1.2.2 风力发电原理及分类

1.2.2.1 风力发电基本原理

风力发电系统主要由风力机、传动装置、发电系统、控制系统等部分组成，其结构原理如图1-1所示。风力机可将气流的动能转为机械能，是风力发电的必要条件之一。风力机有水平轴与垂直轴两种，在实际风力发电系统中，普遍采用水平轴风力机，其通常由风轮、塔架、机舱等部分组成，其中风轮由叶片和轮毂组成，是风力机捕获风能的部件；塔架作为风力机的支撑结构，可保证叶片能在具有较高风速的位置运行；机舱内有传动装置、控制系统及发电机等。

风力机是将风能转化为机械能的关键部件，当风吹向风力机叶片时，空气流动的动能作用于叶片上，进而推动叶片旋转并带动发电机发电。风力机利用风能转化成的机械功率为

式中

P_m——机械功率；

C_p——风能利用系数；

ρ——空气密度，单位是kg/m3；

v₁——瞬时风速，单位是m/s；

A——桨叶扫过的面积，单位是m2。

风能利用系数C_p是叶尖速比λ和叶片桨距角β的函数。叶尖速比λ是风轮叶片尖端线速度与风速的比值，叶片越长，或叶片旋转速度越快，则相同风速下的叶尖速比就越大；桨距角β是叶素弦长（即翼型的前后缘连线）与风轮旋转平面的夹角。通过调节桨距角，可以控制风力机叶轮的风能功率，在风速低于额定风速时，桨叶节距角 β=0°，通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在最大值 C_pmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。

风力机的机械输出功率与风力机的利用系数、风力机的扫风面积有关，与空气密度以及风速的三次方成正比。在桨距角β固定时，对应于风力机的最大风能利用系数，有一个最佳叶尖速比λ_m。为了使风力机在不同风速下都有最高的风能利用系数，需要随着风速变化时刻进行变速控制，以保证处于最佳叶尖速比λ_m运行，从而实现最高的风能利用率。

1.2.2.2 风力发电系统的分类

风力发电系统是在将风能转化为机械能的过程中，机械、电气及其控制设备的组合。根据其是否接入电网，风力发电系统可以分为并网型风力发电系统与离网型风力发电系统。为使离网型风力发电系统能够提供稳定的电力，可配备储能单元，即将风力发电机组输出的电能存储起来，供给用户使用。通常离网型风力发电系统容量较小，常在偏远地区或特殊应用上使用，占风力发电系统比例较小。并网型风力发电系统与电网连接，并向电网输送电能，风力发电系统大都是并网型风电机组。当风力发电机组与电网并联运行时，要求风电频率和电网频率保持一致，即风电频率保持恒定，因此，风力发电系统分为恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，CSCF）发电机系统和变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）发电机系统。CSCF发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能。CSCF发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和笼型感应发电机，前者运行于电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度运行。VSCF发电机系统，是指在风力发电过程中，发电机的转速随风速变化并通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的电能。

1.恒速恒频发电系统

单机容量为600～750kW的风电机组多采用恒速运行方式，这种机组控制简单，可靠性好，大多采用制造简单、并网容易、励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机。恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失速型风力机和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，功率调节由风轮叶片来完成，对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速变化范围很小，转差率一般为3%～5%，属于恒速恒频风力发电机，如图1-2所示，其主要优点是：结构简单、造价较低、可靠性高。然而，恒速恒频风力发电系统也存在以下缺点：①风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率；②当风速突变时，巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力;③并网时可能产生较大的电流冲击；④不能有效控制无功功率，需要额外补偿无功。目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率（通常是安装电容器，以补偿大部分消耗的无功功率）。鉴于以上恒速恒频风力发电系统存在的缺点，恒速恒频风力发电系统已逐步被变速恒频风力发电系统取代而退出了主流市场。

2.变速恒频发电系统

利用变速恒频发电方式，风力机就可以改为变速运行，这样就可能使叶片的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也部分被风轮吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的转矩及应力。在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风力机组运行更加平稳和安全。同时，变速恒频风电机组能精确控制功率因数，甚至向电网输送无功功率，改善系统的功率因数。风力发电机变速恒频控制方案有多种形式，例如：笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统、直驱全功率型变速恒频风力发电系统等，下面将一一介绍。

（1）笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

该系统采用的发电机为笼型转子，其变速恒频控制策略是在定子电路实现的。由于风速是不断变化的，导致风力机以及发电机的转速也是变化的，所以实际上笼型风力发电机发出的电是频率变化的，通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量需要与发电机的容量相同，增加了变流系统的成本和体积。

（2）交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统

交流励磁双馈式变速恒频风力发电系统常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。因此，交流励磁双馈型风力发电系统是当前风电机组的主流机型，其结构如图1-3所示。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减少变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

目前已经商用的有齿轮箱的变速恒频系统，大部分采用绕线转子异步发电机作为发电机，由于绕线转子异步发电机有集电环和电刷，需要定期维护，而且这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障，是影响机组可靠性的重要因素。而无刷双馈电机定子有两套级数不同绕组，转子为笼型结构，无须集电环和电机，可靠性高。这些优点都使得无刷双馈电机成为当前研究的热点，但是目前这种电机在设计和制造上仍然存在着一些难题。

（3）直驱全功率型变速恒频风力发电系统

近几年来，直接驱动技术在风电领域得到了重视。这类风力发电系统是将发电机定子通过与发电机功率相同的交-直-交全功率变流器连接并入电网，从而实现变速恒频发电运行，由于这类风力发电系统的发电机与电网无直接连接，因此有较好的电网适应性。直驱型变速恒频发电系统又可分为无齿轮箱的低速发电机的全功率直驱型设计与有齿轮箱的高速发电机的全功率设计。

其中采用低速发电机的直驱型变速恒频风力发电系统结构如图1-4所示。这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件，由于其具有很多技术方面的优点，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率更高。直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机，其转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路中实现的，把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转换为与电网同频的交流电，因此，变频器的容量与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提高可靠性，并降低系统成本。

（4）混合式变速恒频风力发电系统

混合式变速恒频发电系统，也叫半直驱型变速恒频发电系统（其结构见图1-5）。由于直驱式风力发电系统不仅需要低速、大转矩发电机而且需要全功率变流器，为了降低发电机设计难度，采用一级齿轮箱传动设计的混合型变速恒频风力发电系统得到实际应用。混合式变速恒频风力发电系统最大限度地克服了低速发电机和多级齿轮传动的不足，其发电机多采用永磁同步发电机，有效减小发电机和齿轮箱的体积与重量，并提高了发电机的运行效率。综上所述，从结构上来看，风力发电机组可分为机械、电气与控制三大部分，然而风力发电系统的高性能运行离不开电力电子技术的支撑，借助电力电子功率变换技术可以实现风力发电机组电气和控制两大部分的优化。