統(tǒng)方法較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速的變化不敏感缺點(diǎn)：需獲得最大功率曲線，對風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)依賴性較強(qiáng)功率曲線的誤差將會影響控制的準(zhǔn)確性112爬山法尋優(yōu)控制爬山法控制原理給風(fēng)力機(jī)施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，這一擾動將引起輸出功率的變化。若該變化量大于零，則在系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)的時候，加上與前次同符號的擾動量，直到輸出功率變化量開始小于零才改變下一次擾動量的符號。如此反復(fù)。113爬山法控制的關(guān)鍵點(diǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速指令發(fā)生階躍變化時，速度環(huán)調(diào)節(jié)器工作，系統(tǒng)的瞬時輸出功率為減小的，因此對功率進(jìn)行采樣時，采樣時間要大于速度環(huán)的調(diào)節(jié)時間。轉(zhuǎn)速指令可以采用定步長和變步長指令。由于采用定步長指令時，其跟蹤速度較慢，且在最大功率點(diǎn)附近可能會引起系統(tǒng)振蕩，因此采用變步長控制。由于轉(zhuǎn)速指令為離散的，因此不可能完全達(dá)到最大功率點(diǎn)，因此定義一區(qū)間，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率落入該區(qū)間，則認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)。區(qū)間的大小，與跟蹤步長以及控制精度有關(guān)。爬山法尋優(yōu)控制114優(yōu)點(diǎn)：獨(dú)立于風(fēng)機(jī)的設(shè)計參數(shù)可以自主的追蹤到最大功率點(diǎn)由于風(fēng)機(jī)慣性的存在，因此較適用于小容量風(fēng)機(jī)系統(tǒng)缺點(diǎn)：當(dāng)風(fēng)速變化較快時，不易采用此方法，可能引起系統(tǒng)震蕩風(fēng)速變化時，由于葉輪的慣性，一部分能量存儲在風(fēng)輪中，因此對系統(tǒng)輸出功率的采樣不能完全反映系統(tǒng)對風(fēng)能的捕獲情況爬山法尋優(yōu)控制115并網(wǎng)導(dǎo)則和低電壓穿越Operateawindfarm/windturbinelikeapowerstationSteadystateVoltagesupport/reactivepowercompensationFrequency/PowercontrolLow/highfrequencysupportPowerQuality,flicker,harmonicsTransient/dynamicstateFaultridethrough,tostayconnectedduringlowvoltageonthegridRamprateCommunication/powerdispatchReliablecommunicationWindforecastingParticipatepowermarketGridCode:Technicaldocumentcontainingtherulesgoverningtheoperation,maintenance,&developmentofthesystem2.5風(fēng)電機(jī)組的故障穿越116低電壓穿越（LowVoltageRide-Through）中國對風(fēng)電機(jī)組LVRT的要求風(fēng)電機(jī)組LVRT功能，是指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，要求風(fēng)電機(jī)組能夠承受短時電壓降低而不退出運(yùn)行，使之能繼續(xù)向系統(tǒng)輸送功率以支撐系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。117低電壓對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響DFIGsystemDirect-drivenPMSGsystemOvervoltageorcurrentatrotorsideOverrotorspeedReactivepowershortageandfurtherdecreasinggridvoltagelevelSurpluspowerleadtoincreasingDCvoltageonconvertersRelativelygoodperformancethanDFIGsystem118轉(zhuǎn)子crowbar旁路保護(hù)技術(shù)低電壓穿越技術(shù)119直流環(huán)節(jié)crowbar旁路保護(hù)技術(shù)高壓耗能型Buck電路型直流儲能型高電壓穿越HighVoltageRide-ThroughHighvoltageatpointofcommoncoupling(PCC)occursduetothesurplusofreactivepowerCountries

HVRTrequirementDenmarkPCC

Voltage1.2~1.3p.u.,keepconnectedatleast0.1sGermanyE.ONPCC

Voltage1.2p.u.，keepconnectedatleast0.1sUSAWECCPCC

Voltage>1.2p.u.，keepconnectedatleast1sPCC

Voltage1.175~1.2p.u.，keepconnectedatleast1sPCC

Voltage1.15~1.175p.u.，keepconnectedatleast2sPCC

Voltage1.1~1.15p.u.，keepconnectedatleast3sAustraliaPCC

Voltage1.1~1.3p.u.，keepconnectedatleast0.9sPCC

Voltage1.3p.u.，keepconnectedatleast0.06sHighVoltageRide-ThroughChinarequirementissuedin2017byNationalEnergyAdministrationPCCvoltageWTcouldcut-offWTshouldstayin中國對風(fēng)電機(jī)組HVRT測試規(guī)程要求122InfluenceofHighVoltagePMSGsystemVoltagesurgeduetosurplusofreactivepowerChargingcurrentgoesintoDC-linkcapacitorOvervoltageinDC-linkDFIGsystemTransientDCcurrentinstatorandrotorwindingsduetothestatordirectlyconnectedwithgrid(Fluxconservationtheory)NegativesequencecurrentinimbalancefaultsituationsInhighrotorspeedoperation,theinducedvoltageandcurrentinrotorsidewillbehighduetothetransientDCcurrent高電壓穿越技術(shù)SimilarwithLVRT,DVR,SVC,STATCOMcouldbeusedForDFIGsystem,crowbartechnologyisacommonwayforHVRTprotection.Powerconsuming,powerstorageinDC-linkImprovementsofwindturbine’scontrolstrategy斬波電路1242.5海上風(fēng)電AdvantagesBetterwindresource;Nolandoccupation;Shortdistancetotheloadcenter.DisadvantagesHighrequirementontechnics;Highcost;Challengesonoperationandmaintenance;Specialconstructionandmaintenancefacilities;Extrememarineclimate.125TwoMainConstraintsHighcostcomparedwiththeon-shorewindfarms;Morecomplicatedinstallationtechnologies.Proportionalofoff-shorewindfarmCostAnalysis:TypicalEurope0.14europerkWhChinaoffshore0.85YuanperkWhChinaIntertidal0.75YuanperkWhKeytechnologies:Adoptionofextremelylarge-scalewindturbines;Whynotadoptsfurtherlarge-scalewindturbines?LackoflargemanufacturingequipmentandmarineengineeringequipmentInsufficientconstructiontechnologyLackofeconomicperformanceFromdesignview,thegeneratorwithlargecapacity,thebladelengthandsizeofgearbox&generatorwillbeincreased.However,thesizelimitationoflanddoesnotexistformarinetransportation.Itdoeshelptoadoptlargergenerator.Thelargegeneratormaycapturemorewindenergyfromtheair,duetobetterusageofhigh-altitudewindenergy.海上風(fēng)電技術(shù)Keytechnologies:Adoptionofextremelylarge-scalewindturbines;Differentwindloadandwaterloadconsiderations;Foundationdesign;Windfarmintegrations.SinglecolumnJacketFloatFloatSinglecolumnJacketThreecolumnsGravityTripod基礎(chǔ)選型與設(shè)計1292.4風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望2001-2016年全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量（MW）從1996年起全球累計風(fēng)電裝機(jī)連續(xù)增速超過20%，平均增速達(dá)到28.35%。2009年全球風(fēng)電裝機(jī)總量增長31％，2010年降為25％，2016年累計同比增長12.5%，其中中國占全球風(fēng)電累計裝機(jī)容量的34.7%。1302.6風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望2001-2