風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

1、第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)1第第3章章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)2第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)3 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容3.1 3.1 風(fēng)的特性及風(fēng)能利用風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.2 3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.3 3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.4 3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償3.5 3.5 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)第第3章章 風(fēng)

2、能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)4 緒緒 論論 在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種。在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種。風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和控制技術(shù)等領(lǐng)域?？刂萍夹g(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(lái)的，它首先起風(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(lái)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(guó)。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(guó)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機(jī)，隨之而來(lái)

3、的環(huán)境問(wèn)題迫使人們考慮可年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機(jī)，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題迫使人們考慮可再生能源利用問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風(fēng)力發(fā)電是再生能源利用問(wèn)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(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源，也將是近期內(nèi)最具開(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀(jì)中發(fā)展最快的世紀(jì)中發(fā)展最快的一種可再生能源。一種可再生能源。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)5感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)6第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)7第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)

4、電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)8第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)93.1 3.1 風(fēng)的特性及風(fēng)能利用風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1 3.1.1 風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)的產(chǎn)生 風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽(yáng)輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公由太陽(yáng)輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。圖圖3-1 3-1 地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng) 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)103.1.2 3.1.2 風(fēng)的特性與風(fēng)能風(fēng)的特性與風(fēng)能1 1、隨機(jī)性、隨機(jī)性2 2、風(fēng)隨高度的變化

5、而變化、風(fēng)隨高度的變化而變化 不同高度風(fēng)速的表達(dá)式：不同高度風(fēng)速的表達(dá)式： khhvv00式中式中 距地面高度為距地面高度為h處的風(fēng)速（處的風(fēng)速（ms）；）； 0高度為高度為h0處的風(fēng)速（處的風(fēng)速（ms），一般?。?，一般取h0為為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 為為0.1250.5。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)113.1.3 3.1.3 風(fēng)的表示及應(yīng)用風(fēng)的表示及應(yīng)用1 1、風(fēng)向、風(fēng)向 東西北南南南風(fēng)南東東南東北北東東北東北東西北西北北西北西南南西西南西南西SSEESEESENNE

6、ENENESNNNWNWWNWWWSWSWSSW 風(fēng)向一般用風(fēng)向一般用16個(gè)方個(gè)方位表示，也可以用角度位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖表示。圖示方向方位圖圖圖3-2 3-2 風(fēng)向方位圖風(fēng)向方位圖第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)122 2、風(fēng)速、風(fēng)速 由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。 3 3、風(fēng)力、風(fēng)力 風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種

7、現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小。國(guó)際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小。國(guó)際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為風(fēng)到颶風(fēng)共分為1313個(gè)等級(jí)。個(gè)等級(jí)。 505. 1N824. 01 . 0N風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系：式中式中 VNN級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)速級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)速(m/s)； N風(fēng)的級(jí)數(shù)。風(fēng)的級(jí)數(shù)。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)134 4、風(fēng)能、風(fēng)能 （1 1） 風(fēng)能密度風(fēng)能密度，空氣在一秒鐘內(nèi)以速度空氣在一秒鐘內(nèi)以速度流過(guò)單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。流過(guò)單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。 表達(dá)式為：表達(dá)式為：35 . 0E （2 2） 風(fēng)能風(fēng)

8、能，空氣在一秒鐘時(shí)間內(nèi)以速度，空氣在一秒鐘時(shí)間內(nèi)以速度流過(guò)面積為流過(guò)面積為S截面的動(dòng)能。截面的動(dòng)能。 表達(dá)式為：表達(dá)式為：SvESW35 . 0 （3 3） 風(fēng)能利用風(fēng)能利用，風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)，風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn) 化為其他形式的能量化為其他形式的能量 。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)14 風(fēng) 能 風(fēng) 力 機(jī) 風(fēng) 帆 機(jī) 械 泵 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 熱 裝 置 水 空 氣 油 直 流 電 交 流 電 整 流 抽 水 蓄 能 壓 縮 空 氣 液 壓 電 動(dòng) 機(jī) 電 解 制 氫 蓄 電 池 電 網(wǎng) 熱 能 渦 輪 機(jī) 機(jī) 械

9、 負(fù) 載 渦 輪 機(jī) 逆 變 發(fā) 電 機(jī) 供 暖 、 供 熱 水 灌 溉 交 、 直 流 電 能 負(fù) 荷 助 航 風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況如圖所示。如圖所示。圖圖3-5 3-5 風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)153.2 3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.2.1 3.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類 1 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 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有3 3種，如下表所示。種，如下表所示。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、

10、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)16按風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率 按運(yùn)行方式按運(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（額定功率微型（額定功率501000W）、小型（額定功）、小型（額定功率率1.010kW）、中型（額定功率）、中型（額定功率10100kW）和大型（額定功率大于和大型（額定功率大于100kW） 獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)172 2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、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)

11、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(dòng)設(shè)備等技術(shù)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(dòng)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)。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)。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)18（1 1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)尾舵充電控制器畜電池組逆變器電纜風(fēng)輪支架 水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包包括尾舵括尾舵)、發(fā)電機(jī)、支架、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、充電控制器、

12、逆變電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。 圖圖3-6 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)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)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)19 并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示構(gòu)如右圖所示 風(fēng)輪增速器交流發(fā)電機(jī)主繼電器主開(kāi)關(guān)變壓器轉(zhuǎn)速測(cè)量晶閘管熔斷器定槳距或變槳距風(fēng)速測(cè)量控制系統(tǒng)功率測(cè)量電容補(bǔ)償電網(wǎng)（2

13、2） 并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖圖3-7 3-7 并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)20 并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成，回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成，結(jié)構(gòu)如右圖結(jié)構(gòu)如右圖。 （3 3） 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖圖3-8 3-

14、8 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)213.2.2 3.2.2 風(fēng)力機(jī)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)。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 1、水平軸風(fēng)力機(jī)：、水平軸風(fēng)力機(jī)： a.a.荷蘭式荷蘭式 b.b.農(nóng)莊式農(nóng)莊式 c.c.自行車式自行車式 d.d.槳葉式槳葉式 a)c)b)d)圖圖3-9 3-9 水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)222 2、垂直軸風(fēng)力機(jī)：、垂直軸風(fēng)力機(jī)：a.a.薩窩紐斯式薩窩紐斯式 b.b.達(dá)里厄

15、式達(dá)里厄式 c.c.旋翼式旋翼式a)b)c)圖圖-10 -10 垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)23水平軸水平軸垂直軸垂直軸第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)243.2.3 3.2.3 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面空氣總動(dòng)力F F葉片弦線安裝角風(fēng)速v葉片線速度u= r相對(duì)風(fēng)速vw相對(duì)風(fēng)向角迎角FLDCFDOAB 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原因是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)具有因是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)具有特殊的翼型。圖示為特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的翼

16、現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的翼型及翼型受力分析圖。型及翼型受力分析圖。 圖圖3-11 3-11 風(fēng)力機(jī)的葉片翼型及受力風(fēng)力機(jī)的葉片翼型及受力第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)25 現(xiàn)分析風(fēng)輪不動(dòng)時(shí)受到風(fēng)吹的情況：現(xiàn)分析風(fēng)輪不動(dòng)時(shí)受到風(fēng)吹的情況： 當(dāng)風(fēng)以速度矢量當(dāng)風(fēng)以速度矢量 吹向葉片時(shí)，在翼型的上表面，風(fēng)速減小，吹向葉片時(shí)，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)生垂直于翼弦的力形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力 F F ，力，力 F F 可以分解為與相對(duì)風(fēng)速可以分解為與相

17、對(duì)風(fēng)速方向平行的阻力方向平行的阻力 F FD D 和垂直于風(fēng)向的升力和垂直于風(fēng)向的升力 F FL L ，升力使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，升力使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)26風(fēng)力機(jī)的輸出功率風(fēng)力機(jī)的輸出功率 當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力機(jī)的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，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：械能，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率可用式子表示為：3Pa21vACP第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)27 對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系

18、C CPmPm有一個(gè)葉尖速比有一個(gè)葉尖速比m m，因風(fēng)速經(jīng)常變，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，風(fēng)力機(jī)應(yīng)變速運(yùn)行，以維持葉尖速比化，為實(shí)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m m不不變。變。 在槳距角一定時(shí)，在槳距角一定時(shí)，C CP P與葉尖速比與葉尖速比的關(guān)系如下圖所示。的關(guān)系如下圖所示。 CpCpm0m圖圖3-13 3-13 風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)283.2.4 3.2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換

19、為電能的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心心 。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。同步發(fā)電機(jī)及

20、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)291 1、 獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī) 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。下圖所示。 直流負(fù)載增速器交流發(fā)電機(jī)整流器控制器蓄電池交流負(fù)載逆變器圖圖3-14 3-14 獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能

21、、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)30（1 1）直流發(fā)電機(jī)）直流發(fā)電機(jī) 直流發(fā)電機(jī)從磁場(chǎng)產(chǎn)生（勵(lì)磁）的直流發(fā)電機(jī)從磁場(chǎng)產(chǎn)生（勵(lì)磁）的角度來(lái)分，可分為永磁式直流發(fā)電機(jī)角度來(lái)分，可分為永磁式直流發(fā)電機(jī)和電磁式直流發(fā)電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖和電磁式直流發(fā)電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無(wú)刷化，材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無(wú)刷化，永磁直流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性永磁直流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)。 圖圖3-15 3

22、-15 電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)31（2 2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī)）永磁式交流同步發(fā)電機(jī) 永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁繞組，因此無(wú)勵(lì)磁繞組的沒(méi)有勵(lì)磁繞組，因此無(wú)勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無(wú)集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采無(wú)集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)便，因積小，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。機(jī)中。234

23、56SNSN1圖圖3-17 3-17 凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 11定子齒定子齒 22定子軛定子軛 33永磁體轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)子 44轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸 55氣隙氣隙 66定子繞組定子繞組第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)32（3 3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī) 如下圖，硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖。如下圖，硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖。 硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來(lái)抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

24、變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電電流的大小，來(lái)抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。壓的影響，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。整 流 器轉(zhuǎn) 子 勵(lì) 磁 繞 組定 子 三 相 繞 組勵(lì) 磁 調(diào) 節(jié) 器蓄 電 池 組圖圖3-183-18硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)33（4 4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī) 電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容，電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)生超前于電

25、壓的容性電流建立磁場(chǎng)，從而建立電壓。其電路示意圖如以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場(chǎng)，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。下圖所示。 nCC異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)定子負(fù)載CABC圖圖3-19 3-19 電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)34并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī) （1 1）異步發(fā)電機(jī)）異步發(fā)電機(jī) 風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和

26、整步操作。異步發(fā)電以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)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(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過(guò)轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)載。機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過(guò)轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)載。（2 2）同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī) 當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無(wú)功功率，可使功率因數(shù)為也可提供無(wú)功功率，可使功率因數(shù)為1 1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

27、 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)35第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)36（3 3）雙饋異步發(fā)電機(jī)）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(tái)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(tái)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。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

28、異 步 發(fā) 電 機(jī)逆 變 器整 流 器風(fēng) 輪PwPa圖圖3-25 3-25 雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)37第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)38 雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：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(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)異步發(fā)電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時(shí)，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：系可表示為： 式中式中 f f1 1

29、定子電流的頻率（定子電流的頻率（HzHz），），f f1 1= =pnpn1 1/60/60，n n1 1 為同步轉(zhuǎn)速；為同步轉(zhuǎn)速； p p發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)； n n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/minr/min）；）； f f2 2轉(zhuǎn)子電流的頻率（轉(zhuǎn)子電流的頻率（HzHz），因），因f f2 2= =sfsf1 1，故，故f f2 2又稱為轉(zhuǎn)差頻率。又稱為轉(zhuǎn)差頻率。2160fnpf第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)39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)：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

30、 1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n n 00，頻率為，頻率為f f2 2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)402 2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n n n n1 1，轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差率s s00，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為頻率為f f2 2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。如圖所示。3 3

31、）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n n= =n n1 1，f f2 2=0=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。同。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)41 雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運(yùn)行，也的雙向流動(dòng)，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；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)可以超同步運(yùn)行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對(duì)有

32、功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；能吸收能捕獲；可對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)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(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，因此電能質(zhì)量高，是目陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，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)。前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機(jī)。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)42（4 4）無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)）無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī) 無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly(Brushless DoublyFed MachineFed Machine，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱BDFM)BDFM)的基本原理與雙

33、饋異步發(fā)電機(jī)相同，不同之外是取消了電刷和集的基本原理與雙饋異步發(fā)電機(jī)相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級(jí)電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級(jí)聯(lián)式和磁場(chǎng)調(diào)制型兩種類型。聯(lián)式和磁場(chǎng)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(duì)數(shù)功率繞組極對(duì)數(shù)BDFMfcpcpfpP圖圖3-27 3-27 級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī) 圖圖3-28 3-28 磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī) 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)43（5 5）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)

34、電機(jī)）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱式發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱SRGSRG），定、轉(zhuǎn)子），定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，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)定子極數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，定子凸極上安放有彼子上無(wú)繞組，定子凸極上安放有彼此獨(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩此獨(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩個(gè)繞組串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一相。個(gè)繞組串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一相。 S1S2AACBCB2143V D1V D2圖圖3-29 3-29 三相（三相（6/46/4極）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)極）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技

35、術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)44 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、開(kāi)關(guān)磁開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電阻發(fā)電機(jī)及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。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(fù)載變換器電池SRG驅(qū)動(dòng)iu 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風(fēng)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)、變速運(yùn)行，有一定的開(kāi)發(fā)、研究?jī)r(jià)值。力發(fā)電系統(tǒng)

36、中可用于直接驅(qū)動(dòng)、變速運(yùn)行，有一定的開(kāi)發(fā)、研究?jī)r(jià)值。圖圖3-30 3-30 開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)453.3 3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行

37、并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過(guò)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(duì)機(jī)組進(jìn)運(yùn)行過(guò)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(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機(jī)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用微機(jī)控制組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用微機(jī)控制，如下圖如下圖所示。所示。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)46A/D轉(zhuǎn)換通信驅(qū)動(dòng)模塊微機(jī)打印鍵盤驅(qū)動(dòng)顯示其它傳感器其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)風(fēng)1234567121198141310至并網(wǎng)控制.片外存儲(chǔ)器2 2

38、A/DA/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 3 3風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向標(biāo) 4 4風(fēng)速計(jì)風(fēng)速計(jì) 5 5頻率計(jì)頻率計(jì) 6 6電壓表電壓表 7 7電流表電流表 8 8控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu) 9 9執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 1010液壓調(diào)速油缸液壓調(diào)速油缸 1111調(diào)向電機(jī)調(diào)向電機(jī) 1212其他傳感器其他傳感器 圖圖3-32 3-32 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微機(jī)自控原理框圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微機(jī)自控原理框圖第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)473.3.1 3.3.1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標(biāo)主要有四個(gè)：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標(biāo)主要有四個(gè)： 保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、能量利用率最大、電能質(zhì)

39、量高、機(jī)組壽命延長(zhǎng)。保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機(jī)組壽命延長(zhǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個(gè)：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個(gè)： 在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行； 低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能；低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能； 高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值；高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值； 減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；避免共振；第第3

40、章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)48減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；控制器簡(jiǎn)單，控制代價(jià)小，對(duì)一些輸入信號(hào)進(jìn)行限幅；控制器簡(jiǎn)單，控制代價(jià)小，對(duì)一些輸入信號(hào)進(jìn)行限幅；調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。 為實(shí)現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來(lái)的變槳距經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來(lái)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

41、。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。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)493.3.2 3.3.2 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制 風(fēng)力機(jī)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(dòng)失速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)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(dòng)失速調(diào)節(jié)三種三種。 1 1、定槳距失速調(diào)節(jié)、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(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能轂的連接是固定的，槳距角固定

42、不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電隨之變化。在風(fēng)速超過(guò)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(jī)組的輸出功率在額定值附近。機(jī)組的輸出功率在額定值附近。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)50 定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，由風(fēng)速變化引起的輸定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，由風(fēng)速變化引起的輸出功率的控制只通過(guò)槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有功率反饋系統(tǒng)和變出功率的控制只通過(guò)槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件小、造價(jià)低。其槳距

43、機(jī)構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件小、造價(jià)低。其缺點(diǎn)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，缺點(diǎn)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(jī)組的整體效率較低。機(jī)組的整體效率較低。 2 2、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制 變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（范圍（0 09090）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過(guò)變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過(guò)變槳距機(jī)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

44、的變化而變化，一般用于變?nèi)~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(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)51 （1 1）根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過(guò)程：起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下）根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過(guò)程：起動(dòng)時(shí)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。（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. a. 起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制 變距風(fēng)輪的槳

45、葉在靜止時(shí)，槳距角變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角為為9090，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向葉向0 0方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng) b. b. 額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制 為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來(lái)，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來(lái)，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)

46、的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)52 c. c. 額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制 當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，通過(guò)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，通過(guò)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳距角距角 向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，增大，功角增大，功角 減小，減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持

47、在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。持在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)5300風(fēng) 速風(fēng) 速功率功率額 定 風(fēng) 速額 定 風(fēng) 速額定功率額定功率a a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線 b b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線 由圖可見(jiàn)，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力由圖可見(jiàn)，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功

48、率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率由于風(fēng)力機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)而減小。機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)而減小。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)54 3 3、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由速度控制器起作用，起動(dòng)結(jié)束后，在額定風(fēng)速以下，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，速控制，由速度控制器起作用，起動(dòng)結(jié)束后，在額定風(fēng)速以下，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，切換到功率控制，功率控系統(tǒng)不進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額

49、定風(fēng)速時(shí)，切換到功率控制，功率控制器根據(jù)給定與反饋的功率信號(hào)比較后進(jìn)行功率控制，以維持額定功率不變。制器根據(jù)給定與反饋的功率信號(hào)比較后進(jìn)行功率控制，以維持額定功率不變。 發(fā) 電 機(jī) 功 率 功 率 給 定 + 轉(zhuǎn) 速 給 定 + 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 功 率 控 制 器 速 度 控 制 器 節(jié) 距 控 制 器 變 距 機(jī) 構(gòu) 風(fēng) 輪 增 速 器 發(fā) 電 機(jī) 圖圖3-38 3-38 傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)55 新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個(gè)速度控制器及新型控制系統(tǒng)與傳

50、統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個(gè)速度控制器及增加了轉(zhuǎn)子電流的控制。其中一個(gè)速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器增加了轉(zhuǎn)子電流的控制。其中一個(gè)速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動(dòng)時(shí)和同步轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速控制。相同，既起動(dòng)時(shí)和同步轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速控制。電流給定電流控制電流測(cè)量PWM電力電子裝置外接電阻轉(zhuǎn)子繞組CTCT定子繞組 另一個(gè)速度控制器另一個(gè)速度控制器的作用是在并網(wǎng)后，和的作用是在并網(wǎng)后，和功率控制器一起通過(guò)轉(zhuǎn)功率控制器一起通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)子電流的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)速的控制。帶轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)速的控制。帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)

51、結(jié)構(gòu)如圖所示。結(jié)構(gòu)如圖所示。圖圖3-39 3-39 帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)56 轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，通過(guò)集轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，通過(guò)集電環(huán)與轉(zhuǎn)子電路相連，轉(zhuǎn)子電路中外接三相電阻，通過(guò)一組電力電子電環(huán)與轉(zhuǎn)子電路相連，轉(zhuǎn)子電路中外接三相電阻，通過(guò)一組電力電子器件來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目器件來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。的，其控

52、制系統(tǒng)原理如下圖所示。 圖中的開(kāi)關(guān)圖中的開(kāi)關(guān)S S代表機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前的控制方式，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；代表機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前的控制方式，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)R R代表機(jī)組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；代表機(jī)組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCCRCC為異步發(fā)電為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制器。機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制器。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)57給 定轉(zhuǎn) 速 值轉(zhuǎn) 速 控 制變 槳 距控 制變 槳 距機(jī) 構(gòu)風(fēng) 速風(fēng) 葉 輪機(jī) 構(gòu)增 速 齒輪 箱異 步 發(fā)電 機(jī)異 步 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 反 饋 值給 定轉(zhuǎn) 速 值轉(zhuǎn) 速 控 制風(fēng) 速轉(zhuǎn) 子 電 流 給 定 值給 定

53、 最 大 功 率 值功 率 控 制發(fā) 電 機(jī) 功 率 反 饋 值SSR C CRR+-+-圖圖3-40 3-40 轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)58 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制 1 1、原理、原理 變速恒頻是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂频玫捷敵鲱l變速恒頻是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。率恒定的電能。 2 2、特點(diǎn)、特點(diǎn) 1.1.可大范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地可大范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使功率系數(shù)保持在

54、最佳值，從而最大限度地吸收風(fēng)能，系統(tǒng)效率高；吸收風(fēng)能，系統(tǒng)效率高； 2.2.能吸收和存貯陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的疲勞損能吸收和存貯陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的疲勞損壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，減少噪聲；壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，減少噪聲； 3.3.可以控制有功功率和無(wú)功功率，電能質(zhì)量高?？梢钥刂朴泄β屎蜔o(wú)功功率，電能質(zhì)量高。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)593 3、調(diào)節(jié)控制過(guò)程、調(diào)節(jié)控制過(guò)程 (1) (1) 起動(dòng)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在

55、同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)；速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)； (2) (2) 并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問(wèn)題；大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問(wèn)題； (3) (3) 在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力

56、機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。輸出功率的更加平穩(wěn)。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)604 4、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類型、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類型 (1) (1) 籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 增 速 器交 - 直 - 交變 頻 器籠 型 異 步 發(fā) 電 機(jī)電 網(wǎng) 不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機(jī)組中難以實(shí)現(xiàn)；需加不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機(jī)組中難以實(shí)現(xiàn)；

57、需加電容補(bǔ)償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。電容補(bǔ)償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)61 (2) (2) 同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) PWPa同步發(fā)電機(jī)風(fēng)輪If電網(wǎng)交- 直- 交變頻器 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(jiǎn)單，可通過(guò)轉(zhuǎn)子特點(diǎn)：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單，可通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無(wú)功功率的控制。勵(lì)磁電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無(wú)功功率的控制。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)62(3)(3)雙饋異步發(fā)

58、電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 特點(diǎn)：大大降低特點(diǎn)：大大降低了變頻器的成本和控了變頻器的成本和控制難度；定子直接上制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性；抗干擾性和穩(wěn)定性；通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流的通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來(lái)調(diào)節(jié)有相位和幅值來(lái)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。功功率和無(wú)功功率。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)仍有電缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)仍有電刷和集電環(huán)，工作可刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。靠性受影響。 圖圖3-45 3-45 雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)63(4

59、)(4)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 增 速 箱風(fēng) 速風(fēng) 輪BDFM變 頻 器電 網(wǎng)功 率 控 制 器功 率 測(cè) 量ppP*fpfcpcf2fc*ic*PQQ* 特點(diǎn)：變頻器的容量較?。怀龑?shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率特點(diǎn)：變頻器的容量較小；除實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的靈活控制，以補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機(jī)上無(wú)電刷和集電環(huán)，和無(wú)功功率的靈活控制，以補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機(jī)上無(wú)電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大。但發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制器較復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大。但發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制器較復(fù)雜 圖圖3-46 3-46 無(wú)刷

60、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)645 5、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 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：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： 低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量；低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量； 高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。第第3章章 風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)65 (1) (1) 轉(zhuǎn)速