1.2 风力发电系统

1.2.1 风力发电的特点

将风能应用于发电称为风力发电，与火力发电相比，风力发电有其自己的特点，具体表现在以下几个方面：

（1）可再生的洁净能源。风力发电是一种可再生的洁净能源、不消耗资源、不污染环境。这是火力发电所无法比拟的优点。

（2）建设周期短。一个万千瓦级的风电场建设期不到一年。

（3）装机规模灵活。可根据资金情况决定一次装机规模，有一台的资金就可安装一台投产一台。

（4）可靠性高，把现代科技应用于风力发电机组可使风力发电可靠性大大提高。中大型风力发电机组可靠性从20世纪80年代的50%提高到98%，高于火力发电，并且机组寿命可达20年。

（5）造价低，从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。

（6）运行维护简单，现在大中型风力机自动化水平很高，由于采用了微机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护更加完善，并且实现了单机独立控制、多机群控和遥控，完全可以无人值守，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电中的大修问题。

（7）实际占地面积小，据统计机组与监控、变电等建筑仅占火电厂的1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

（8）发电方式多样化，风力发电即可并网运行，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电机组成互补系统，还可以独立运行，对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可行性。

1.2.2 风力发电系统

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般由风轮、发电机（包括传动装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机，本书研究的是绕线型异步交流发电机。

典型的风力发电系统通常由风能资源、风力发电机组、控制装置、蓄能装置、备用电源组成（如图1-1所示）。风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键设备。由于风能是随机性的，风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节（转速、电压、频率）、停机、故障保护（超速、振动、过负荷等）以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。在小容量的风力发电系统中，一般采用由继电器、接触器及传感元件组成的控制装置。在容量较大的风力发电系统中，现在普遍采用微机控制。储能装置是为了保证电能用户在无风期间可以不间断地获得电能而储备的设备。另一方面，在有风期间，当风能急剧增加时，储能装置可以吸收多余的风能。为了实现不间断地供电，有的风力发电系统配备了备用电源，如柴油发电机组。

风力发电系统分为两类：一类是并网的风电系统，另一类是独立的风电系统。并网的风电系统的风电机组直接与电网相连接。由于涡轮风机的转速随着外来的风速而改变，不能保持一个恒定的发电频率，因此需要有一套交流变频系统相配套。由涡轮风机产生的电力进入交流变频系统，通过交流变频系统转换成交流电网频率的交流电，再进入电网。由于风电的输出功率是不稳定的，为了防止风电对电网造成的冲击，风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超过5%～10%，这是限制风电场向大型化发展的一个重要的制约因素。而且由于风电输出功率的不稳定性，电网系统内还需配置一定的备用负荷。独立的风电系统主要建造在电网不易到达的边远地区。同样，由于风力发电输出功率的不稳定和随机性，需要配置充电装置，在涡轮风电机组不能提供足够的电力时，为照明、广播通信、医疗设施等提供应急动力。最普遍使用的充电装置为蓄电池，风力发电机在运转时，一类为用电装置提供动力，同时将过剩的电力通过逆变器转换成直流电，向蓄电池充电。在风力发电机不能提供足够电力时，蓄电池再向逆变器提供直流电，逆变器将直流电转换成交流电，向用电负荷提供电力。因此，独立的风电系统是包括由风力发电机、逆变器和蓄电池组成的系统。当风力发电用于可间歇使用的用电设备时，就可以避免采用储能装置，而充分发挥风力发电的效益。例如，可将风力发电用于从地下抽水或用于排灌。有风力时，产生的电力驱动水泵运行，进行抽水或排灌，没有风力时，水泵即可停止运行。

1.2.3 风力发电系统的类型

风力发电系统是复杂的系统，一般包括风力机、传动机构、发电机、变流器以及相关的支撑部件、连接部件和控制部件等，其中风轮机和发电机在风力发电系统中担负着能量转换的作用。风轮机将风能转换为机械能，而发电机将机械能转换为可用的电能。风力发电系统可以有很多种形式，根据不同的分类方式可以分为不同的系统。

（1）按照风力机部分风轮桨距角是否可调分为：定桨距型系统和变桨系统。

（2）按照风力机风轮转速的控制类型分为：定速型和变速型。

（3）按照风轮对地结构样式的不同可分为：水平轴机组和和垂直轴机组。

（4）按照风力机叶片的个数分为：单叶片机组、双叶片机组、三叶片机组和多叶片机组。

（5）按照风力机是否处于迎风方向分为：上风向的机组和下风向的机组。

（6）按照风力机额定功率的大小分为：微型、小型、中型、大型和兆瓦级风电机组。

（7）按照风力机桨叶的受力方式可分为：升力型机组和阻力型机组。

（8）按照有无传动机构分为：齿轮箱升速型和直驱型。

（9）按照发电机结构的不同分为：异步发电机系统和同步发电机系统。

（10）按照是否并网可以分为：并网型风电机组和离网型风电机组。

风力发电发展到现在，目前主流的风力机大多为水平轴、三叶片、上风向的结构，图1-2和图1-3分别为常见的水平轴风机和垂直轴风机。

目前国内外常见的风电机组类型主要有4种：采用齿轮箱增速的普通异步风力发电机组；双馈异步风力发电机组、直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机和直流励磁发电机）以及混合式风力电机组。

1．普通异步风力发电机组

普通异步风力发电机组的结构形式如图1-4所示。

此类电机一般为鼠笼型结构，通过变压器连接，且转子转速固定，风能利用率低，感应电机需要从电网吸收大量的无功功率，因而采用电容器组进行无功功率的补偿。由于发电机定子直接与电网连接，启动时会产生很大启动电流，所以一般需要配置启动装置，这样可以获得比较平稳的电网电压，与双馈式异步风电机相比，鼠笼式电机的结构简单，容易控制。

2．双馈式异步风力发电机组

双馈式异步风力发电机组的结构形式如图1-5所示。

双馈异步发电机组比永磁直驱发电机系统增加了一个齿轮箱系统，是绕线型转子三相异步发电机的一种，也是当前变速恒频风电机组的主流机型。其定子绕组直接接入交流电网，转子绕组与变频器连接，由变频器对电机进行控制。

双馈异步风力发电机组具有比较完善的结构，具有双向变流器来控制转速，可以实现连续变速运行，风能转换率高；电能质量较好；可以改善作用在风轮桨叶上的机械应力；双馈电机直接与电网连接，由于转子电流可控，因此可以实现风力发电机平滑并网。在低风速时，发电机转子低于同步速运行，发电机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率；在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电机转子绕组向换流器输出励磁功率，这也是双馈电机的优势所在。

经由电力电子换流器，能够对发电机的转子电流和电磁转矩进行控制，在风速波动时，转子转速跟着改变，功率也随之改变，由此提高了风能利用率，这是变速恒频电机的优势所在。

3．直驱式同步风力发电机组

直驱式同步风力发电机组的结构形式如图1-6所示。

同步电机励磁机组可以采用直流电励磁或永磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不方便运输和吊装，而且成本较高，控制系统复杂；对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩，以此来进行最大风能的捕获；对于永磁同步电机，能够依据调节直流电压的方法来控制电磁转矩，以此进行最大风能的捕获。

对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。