2.1　風力發電

2.1.1　風電機組的構成及分類

2.1.1.1　風電機組的構成

風電機組是將風的動能轉換為電能的系統，由風輪、機艙、塔架和基礎等部分構成，如圖2-1所示。

風輪由葉片和輪轂組成。葉片在氣流作用下產生力矩驅動風輪轉動，通過輪轂將轉矩輸入到主傳動系統；機艙由底盤、整流罩和機艙罩組成，底盤上安裝除主控制器以外的主要部件，整流罩用于保護風電機組，機艙罩后部的上方裝有風速和風向傳感器，艙壁上有隔音和通風裝置等，底部與塔架連接；塔架支撐機艙達到所需要的高度，其上安置發電機和主控制器之間的動力電纜、控制和通信電纜；基礎為鋼筋混凝土結構，根據當地地質情況設計成不同的型式，其中心預置與塔架連接的基礎部件，保證將風電機組牢牢地固定在基礎上，基礎周圍還要設置預防雷擊的接地裝置。

典型變速風電機組內部結構如圖2-2所示。

典型的變速風電機組由以下基本部分組成：①變槳距系統，包括變距電動機、變距控制器、電池盒等；②發電系統，包括發電機、變流器等；③主傳動系統，包括主軸及主軸承、齒輪箱、高速軸和聯軸器等；④偏航系統，包括電動機、減速器、變距軸承、制動機構等；⑤控制系統，包括傳感器、電氣設備、計算機控制系統和相應軟件。

此外，還有液壓系統，為高速軸上設置的制動裝置、偏航制動裝置提供液壓動力。液壓系統包括液壓站、輸油管和執行機構。為了實現齒輪箱、發電機、變流器的溫度控制，設有循環油冷卻風扇和加熱器。

2.1.1.2　風電機組的分類

風電機組類型多樣，按風輪轉軸方向，可以分為水平軸風電機組和垂直軸風電機組；按葉片角度調節方式，可以分為定槳距風電機組和變槳距風電機組；按傳動方式，可以分為直驅風電機組和非直驅風電機組；按發電機類型，可以分為異步風電機組和同步發電機組。隨著電力電子技術在風力發電中的應用，按電氣控制方式和電力電子變流器容量，可以分為雙饋風電機組和全功率風電機組。

目前最為常用的風電機組類型包括采用籠型異步發電機的定槳失速型風電機組（異步風電機組）、采用雙饋異步發電機的變速恒頻風電機組（雙饋風電機組）和采用低速永磁同步發電機的直驅式變速恒頻風電機組（永磁直驅風電機組）。在大容量風電機組設計制造中，雙饋風電機組和永磁直驅風電機組是典型代表。IEC根據物理特性將風電機組類型分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。

1.Ⅰ型風電機組

Ⅰ型風電機組（定速風電機組）一般采用籠型異步感應發電機，其轉子經齒輪箱與風輪連接，定子直接連接到電網，轉速只能少許改變[±（1%～2%）]，幾乎是“恒速”的。Ⅰ型風電機組的主要電氣、機械部件的接線方式如圖2-3所示。圖中，WTR為風輪，GB為齒輪箱，AG為異步發電機，FC為固定電容器組，VC為可變電容器組，QF為斷路器，TR為箱式變壓器，WTT為風電機組端口。

2.Ⅱ型風電機組

Ⅱ型風電機組（滑差控制變速風電機組）通過電力電子器件控制轉子電阻，同時配有變槳控制系統，允許轉速的變化為±10%，使電能質量優化并降低風電機組元件的機械應力。Ⅱ型風電機組的主要電氣、機械部件的接線方式如圖2-4所示。圖中，WTR為風輪，GB為齒輪箱，WRAG為線繞式異步發電機，VRR為可變轉子電阻，FC為固定電容器組，VC為可變電容器組，QF為斷路器，TR為箱式變壓器，WTT為風電機組端口。

Ⅱ型風電機組商用產品不多，國內更為少見。

3.Ⅲ型風電機組

Ⅲ型風電機組（雙饋變速風電機組）采用繞線式異步發電機，轉子通過背靠背變流器連接于電網，控制轉子勵磁，實現轉子轉速與轉頻率解耦、電網頻率與轉子頻率匹配以及有功與無功解耦，轉速變化范圍可達同步轉速的±30%。Ⅲ型風電機組的主要電氣、機械部件的接線方式如圖2-5所示。圖中，WTR為風輪，GB為齒輪箱，WRAG為線繞式異步發電機，GSC為機側變流器，LSC為網側變流器，CB為撬棒電阻（Crowbar），CH為斬波電阻（Chopper），C為直流電容器，L為電抗器，QF為斷路器，TR為箱式變壓器，WTT為風電機組端口。

4.Ⅳ型風電機組

Ⅳ型風電機組（全功率變流風電機組）通過全功率變流器連接于電網，實現與電網完全解耦，可以提供比Ⅲ型風電機組更寬的運行風速范圍和更寬范圍的無功/電壓控制能力。絕大部分Ⅳ型風電機組一般采用永磁同步發電機，無齒輪箱，因此運行可靠性更高、故障率更低。Ⅳ型風電機組的主要電氣、機械部件的接線方式如圖2-6所示。圖中，WTR為風輪，GB為齒輪箱，SG/AG為同步/異步發電機，GSC為機側變流器，LSC為網側變流器，C為直流電容，CH為斬波電阻，L為電抗器，QF為斷路器，TR為箱式變壓器，WTT為風電機組端口。

2.1.2　風輪工作原理

2.1.2.1　風能利用系數

由流體力學可知，空氣流動產生的動能，即風能的表達式為

式中　ρ——空氣密度，kg/m3；

A——單位時間氣流流過的截面積，m2；

v——風速，m/s。

對于理想的風輪，風功率PW是動能對時間的導數，其表達式為

通常用風能利用系數CP來表示實際風電機組從風中所吸取功率的比例，從而得到風電機組實際吸收的功率為

式中　PW——風電機組從風中獲取的能量轉化而來的風功率，W；

r——風輪半徑，即葉片長度，m；

CP——風電機組的風能利用系數。

對于給定的風電機組類型，CP可以通過實際測量擬合為葉尖速比λ與槳距角β的函數，計算公式為

其中

風輪的特性可以由一簇風能利用系數的無因次性能曲線來表示，圖2-7給出風能利用系數CP與葉尖速比λ和槳距角β的關系曲線。

2.1.2.2　變槳距控制系統

變槳距就是使葉片繞其安裝軸旋轉，改變葉片的槳距角，可以改變風輪的氣動特性，控制風能的能量吸收，從而保持一定的輸出功率。變速風電機組的轉速變化范圍一般為10～30r/min。變速恒頻變槳距控制的理論依據是，當風速低于額定風速時，一般固定槳距角不變，為0°；當風速高于額定風速時，保持電磁轉矩恒定，通過調節槳距角減少發電機的輸出功率，使輸出功率穩定在額定功率。在實際變速風電機組的變槳距控制中，根據輸入信號的不同，變槳距控制可以分為轉速限制和功率限制兩種模式。

2.1.2.3　傳動系統

傳動系統是風電機組傳遞機械能，并將機械能轉換為電能的重要部件，主要由主軸、軸承及軸承座、齒輪箱、聯軸器等部件組成。

（1）主軸。主軸安裝在風輪和齒輪箱之間，起到支撐輪轂處傳遞的各種負載的作用，并將扭矩傳遞給增速齒輪箱，將軸向推力、氣動彎矩傳遞給機艙、塔架。

（2）軸承及軸承座。軸承及軸承座用于支撐傳動系統，與齒輪箱兩側的彈性支撐一起構成三點式支撐。

（3）齒輪箱。除了直驅式風電機組，其他型式的風電機組都要應用齒輪箱。齒輪箱通過齒輪副進行動力傳輸。風電機組的齒輪箱種類很多，按照傳統類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱及其組合；按照傳動的級數可分為單級齒輪箱和多級齒輪箱；按照傳動的布置形式又可分為展開式齒輪箱、分流式齒輪箱、同軸式齒輪箱以及混合式齒輪箱等。

（4）聯軸器。聯軸器是一種通用元件，種類很多，用于傳動軸的連接和動力傳遞。聯軸器可以分為剛性聯軸器和撓性聯軸器兩大類，撓性聯軸器又分為無彈性元件聯軸器、非金屬彈性元件聯軸器和金屬彈性元件聯軸器。剛性聯軸器常用在對中性好的兩個軸的連接；撓性聯軸器用于連接對中性較差的兩個軸，提供一個彈性環節，吸收軸系外部負載波動產生的振動。

2.1.3　并網控制原理

變速恒頻風電機組的電氣控制主要是指變流器的控制，通過變流器控制發電機的電磁轉矩，實現對風輪轉速的控制，進而實現變速恒頻。本節分別以廣泛使用的雙饋風電機組和直驅風電機組為例，說明并網控制原理。

2.1.3.1　雙饋風電機組

雙饋風電機組的變速運行是建立在交流勵磁變速恒頻發電技術基礎上的。交流勵磁變速恒頻發電是在異步發電機的轉子中施加三相低頻交流電流實現勵磁，調節勵磁電流的幅值、頻率、相序，確保發電機輸出功率恒頻恒壓，同時采用矢量變換控制技術，實現發電機有功功率、無功功率的獨立調節。在變速恒頻風力發電中，由于風能的不穩定，發電機轉速不斷變化，經常在20%～30%同步轉速范圍內波動。

雙饋風電機組通過雙PWM變流器（網側變流器和機側變流器）實現并網控制，其拓撲結構如圖2-8所示。

雙饋風電機組的控制普遍采用矢量控制技術。利用坐標變換建立的旋轉坐標系下的數學模型，定子輸出的有功功率和無功功率是耦合的，利用電流的前饋補償，可以使有功功率和無功功率分別與q軸和d軸的電流成正比，從而實現定子、轉子解耦，以及對有功功率和無功功率的解耦控制。

在運行控制過程中，兩個變流器各司其職。其中，網側變流器的主要作用有：①保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數符合要求；②保證直流母線電壓穩定，直流母線電壓穩定是變流器正常工作的前提。

機側變流器的主要作用有：①給雙饋風電機組的轉子提供勵磁分量的電流，從而調節雙饋風電機組定子側發出的無功功率；②通過控制雙饋風電機組轉子轉矩分量的電流控制雙饋風電機組的轉速或控制雙饋風電機組定子側發出的有功功率，從而使雙饋風電機組運行在風輪的最大功率追蹤曲線上，實現最大風能捕獲。

2.1.3.2　直驅風電機組

直驅風電機組采用同步發電機，其轉速和電網頻率之間是剛性耦合的。隨機變化的風能將給發電機輸入變化的能量，不僅給風輪帶來高負荷和沖擊，而且不能以優化方式運行。

直驅風電機組的控制策略是基于機側變流器定子電壓定向的電流矢量控制，繼而控制發電機的電磁轉矩，從而控制風輪轉速，追蹤到最大功率曲線，保持風輪獲得最佳的風功率。

直驅風電機組同樣通過雙PWM變流器實現并網控制，但其結構與雙饋風電機組不同，如圖2-9所示。

機側變流器采用轉子磁鏈定向控制，把坐標系的d軸定向在轉子磁鏈矢量上，與轉子同步旋轉。在dq旋轉坐標系下，d軸和q軸上的電壓控制矢量是有耦合項的，通過在d軸、q軸加入電流前饋補償項，可實現完全解耦，繼而達到有功功率和無功功率的解耦控制。實現內環電流控制和外環轉速控制，使風輪工作在最優轉速的運行條件下。

網側變流器采用電網電壓定向控制，在dq旋轉坐標系下，以直流電壓Udc和網側變流器與電網交換的無功功率Q為控制目標，采用電網電壓定向的矢量控制方案，實現其解耦控制。

由于永磁發電機無需無功功率的特殊性，采取基于dq旋轉坐標系的矢量控制法可達到對發電機轉速的控制，同時實現功率因數的可控，整個系統的控制方法有利于風輪保持在最大功率追蹤曲線上。控制過程的關鍵在于，變槳系統根據風輪情況對采集的風速信號及時做出調整，通過變流器的矢量控制及時調整轉速保證機組維持在額定功率附近運行。