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1、毕业设计（论文）题 目 风力发电技术发展趋势研究 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电力081班 学 生 何优琪 指导教师 张靠社教授 2012 年 系 电力 系 主 任 刘家军 批准日期 2012-3-1 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 电力 系 电气工程及其自动化 专业 081 班 学生 何优琪 一、毕业设计(论文)课题 风力发电技术发展趋势研究 二、毕业设计(论文)工作自2012年 3 月 1日起至2012年 6 月 15 日止三、毕业设计(论文)进行地点 教二楼 四、毕业设计(论文)的内容要求 风能是一种清洁的可再生能源，可利用的风能在全球范围内分布都很 广泛。风力发电逐渐成为许
2、多国家可持续发展战略的重要组成部分。然而， 风电作为电源具有间歇性和难以调度的特性，无论风电场装机容量大小、 采用何种风电机组技术，风电接入都会对接入地区电网的稳定性带来不同 程度的影响。设计任务 1. 风力发电技术发展国内外现状 2. 典型风电机组模型 3. 风电机组控制方式 4. 国内大型风电场运行情况分析 5. 风电场接入对于电网的影响 6. 风电发展趋势研究 7. 编写毕业设计报告 8. 完成论文开题报告、外文资料翻译报告 负责指导教师 指 导 教 师 接受设计论文任务开始执行日期 学生签名 毕业设计（论文）进度表电气工程及其自动化（电力）系月日周次任务阶段名称及详细项目检查日期检查结
3、果2，327-3.41选择毕业设计题目3，45-112收集论文相关资料 12-183查阅该方向外文资料并翻译一篇英文文献19-254明确毕业设计任务，完成论文开题报告 26-4.155-7查阅国内外风力发电相关文献资料，整理典型风电机组模型及其特点4，516-5.68-10收集国内风力发电场实例，统计风电场运行情况7-2011-12查阅风电机组现行控制方式，分析国内外风力发电现存问题21-2713收集风电接入对系统影响的资料，分析并提供全面的解决方案 5，628-6.1014-15了解风电关键技术与发展趋势，撰写论文准备论文答辩611-2416-17完成毕业论文进行答辩指导教师(签名) 学生(
4、签名) 年 月 日 年 月 日摘 要风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。风能的合理开发和利用可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资源给环境带来的污染问题，在远期有可能成为世界上重要的替代能源。随着风电技术日趋成熟，风电产业在全球范围得到大力发展，并保持持续增长的势头。本文在综合相关资料的基础上,总结了世界风能资源及各国风电发展的现状,提出了风电发展中的一系列技术问题和研究方向。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电系统的类型、风电系统中所采用发电机的性能与特点以及未来风力发电技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风力发
5、电的现状与发展趋势提供参考。 关键词：风力发电，可再生能源，风电并网,发电机Research on the Development Trend of Wind Power Generation TechnologyABSTRACTWind power is the renewable energy technology with most mature technology, largest commercial development conditions and prospects in new energy technologies. Its rational use and devel
6、opment of wind energy can effectively alleviate the current shortage of energy and environmental pollution problems caused by fuel resources. In the long term wind energy is likely to become the most important alternative energy sources. With the maturity of power generation technology,wind power ge
7、neration industry is increasing continuously on a global scale,and it maintains a sustained growth momentum.In this paper, wind resource and the status of wind energy were summarized. The key technologies and research topics on wind energy were then proposed. The wind power generation and its relati
8、ve technology are reviewed，including the types of wind power generation system，performance and feature of generators applied in wind power generation system，and development tendency of future wind power generation technology，which providing references for well learning about the present status and d
9、evelopment tendency of wind power generation at home and abroad.KEYWORDS: wind power generation; renewable energy; wind power grid integration;generator;目 录前 言第1章 绪论121.1 本课题背景121.2 本课题研究意义13第2章 风电发展的现状132.1 风能资源分布及特点132.2 国外风力发电发展概况162.3 国内风力发电发展概况18第3章 风电机组的分类及控制193.1 风电机组分类193.2 风力发电系统中的机组233.3 主
10、流机组应用与控制283.3.1 双馈式异步风力发电机组293.3.2 直驱式永磁风力发电机组323.3.3 半直驱式风力发电机组33第4章 风力发电并网354.1 风电并网系统组成364.2 风电并网对电力系统的影响364.2.1 对电网频率和有功功率的影响374.2.2 对电网电压和无功功率的影响414.2.3 对电网谐波、闪变和电压波动的影响424.3 风力发电系统实例45第5章风电发展的关键技术515.1 低电压穿越技术515.2 电网接纳风电的关键技术565.3 适应风电发展的现代储能技术595.4 风电与其他电源联合运行技术635.5 风电功率预测技术685.6 海上风力发电技术71
11、第6章 风电发展趋势研究776.1 风力发电的进展776.2 国外风电发展对中国的启示816.3 中国风电现存主要问题与挑战856.4 风电未来发展趋势88结论93致 谢94参考文献95前 言 由于石油、煤炭等非可再生资源的日渐消耗和矿物燃料发电带来的环境污染等严重问题，越来越多的国家在可再生资源研究和应用方面投入了大量人力和资金。在可再生能源利用中,风能具有很强的竞争力。风能发电在技术上日趋成熟,商业营运水平不断提高。另外,风力发电成本不断降低,同时常规能源发电由于环保要求增高,使得成本进一步增加,而且随着技术的进步,风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。风能作为最重要的替代能源之一，正得
12、到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步。近几年来中国的风电产业也迅速发展，逐步成为欧洲和美国之后的全球主要市场之一。 随着风电规模占全网容量比例的大幅增加,原有常规电源对电网运行的调整与控制能力被削弱,而风电电源很难像常规电源一样执行系统的调频、调压任务和抑制系统的功率震荡,所以风电场接入电网技术、风电场对电网运行的影响等问题日益突出。此外,风力发电功率输出随机性很强,波动很大且不可控,而且风电场大多建设在电网的末梢,网络结构相对薄弱,风电场并网运行必然会对电力系统的安全性、稳定性、电能质量、系统可靠性、电源和电网规划等方面带来一定的影响。所以要针对风电接入对系统的具体影响采
13、取相应措施，改善其并网性能，尽可能降低其对电力系统运行的负面影响。 本论文共六章，第一章介绍了本课题的背景，并阐述了本课题研究的主要内容和意义；第二章依据世界风能资源分布情况，具体介绍了当前国内外风力发电发展概况；第三章利用不同方法将风电机组进行分类，阐述了当前主流风力发电机组应用与控制；第四章基于国内外大型风电场的实例资料，介绍了风力发电的主流应用方式并网接入，重点探讨风电并网接入对系统的影响；第五章整理文献资料，详述风力发电发展的关键技术，其中包括低电压穿越技术、电网接纳风电关键技术、储能技术、风电功率预测技术、海上风电技术以及风力发电与其他电源联合运行技术；第六章针对风力发电现存问题及挑
14、战，提出相应的解决措施，研究风力发电未来发展趋势。在本论文截稿时，对本论文末附的参考文献的作者也致以衷心的感谢。由于本人学识有限、时间仓促，论文中一定有许多疏漏之处及错误，殷切希望参考本次论文的老师和同学批评指正。第一章 绪论1.1本课题背景 2011年3月11日,日本当地时间14时46分,日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸,同时造成日本福岛第一核电站14号机组发生核泄漏事故,造成重大人员伤亡和财产损失。此次地震引起的核辐射,让人类重新思考核能,并越来越关注可再生能源1。众所周知，可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。随着传统石化能源的日益匮乏，可再生能源
15、作为解决全球能源危机的绿色方案，受到世界各国的普遍重视。其中，风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计，地球上可开发利用的风能约为MW，是水能的10倍，只要利用1的风能即可满足全球能源的需求2。 同时风力发电是当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一，风电以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。早在很久以前它就被人们称为“蓝天白煤”。我国电力需求日益增加，而我国人口骤多，电力资源人均占有量变得更少。对于电力资源如此短缺之现状，无论从短期还是从长期
16、来看，风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，对于缓解缺电，促进经济发展和提高社会效益具有非同寻常的意义，而且成为带有巨大商机的“朝阳产业”3。 由于起步较晚，技术落后，我国的能源消费与世界主流有一定的差距。目前，世界平均电力消费中，煤电占39%、水电19%、核电16%、天然气15%、油电16%、风电等可再生能源占1%；其中，欧盟计划到2010年新能源提供的电力将提高到22%；而在我国的2010电力规划中，煤电占80%，水电占14.8%，燃气电占2.7%，核电占2.1%，风电等可再生能源占0.4%4。与其他可再生能源利用方式相比，风力发电是解决
17、我国电力和能源紧缺的重要战略选择57。 据中国气象科学研究院测算，我国的风力资源非常丰富，实际可供开发的陆地风能资源总储量有2.53亿kW，近期具备开发条件的风电场约有50个，分布在全国16个省(市、自治区)，风力发电已成为我国能源政策支持的重要发展方向。同时并网运行是风力发电最重要的运行方式，2007年，我国并网风电场总装机容量达605万kW，预计到2020年，总装机容量达2000万kW，将占全国发电发电量的1%8。由于现在风电市场急剧膨胀、装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起的现象背后，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。走出产业结构不均衡、产能盲目扩张、并网滞后利益博弈的困
18、境，正在考验电网公司、风电设备厂商、零部件配套生产企业以及相关管理部门的快速反应能力9。1.2本课题研究目的及意义 风电是可再生能源当中技术最成熟、价格最低的能源之一。近年来，在国家政策的大力扶持下，中国风电产业呈现出高速发展的态势，风电装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起。风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力10。然而，当前风电大规模并网对电网运行的冲击影响，仍然是制约风力发电发展的瓶颈。因此需要加大并网技术的研发，努力探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可
19、靠运行。并且风力发电技术不是十分成熟，风电场设计、建设、运行及并网方面还存在许多问题尚未彻底解决。并且经历全球金融危机之后，风电机组制造新秀的进入，搅乱了动荡中的风电市场，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。与此同时，随着市场的急剧膨胀，伴随风电产业发展的各种问题逐步凸显出来11。因此如何全面经济地利用风电，借鉴国外成熟的经验，寻求中国风力发电正确的发展方向是一个具有重要意义的研究课题。第二章 风电发展的现状2.1风能资源分布及特点 根据世界气象组织估计，全球的可利用风能资源约为200亿kW，为地球上可利用水能资源的10倍。经估算全球风能蕴藏量约为3107kW，其中可利用的风能为210
20、10kW。由于风能是来源于太阳能，因此也有人假设在太阳能进入地球大气时，每平方米的功率为1.35kW，假定约有60%的能量留在大气层中，其总能量为1.041014kW。如果设想风能是该值的1%2%，则风能为kW12。尽管各种估算数值不同，但总的来说全球具有巨大的风能资源，风能是取之不竭、用之不尽、可再生的清洁能源。 根据中国气象局第三次全国风能资源普查的结果，我国陆地10m高度层风能资源理论可开发储量为43.5亿kW、技术可开发量为2.97亿kW，技术可开发的陆地面积约为m2。2006年国家气候中心采用树脂模拟方法对我国风能资源进行了评价，结论是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地10m高度层
21、风能资源技术可开发量为25.48亿kW。我国风力资源丰富，可开发量约为712亿kW，其中陆地约为610亿kW，海上约为12亿kW，按2009年风力发电装机容量1613亿kW，发电量269亿kW推算，未来每年可提供1.22万亿kWh电量13。我国幅员辽阔，地形条件复杂，风能资源状况及分布特点随地形和地理位置的不同而相差很大。根据风资源类别划分标准，按年平均风速的大小，各地风力资源大体可划分为4个区域，见表2-1。表2-1 风力资源区域划分区别平均风速（m/s）分布地区丰富区6.5东南沿海、山东半岛和辽宁半岛、三北地区、松花江下游区较丰富区5.56.5东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区
22、可利用区3.05.5两广沿海区贫乏区3.0 受大气环流、季风和海陆风的影响，我国风能资源较丰富的地区，主要分布在北部和沿海及近海岛屿两个带状范围内，青藏高原北部及内陆的一些特殊地形或湖岸地区也有一些风能较丰富的地区， 全国平均风速分布图如图2-1所示。图2-1 全国平均风速分布图中国风能资源的特点： （1）风能资源季节分布与水能资源互补 我国风能资源丰富，但季节分布不均匀，一般春季、秋季和冬季丰富，夏季贫乏。我国的水能资源丰富，雨季在南方大致是36月（或47月），在此期间的降水量约占全年的50%60%14；在北方，不仅降水量小于南方，而且分布更不均匀，冬季是枯水季节分布恰好互补，大规模发展风力
23、发电可以在一定程度上弥补我国水电冬春两季枯水期发电电力和电量的不足。（2）风能资源地理分布与电力负荷不匹配 沿海地区电力负荷大，但是风能资源丰富的陆地面积小；北部地区风能资源很丰富，电力负荷很小，给风电的经济开发带来困难。由于大多数风能资源丰富区远离电力负荷中心，电网建设薄弱，大规模开发需要电网延伸的支撑。我国风电的开发程度还很低，截至2008年，风电装机容量为1.2MW，不到可开发量的1%。虽然目前各大电力公司及风电投资商在风力资源较好地区跑马圈地，所占容量也不过MW，约占资源量低限的10%。未被开发的资源潜力还十分巨大。2.2国外风力发电发展概况 进入21世纪,全球可再生能源在不断发展,而
24、在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势,并成为继石油燃料、化土燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年29%的增长速度在发展,根据全球风能协会(GWEC)的统计,至2009年底,全球风力发电机总装机容量达74.2GW,较2008年的59.1GW增长27%,如表2-2。由此可见,风电正在以超预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中,欧洲风能发电的发展速度很快,预计15年之后欧洲人口的一半将会使用风电。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢,除印度一支独秀以外,其它国家风电装机容量均很小。风电累计装机容量居前五位(到2006年底)的国家依次是:德国(20620MW),西班牙(11615M
25、W)、美国(11603MW)、印度(6270MW)和丹麦(3136MW)。 表2-3为2009年底全球前十大风力发电市场总装机容量及市场占有率。欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快,同时也是风电装机最多的地区。2010底欧洲地区累计风电装机容量为7708万kW,约占全球风电总装机容量的51%。尽管2010年欧洲风电装机增长幅度有所放缓,年增幅由2010年的58%降为2009年的51%，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展,预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。其次为亚洲24.3%(3679MW)和北美洲地区21.3%(3230MW),其它地区合计市场占有率为3.7%(580MW)，如图
26、2-2所示。图2-2 2010年全球新增风力发电区域分布(数据来源GWEC-2010）表2-2 2000年至2009年全球风力发电装机容量年度累计装机容量（MW）增长率20007,60025%200110,20034%200213,60033%200317,40028%200423,90037%200531,10030%200639,43126%200747,62020%200859,09124%200974,22327%年复合增长率29%表2-3 2009年底全球前十大风力发电市场总装机容量国家总装机容量（MW）市占率德国20,62027.8%西班牙11,61515.6%美国11,60315
27、.6%印度6,2708.4%丹麦3,1364.2%中国大陆2,6043.5%意大利2,1232.9%英国1,9632.6%葡萄牙1,7162.3%法国1,5672.1%前十大总市场占有率85%2.3国内风力发电发展概况 我国有着丰富的风能资源,幅员辽阔、海岸线较长,风能资源比较充足,风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至东南沿海地带及岛屿。“世界能源理事会”1994年风能评估报告指出,中国理论风力资源潜力是17,000TWh/年。我国可开发利用的风能储量约为10亿kW,其中,陆地上风能储量约2.53亿kW(依据陆地上离地面10m高度计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。但
28、是,由于我国地形复杂、国土广阔,风能资源的地区性差异很大,即使在同一地区,风能也有较大的差别。 风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，据资料统计，全国陆地上离地10m高度层上风能资源总储量约3226GW和4350GW，可开发和利用的陆地上风能储量有253GW和297GW。如果风能资源的开发和利用率实现60%，那么仅风能就可以支撑中国目前每年全部的电力需求11。我国利用风力发电是从20世纪50年代开始的，到20世纪80年代初，起步较晚，同发达国家相比，我们还有相当大的差距。 至今，我国已经在河北张家口、辽宁营口、黑龙江富锦等等地区建成10多个百万千瓦级的大型风电基地，并初
29、步形成几个千万千瓦级风电基地，并且计划在甘肃酒泉、江苏南通等地兴建GW级风电场。2008年全国并网风力发电容量又一次实现飞跃性的发展。继2006、2007年实现年增长率分别为105.3%、127.3% 后15，再次实现了年增长率为105.8%。全年新增风电装机容量达624.6万kW，占2008 年全国新增发电装机容量的8.0%。近10多年来全国新增风电装机容量及年增长率情况如图2-3示。近几年，尤其是 20062008年，我国风电装机连续3年增长翻番，风电在我国发电装机总容量中的比重有了大幅度提高。尽管同期全国发电装机总容量的增长也很快，但风电装机比重仍从2005年的0.25%提高到了2008
30、年的1.53%。1992 年以来全国历年的累计风电装机容量及其占全国发电装机总容量的比重变化情况如图2-4所示。图2-3 全国风电近年新增装机及年增长率（未含台湾省数据）图2-4 1992-2008年全国风电装机及其占全国发电装机的比重第三章 风电机组的分类及控制3.1风电机组类型 风电机组是将风能转化为电能的装置，其基本原理为：风轮捕获风能带动风轮轴转动，风轮轴的转动机械能传递到发电机转子，拖动发电机发电，输出三相交流电。对于非直驱式风电机组，由于风轮转速较低，不符合发电机的要求，因此还配备齿轮箱，将风轮轴的转动传递到发电机主轴，同时通过齿轮结构进行增速，带动发电机发电。风力发电机则是将机械
31、能转变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程16,如图3-1所示。风能电能机械能机械能风轮风力发电机传动系统图3-1 风力发电的工作过程由于风电机组的组成复杂，因此，根据不同的结构，风电机组有不同的分类方式。例如，按装机容量，按运行方式，按风轮轴方向，按功率调节方式，按传动形式等可分为以下几种。（1）按装机容量可以分为小型、中型、大型和特大型风电机组。小型机组指容量在0.11kW；中型机组指容量在1100kW；大型机组指容量在1001000kW，特大型为1000kW以上。（2） 按运行方式可分为离网型风力发电机组和并网型风力发电机组。离网型风力发电机组不与电网连接，运行不受电网电
32、压及频率的限制，因此不必设置控制运行的复杂系统，一般用于没有电网地区。而并网型风力发电机组产生的电能向电网输送，电压和频率必须与电网一致。（3） 按风轮轴方向分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机组是风轮轴基本上平行于风向的机组，工作时风轮的旋转平面与风向垂直。水平轴风力发电机组按风轮与塔架的相对位置可分为上风向和下风向，如图3-2（a）所示。垂直轴风力发电机组的风轮旋转轴与地面垂直，垂直轴风轮按形成转矩的机理又可分为阻力型和升力型，阻力型的效率低于升力型，如图3-2（b）所示。 (a)水平轴风力发电机组 (b)垂直轴风力发电机组 图3-2 两种风轮轴方向的风力发电机组（
33、4） 按功率调节方式分为定桨距风机、普通变桨距风机和主动失速型风机。 定桨距风机：其风轮叶片直接与轮毂固定，安装角固定不变。失速型风力发电机组工作原理是在一定迎角范围内叶片翼型的升力系数与迎角成正比，超出一定迎角后气流开始分离，不再保持正比关系，当迎角大到一定程度后，升力系数下降，阻力系数增加称为失速。失速型风电机组的最大优点是，控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有较复杂的气动制动装置，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。 普通变桨距风机：这种风机当风速过高时，通过减小叶片翼型上合成气流方向与翼型几何弦的攻角，改变风力发电机组
34、获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。同时风机在启动过程也需要通过变距来获得足够的启动转矩。采用变桨距技术的风力发电机组还可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。 主动失速型风机：主动失速型风力发电机组是定桨距型与变桨距型风力发电机组的结合。叶片采用失速叶片，在低风速时将桨距角调节到可获取最大功率输出的位置；当风速超过额定风速后，桨距角主动调到失速范围，使功率稳定在额定值或以下，限制功率超载。随着风速的不断变化，叶片仅需微调就能维持额定功率输出17。主动失速型风力发电机组的特点是既具备定桨距失速型风力发电机组的特点，又可进行变桨距调节，提高机组的运行效率，输出功率较
35、平稳。（5） 按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动型和半直驱型。 高传动比齿轮箱机组中的齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速较低，通常达不到风电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。 直接驱动型机组应用多极同步发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。 而半直驱型机组的工作原理是以上两种形式的综合，这种风机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步发电机的极数，从而减小了发电机的体积。（6
36、） 根据风力发电机的运行特征和控制方式分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组。 恒速恒频 ( constant speed constant frequency，CSCF)风力发电系统。这是20世纪80、90年代常见的一种类型的风力发电系统，机组容量已发展到兆瓦级，具有性能可靠、控制与结构简单的特点。但这种风电系统，当风速发生变化时，风力机的转速不变，风力机必偏离最佳转速，风能利用率Cp值也会偏离最大值，导致输出功率下降，浪费了风力资源，发电效率大大降低。 变速恒频 ( variable speed constant frequency，VSCF) 风力发电系统。VSCF 风电系统风力
37、机的转速可变化，当风速改变时，可适时地调节风力机转速，使之保持最佳状态，风能利用系数Cp接近或达到最佳，可实现对风能最大限度地捕获，由此优化了机组的运行条件，系统的发电效率也大为提高18。相对CSCF 风力发电系统，VSCF 风力发电系统转速运行范围较宽，可灵活地调节系统的有功和无功。目前，国内外已建或新建的大型风电场中的风电机组多采用这种运行方式，尤其是兆瓦级的大容量风电系统已成为主流的风力发电系统。 目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风电机组形式，其基本结构如图3-3所示，由风轮、传动系统、发电机、控制与安全系统、偏航系统、机舱、塔架和基础组成。图3-3 水平轴风电机组结构图表3-1 风
38、力发电机组机型分类结构形式功率风轮轴方向功率调节方式传动形式转速变化水平垂直定桨距变桨距有齿轮箱直接驱动定速多态定速变速主动失速普通变距高传动比中传动比0.11kW小型风机有，常见有，不常见有，常见无无无无有有无无1100kW中型风机有有有无无有有有1001000kW大型风机有，不常见有，常见有，常见有，不常见有，不常见有有有，常见1000kW以上特大型风机有，不常见有，不常见有，常见有，不常见有，不常见有，常见3.2风力发电系统中的机组 根据基本结构以及运行原理，发电机通常可分为直流电机、感应异步电机和同步电机几大类。风力发电系统中电机类型繁多，包括以下类型。在 CSCF 风电系统中常用的发
39、电机包括异步机感应电机和电励磁同步机。异步机运行稳定可靠、坚固耐用、结构简单便于维护，适用于各种恶劣的工况条件，但转速运行范围窄。电机定子一般通过变换器或软启动器与电网相连，如图3-4所示，通常还需并联无功补偿器，提供足够的无功补偿以维持机端电压稳定。软启动器的主要作用是限制并网时过大的冲击电流对电网的不利影响。图3-4 带软启动器的异步机恒速恒频风电系统图3-5 双PWM结构的异步恒速恒频风电系统 电励磁同步电机，带有独立的励磁系统，是同步电机必不可缺的组成部分，必须通过励磁系统的激磁才能建立旋转磁场，旋转磁场以同步转速旋转运行。根据励磁系统的励磁方式可分为直流励磁、静止交流整流励磁和旋转交
40、流整流励磁。旋转交流整流励磁无需电刷及滑环，可靠性大为提高。调节励磁可以改变电机无功功率以及功率因素，且并网运行供电可靠性高，频率稳定，电能质量好，这是同步机的显著优点。电励磁同步机恒速恒频风电系统如图 3-6所示。图3-6 电励磁同步机恒速恒频风电系统 在 VSCF 风电系统中所采用的电机种类比较多，常见的有以下几种：( 1) 笼型异步电机 因转子结构像鼠笼而得名，风速改变时，风力机和发电机的转速也跟随调整，因此发电机输出的电压频率不是恒定的，利用电机定子和电网间的变换器，将频率转变成与电网相同的恒定频率，可见变速恒频控制是在定子侧实现的19。由于电机定子与变换器相连，变换器容量与发电机的相
41、同，特别在大容量风电系统中将导致变换器成本、体积以及重量都明显增加，一般多应用于离网型风电系统。( 2) 绕线式异步电机 a.普通绕线式异步发电机。这类发电机的滑差变化小，调速范围较窄，通常不超过 5%。利用改变转子回路外串电阻阻值大小的方式，就能改变转子回路中外串电阻所消耗的转差功率，以此达到改变电机转速的目的，但在转子回路串入电阻，使系统损耗加大。 b.双速异步发电机。这种发电机具有2种不同的同步转速，即低同步转速和高同步转速。风速较低时采用低同步转速运行方式，维持低功率输出; 风速较高时采用高同步转速运行方式，与之对应则是高功率输出。根据异步电机理论，在电网频率恒定的情况下，只需改变极对数p，就能改变同步转速。通常通过安装2套不同绕组或改变定子绕组的接线方式就可改变极对数p。 c.滑差可调异步发电机。根据风力机特性，当风速改变时，而风力机转速维持不变，风能利用效率Cp必将偏离最佳值，风力
