2.1 风力发电系统的概述

2.1.1 风力发电系统简介

风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初 ，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下[1]。

目前，内蒙古草原上的风力发电机产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。

2.1.2 风力发电系统的原理

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵[2]。

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。

在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。

我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。

2.2 风力机的特性

2.2.1 风力机的运行原理

由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为 

   式中：ρ为空气密度，一般为 1.25kg/m ；Sw为风力机叶片迎风扫略面积；v 为空气进入风力机扫掠面以前的风速。 

    由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数为 Cp，所以风力机的输出机械功率为： 

    风能利用系数 Cp是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论 Cp的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比 λ，即叶片的叶尖线速度与风速之比：

    式中：Rw为叶片的半径；ωw为叶片旋转的角速度。 

    风力机可分为定浆距和变浆距两种。定桨距的风力机桨叶节距角 β 保持不变，风能利用系数 Cp只与叶尖速比 λ 有关，则可用一条曲线描述 Cp(λ)特征，图1就是定浆距风力机的特性曲线[3]。 

图1  定浆距风力机特性曲线

在定浆距情况下叶尖速比 λ 决着风能利用系数 Cp的大小。对于一个特定的风力机具有唯一一个使得 Cp最大的叶尖速比，称为最佳叶尖速比，用 λopt表示，对应的 Cp为最大风能利用系数用 Cpmax表示。从图中可以看出，当叶尖速比大于或小于最佳叶尖速比时，风能利用系数都会偏离最大风能利用系数，引起机组效率的下降。

图2  变浆距风力机特性曲线 

变浆距的风能利用系数 Cp是叶尖速比 λ 和桨叶节距角 β 两者的函数，综合起来可以表示 Cp(λ,β)。如图2所示，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系，其数学模型如下:

从上面的分析可以得到，在某一固定的风速 v 下，随着风力机转速的变化， Cp的值也会相应地变化，从而使风力机输出的机械功率也变化，因此转速的变化会导致风力机捕获风能的能力发生变化。根据式子可以导出不同风速下风力机输出功率和转速的关系，如图3可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在最佳功率曲线上将会输出最大功率 Pmax，其值为：

对应的转矩为：      

    式中：       

图3  风力机功率与转速的关系           图4  风力机转矩与转速的关系 

由式可知，对于特定的风力机，其最佳功率曲线是确定的，最大功率和转速成三次方关系。定浆距风力机的特点可总结如下： 

    (1)在某一固定的转速下，风速 v 越大风提供的输入功率越大，风力机输出的机械功率也越大； 

    (2)在某一固定的风速下，风力机在某一转速时可以输出最大的功率，转速较小或较大时风轮机输出功率将会降低，应保证风力机在最佳转速下运行； 

    (3)风力机最佳转速是相对于某一确定的风速来说的，随着风速的增加，风力机最佳转速也增加[4]。 

2.2.2 风力机的运行区域

由于风速的不同，交流励磁变速恒频风力发电机的运行范围也不同。一般情况下运行范围可以划分为三个区域。在不同的区域不仅控制手段和控制任务各不相同，而且风力机和双馈电机的控制重点和协调关系也不相同。 

第一个运行区域是起动阶段，此时风速从零上升到切入风速。当风速小于切入风速时，双馈发电机与电网是脱离的不能发电运行，只有当风速大于切入风速时，才进入并网运行状态。在这个区域内风力机控制系统是通过变桨系统来完成桨距角的调节，进而控制转矩的输出。 

第二个运行区域是在额定风速以下的区域。此时风力发电机并入电网运行，获得的能量转换成电能输送到电网。根据不同的转速，在这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。当发电机的转速小于最大允许转速时，风力发电机组要保持变速恒频运行。在这个区域内实行最大风能追踪控制，保证风力机在风能利用系数的最大值 Cpmax下运行，因此该区域又称为 Cp恒定区。

在 Cp恒定区追踪最大风能时，风力机控制子系统进行定浆距控制，发电机控制子系统通过控制发电机的输出功率来控制机组的转速，实现变速恒频运行。当转速超过最大的允许转速时，发电机在恒转速下运行，在此区域一般是由风力机控制子系统通过变浆距控制来实现转速控制任务。 

第三个运行区域为恒功率运行区。当风速继续增加时风力机输出功率继续增大，发电机和变换器的功率将会达到极限，因此此运行区域必须保证机组的功率小于其功率的极限值。实现在风速增加时机组转速降低，Cp值迅速降低，从而保持功率不变。此过程通常是通过控制系统的变桨距控制实现的。 

从上面的讨论可以看出，在风速的变化过程中，风力发电机组运行在不同的区域，各有不同的控制任务、不同的控制方法，图5可以表示这些关系。图中 OA 为启动阶段，对发电机进行并网控制，发电机无功功率输出；AB 段为Cp恒定区，机组随着风速作变速运行以追踪最大风能；BC 段为转速恒定区，随着风速增大，转速保持恒定，功率将增大；CD 段为功率恒定区，随着风速增大，控制转速迅速下降以保持恒定的功率输出。

图5 风力发电机组的运行区域

根据交流励磁变速恒频风力发电机组的运行区域，可将运行控制策略确定

为：低于额定风速时，实行最大风能追踪控制或转速控制，以获得最大的能量

或控制机组转速；高于额定风速时，实行功率控制，保持功率输出稳定。

参考文献:

[1]  阵忠斌,胡文华.电力电子技术在风力发电中的应用[J].电源技术应用,2006，12(9):22-26

[2]  刘其辉,贺益康,赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能跟踪控制[J].电力系统自动化,2003，20(20): 62-67

[3]  李建林,高志刚,付勋波.几种典型的风力发电系统对比分析[J].电源技术应用,2007，10(9):42-47

[4]  Morimoto S, Nakayama H, Sanada M. Sensorless output maximization control for  variable-speed  wind  generation  system  using  IPMSG[J].IEEE  Transaction on Industry Applications,2005,41(1):60-67下载本文