风力发电技术简介

风力发电机组与传统的火电机组、水电机组和燃气轮机相比，具有明显的不同，主要表现为①单机容量小，现阶段常用的风电机组容量在2 MW左右，远小于其他三种机组；②结构简单，风电机组主要有驱动系统（叶片）、增速系统（齿轮箱）、发电系统和变流系统组成；③具有明显的间歇性和随机性，风力发电受风况影响极大，电能输出不稳定；④接入电网形式多样化，主要有直接并网和经变流器等电力电子设备并网。

风力发电的关键技术主要包括风力机最大能量捕获技术、整流逆变技术、风电友好并网技术和机网及场网的协调控制技术等几个方面。风力发电机组通常由风力机等机械部分和发电机、控制系统、变压器及线路等电气部分共同组成。

1.风力机系统

风力机包括风轮叶片、轮毂、低速轴、增速齿轮箱和高速轴等，叶片将捕获的风能转化为低速轴旋转的机械能，然后经齿轮箱增速后通过高速轴驱动发电机发电。在永磁直驱风电机组中，无需经齿轮箱增速，而是通过增加发电机极对数的方法达到增速的效果。风力机的输出功率Pw可通过式（1.1）进行计算。

式中，Cp（λ，β）称为风能利用系数；称为叶尖速比，ωw为风力机的角速度，R为风轮的半径，vw为风速；β为桨距角；ρ为空气的密度；A＝πR2，为风轮扫过的面积。

当桨距角为定值时，Cp主要取决于叶尖速比λ，如式（1.2）所示。

2.风力发电机

目前主流的风力发电机分为两类：定桨失速风电机组和变桨变速风电机组。

定桨距风电机组中，叶片与轮毂刚性连接，当风速大于额定风速时，叶片表面形成涡流，风能利用效率自动降低，从而保证机组的输出功率维持在额定值附近，定速风机由于具有这种失速调节特性，故又被称为失速风机。与失速风机相反，变速风机的叶片可以通过变桨控制系统进行调节，实现变速运行，发电效率和灵活性都显著提高，变速风机可以采用的发电机和变流器种类比较广泛，典型的是双馈风力发电机和永磁风力发电机。

1）失速风力发电系统(www.xing528.com)

失速风力发电系统（fixed speed induction generator，FSIG）一般采用鼠笼式异步电机，在整个系统中不采用电力电子设备，是最早采用的风力发电机组形式，结构如图1.3（a）所示。

失速风力发电系统由风力机、异步式感应发电机、变压器和并联补偿电容组成。由于鼠笼式感应发电机没有外部励磁，在运行过程中会消耗大量无功功率，因此为提高其功率因数，在发电机的机端母线处通常会接入并补电容，以提供其励磁过程中需要的无功功率。

2）双馈风力发电系统

双馈风力发电系统（doubly fed induction generator，DFIG）的机械部分与失速型风力发电系统基本相同，但其采用的是带滑环的绕线式转子感应电机，发电机的定子和转子皆可向电网馈电，典型结构如图1.3（b）所示。

图1.3　主流风力发电机组

双馈风力发电机的定子直接与电网相连，只能向外输送功率；而转子通过AC/DC/AC的全功率型变流器与电网相连，功率流向由发电机的运行模式决定。如果发电机的转子转速高于同步速，处于超同步运行状态，转子向外输送功率；当转子转速低于同步速时，则需要从电网吸收功率。双馈风机的转子转速最高可运行在1.3倍的同步速，可以大量向外输送功率，具有很高的经济性，同时兼具变速运行的特点，运行范围广，因此双馈风机是当今的主流风机类型。然而双馈风机也有一定的缺点，电刷和滑环的使用降低了其运行可靠性，增加了维护费用，实际风电场的运行也表明齿轮箱也极易发生损坏，成为制约双馈风力发电机的瓶颈。

3）永磁直驱风力发电系统

永磁直驱风力发电系统（permanent magnet synchronous generator，PMSG）的叶轮直接与发电机的转子相连，通过采用多极永磁同步发电机，避免了齿轮箱的使用，提高了运行可靠性。永磁同步发电机无须外部励磁，定子通过全功率变流器直接与电网相连，实现变速运行，极大提高了发电效率。永磁直驱风力发电系统的典型结构如图1.3（c）所示，结构相对简单，并且运行更加稳定。

永磁直驱风力发电系统是风力发电系统的重大创新和突破，优势和劣势共存。优势主要表现在①废除齿轮箱后，由风能波动造成的机械部件损坏概率大幅降低；②无须外部励磁，系统结构更加简单，发电效率显著提升；③全功率变流器在一定程度上弱化了电气系统和风机机械系统之间的联系，相互干扰减弱。劣势主要表现在①永磁发电机与叶轮直接相连，对轴系的机械强度提出了更高的要求；②温度对永磁体的影响较大，需要可靠的冷却系统；③永磁材料价格比较昂贵，永磁风力发电机的成本要高于另外两种机型。

此外，2007年，国际大电网会议（International Confere on Large High Voltage Electric System，Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE）发布了关于风力发电动态特性的报告，报告根据风电机组的物理特性提出将风电机组动态模型归为4类通用动态模型：恒速异步风力发电机模型（1型）、可变转子电阻的感应发电机组模型（2型）、双馈感应风电机组模型（3型）和全整流型风力发电机组模型（4型）。本书中为叙述方便和沿用习惯方法，仍采用传统的名称。