第三节 风力发电系统

一、发电系统的总体结构

在风力发电机组中，发电系统是将风能变成电能的整体机构，是整个风力发电机组的重要组成部分，其结构也比较复杂。并且，不同类型的发电机，发电系统也各不相同。图1-13为双馈发电机发电系统简图。其中，发电机、变流器是发电和并网的核心部件，变压器是常见的电器部件，开关柜（又称并网柜）中包括进线出线母排、定子断路器、辅助电源变压器、定子电流互感器、总电流互感器、变频器输入熔断器和继电器等。对于上述各类电器元件，本书将分别加以介绍。

图1-13 双馈发电机发电系统简图

二、发电系统的形式

发电系统的形式主要是由发电机的种类决定的。从变速性能来看，目前常用的发电系统有如下几种形式。

1.定速（恒速）式风力发电机组

典型的定速式风力发电机组被称为“丹麦式”机组，如图1-14所示。这种形式的机组使用笼型感应发电机，发电机转子通过轴系与风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流连接。正常运行时，速度仅在很小范围内变化，通常不超过2％，即为感应发电机的转差范围。

感应发电机向电网提供有功功率，从电网吸收无功功率。吸收的无功功率用来为发电机励磁。显然，转子回路短路的感应发电机不能控制无功功率，因此，要求将电网电压保持大约等于感应发电机额定电压。带感应发电机的定速式风力发电机组，经常处于用电容器组进行空载补偿或满载补偿的状态。使用这种补偿方式是为了降低从电网吸收的总无功功率，改善风力发电机组功率因数。

图1-14 带补偿感应发电机定速风力发电机组

2.多态定速式风力发电机组

多态定速风力发电机组中包含着两台或多台感应发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。

在风力发电机组整个运行风速范围内（25m／s＞v＞3m／s），由于风速是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必然要使风轮在低风速时的效率降低（而设计低风速时，效率过高，会使叶片过早地进入失速状态）。同时，发电机本身也存在低负载时的效率问题，但当功率P＜25％额定功率时，效率仍然会急剧下降。为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用两台或多台发电机，这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不仅叶片具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水平。

3.优化转差式风力发电机组

图1-15为优化转差式风力发电机组示意图。这种形式的机组采用了RCC（Rotor Current Control）技术，即发电机转子电流控制技术。通过对绕线型感应发电机转子电流的控制，迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速。使风力发电机组能够以部分变速方式运行于超同步转速的范围内，最高可超过同步转速的10％。

4.双馈式风力发电机组（变速部分功率变流器式）

双馈式风力发电机组的原理如图1-16所示。这种形式的机组采用交流励磁双馈型发电机。转子的转速与励磁的频率有关。交流励磁变速恒频双馈发电机组允许发电机在同步速上下30％转速范围内运行。

图1-15 优化转差式风力发电机组

图1-16 双馈式风力发电机组的原理

双馈式风力发电机组的转子通过一个AC／DC／AC变流器与电网连接，变流器的额定容量通常为风力发电机组额定功率的25％左右。转子超同步运行时，有功功率从转子回路送到电网，而转子次同步运行时，转子回路从电网吸收有功功率。

双馈式风力发电机组为变桨距控制的，其结构如图1-3所示。

5.直驱型永磁风力发电机组（变速全功率变流器式）

感应发电机和同步发电机都可以通过全额AC／DC／AC变流器与电网连接（见图1-17）。这类风力发电机组变速范围更大。但是变流器的成本较高。

图1-17 发电机和全功率变流

a）笼型感应发电机 b）电励磁同步发电机

典型的全功率变流器式风力发电机组是直驱型永磁风力发电机组。这种风力发电机组采用多极永磁发电机，它可以直接连接风力机，从而避免增速箱带来的诸多不利。直接驱动式风力发电机组的原理如图1-18所示。

图1-18 直驱型永磁风力发电机组原理

直驱型永磁风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变速恒频控制是在定子电路实现的，因此，变频器的容量与系统的额定容量相同。

相对于传统的异步发电机组，直驱型永磁风力发电机组由于传动系统部件的减少，提高了机组的可靠性，降低了噪声；永磁发电技术及变速恒频技术的采用，提高了风力发电机组的效率；利用变速恒频技术，可以进行无功功率补偿。

直驱型风力发电机组的结构如图1-19所示。

图1-19 直驱型风力发电机组结构

发电系统的形式决定了风力发电机组的机型。以上介绍的各种发电系统的形式及其相关机型，将在以后各章逐一讨论。