【正文】 用相同的控制策略進(jìn)行變速恒頻調(diào)節(jié)。變換器只提供轉(zhuǎn)差功率，其容量?jī)H僅相當(dāng)電機(jī)的 20%～30%，可顯著降低變換器的成本，是一種較為優(yōu)化的變速恒頻運(yùn)行方案，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，如圖 37 所示。這類發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接與電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變換器與電網(wǎng)相連，定子、轉(zhuǎn)子均可與電網(wǎng)雙向傳遞功率，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相角及幅值實(shí)現(xiàn)恒頻輸出。若風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也可跟隨變化，此時(shí)利用電力電子元件構(gòu)成的控制機(jī)構(gòu)，調(diào)整滑差可調(diào)繞線式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻值的大小就可保持轉(zhuǎn)子電流恒定，不需要進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)便可保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，避免了風(fēng)速頻繁變化引起輸出功率的波動(dòng)，供電質(zhì)量明顯改善； 變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也無須頻繁操縱、控制，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有效地延長(zhǎng)了機(jī)組的使用年限。 。根據(jù)異步電機(jī)理論，在電網(wǎng)頻率恒定的情況下，只需改變極對(duì)數(shù) p，就能改變同步轉(zhuǎn)速。風(fēng)速較低時(shí)采用低同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，維持低功率輸出。 。這類發(fā)電機(jī)的滑差變化小，調(diào)速范圍較窄，通常不超過 5%。由于電機(jī)定子與變換器相連，變換器容量與發(fā)電機(jī)的相同，特別在大容量風(fēng)電系統(tǒng)中將導(dǎo)致變換器成本、體積以及重量都明顯增加，一般多應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)。電勵(lì)磁同步機(jī)恒2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文25 速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)如圖 36 所示。旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁無需電刷及滑環(huán)，可靠性大為提高。圖 34 帶軟啟動(dòng)器的異步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)圖 35 雙 PWM 結(jié)構(gòu)的異步恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 電勵(lì)磁同步電機(jī)，帶有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，是同步電機(jī)必不可缺的組成部分，必須通過勵(lì)磁系統(tǒng)的激磁才能建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。電機(jī)定子一般通過變換器或軟啟動(dòng)器與電網(wǎng)相連，如圖 34 所示，通常還需并聯(lián)無功補(bǔ)償器，提供足夠的無功補(bǔ)償以維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。在 CSCF 風(fēng)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)包括異步機(jī)感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步機(jī)。圖 33 水平軸風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖表 31 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型分類風(fēng)輪軸方向功率調(diào)節(jié)方式 傳動(dòng)形式 轉(zhuǎn)速變化變槳距 有齒輪箱結(jié)構(gòu)形式功率水平垂直定槳距 主動(dòng)失速普通變距高傳動(dòng)比中傳動(dòng)比直接驅(qū)動(dòng)定速 多態(tài)定速變速~1kW小型風(fēng)機(jī)無 無 無 無 有 有 無 無1~100kW中型風(fēng)機(jī)有 有 有 無 無 有 有 有100~1000kW大型風(fēng)機(jī)有，常見有，不常見有，不常見有 有 有，常見1000kW 以上特大型風(fēng)機(jī)有，常見有，不常見有，不常見有，不常見有，常見有，常見有，不常見有，常見有，不常見有，不常見有，常見何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究24 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)組 根據(jù)基本結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，發(fā)電機(jī)通?？煞譃橹绷麟姍C(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)和同步電機(jī)幾大類。目前，國(guó)內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組多采用這種運(yùn)行方式，尤其是兆瓦級(jí)的大容量風(fēng)電系統(tǒng)已成為主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變化，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，可適時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù) Cp 接近或達(dá)到最佳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能最大限度地捕獲，由此優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高 [18]。但這種風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)力機(jī)必偏離最佳轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率 Cp 值也會(huì)偏離最大值，導(dǎo)致輸出功率下降，浪費(fèi)了風(fēng)力資源，發(fā)電效率大大降低。 恒速恒頻 ( constant speed constant frequency，CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 而半直驅(qū)型機(jī)組的工作原理是以上兩種形式的綜合，這種風(fēng)機(jī)減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動(dòng)比，同時(shí)也相應(yīng)地減少了多極同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，從而減小了發(fā)電機(jī)的體積。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，通常達(dá)不到風(fēng)電機(jī)發(fā)電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)。（5）按傳動(dòng)形式可分為高傳動(dòng)比齒輪箱型、直接驅(qū)動(dòng)型和半直驅(qū)型。隨著風(fēng)速的不斷變化，葉片僅需微調(diào)就能維持額定功率輸出 [17]。 主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)：主動(dòng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是定槳距型與變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)合。同時(shí)風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過程也需要通過變距來獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但失速型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)低，葉片上有較復(fù)雜的氣動(dòng)制動(dòng)裝置，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，需要比較大的安全系數(shù)。失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理是在一定迎角范圍內(nèi)葉片翼型的升力系數(shù)與迎角成正比，超出一定迎角后氣流開始分離，不再保持正比關(guān)系，當(dāng)迎角大到一定程度后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加稱為失速。風(fēng)能風(fēng)輪機(jī)械能 電能機(jī)械能風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文21 (a)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (b)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 圖 32 兩種風(fēng)輪軸方向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（4）按功率調(diào)節(jié)方式分為定槳距風(fēng)機(jī)、普通變槳距風(fēng)機(jī)和主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按風(fēng)輪與塔架的相對(duì)位置可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向，如圖 32（a）所示。（3）按風(fēng)輪軸方向分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不與電網(wǎng)連接，運(yùn)行不受電網(wǎng)電壓及頻率的限制，因此不必設(shè)置控制運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，一般用于沒有電網(wǎng)地區(qū)。小型機(jī)組指容量在 ~1kW；中型機(jī)組指容量在 1~100kW；大型機(jī)組指容量在100~1000kW，特大型為 1000kW 以上。例如，按裝機(jī)容量，按運(yùn)行方式，按風(fēng)輪軸方向，按功率調(diào)節(jié)方式，按傳動(dòng)形式等可分為以下幾種。風(fēng)力發(fā)電機(jī)則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能輸送給負(fù)荷或電力系統(tǒng)，這就是風(fēng)力發(fā)電的工作過程 [16],如圖31 所示。圖 23 全國(guó)風(fēng)電近年新增裝機(jī)及年增長(zhǎng)率（未含臺(tái)灣省數(shù)據(jù)）圖 24 19922022 年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)及其占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)的比重第 3 章 風(fēng)電機(jī)組的分類及控制 風(fēng)電機(jī)組類型何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究20 風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其基本原理為：風(fēng)輪捕獲風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出三相交流電。盡管同期全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康脑鲩L(zhǎng)也很快，但風(fēng)電裝機(jī)比重仍從 2022 年的 %提高到了 2022 年的%。近 10 多年來全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量及年增長(zhǎng)率情況如圖 23 示。繼 2022022 年實(shí)現(xiàn)年增長(zhǎng)率分別為 %、% 后 [15]，再次實(shí)現(xiàn)了年增長(zhǎng)率為 %。 至今，我國(guó)已經(jīng)在河北張家口、遼寧營(yíng)口、黑龍江富錦等等地區(qū)建成10 多個(gè)百萬千瓦級(jí)的大型風(fēng)電基地，并初步形成幾個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地，并且計(jì)劃在甘肅酒泉、江蘇南通等地興建 GW 級(jí)風(fēng)電場(chǎng)。如果風(fēng)能資源的開發(fā)和利用率實(shí)現(xiàn) 60%，那么僅風(fēng)能就可以支撐中國(guó)目前每年全部的電力需求 [11]。但是,由于我國(guó)地形復(fù)雜、國(guó)土廣闊,風(fēng)能資源的地區(qū)性差異很大,即使在同一地區(qū),風(fēng)能也有較大的差別?！笆澜缒茉蠢硎聲?huì)”1994 年風(fēng)能評(píng)估報(bào)告指出,中國(guó)理論風(fēng)力資源潛力是17,000TWh/年。其次為亞洲%(3679MW)和北美洲地區(qū) %(3230MW),其它地區(qū)合計(jì)市場(chǎng)占有率為%(580MW)，如圖 22 所示。2022 底歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為 7708 萬 kW,約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 51%。 表 23 為 2022 年底全球前十大風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)總裝機(jī)容量及市場(chǎng)占有率。亞洲地區(qū)風(fēng)力發(fā)電與美歐相比還比較緩慢,除印度一支獨(dú)秀以外,其它國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)容量均很小。由此可見,風(fēng)電正在以超預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長(zhǎng)。未被開發(fā)的資源潛力還十分巨大。我國(guó)風(fēng)電的開發(fā)程度還很低，截至 2022 年，風(fēng)電裝機(jī)容量為 MW，不到可開發(fā)量的 1%。（2）風(fēng)能資源地理分布與電力負(fù)荷不匹配 沿海地區(qū)電力負(fù)荷大，但是風(fēng)能資源豐富的陸地面積??；北部地區(qū)風(fēng)能資源很豐富，電力負(fù)荷很小，給風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶來困難。圖 21 全國(guó)平均風(fēng)速分布圖中國(guó)風(fēng)能資源的特點(diǎn)： （1）風(fēng)能資源季節(jié)分布與水能資源互補(bǔ) 我國(guó)風(fēng)能資源豐富，但季節(jié)分布不均勻，一般春季、秋季和冬季豐富，夏季貧乏。根據(jù)風(fēng)資源類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，按年平均風(fēng)速的大小，各地風(fēng)力資源大體可劃分為 4 個(gè)區(qū)域，見表 21。h 電量 [13]。2022 年國(guó)家氣候中心采用樹脂模擬10?方法對(duì)我國(guó)風(fēng)能資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)論是：在不考慮青藏高原的情況下，全國(guó)陸地 10m 高度層風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為 億 kW。盡管各種估算數(shù)值不同，但總~121208.~04.?的來說全球具有巨大的風(fēng)能資源，風(fēng)能是取之不竭、用之不盡、可再生的清潔能源。由于風(fēng)能是來源于太陽能，因此也有人假設(shè)在太陽能進(jìn)入地球大氣時(shí)，每平方米的功率為 ，假定約有 60%的能量留在大氣層中，其總能量為 1014kW。第 2 章 風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究14 風(fēng)能資源分布及特點(diǎn) 根據(jù)世界氣象組織估計(jì)，全球的可利用風(fēng)能資源約為 200 億 kW，為地球上可利用水能資源的 10 倍。與此同時(shí)，隨著市場(chǎng)的急劇膨脹，伴隨風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各種問題逐步凸顯出來 [11]。并且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不是十分成熟，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行及并網(wǎng)方面還存在許多問題尚未徹底解決。然而，當(dāng)前風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的沖擊影響，仍然是制約風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的瓶頸。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。 本課題研究目的及意義 風(fēng)電是可再生能源當(dāng)中技術(shù)最成熟、價(jià)格最低的能源之一。由于現(xiàn)在風(fēng)電市場(chǎng)急劇膨脹、裝機(jī)容量連年翻倍增長(zhǎng)、風(fēng)電領(lǐng)域投資熱潮迭起的現(xiàn)象背后，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局正在悄然發(fā)生變化。 據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院測(cè)算，我國(guó)的風(fēng)力資源非常豐富，實(shí)際可供開發(fā)的陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量有 億 kW，近期具備開發(fā)條件的風(fēng)電場(chǎng)約有50 個(gè)，分布在全國(guó) 16 個(gè)省(市、自治區(qū))，風(fēng)力發(fā)電已成為我國(guó)能源政策支持的重要發(fā)展方向。目前，世界平均電力消費(fèi)中，煤電占 39%、水電 19%、核電 16%、天然氣15%、油電 16%、風(fēng)電等可再生能源占 1%；其中，歐盟計(jì)劃到 2022 年新能源提供的電力將提高到 22%；而在我國(guó)的 2022 電力規(guī)劃中，煤電占 80%，水電占 %，燃?xì)怆娬?%，核電占 %，風(fēng)電等可再生能源占 %[4]。風(fēng)力發(fā)電將能迅速緩解我國(guó)能源急需和電力短缺的局面，對(duì)于緩解缺電，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高社會(huì)效益具有非同尋常的意義，而且成為帶有巨大商機(jī)的“朝陽產(chǎn)業(yè)” [3]。我國(guó)電力需求日益增加，而我國(guó)人口驟多，電力資源人均占有量變得更少。 同時(shí)風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界清潔可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、發(fā)展最迅速、商業(yè)化前景最廣闊的發(fā)電方式之一，風(fēng)電以其無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，造價(jià)低等特點(diǎn)，越來越受到世界各國(guó)的重視。其中，風(fēng)能源于太陽輻射使地球表面受熱不均、導(dǎo)致大氣層中壓力分布不均而使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)所獲得的動(dòng)能。眾所周知，可再生能源有水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮芰笮问?。何?yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究12第 1 章 緒論 本課題背景 2022 年 3 月 11 日,日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間 14 時(shí) 46 分,日本東北部海域發(fā)生里氏 級(jí)地震并引發(fā)海嘯,同時(shí)造成日本福島第一核電站 1 4 號(hào)機(jī)組發(fā)生~核泄漏事故,造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在本論文截稿時(shí)，對(duì)本論文末附的參考文獻(xiàn)的作者也致以衷心的感謝。所以要針對(duì)風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)的具體影響采取相應(yīng)措施，改善其并網(wǎng)性能，盡可能降低其對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)面影響。 隨著風(fēng)電規(guī)模占全網(wǎng)容量比例的大幅增加,原有常規(guī)電源對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)整與控制能力被削弱,而風(fēng)電電源很難像常規(guī)電源一樣執(zhí)行系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)壓任務(wù)和抑制系統(tǒng)的功率震蕩,所以風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)、風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響等問題日益突出。風(fēng)能作為最重要的替代能源之一，正得到大規(guī)模的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)也取得了顯著的進(jìn)步。風(fēng)能發(fā)電在技術(shù)上日趨成熟,商業(yè)營(yíng)運(yùn)水平不斷提高。何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究8目 錄前 言第 1 章 緒論 ...............................................12 本課題背景 ............................................12 本課題研究意義 ........................................13第 2 章 風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀 .....................................13 風(fēng)能資源分布及特點(diǎn) ....................................13 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 ..................................16 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 ..................................18第 3 章 風(fēng)電機(jī)組的分類及控制 ...............................19 風(fēng)電機(jī)組分類