1機(jī)械工業(yè)出版社第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)2機(jī)械工業(yè)出版社3機(jī)械工業(yè)出版社

本章主要內(nèi)容3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其工作原理3.3風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)與控制3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)3.6風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評價4機(jī)械工業(yè)出版社

緒論

在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實用和推廣的一種。風(fēng)力發(fā)電是一個綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動力學(xué)、機(jī)械、發(fā)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。5機(jī)械工業(yè)出版社感性認(rèn)識：各式風(fēng)機(jī)/6機(jī)械工業(yè)出版社7機(jī)械工業(yè)出版社8機(jī)械工業(yè)出版社9機(jī)械工業(yè)出版社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10機(jī)械工業(yè)出版社3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、隨機(jī)性2、風(fēng)隨高度的變化而變化

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。

11機(jī)械工業(yè)出版社3.1.3風(fēng)的表示及應(yīng)用1、風(fēng)向

風(fēng)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(fēng)向方位圖12機(jī)械工業(yè)出版社2、風(fēng)速由于風(fēng)時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。

3、風(fēng)力風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對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)度等級來估計風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個等級。例5級風(fēng)為：V5=9.4m/s.

風(fēng)力等級與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級風(fēng)的平均風(fēng)速(m/s)；

N——風(fēng)的級數(shù)。13機(jī)械工業(yè)出版社4、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度：密度為ρ的空氣，在一秒鐘內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風(fēng)能密度（W/m2)。表達(dá)式為：

（2）風(fēng)能：空氣在一秒鐘時間內(nèi)以速度ν流過面積為S截面的動能(W)。

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能利用：風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動時所具有的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。風(fēng)能發(fā)電：風(fēng)的動能—電能14機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況如圖3-5所示。圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況15機(jī)械工業(yè)出版社3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類及結(jié)構(gòu)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。16機(jī)械工業(yè)出版社按風(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

17機(jī)械工業(yè)出版社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)。18機(jī)械工業(yè)出版社（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)，如圖3-6。

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)19機(jī)械工業(yè)出版社

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)如圖3-7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20機(jī)械工業(yè)出版社

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、制動器）等組成，結(jié)構(gòu)如圖3-8。

（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)21機(jī)械工業(yè)出版社3.2.2風(fēng)力機(jī)及風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理一、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)：

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)22機(jī)械工業(yè)出版社2、垂直軸風(fēng)力機(jī)：a.薩窩紐斯式b.達(dá)里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風(fēng)力機(jī)23機(jī)械工業(yè)出版社水平軸垂直軸24機(jī)械工業(yè)出版社二、風(fēng)力機(jī)的氣動原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原因是因為風(fēng)力機(jī)具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的翼型及翼型受力分析圖。

圖3-11風(fēng)力機(jī)的葉片翼型及受力25機(jī)械工業(yè)出版社

現(xiàn)分析風(fēng)輪不動時受到風(fēng)吹的情況：當(dāng)風(fēng)以速度矢量ν吹向葉片時，在翼型的上表面，風(fēng)速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風(fēng)速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力F，力F可以分解為與相對風(fēng)速方向平行的阻力FD和垂直于風(fēng)向的升力FL，升力使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

26機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力機(jī)的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時，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：27機(jī)械工業(yè)出版社

對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的最大利用系CPm有一個葉尖速比λm，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實現(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。在槳距角一定時，CP與葉尖速比λ的關(guān)系如下圖所示。其中：λ=ωr/v=2πnr/60v圖3-13風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系28機(jī)械工業(yè)出版社29機(jī)械工業(yè)出版社（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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-23雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)30機(jī)械工業(yè)出版社MW級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與變流系統(tǒng)原理

31機(jī)械工業(yè)出版社

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)磁場始終是相對靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時，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。32機(jī)械工業(yè)出版社根據(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)。此時轉(zhuǎn)子n<定子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，功率流向如下圖所示。33機(jī)械工業(yè)出版社2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時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，功率流向如下圖所示。3）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。

34機(jī)械工業(yè)出版社

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，可實現(xiàn)功率的雙向流動。優(yōu)點(diǎn)：

1）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；

2）可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；

3）可對有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；

4）能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動和輸出功率的波動，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)。

35機(jī)械工業(yè)出版社3.2.4獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般是1kW-10kW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)，有一定用電量的家庭農(nóng)場，公路、鐵路養(yǎng)路站、小型微波發(fā)射站、移動通訊發(fā)射站、光纖通訊信號放大站、輸油管線保護(hù)站等用戶。典型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)如圖3-33所示。主要組成部分包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、逆變器以及控制系統(tǒng)。

圖3－33獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)框圖

36機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，風(fēng)輪帶動發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于風(fēng)速的多變，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓及頻率變化，不易于直接被負(fù)載利用，所以一般獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過“AC-DC-AC”的方式供電，并且由于無風(fēng)季節(jié)的存在，使用了蓄電池進(jìn)行儲能。先用整流器將發(fā)電機(jī)的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器把直流電變換成電壓和頻率都很穩(wěn)定的交流電輸出供給負(fù)載。風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制前面已經(jīng)介紹過，下面主要對電力變換單元、控制器、最大功率控制、負(fù)載跟蹤控制作介紹。

37機(jī)械工業(yè)出版社1電力變換單元：由AC-DC、DC-DC變換器和DC-AC逆變器組成。給負(fù)載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負(fù)載用電。2控制器：在獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)中是一個非常重要的部件，它控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實時檢測系統(tǒng)各參數(shù)以防異常情況的出現(xiàn)，一旦檢測到異常，它能夠自動保護(hù)并報警。這些保護(hù)包括：蓄電池組過壓、欠壓保護(hù)，發(fā)電機(jī)的超速、過流保護(hù)。3最大功率控制：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的風(fēng)能不能滿足負(fù)載用電和蓄電池充電時，需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)按照最佳葉尖速比運(yùn)行，跟蹤最大功率。有兩種控制方法，采用風(fēng)速信號的控制方法和采用功率信號的控制方法。38機(jī)械工業(yè)出版社4負(fù)載跟蹤控制：獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)與并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的最大區(qū)別就是負(fù)載是不斷變化的，捕獲的風(fēng)能要與負(fù)載用電量匹配。負(fù)載跟蹤與蓄電池充電集成控制框圖如圖3-34所示。圖3－34負(fù)載跟蹤與充電集成控制框圖39機(jī)械工業(yè)出版社3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻控制策略

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，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，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。40機(jī)械工業(yè)出版社3.4.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制策略實現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機(jī)的方案最具優(yōu)勢。雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(jī)的有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最佳風(fēng)能的捕獲。采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-46所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機(jī)的簡稱。41機(jī)械工業(yè)出版社圖3－46

采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

42機(jī)械工業(yè)出版社圖3－47由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路1.背靠背的雙PWM變頻器43機(jī)械工業(yè)出版社雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行特性44機(jī)械工業(yè)出版社snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1雙饋電機(jī)在次同步速的電動運(yùn)行狀態(tài)

~0<s<1雙饋電機(jī)在超同步速的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)

-TePmCU-1<

s

＜

045機(jī)械工業(yè)出版社3.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)3.5.1

同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)1.同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法圖3－54同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路

46機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時，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值要與電網(wǎng)端對應(yīng)相電壓的瞬時值完全一致，具體有5個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。在并網(wǎng)時，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)各相之間互相對應(yīng)，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機(jī)設(shè)計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他3條的檢測和控制，這其中條件③、⑤兩項的頻率與相位相同是必須滿足的。（1）并網(wǎng)條件47機(jī)械工業(yè)出版社（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)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機(jī)械部件造成沖擊。1)自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)48機(jī)械工業(yè)出版社

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)當(dāng)功率角變?yōu)樨?fù)值時，電機(jī)將運(yùn)行在電動機(jī)狀態(tài)，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一臺大風(fēng)扇，電機(jī)從電網(wǎng)吸收電能。為避免發(fā)電機(jī)電動運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速降到一臨界值以下時，應(yīng)及時地將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開。49機(jī)械工業(yè)出版社帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，方便地實現(xiàn)有功和無功功率的調(diào)節(jié)，這是其他發(fā)電機(jī)難以與其相比的優(yōu)點(diǎn)。但恒速恒頻的風(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，因此對控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。50機(jī)械工業(yè)出版社圖3－57變速恒頻風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)的連接圖在變速恒頻風(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，如圖3-57所示。圖中交流發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)，變頻器為交－直－交變頻器。51機(jī)械工業(yè)出版社3.5.2同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機(jī)簡單，可通過轉(zhuǎn)子勵磁電流的控制來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無功功率的控制。52機(jī)械工業(yè)出版社3.5.3雙饋異步風(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。53機(jī)械工業(yè)出版社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。其中第一條必須嚴(yán)格遵守，否則并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)將處于電磁制動狀態(tài)，在接線時應(yīng)調(diào)整好相序。第二條的要求不是很嚴(yán)格，但并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時間越短。異步風(fēng)力發(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)

54機(jī)械工業(yè)出版社當(dāng)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)的驅(qū)動下起動后，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，測速裝置給出自動并網(wǎng)信號，通過自動空氣開關(guān)完成合閘并網(wǎng)過程。

風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)的電路如圖3-59所示，圖3－59異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的直接并聯(lián)55機(jī)械工業(yè)出版社

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，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，適用于百千瓦級以上，容量較大的機(jī)組。56機(jī)械工業(yè)出版社3）晶閘管軟并網(wǎng)

晶閘管軟并網(wǎng)是在異步發(fā)電機(jī)的定子和電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程，如圖3-60所示。圖3－60風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)57機(jī)械工業(yè)出版社3.5.4雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

1、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的并網(wǎng)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。

58機(jī)械工業(yè)出版社3.5.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)安全運(yùn)行與防護(hù)措施

圖3-64控制系統(tǒng)的安全保護(hù)組成

59機(jī)械工業(yè)出版社3.6風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評價

風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性評價主要由其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來衡量。3.6.1風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)單位千瓦造價單位千瓦時投資成本財務(wù)內(nèi)部收益率財務(wù)凈現(xiàn)值投資回收期投資源利潤率60機(jī)械工業(yè)出版社1、單位千瓦造價

單位千瓦造價表示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)每千瓦的投資成本，其計算公式為（3－37）

總裝機(jī)容量是指風(fēng)電場全部風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘俊?1機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)電項目的總投資由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、土建工程、電氣工程、安裝工程、財務(wù)成本及其他（含征地、設(shè)計勘測）等組成，其各部分所占的比例大致如圖3-65所示。

圖3－65

風(fēng)電項目投資中各部分所占的比例62機(jī)械工業(yè)出版社2、單位千瓦時投資成本

其中：年固定費(fèi)用包括設(shè)備的年折舊費(fèi)、攤銷貸款利息、人工費(fèi)、管理費(fèi)、稅金等。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用包括計劃內(nèi)的保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行所進(jìn)行的正常維修費(fèi)用。

單位千瓦時投資成本表示在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的使用期限（一般20～30年）內(nèi)，每生產(chǎn)單位千瓦時的電量所需要的投資費(fèi)用，其計算公式為（3－38）

大修費(fèi)用指的是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在使用期內(nèi)大修的年平均費(fèi)用。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每隔5年、10年、15年大修一次，主要維修機(jī)械部件。

63機(jī)械工業(yè)出版社3、財務(wù)內(nèi)部收益率(FIRR)和財務(wù)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(wù)內(nèi)部收益率(FIRR)是指風(fēng)電項目在整個計算期內(nèi)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(biāo)。其計算公式為（3－39）

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

64機(jī)械工業(yè)出版社

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

財務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）是指行業(yè)的基準(zhǔn)收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率，將項目計算期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到建設(shè)期初的現(xiàn)值之和。是考察項目在計算期內(nèi)盈利能力的動態(tài)評價指標(biāo)。其計算公式為（3－40）其中，Ic——項目所屬行業(yè)的基準(zhǔn)收益率。65機(jī)械工業(yè)出版社

投資回收期可根據(jù)財務(wù)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(jié)果應(yīng)小于行業(yè)的基準(zhǔn)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(chǎn)投資和流動資金投資）所需要的時間。它是考察項目在財務(wù)上的投資回收能力的主要靜態(tài)指標(biāo)。投資回收期（以年表示）一般從建設(shè)開始年算起，其計算公式為（3－41）66機(jī)械工業(yè)出版社5、投資利潤率

風(fēng)力發(fā)電項目除了上面的直接經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，其項目還有巨大的社會效益。風(fēng)能是一種可再生能源，取之不盡、用之不竭。風(fēng)力發(fā)電是一種潔凈的、無污染的發(fā)電方式，對人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境沒有任何破壞，環(huán)境效益十分明顯。

投資源利潤率是指項目達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力后的一個正常年份的年利潤總額與現(xiàn)項目總投資的比率。它是考察項目單位投資盈利能力的靜態(tài)指標(biāo)。其計算公式為（3－42）67機(jī)械工業(yè)出版社3.6.2影響風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的主要因素

風(fēng)力發(fā)電成本的影響因素很多，變化范圍很大，其中以初期建設(shè)投資、運(yùn)行時的發(fā)電量及管理、稅收政策等為主要影響因素。

68機(jī)械工業(yè)出版社

在風(fēng)電項目的投資中，風(fēng)電機(jī)組的投資占到70%～80%左右，因此降低風(fēng)電機(jī)組的造價是降低風(fēng)電成本最有效的方法。１）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投資２）風(fēng)電場配套部分投資

風(fēng)電場配套部分投資占到總投資的20%～30%，這部分投資主要與風(fēng)電場的選址、風(fēng)電場與電網(wǎng)的距離、風(fēng)電場的配套設(shè)施及接入電網(wǎng)的系統(tǒng)等有關(guān)。３）融資的成本

風(fēng)電場的投資很大，一般本金只占到20%左右，大部分資金由貸款和融資獲得，因此貸款的利息和還款的期限都直接影響風(fēng)電場的投資及將來的財務(wù)成本。1、初期建設(shè)投資69機(jī)械工業(yè)出版社2、發(fā)電量

③發(fā)電機(jī)的選型，應(yīng)根據(jù)風(fēng)資源情況選擇合適類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)；

風(fēng)電場的收入來源于發(fā)電量，發(fā)電量的多少直接影響風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。影響發(fā)電量的因素主要有：①風(fēng)電場的風(fēng)能資源，包括風(fēng)力機(jī)輪轂點(diǎn)的年平均風(fēng)速、風(fēng)速頻率分布、主風(fēng)向是否明顯、空氣密度等；②風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)的排列應(yīng)合理，應(yīng)充分利用場地，減少風(fēng)力機(jī)之間的影響，使整個風(fēng)電場的發(fā)電量達(dá)到最優(yōu)；④風(fēng)力發(fā)電場的運(yùn)行管理水平。70機(jī)械工業(yè)出版社3、運(yùn)行管理成本

運(yùn)行管理成本主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時的維護(hù)費(fèi)用及人員工資等。政府對風(fēng)力發(fā)電的稅收政策對其影響也很大。71機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢主要表現(xiàn)在四個方面：一是成本更低，性能更完善；