双馈风力发电机组的运行特性

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1、双馈风力发电机组的运行特性风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统组成，其中风力机完成风能到[1]机械能的转换，发电机及其控制系统完成机械能到电能的转换。本章将首先介绍风力发电系统的构成及各主要设备的运行原理，在此基础上，介绍恒速恒频式、变速恒频式和永磁直驱式等三种典型风电机组运行特性。4.1风力发电系统的一般构成及分类风力机和发电机是风力发电系统的基本部件，随着电力电子技术的飞速发展，现代大容量风力发电机组还引入了电力电子变换器，以实现发电机电磁功率[2]与风力机机械功率的柔性匹配，进而改善风电机组的整体运行性能。[3

2、]图4-1风力发电系统的一般构成为风力发电系统的一般构成，主要包括风力机、齿轮箱（可选）、发电机、电能变换装置（可选）等。机械能电能风能叶轮齿轮箱(可选)发电机电能变换输电网(可选)用户/负荷能量转换能量转换能量传输能量转换能量传输与能量控制与能量控制图4-1风力发电系统的一般构成根据图4-1风力发电系统的一般构成中各部件类型及组合的不同，目前主要有以下三类风力发电系统：1)恒速恒频式（ConstantSpeedConstantFrequency,CSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组产生的交流电能的

3、频率恒定，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。2)变速恒频式（VariableSpeedConstantFrequency,VSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子发出的交流电能的频率恒定，而发电机组的运行转速变化；通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应式异步发电机组。3)变速变频式（VariableSpeedVariableFrequency,VSVF）风力发电系统，1其特点是在有效风速范围内，发电机组定子侧产生的交流电能的频率和发电

4、机组转速都是变化的，因此，此类风力发电系统需要串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。图4-2～图4-4是几种典型风力发电系统的结构示意图。风力机鼠笼式感应发电机电网齿轮箱~图4-2恒速恒频式风力发电系统结构示意图背靠背四象限变流器ACDCDCAC风力机电网齿轮箱~双馈感应式异步发电机图4-3变速恒频式风力发电系统结构示意图风力机背靠背四象限变流器电网ACDC~DCAC永磁同步发电机图4-4变速变频直驱式风力发电系统结构示意图24.2风力机的功率调节原理风力机是风力发电系统中

5、的原动机，其功能是将风的动能转换为机械能，驱动后续装置——发电机旋转发电。风力机主要包括风轮、塔架和对风装置。风轮是由轮毂及安装于轮毂上的叶片组成，是风力机捕获风能的部件；塔架是为了风轮能在地面上较高的风速中运行；对风装置是实现风向跟踪装置，使风轮总能处于最大迎风方向。现代大容量风力机为水平轴风力机，其优点是扫风面积大、风能利用系数Cp高（Cp能大于0.5）等。按风功率调节方式分类，风力机又可分为定桨距风力机和变桨距风力机两种。定桨距风力机其风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，难以对风功率的捕获进行精确的控制，其优点是

6、结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。变桨距风力机通过叶片桨距角调节实现风能捕获控制，在低风速条件下具有较高的风能捕获效率，高于额定风速时拥有平稳的风功率输出。因此得到了广泛的应用。但其控制系统较为复杂，对风速的跟踪有一定的延时，可能导致风力机的瞬[4]间超载。4.2.1风力机的输出功率风力机从风中吸收的功率可用下式表示：3PmCpPw＝0.5CpA1wV（4-1）式中：Pm为风轮输出功率（W），Cp为风能利用系数——表征风力机捕获风能能223力的参数，A1=R为风力机叶片扫略面积（m），为空气密度（kg/m

7、），Vw为风速（m/s），R为风力机叶片半径（m）。由式（4-1）可知，风力机从风中吸收的功率与空气密度、风速Vw、叶片半径R和风能利用系数Cp等都有关。在任一时刻，由于无法对空气密度、风速、叶片半径等施加控制，因此，为了获得最大风能捕获，唯一的控制参数便是风能利用系数Cp。众所周知，如果接近风轮的空气的全部动能都被转动的风轮叶片所吸收，则风轮后的空气就不动了，然而空气不可能不动，所以风力机的风能捕获效率总是[5]小于1；根据Betz理论，风力机的风能利用系数的理论最大值是0.59，其实际值通常在0.47左右。3风力机

8、的风能利用系数Cp与风力机叶片参数（如攻角、桨距角、叶片翼型）和风力机转速等有关。在实际应用中，往往用Cp-叶尖速比的关系曲线来表示该风轮的空气动力特性，其中风轮的叶尖速比定义为风轮叶尖的线速度与风速之比，即：=R/V（4-2）式中：为风轮旋转角速度；R为风轮半径；V为风速。图4-5现代大功率风力机的Cp-