第3章风能、风力发电与控制技术(1).ppt

第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术1机械工业出版社第第3章章风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术2机械工业出版社第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3机械工业出版社 本章主要内容本章主要内容3.1 3.1 风的特性及风能利用风的特性及风能利用3.2 3.2 风力发电机组及其工作原理风力发电机组及其工作原理3.3 3.3 风力机的调节与控制风力机的调节与控制3.4 3.4 风力发电机组的控制策略风力发电机组的控制策略3.5 3.5 风力发电机组的并网技术风力发电机组的并网技术3.6 3.6 风力发电的经济技术性评价风力发电的经济技术性评价第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术4机械工业出版社 绪绪 论论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、发电机风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、发电机和控制技术等领域。和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的世纪中发展最快的一种可再生能源。一种可再生能源。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术5机械工业出版社感性认识：各式风机感性认识：各式风机http:/ 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术6机械工业出版社第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术7机械工业出版社第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术8机械工业出版社第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术9机械工业出版社3.1 3.1 风的特性及风能利用风的特性及风能利用3.1.1 3.1.1 风的产生风的产生风是地球上的一种自然现象，风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。这种能源转换的媒介。图图3-1 3-1 地球上风的运动地球上风的运动第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术10机械工业出版社3.1.2 3.1.2 风的特性与风能风的特性与风能1 1、随机性、随机性2 2、风随高度的变化而变化、风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：不同高度风速的表达式：式中式中距地面高度为距地面高度为h处的风速（处的风速（ms）；）；0高度为高度为h0处的风速（处的风速（ms），一般取），一般取h0为为10m；k修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为为0.1250.5。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术11机械工业出版社3.1.3 3.1.3 风的表示及应用风的表示及应用1 1、风向、风向 风向一般用风向一般用16个方个方位表示，也可以用角度位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图表示。图示方向方位图图图3-2 3-2 风向方位图风向方位图第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术12机械工业出版社2 2、风速、风速 由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风风速是指一段时间内的平均值，即平均风速速是指一段时间内的平均值，即平均风速 。3 3、风力、风力 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为风到飓风共分为1313个等级。个等级。例例5 5级风为：级风为：V5=9.4m/s.9.4m/s.风力等级与风速的关系风力等级与风速的关系：式中式中VNN级风的平均风速级风的平均风速(m/s)；N风的级数。风的级数。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术13机械工业出版社4 4、风能、风能（1 1）风能密度风能密度：密度为：密度为的的空气，在一秒钟内以速度空气，在一秒钟内以速度流过流过单位面单位面 积积产生的动能称为风能密度（产生的动能称为风能密度（W/mW/m2 2)。表达式为：表达式为：（2 2）风能风能：空气在一秒钟时间内以速度空气在一秒钟时间内以速度流过流过面积为面积为S截面截面的动能的动能(W)。表达式为：表达式为：（3 3）风能利用风能利用：风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量化为其他形式的能量。风能发电：风的动能风能发电：风的动能电能电能第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术14机械工业出版社风能转换及应用情况风能转换及应用情况如图如图3-5所示。所示。图图3-5 3-5 风能转换与应用情况风能转换与应用情况第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术15机械工业出版社3.2 3.2 风力发电机组及其工作原理风力发电机组及其工作原理3.2.1 3.2.1 风力发电机组的分类及结构风力发电机组的分类及结构1 1、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有风力发电机组的分类一般有3 3种，如下表所示。种，如下表所示。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术16机械工业出版社按风轮轴的安装型式按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按风力发电机的功率按运行方式按运行方式水平轴风力发电机组水平轴风力发电机组和和垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组微型微型（额定功率（额定功率501000W）、）、小型小型（额定功（额定功率率1.010kW）、）、中型中型（额定功率（额定功率10100kW）和）和大型大型（额定功率大于（额定功率大于100kW）独立运行独立运行和和并网运行并网运行第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术17机械工业出版社2 2、风力发电机组的结构、风力发电机组的结构风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术18机械工业出版社（1 1）独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮力发电机组主要由风轮(包包括尾舵括尾舵)、发电机、支架、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其器、蓄电池组等组成，其主要结构，如图主要结构，如图3-6。图图3-6 3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构水平轴独立运行的风力发电机组主要结构第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术19机械工业出版社并网运行的水平轴并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结塔架等部件组成，其结构如图构如图3-7所示所示（2 2）并网运行的风力发电机组并网运行的风力发电机组图图3-7 3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术20机械工业出版社并网运行的大型风力并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，回转体、制动器）等组成，结构如图结构如图3-8。（3 3）大型风力发电机组大型风力发电机组图图3-8 3-8 大型风力发电机组的基本结构大型风力发电机组的基本结构第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术21机械工业出版社3.2.2 3.2.2 风力机及风能转换原理风力机及风能转换原理一、风力机一、风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1 1、水平轴风力机：、水平轴风力机：a.a.荷兰式荷兰式 b.b.农庄式农庄式 c.c.自行车式自行车式 d.d.桨叶式桨叶式 图图3-9 3-9 水平轴风力机水平轴风力机第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术22机械工业出版社2 2、垂直轴风力机：、垂直轴风力机：a.a.萨窝纽斯式萨窝纽斯式 b.b.达里厄式达里厄式 c.c.旋翼式旋翼式图图-10-10 垂直轴风力机垂直轴风力机第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术23机械工业出版社水平轴水平轴垂直轴垂直轴第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术24机械工业出版社二、二、风力机的气动原理风力机的气动原理 风力发电机组中风力发电机组中的风轮之所以能将风的风轮之所以能将风能转化为机械能，原能转化为机械能，原因是因为风力机具有因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。型及翼型受力分析图。图图3-11 3-11 风力机的叶片翼型及受力风力机的叶片翼型及受力第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术25机械工业出版社 现分析风轮不动时受到风吹的情况：现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力形成压差，产生垂直于翼弦的力 F F，力，力 F F 可以分解为与相对风速可以分解为与相对风速方向平行的阻力方向平行的阻力 F FD D 和垂直于风向的升力和垂直于风向的升力 F FL L，升力使风力机旋转，升力使风力机旋转，实现能量的转换。实现能量的转换。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术26机械工业出版社风力机的输出功率风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术27机械工业出版社 对应于风力机的最大利用系对应于风力机的最大利用系C CPmPm有一个叶尖速比有一个叶尖速比m m，因风速经常，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比m m不变。在桨距角一定时，不变。在桨距角一定时，C CP P与叶尖速比与叶尖速比的关系如下图所示。的关系如下图所示。其中：其中：=r/v=2r/v=2nr/60vnr/60v图图3-13 3-13 风力机的利用系数与叶尖速比的关系风力机的利用系数与叶尖速比的关系第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术28机械工业出版社第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术29机械工业出版社（3 3）双馈异步发电机）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。图图3-23 3-23 双馈异步发电机的系统结构双馈异步发电机的系统结构第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术30机械工业出版社MW级双馈风力发电机组与变流系统原理级双馈风力发电机组与变流系统原理 第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术31机械工业出版社 双馈异步发电机工作原理：双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：系可表示为：式中式中 f f1 1定子电流的频率（定子电流的频率（HzHz），），f f1 1=pnpn1 1/60/60，n n1 1 为同步转速；为同步转速；p p发电机的极对数；发电机的极对数；n n转子的转速（转子的转速（r/minr/min）；）；f f2 2转子电流的频率（转子电流的频率（HzHz），因），因f f2 2=sfsf1 1，故，故f f2 2又称为转差频率。又称为转差频率。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术32机械工业出版社根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态有三种运行状态：1 1）亚同步运行状态。）亚同步运行状态。此时转子此时转子n n 00，频率为频率为f f2 2的转子电流的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如下图所示。，功率流向如下图所示。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术33机械工业出版社2 2）超同步运行状态。）超同步运行状态。此时此时n n n n1 1，转差率，转差率s s00，转子中的电流相序发生了改变，转子中的电流相序发生了改变，频率为频率为f f2 2的的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向，功率流向如下图所示。如下图所示。3 3）同步运行状态。）同步运行状态。此时此时n n=n n1 1，f f2 2=0=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。同。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术34机械工业出版社 双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动。现功率的双向流动。优点：优点：1 1）功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，）功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；也可以超同步运行，因此调速范围宽；2 2）可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；）可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；3 3）可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；）可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；4 4）能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，）能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术35机械工业出版社3.2.4 3.2.4 独立运行式风力发电机组的控制系统独立运行式风力发电机组的控制系统 独立运行式风力发电机组一般是独立运行式风力发电机组一般是1kW-10kW1kW-10kW的风力发电系统，适用于远离的风力发电系统，适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线保护站等用户。典型独立运动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线保护站等用户。典型独立运行风电系统如图行风电系统如图3-333-33所示。主要组成部分包括风力机、发电机、蓄电池、逆所示。主要组成部分包括风力机、发电机、蓄电池、逆变器以及控制系统。变器以及控制系统。图图3 33333独立运行风电系统框图独立运行风电系统框图第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术36机械工业出版社风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变变为电能。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以一般独立运行小型风力发电化，不易于直接被负载利用，所以一般独立运行小型风力发电系统通过系统通过“AC-DC-ACAC-DC-AC”的方式供电，并且由于无风季节的存在，的方式供电，并且由于无风季节的存在，使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都流电向蓄电池充电，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出供给负载。很稳定的交流电输出供给负载。风力机和发电机的控制前面已经介绍过，下面主要对电力风力机和发电机的控制前面已经介绍过，下面主要对电力变换单元、控制器、最大功率控制、负载跟踪控制作介绍。变换单元、控制器、最大功率控制、负载跟踪控制作介绍。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术37机械工业出版社1 电力变换单元：由电力变换单元：由AC-DC、DC-DC变换器和变换器和DC-AC逆变器组逆变器组成。给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电。成。给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电。2 控制器控制器：在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它控制、：在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它控制、协调整个系统的正常运行，实时检测系统各参数以防异常情况协调整个系统的正常运行，实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。这些保护的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。这些保护包括：蓄电池组过压、欠压保护，发电机的超速、过流保护。包括：蓄电池组过压、欠压保护，发电机的超速、过流保护。3 最大功率控制：当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和最大功率控制：当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪最大功率。有两种控制方法，采用风速信号的控制方法和采用最大功率。有两种控制方法，采用风速信号的控制方法和采用功率信号的控制方法。功率信号的控制方法。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术38机械工业出版社4 负载跟踪控制：独立运行系统与并网运行系统的最大区别就是负载跟踪控制：独立运行系统与并网运行系统的最大区别就是负载是不断变化的，捕获的风能要与负载用电量匹配。负载跟负载是不断变化的，捕获的风能要与负载用电量匹配。负载跟踪与蓄电池充电集成控制框图如图踪与蓄电池充电集成控制框图如图3-34所示。所示。图图3 334 34 负载跟踪与充电集成控制框图负载跟踪与充电集成控制框图第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术39机械工业出版社3.4 3.4 风力发电机组的控制策略风力发电机组的控制策略3.4.13.4.1风力发电机组的变速恒频控制策略风力发电机组的变速恒频控制策略变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；大能量；高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。定。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术40机械工业出版社3.4.2 3.4.2 双馈异步风力发电机的变速恒频控制策略双馈异步风力发电机的变速恒频控制策略实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最具优势。具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双双馈异步发电机系统中的变频器采用双PWMPWM变频器，发变频器，发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图构图如图3-463-46所示，图中所示，图中DFIGDFIG为双馈异步发电机的简称。为双馈异步发电机的简称。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术41机械工业出版社图图346采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术42机械工业出版社图图347由由IGBTIGBT电力电子器件组成的双电力电子器件组成的双PWMPWM变频器的主电路变频器的主电路 1.背靠背的双背靠背的双PWM变频器变频器第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术43机械工业出版社双馈异步风力发电机的变速恒频运行特性双馈异步风力发电机的变速恒频运行特性第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术44机械工业出版社s nTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1双馈电机在次同步速的电动运行状态双馈电机在次同步速的电动运行状态 0s1双馈电机在超同步速的发电运行状态双馈电机在超同步速的发电运行状态-TePmCU-1s0第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术45机械工业出版社3.5 3.5 风力发电机组的并网技术风力发电机组的并网技术3.5.13.5.1同步风力发电机组的并网技术同步风力发电机组的并网技术1.同步风力发电机组的并网条件和并网方法同步风力发电机组的并网条件和并网方法图图3 354 54 同步发电机与电网并联运行的电路同步发电机与电网并联运行的电路第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术46机械工业出版社风力同步发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和风力同步发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致，具体有对应相电压的瞬时值完全一致，具体有5个条件：个条件：波形相同；波形相同；幅值相同；幅值相同；频率相同；频率相同；相序相同；相序相同；相位相同相位相同。在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相之间互相对应，条件相绕组输出端与电网各相之间互相对应，条件就可以满足；就可以满足；而条件而条件可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他要是其他3条的检测和控制，这其中条件条的检测和控制，这其中条件、两项的频率与两项的频率与相位相同相位相同是必须满足的。是必须满足的。（1）并网条件）并网条件第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术47机械工业出版社（2）并网方法）并网方法 满满足足上上述述理理想想并并联联条条件件的的并并网网方方式式称称为为准准同同步步并并网网方方式式，在在这这种种并并网网方方式式下下，并并网网瞬瞬间间不不会会产产生生冲冲击击电电流流，电电网网电电压压不不会会下下降降，也也不不会会对对定定子子绕绕组组和和其其他他机机械械部部件件造造成成冲击。冲击。1)1)自动准同步并网自动准同步并网第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术48机械工业出版社 并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电机将运行在机将运行在电动机状态电动机状态，此时风力发电机相当于一台大风，此时风力发电机相当于一台大风扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风当风速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开。速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术49机械工业出版社带变频器的风力同步发电机组的并网带变频器的风力同步发电机组的并网 同同步步发发电电机机可可通通过过调调节节转转子子励励磁磁电电流流，方方便便地地实实现现有有功功和和无无功功功功率率的的调调节节，这这是是其其他他发发电电机机难难以以与与其其相相比比的的优优点点。但但恒恒速速恒恒频频的的风风力力发发电电系系统统中中，同同步步发发电电机机和和电电网网之之间间为为“刚刚性性连连接接”，发发电电机机输输出出频频率率完完全全取取决决于于原原动动机机的的转转速速，并并网网之之前前发发电电机机必必须须经经过过严严格格的的整整步步和和（准准）同同步步，并并网网后后也也必必须须保保持持转转速速恒恒定定，因因此此对对控控制制器器的的要要求求高高，控控制器结构复杂。制器结构复杂。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术50机械工业出版社图图3 357 57 变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，如图过变频器与电网相连接，如图3-573-57所示。图中交流发电所示。图中交流发电机为同步发电机，变频器为交直交变频器。机为同步发电机，变频器为交直交变频器。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术51机械工业出版社3.5.2 3.5.2 同步同步风力发电机的并网运行系统风力发电机的并网运行系统特点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子特点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术52机械工业出版社3.5.3 3.5.3 双馈异步风力发电机组的并网技术双馈异步风力发电机组的并网技术 异步发电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容异步发电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容易、无失步现象等优点，在风力发电系统中应用广泛。但其主易、无失步现象等优点，在风力发电系统中应用广泛。但其主要缺点是需吸收要缺点是需吸收20%20%30%30%额定功率的无功电流以建立磁场，为额定功率的无功电流以建立磁场，为提高功率因数必须另加功率补偿装置。提高功率因数必须另加功率补偿装置。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术53机械工业出版社1 1、异步风力发电机组的并网、异步风力发电机组的并网 风风力力异异步步发发电电机机组组的的直直接接并并网网的的条条件件有有两两条条：一一是是发发电电机机转转子子的的转转向向与与旋旋转转磁磁场场的的方方向向一一致致，即即发发电电机机的的相相序序与与电电网网的的相相序序相相同同；二二是是发发电电机机的的转转速速尽尽可可能能接接近近于于同同步步转转速速。其其中中第第一一条条必必须须严严格格遵遵守守，否否则则并并网网后后，发发电电机机将将处处于于电电磁磁制制动动状状态态，在在接接线线时时应应调调整整好好相相序序。第第二二条条的的要要求求不不是是很很严严格格，但但并并网网时时发发电电机机的的转转速速与与同同步步转转速速之之间间的的误误差差越越小小，并并网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。异步风力发电机组的并网方式主要有三种：直接并异步风力发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。网、降压并网和通过晶闸管软并网。1 1）直接并网）直接并网 第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术54机械工业出版社当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步发电机的转子带到同步转速附近（一般为发电机的转子带到同步转速附近（一般为98%98%100%100%）时，）时，测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合闸并网过程。闸并网过程。风力异步发电机组直接并网的电路如图风力异步发电机组直接并网的电路如图3-593-59所示，所示，图图3 359 59 异步风力发电机与电网的直接并联异步风力发电机与电网的直接并联第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术55机械工业出版社 2 2）降压并网）降压并网 降降压压并并网网是是在在发发电电机机与与电电网网之之间间串串接接电电阻阻或或电电抗抗器器或或者者接接入入自自耦耦变变压压器器，以以降降低低并并网网时时的的冲冲击击电电流流和和电电网网电电压压下下降降的的幅幅度度，发发电电机机稳稳定定运运行行时时，将将接接入入的的电电阻阻等等元元件件迅迅速速从从线线路路中中切切除除，以以免免消消耗耗功功率率。这这种种并并网网方方式式的的经经济济性性较差，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。较差，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术56机械工业出版社3 3）晶闸管软并网）晶闸管软并网 晶晶闸闸管管软软并并网网是是在在异异步步发发电电机机的的定定子子和和电电网网之之间间通通过过每每相相串串入入一一只只双双向向晶晶闸闸管管，通通过过控控制制晶晶闸闸管管的的导导通通角角来来控控制制并并网网时时的的冲冲击击电电流流，从从而而得得到到一一个个平平滑滑的的并并网网暂暂态态过过程程，如如图图3-603-60所所示。示。图图3 360 60 风力异步发电机经晶闸管软并网风力异步发电机经晶闸管软并网第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术57机械工业出版社3.5.4 3.5.4 双馈异步风力发电机的并网运行系统双馈异步风力发电机的并网运行系统1、双馈异步发电机变速恒频运行的并网系统、双馈异步发电机变速恒频运行的并网系统特点：大大降低特点：大大降低了变频器的成本和控了变频器的成本和控制难度；定子直接上制难度；定子直接上网，系统具有很强的网，系统具有很强的抗干扰性和稳定性；抗干扰性和稳定性；通过改变转子电流的通过改变转子电流的相位和幅值来调节有相位和幅值来调节有功功率和无功功率。功功率和无功功率。缺点是发电机仍有电缺点是发电机仍有电刷和集电环，工作可刷和集电环，工作可靠性受影响。靠性受影响。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术58机械工业出版社3.5.5 3.5.5 风力发电机组的并网安全运行与防护措施风力发电机组的并网安全运行与防护措施 图图3-64控制系统的安全保护组成控制系统的安全保护组成第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术59机械工业出版社3.6 3.6 风力发电的经济技术性评价风力发电的经济技术性评价风力发电的经济性评价主要由其经济性指标来衡量。风力发电的经济性评价主要由其经济性指标来衡量。3.6.1 3.6.1 风力发电的经济性指标风力发电的经济性指标风力发电的经济性指标风力发电的经济性指标单位千瓦造价单位千瓦造价单位千瓦时投资成本单位千瓦时投资成本财务内部收益率财务内部收益率财务净现值财务净现值投资回收期投资回收期投资源利润率投资源利润率第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术60机械工业出版社1 1、单位千瓦造价、单位千瓦造价 单位千瓦造价表示风力发电系统每千瓦的投资成本，其单位千瓦造价表示风力发电系统每千瓦的投资成本，其计算公式为计算公式为（3 33737）总装机容量是指风电场全部风力发电机组的总容量。总装机容量是指风电场全部风力发电机组的总容量。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术61机械工业出版社 风电项目的总投资由风力发电机组、土建工程、电气风电项目的总投资由风力发电机组、土建工程、电气工程、安装工程、财务成本及其他（含征地、设计勘测）工程、安装工程、财务成本及其他（含征地、设计勘测）等组成，其各部分所占的比例大致如图等组成，其各部分所占的比例大致如图3-653-65所示。所示。图图3 36565 风电项目投资中各部分所占的比例风电项目投资中各部分所占的比例 第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术62机械工业出版社2 2、单位千瓦时投资成本单位千瓦时投资成本 其中：年固定费用包括设备的年折旧费、摊销贷款利其中：年固定费用包括设备的年折旧费、摊销贷款利息、人工费、管理费、税金等。运行维护费用包括计划内息、人工费、管理费、税金等。运行维护费用包括计划内的保证风力发电机正常运行所进行的正常维修费用。的保证风力发电机正常运行所进行的正常维修费用。单位千瓦时投资成本表示在风力发电设备的使用期限（一般单位千瓦时投资成本表示在风力发电设备的使用期限（一般20203030年）内，每生产单位千瓦时的电量所需要的投资费用，年）内，每生产单位千瓦时的电量所需要的投资费用，其计算公式为其计算公式为（3 33838）大修费用指的是风力发电设备在使用期内大修的年平均大修费用指的是风力发电设备在使用期内大修的年平均费用。一般风力发电机组每隔费用。一般风力发电机组每隔5 5年、年、1010年、年、1515年大修一次，年大修一次，主要维修机械部件。主要维修机械部件。第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术63机械工业出版社3 3、财务内部收益率、财务内部收益率(FIRR)(FIRR)和财务净现值和财务净现值(FNPV)(FNPV)式中：式中：CICI现金流入量；现金流入量；COCO现金流出量；现金流出量；（CICICOCO）t t第第t t年的净现金流量；年的净现金流量；n n计算期，计算期，t t=1=1、2 2n n。财务内部收益率财务内部收益率(FIRRFIRR)是指风电项目在整个计算期内各是指风电项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率。年净现金流量现值累计等于零时的折现