1.2 風力發電系統

1.2.1 風力發電的特點

將風能應用于發電稱為風力發電，與火力發電相比，風力發電有其自己的特點，具體表現在以下幾個方面：

（1）可再生的潔凈能源。風力發電是一種可再生的潔凈能源、不消耗資源、不污染環境。這是火力發電所無法比擬的優點。

（2）建設周期短。一個萬千瓦級的風電場建設期不到一年。

（3）裝機規模靈活。可根據資金情況決定一次裝機規模，有一臺的資金就可安裝一臺投產一臺。

（4）可靠性高，把現代科技應用于風力發電機組可使風力發電可靠性大大提高。中大型風力發電機組可靠性從20世紀80年代的50%提高到98%，高于火力發電，并且機組壽命可達20年。

（5）造價低，從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發電，和常規能源發電相比具有競爭力。

（6）運行維護簡單，現在大中型風力機自動化水平很高，由于采用了微機技術，實現了風機自診斷功能，安全保護更加完善，并且實現了單機獨立控制、多機群控和遙控，完全可以無人值守，只需定期進行必要的維護，不存在火力發電中的大修問題。

（7）實際占地面積小，據統計機組與監控、變電等建筑僅占火電廠的1%的土地，其余場地仍可供農、牧、漁使用。

（8）發電方式多樣化，風力發電即可并網運行，也可以和其他能源，如柴油發電、太陽能發電、水力發電機組成互補系統，還可以獨立運行，對于解決邊遠無電地區的用電問題提供了現實可行性。

1.2.2 風力發電系統

把風能轉變為電能是風能利用中最基本的一種方式。風力發電機一般由風輪、發電機（包括傳動裝置）、調向器（尾翼）、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。風力發電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，它把風的動能轉變為風輪軸的機械能。發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉變為風輪旋轉的機械能。一般風力發電機的風輪由2個或3個葉片構成。在風力發電機中，已采用的發電機有3種，即直流發電機、同步交流發電機和異步交流發電機，本書研究的是繞線型異步交流發電機。

典型的風力發電系統通常由風能資源、風力發電機組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源組成（如圖1-1所示）。風力發電機組是實現由風能到電能轉換的關鍵設備。由于風能是隨機性的，風力的大小時刻變化，必須根據風力大小及電能需要量的變化及時通過控制裝置來實現對風力發電機組的啟動、調節（轉速、電壓、頻率）、停機、故障保護（超速、振動、過負荷等）以及對電能用戶所接負荷的接通、調整及斷開等操作。在小容量的風力發電系統中，一般采用由繼電器、接觸器及傳感元件組成的控制裝置。在容量較大的風力發電系統中，現在普遍采用微機控制。儲能裝置是為了保證電能用戶在無風期間可以不間斷地獲得電能而儲備的設備。另一方面，在有風期間，當風能急劇增加時，儲能裝置可以吸收多余的風能。為了實現不間斷地供電，有的風力發電系統配備了備用電源，如柴油發電機組。

風力發電系統分為兩類：一類是并網的風電系統，另一類是獨立的風電系統。并網的風電系統的風電機組直接與電網相連接。由于渦輪風機的轉速隨著外來的風速而改變，不能保持一個恒定的發電頻率，因此需要有一套交流變頻系統相配套。由渦輪風機產生的電力進入交流變頻系統，通過交流變頻系統轉換成交流電網頻率的交流電，再進入電網。由于風電的輸出功率是不穩定的，為了防止風電對電網造成的沖擊，風電場裝機容量占所接入電網的比例不宜超過5%～10%，這是限制風電場向大型化發展的一個重要的制約因素。而且由于風電輸出功率的不穩定性，電網系統內還需配置一定的備用負荷。獨立的風電系統主要建造在電網不易到達的邊遠地區。同樣，由于風力發電輸出功率的不穩定和隨機性，需要配置充電裝置，在渦輪風電機組不能提供足夠的電力時，為照明、廣播通信、醫療設施等提供應急動力。最普遍使用的充電裝置為蓄電池，風力發電機在運轉時，一類為用電裝置提供動力，同時將過剩的電力通過逆變器轉換成直流電，向蓄電池充電。在風力發電機不能提供足夠電力時，蓄電池再向逆變器提供直流電，逆變器將直流電轉換成交流電，向用電負荷提供電力。因此，獨立的風電系統是包括由風力發電機、逆變器和蓄電池組成的系統。當風力發電用于可間歇使用的用電設備時，就可以避免采用儲能裝置，而充分發揮風力發電的效益。例如，可將風力發電用于從地下抽水或用于排灌。有風力時，產生的電力驅動水泵運行，進行抽水或排灌，沒有風力時，水泵即可停止運行。

1.2.3 風力發電系統的類型

風力發電系統是復雜的系統，一般包括風力機、傳動機構、發電機、變流器以及相關的支撐部件、連接部件和控制部件等，其中風輪機和發電機在風力發電系統中擔負著能量轉換的作用。風輪機將風能轉換為機械能，而發電機將機械能轉換為可用的電能。風力發電系統可以有很多種形式，根據不同的分類方式可以分為不同的系統。

（1）按照風力機部分風輪槳距角是否可調分為：定槳距型系統和變槳系統。

（2）按照風力機風輪轉速的控制類型分為：定速型和變速型。

（3）按照風輪對地結構樣式的不同可分為：水平軸機組和和垂直軸機組。

（4）按照風力機葉片的個數分為：單葉片機組、雙葉片機組、三葉片機組和多葉片機組。

（5）按照風力機是否處于迎風方向分為：上風向的機組和下風向的機組。

（6）按照風力機額定功率的大小分為：微型、小型、中型、大型和兆瓦級風電機組。

（7）按照風力機槳葉的受力方式可分為：升力型機組和阻力型機組。

（8）按照有無傳動機構分為：齒輪箱升速型和直驅型。

（9）按照發電機結構的不同分為：異步發電機系統和同步發電機系統。

（10）按照是否并網可以分為：并網型風電機組和離網型風電機組。

風力發電發展到現在，目前主流的風力機大多為水平軸、三葉片、上風向的結構，圖1-2和圖1-3分別為常見的水平軸風機和垂直軸風機。

目前國內外常見的風電機組類型主要有4種：采用齒輪箱增速的普通異步風力發電機組；雙饋異步風力發電機組、直驅式同步風力發電機組（含永磁發電機和直流勵磁發電機）以及混合式風力電機組。

1．普通異步風力發電機組

普通異步風力發電機組的結構形式如圖1-4所示。

此類電機一般為鼠籠型結構，通過變壓器連接，且轉子轉速固定，風能利用率低，感應電機需要從電網吸收大量的無功功率，因而采用電容器組進行無功功率的補償。由于發電機定子直接與電網連接，啟動時會產生很大啟動電流，所以一般需要配置啟動裝置，這樣可以獲得比較平穩的電網電壓，與雙饋式異步風電機相比，鼠籠式電機的結構簡單，容易控制。

2．雙饋式異步風力發電機組

雙饋式異步風力發電機組的結構形式如圖1-5所示。

雙饋異步發電機組比永磁直驅發電機系統增加了一個齒輪箱系統，是繞線型轉子三相異步發電機的一種，也是當前變速恒頻風電機組的主流機型。其定子繞組直接接入交流電網，轉子繞組與變頻器連接，由變頻器對電機進行控制。

雙饋異步風力發電機組具有比較完善的結構，具有雙向變流器來控制轉速，可以實現連續變速運行，風能轉換率高；電能質量較好；可以改善作用在風輪槳葉上的機械應力；雙饋電機直接與電網連接，由于轉子電流可控，因此可以實現風力發電機平滑并網。在低風速時，發電機轉子低于同步速運行，發電機轉子繞組通過換流器向發電機饋入勵磁功率；在高風速時，發電機轉子高于同步速運行，發電機轉子繞組向換流器輸出勵磁功率，這也是雙饋電機的優勢所在。

經由電力電子換流器，能夠對發電機的轉子電流和電磁轉矩進行控制，在風速波動時，轉子轉速跟著改變，功率也隨之改變，由此提高了風能利用率，這是變速恒頻電機的優勢所在。

3．直驅式同步風力發電機組

直驅式同步風力發電機組的結構形式如圖1-6所示。

同步電機勵磁機組可以采用直流電勵磁或永磁體勵磁方式，由于轉子極對數較多，電機外尺寸較大且較重，不方便運輸和吊裝，而且成本較高，控制系統復雜；對于直流電勵磁方式的同步電機，轉子轉速的調節可以通過控制勵磁電流的大小來控制電磁轉矩，以此來進行最大風能的捕獲；對于永磁同步電機，能夠依據調節直流電壓的方法來控制電磁轉矩，以此進行最大風能的捕獲。

對于直流勵磁方式的同步電機，勵磁損耗較小；對于永磁同步電機，則存在永磁材料的消磁現象。