第四章风力发电机组的运行特性4.1风力发电系统的一般构成及分类 (1)4.2风力机的功率调节原理 (3)4.2.1风力机的输出功率 (3)4.2.2风力机功率调节原理 (5)4.2.3风力机相关技术参数 (5)4.3三相交流异步电机的基本电磁理论 (7)4.3.1三相交流异步电机的结构 (7)4.3.2三相交流异步电机的基本工作原理 (8)4.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型 (10)4.3.4 dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型 (13)4.4 电压源型变流器工作原理及运行特性 (17)4.4.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 (17)4.4.2 三相电压源型变流器联网运行特性 (19)4.4.3 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 (20)4.5定速型风电机组的运行特性 (23)4.5.1鼠笼式感应风电机组的运行原理 (23)4.5.2 鼠笼式感应风电机组的风速-功率特性 (26)4.5.3鼠式笼感应风电机组的运行控制 (27)4.6变速型风电机组的运行特性 (31)4.6.1双馈感应式发电机组的转速调节原理 (31)4.6.2双馈感应式风电机组的运行控制原理 (33)4.6.3双馈感应式风电机组的功率传输特性 (34)4.6.4双馈感应式异步风电机组的撬杠保护 (36)4.6.5双馈感应式异步风电机组的运行操作 (38)4.7直驱式永磁同步风电机组的运行特性 (40)4.7.1永磁同步发电机的数学模型 (40)4.7.2永磁同步发电机的外特性 (41)4.7.3直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 (42)4.7.4直驱式永磁同步风电机组的运行操作 (44)参考文献 (46)第4章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[1]。

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[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[3]，主要包括风力机、齿轮箱（可选）、发电机、电能变换装置（可选）等。

风能叶轮齿轮箱(可选)发电机电能变换(可选)输电网机械能电能能量转换与能量控制能量传输能量转换能量转换与能量控制能量传输用户/负荷图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（Constant Speed Constant Frequency, 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（Variable Speed Constant Frequency, 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（Variable Speed Variable Frequency, VSVF）风力发电系统，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背靠背四象限变流器风力机背靠背四象限变流器图4-4 变速变频直驱式风力发电系统结构示意图4.2风力机的功率调节原理风力机是风力发电系统中的原动机，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C p 高（C p 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间超载[4]。

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：3m p p 1w 0.5C A w P P V ρ=C ＝ （4-1） 式中：P m 为风轮输出功率（W ），C p 为风能利用系数——表征风力机捕获风能能力的参数，A 1=R 2为风力机叶片扫略面积（m 2），为空气密度（kg/m 3），V w 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V w 、叶片半径R 和风能利用系数C p 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C p 。

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[5]，其实际值通常在0.47左右。

风力机的风能利用系数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C p-特性曲线示意图由图4-5可知，当叶尖速比取某一特定值时Cp 值最大，与Cp最大值对应的叶尖速比称之为最佳叶尖速比。

因此，为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随之变化，使之运行于最佳叶尖速。

图4-6 风力机的功率调节特性曲线（Popt是各风速下风力机最大输出功率点曲线——最佳功率曲线）图4-6是不同风速下（风速V1、V2、V3和V4且V1>V2>V3>V4）风力机的输出功率特性。

由图可知，对于某给定风速，风力机有一最佳转速，在此转速下风力机捕获的风能最大，该转速即为最佳叶尖速。

不同风速下的风力机最大输出功率点连线即为风力机最佳功率曲线。

4.2.2风力机功率调节原理由前面分析可知，风力机输出功率与风速的三次方成正比，当风速超过额定风速时，风力机输出功率将超过额定值，进而导致发电机组、齿轮传动机构等过载运行，威胁着风力发电系统的安全运行。

因此，当风速超过额定风速时，往往需要对风力机的输出功率进行调节，以保证发电机、齿轮箱等设备运行于允许范围内。

由前面的分析可知，调节风力机输出功率的有效途径是调节风能利用系数C p ，而Cp与风力机转速、风力机叶片空气动力特性密切相关，因此，通过调节风力机转速或风力机叶片空气动力特性即可实现风力机输出功率的调节。

1.定桨距风力机功率调节定桨距风力机是根据风力机叶片失速特性来调节风力机的输出功率。

当风速超过额定风速时，风力机叶片翼型发生变化，使风力机风轮捕获风能的能力下降，保证风力机输出功率不随风速上升而增加，而使输出功率不超过额定功率。

2.变桨距风力机功率调节变桨距风力机是通过调节风力机桨距角来改变叶片的风能捕获能力，进而调节风力机的输出功率。

风力机启动时，调节风力机的桨距角，限制风力机的风能捕获以维持风力机转速恒定，为发电机组的软并网创造条件。

当风速低于额定风速时，保持风力机桨距角恒定，通过发电机调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。

当风速高于额定风速时，调节风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

4.2.3风力机相关技术参数为了能够准确地描述风力机的运行性能，通常定义如下技术参数：1.风速某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。

一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。

2.有效风速风速随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行。

有效风速是指使风力发电机风轮安全转动的风速，有时也称可利用风速。

3.有效风速范围把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称作有效风速范围。

设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围。

一般设计时常取3~20m/s（也有取6~20m/s）的风速范围为有效风速范围。

4.有效风速可利用的时间把一年内有效风速所占的时间称作有效风速可利用时间。

如东南沿海的泗礁岛年3~20m/s风速占7000h以上，有效风速时间即7000h以上。

5.起始风速（切入风速）与停机风速（切出风速）在低风速下，风力发电机组的风轮虽然可以转动，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能。

当风速上升到切入风速时，风力发电机组才开始发电。

随着风速的不断升高，发电机组输出功率不断增加，当风速上升到切出风速，风力发电机组输出功率超过额定功率时，在控制系统的作用下机组停止发电。

因此，切入风速为使风力发电机组开始发电的最小风速；切出风速为风力发电机组输出功率超过额定功率时的最小风速。

对于不同厂商生产的风电机组，其切入、切出风速不完全相同，切入风速与切出风速之间的风速段称为“工作风速”。

6.额定风速与额定输出功率风力发电机组产生额定输出功率时的最低风速，称为额定风速，它是由设计者为机组确定的一个参数。

在额定风速下，风力发电机组产生出的功率，称为额定输出功率。

7.最大输出功率与安全风速最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发电机组可以发出的最高功率值。

最大输出功率高，说明风力发电机组的发电机容量具有较大的安全系数。

安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速。

安全风速高，说明该机组强度高，安全性好，一般不要求机组在安全风速下工作。