直驱式永磁同步风力发电机运行范围优化

根据风力机的功率特性把风速划分为5个区间：①风速低于切入风速；②风速在切入风速和额定转速之间；③风速超过风轮额定转速，发电机组运行在恒转速区；④风速继续增大到切出风速以下，发电机运行在恒功率区；⑤风速大于切出风速。风力发电机组运行区域如图7-1所示。

图7-1　风力发电机组运行区域

（1）停机模式。风力机在风速小于切入风速或大于切出风速时，风能转化效率为零，称为停机模式。当风速低于风力机的切入风速时，其产生的功率很小甚至低于内部消耗的功率，因此处于停机模式，此时叶片处于完全顺风状态，风力机的机械制动器处于开启状态；当风速超过风力机的切出风速时，为了保护风力机的安全，叶片被调至完全顺桨状态，风力机转速也下降为零，风力机将被锁定进入停机模式。其他3个风速区间是风力发电机的正常运行状态，为了捕获到更多的风能，同时保证发电机组的安全运行，在不同的风速阶段对桨距角采用了不同的控制策略。

（2）最佳叶尖速比运行区。即第②区间，即图7-1的AB区间。当风速超过切入风速时，风力发电机组开始作为发电机运行。此时要调节桨距角到最佳值使风能利用系数Cp恒定为最大值，以保证风力发电机组运行在最大功率点跟踪状态。

（3）恒转速运行区间。即第③区间，即图7-1的BC区间。为了保证风力发电机组的安全稳定运行，一般都会根据风力发电机组的特性设定一个额定风速点对应图7-1中B点的速度，这个额定风速点应小于发电机的额定转速。当风力机转速超过额定风速点时，随着风速的继续增大，要调节桨距角使Cp值减小，以保证风力发电机组进入恒转速区间。但此时发电机的功率随风速的增加而增加，但仍然在额定功率以下。

（4）恒功率运行区间。即第④区间，即图7-1中的CD段。当风速继续增大，不仅发电机转速到达其额定值，同时发电机的输出功率也到达额定功率。此时如果仍然按照最大风能捕获的控制策略将会使发电机的输入功率大于输出功率，发电机组将会导致“飞车”而使整个机组脱网。为了使整个机组稳定运行，这时需要调节风力机桨距角，使风能利用系数减小，保持发电机的输出功率为额定值不变，此时风力机工作在功率恒定区。(www.xing528.com)

上面第②、③、④风速区间反映到发电机转速，可用如图7-2所示的3个工作区表示。

图中，vc为切入风速，vb为风机额定风速，vr为发电机额定转速，vf为切出风速。

工作区2：vc＜v＜vb，变速，最佳叶尖速比工作区。

工作区3：vb＜v＜vr，恒速，可变叶尖速比工作区。

工作区4：vr＜v＜vf，变速，恒功率工作区。

图7-2　变速恒功率