【正文】 風(fēng)力發(fā)電機 在由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心 。 獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關(guān)磁阻發(fā)電機等。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 105 機械工業(yè)出版社 獨立運行風(fēng)力發(fā)電機組中的發(fā)電機 獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 直流負載增速器交流發(fā)電機整流器 控制器蓄電池 交流負載逆變器圖 314 獨立運行的交流風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 106 機械工業(yè)出版社 （ 1）直流發(fā)電機 直流發(fā)電機從磁場產(chǎn)生（勵磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機和電磁式直流發(fā)電機，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機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)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。 圖 315 電磁式直流發(fā)電機結(jié)構(gòu) 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 107 機械工業(yè)出版社 （ 2）永磁式交流同步發(fā)電機 永磁式交流同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，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)電機中。 23456SNSN1圖 317 凸極式永磁發(fā)電機結(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—氣隙 6—定子繞組 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 108 機械工業(yè)出版社 （ 3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機 如下圖，硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖。 硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調(diào)節(jié)器，通過自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。 整流器轉(zhuǎn)子勵磁繞組定子三相繞組勵磁調(diào)節(jié)器 蓄電池組圖 318硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 109 機械工業(yè)出版社 （ 4）電容自勵式異步發(fā)電機 電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機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。 nCC異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機定子負載CABC圖 319 電容自勵式異步發(fā)電機電路原理 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 110 機械工業(yè)出版社 并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機 （ 1）異步發(fā)電機 風(fēng)力異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，只要發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對機組的調(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)整負載。 （ 2） 同步發(fā)電機 當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機運行時可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，可使功率因數(shù)為 1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 111 機械工業(yè)出版社 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 112 機械工業(yè)出版社 （ 3）雙饋異步發(fā)電機 雙饋異步發(fā)電機是當今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，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。 三相交流電網(wǎng)平波電抗器 繞線轉(zhuǎn) 子異步發(fā)電機逆變器整流器風(fēng)輪P wP a圖 325 雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 113 機械工業(yè)出版社 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 114 機械工業(yè)出版社 雙饋異步發(fā)電機工作原理： 異步發(fā)電機中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉(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。 21 60 fnpf ???第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 115 機械工業(yè)出版社 根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)： 1）亞同步運行狀態(tài)。此時 nn1，轉(zhuǎn)差率 s0，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。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 116 機械工業(yè)出版社 2）超同步運行狀態(tài)。此時 nn1，轉(zhuǎn)差率 s0，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)電機相同。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 117 機械工業(yè)出版社 雙饋異步發(fā)電機的轉(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，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對有功功率和無功功率進行控制，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。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 118 機械工業(yè)出版社 （ 4）無刷雙饋異步發(fā)電機 無刷雙饋異步發(fā)電機 (Brushless Doubly－ Fed Machine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調(diào)制型兩種類型。 功率繞組 控制繞組變換器工頻電源變頻器控制繞組極對數(shù)功率繞組極對數(shù)BDFMf cp cpf pP圖 327 級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機 圖 328 磁場調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 119 機械工業(yè)出版社 （ 5）開關(guān)磁阻發(fā)電機 開關(guān)磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（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立的集中繞組，徑向獨立的兩個繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。 S 1S 2A A ′CB ′C ′B2143VD 1 VD 2圖 329 三相（ 6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu) 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 120 機械工業(yè)出版社 開關(guān)磁阻發(fā)電機用作為風(fēng)力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機、開關(guān)磁阻發(fā)電機及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。 轉(zhuǎn)子位置風(fēng)速控制系統(tǒng) 輔助電源逆變器和負載變換器電池SRG驅(qū)動 i u 開關(guān)磁阻發(fā)電機的結(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、變速運行，有一定的開發(fā)、研究價值。 圖 330 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的構(gòu)成 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 121 機械工業(yè)出版社 風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略 與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對于并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行數(shù)據(jù)，對機組進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組一般都采用微機控制 ， 如下圖所示。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 122 機械工業(yè)出版社 A/ D轉(zhuǎn) 換通信驅(qū)動模塊微機打印鍵盤驅(qū)動 顯示其它傳感器其它執(zhí)行機構(gòu)風(fēng)123 4 567 121198141310至并網(wǎng)控制... .. ... .片外存儲器2－ A/D轉(zhuǎn)換模塊 3－風(fēng)向標 4－風(fēng)速計 5－頻率計 6－電壓表 7－電流表 8－控制機構(gòu) 9－執(zhí)行機構(gòu) 10－液壓調(diào)速油缸 11－調(diào)向電機 12－其他傳感器 圖 332 風(fēng)力發(fā)電機組的微機自控原理框圖 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 123 機械工業(yè)出版社 風(fēng)力發(fā)電的特點及控制要求 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標主要有四個： 保證系統(tǒng)的可靠運行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機組壽命延長。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個： ①在運行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行； ②低風(fēng)速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能； ③高風(fēng)速時，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率為額定值； ④減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動峰值，減小風(fēng)輪的機械應(yīng)力和輸出功率的波動，避免共振； 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 124 機械工業(yè)出版社 ⑤ 減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng)； ⑥控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅； ⑦調(diào)節(jié)機組的功率，確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。 為實現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 125 機械工業(yè)出版社 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)控制 風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動失速調(diào)節(jié)三種 。 定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當風(fēng)速變化時，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)電機組的輸出功率在額定值附近。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 126 機械工業(yè)出版社 定槳距失速控制的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，由風(fēng)速變化引起的輸出功率的控制只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)實現(xiàn)，沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡化，整機結(jié)構(gòu)簡單、部件小、造價低。其缺點是葉片重量大、成形工藝復(fù)雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)與控制 變槳距風(fēng)力機的整個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～ 90186。）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機構(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，一般用于變速運行的風(fēng)力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 127 機械工業(yè)出版社 （ 1）根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉(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。 a. 起動時的轉(zhuǎn)速控制 變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時，槳距角 β 為 90186。，當風(fēng)速達起動風(fēng)速時，槳葉向 0186。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的起動 b. 額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制 為了改善低風(fēng)速時的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。 第 1章 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論 128 機械工業(yè)出版社 c. 額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制 當風(fēng)速過高時，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角 β 向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度， β 增大，功角 α 減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風(fēng)