作者：李良君 主编
出版社：化学工业出版社
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风力发电机组控制技术试读：
前言
风能作为可再生的清洁能源，越来越受到关注，而风力发电是风能利用最重要的形式。风力发电机组的控制技术是风电系统产品研发和设计的关键和核心。随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组控制技术也成为近年来风力发电技术的研究重点之一。
本教材基于大型风电机组常用机型，在风力机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统地介绍了风力发电机组控制系统及其执行机构和传感器，着重详细介绍了控制系统中各子系统的控制原理、控制要求、控制策略和方法以及控制过程，对风力发电机组的相关并网技术做了比较深入的阐释。本教材共分为四章二十四节，使读者不仅仅从理论上了解风力发电机组的控制技术，还能够对实际运行的机组控制系统有比较直观深入的了解，更加适用于高职高专学生，浅显易懂，能够从行业现状、企业实际需求角度对学生提出要求。
由天津轻工职业技术学院主持，酒泉职业技术学院、哈尔滨职业技术学院、新疆职业大学、包头职业技术学院、湖南电气职业技术学院、天津中德应用技术大学等参与建设和应用推广的“国家职业教育新能源类专业教学资源库（网址：http：//xny.tjlivtc.edu.cn）”标准课程“风力发电机组控制技术”，已于2018年5月通过验收，并被新能源类专业教学资源库授予“优质标准化课程”。该课程资源包括文档、ppt、图片、微课、视频、动画、互动仿真等，其中微课、视频、动画、互动仿真等非文本类资源占资源总数的53.7% 。本教材为其配套产品，书中配有二维码，可即扫即学。
本教材建议学时数为56学时。
本书由李良君任主编，参与编写的人员有王欣、张润华、孙艳、程明杰。全书所有章节由李良君负责统稿，由天津轻工职业技术学院院长戴裕崴负责审稿。
本教材在编写过程中，得到了风电企业及其工程师的大力协助，在此对他们表示衷心的感谢，尤其要感谢天津明阳风电设备有限公司、天津瑞能电气有限公司和歌美飒风电（天津）有限公司，感谢何昌国、任光绪、陈旭等领导和工程师，感谢所有为我们提供参考资料的学生。
限于编者水平有限，书中定有不少疏漏和不妥，恳请读者批评指正。编 者2018年11月第一章 风力发电基本理论第一节 风力发电简介
我国风力发电始于20世纪50年代后期，在吉林、辽宁、新疆等地建成了几个小型风力发电场，单台容量在10kW以下。其后，由于各方面的影响，我国的风力发电处于停滞状态。70年代中期以后，国家对风力发电重又给予了重视与支持。这段时期基本都是独立运行的机组。
1986年，在山东荣成，我国第一座并网运行的风电场建成，并网运行的风电场建设进入探索和示范阶段。但是规模和单机容量均较小。到1990年，已建成4座并网型风电场，总装机容量为4.215MW，其最大单机容量为200kW。
1991年起开始步入逐步推广阶段，到1995年，最大单机容量达到500kW。1996年后，进入了扩大建设规模的阶段，风电场规模和装机容量均较大，最大单机容量由百千瓦级进入兆瓦（千千瓦）级时代。
2008年，上海东海大桥10万千瓦海上风电场并网发电，这是国内第一座海上风电场。
目前，我国已有甘肃酒泉、蒙东、蒙西、东北、河北、新疆、江苏、山东等多个千万千瓦风电基地。
经过多年的技术积累和资本投入，国内风电设备生产水平不断提高，兆瓦级风力发电机组等科技难关被相继攻克。风电设备的国产化，带动了国内风电技术水平和运营质量的快速提升。目前，国内风力发电机组普遍采用当今世界主流技术，世界领先的3MW机和海上风电项目均在国内落户。一、风力发电基本过程
风力发电是一个由风力机（风机）将捕获到的风能转化为机械能，并通过齿轮箱等传动机构将机械能传递给发电机，再由发电机将机械能转换为电能的过程，如图1-1所示。图1-1 风力发电基本原理示意图
由于兆瓦级风力发电机组齿轮箱损坏率较高，因此有了直驱式风力发电机组（无齿轮箱）。风轮将风能转换为机械能后，直接传递给低速多极同步发电机（不再经过齿轮箱增速），再由发电机将机械能转换为电能。二、风力发电机组简介
1.风力发电机组总体结构
风力发电机组总体结构如图1-2所示。图1-2 风力发电机组结构图
2.风力发电机组分类
风力发电机组，按风轮叶片分类，有定桨型和变桨型；按风轮转速分类，有定速型和变速型；按传动机构分类，有齿轮箱升速型和直驱型；按发电机分类，有异步型和同步型；按并网方式分类，有并网型和离网型。
3.常见的风力发电机类型
风力发电机常见的有笼型异步发电机、双馈式风力发电机和永磁直驱同步发电机，其原理图如图1-3～图1-5所示。图1-3 笼型异步发电机原理图图1-4 双馈式风力发电机原理图图1-5 永磁直驱同步发电机原理图
4.大型风力发电机组的发展趋势
陆地风力发电：其方向是低风速发电技术，主要机型是2～5MW的大型风力发电机组。这种模式的关键是向电网输电。
近海风力发电：主要用于比较浅的近海海域，安装5MW以上的大型风力发电机组，布置大规模的风力发电场。这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本，但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风力资源较好。
大型风力发电机组的发展趋势：
①变桨距调节方式取代失速调节方式；
②变速运行方式取代恒速运行方式；
③机组规模向大型化发展；
④直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展，混合式机型也受到重视。习 题
1.风力发电包含了从 转换为 ，从 转换为 两个能量转换过程，分别由 和 实现。
2.简述风力发电机组的分类。
3.简述大型风力发电机组的发展趋势。第二节 风力发电机组的能量转换过程一、风能转化为机械能
风能转化为机械能这一过程由风轮实现。这一过程最重要的指标有两个：风能利用系数和叶尖速比。
1.贝茨理论
1919年，德国物理学家贝茨首次提出：风轮从自然界中获得的能量是有限的，只能把不足16/27的风能转化为机械能（即理论上利用系数的最大值为0.593），损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。
假设风轮是理想的，且由无限多的叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮气流模型如图1-6所示。图1-6 理想风轮的气流模型
图中，V是风轮上游的风速，V是通过风轮的风速，V是风轮下12游的风速。通过风轮的气流其上游截面是S，下游截面是S。12
由于风轮所获得的能量是由风能转化得到的，所以V必定小于2V，因而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S大于12S。1
自然界的空气流动可以认为是不可压缩的，由连续流动方程得到
由动能方程，可得作用在风轮上的气动力为
所以风轮吸收的功率为
故上游至下游动能的变化为
由能量守恒定律，可知
因此，作用在风轮上的气动力和提供的功率可写为
对于给定的上游速度V，可写出以V为函数的功率变化关系。12将上式微分可得V=V/3时，功率P达到最大值，即21
将上式除以气流通过扫风面S时所具有的动能，可得到风轮的理论最大效率——理论风能利用系数
也就是说，实际风力发电机组的功率必定小于贝茨理论的极限值0.593，因此，风力发电机组实际得到的有用功率是
式中，C是风力发电机的风能利用系数。p
2.风力发电机的空气动力特性（1）风能利用系数
风能利用系数定义为风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比
式中 P——实际获得功率，W；3
ρ——空气密度，kg/m；2
S——扫风面积，m；
V——上游风速，m/s。
C值越大，表示风力发电机组能够从自然界中获得的能量百分p比越大，风力发电机组效率越高，对风能的利用率越高。
对于实际应用的风力发电机来说，风能利用系数主要取决于风轮叶片的气动结构设计以及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力发电机组，一般风能利用系数在0.45以上，而阻力型风力发电机组的风能利用系数只有0.15左右。（2）叶尖速比
风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述，称为叶尖速比λ。
式中 n——风轮转速，r/min；
R——叶尖半径，m；
V——上游风速，m/s；
ω——风轮旋转角速度，rad/s。
功率P可表示为风轮获得的总转矩M和风轮角速度的乘积ω。
由ω=λV/R，得2
并定义M=C/λ=2M/ρSVR为无因次数，正比于转矩。p
风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线，称风力发电机组的空气动力特性曲线，如图1-7所示。图1-7 风力发电机组的空气动力特性曲线
变桨距风力发电机组的特性，通常由一族风能利用系数的无因次性能曲线来表示。
风能利用系数C是叶尖速比λ的函数，也是桨距角β的函数，综p合起来可表示为C（λ，β），当桨距角β逐渐增大时，C（λ）曲线将pp显著缩小，见图1-8和图1-9。图1-8 风能利用系数的无因次性能曲线1图1-9 风能利用系数的无因次性能曲线2
风能利用系数只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值。当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速ω，那么必将偏离其最优值，从而使C降低。p
为了提高风能利用系数，必须使风速变化时机组的转速也随之变化，从而保持最优尖速比。
风力发电机组的稳态特性由叶尖速比λ、风力发电机组转矩系数C（λ，β）、风能利用系数C（λ，β）、风轮捕获功率P表示：Tp
转速与功率的关系如图1-10所示。图1-10 转速、功率曲线图二、机械能转化为电能
机械能转化为电能这一过程由发电机实现。风力发电机利用电磁感应原理将风轮传来的机械能转换成电能。
发电机分为异步发电机和同步发电机两种，风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机。异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速很小的范围内变化。
当风速增加时，齿轮箱高速输出的轴转速达到异步发电机同步转速时，风力发电机并入电网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略微升高，增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增大。反之，风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后脱开电网。
对于定桨距风力发电机，一般还采用单绕组双速异步发电机，如从4级1500r/min变为6级1000r/min。但是这种发电机仍然可以看做是基本上恒定转速的，这一方案不仅解决了低功率时电机的效率问题，而且改善了低风速时的叶尖速比，提高了风能利用系数，并降低了运行时的噪声。由于同样考虑，一些变桨距风力发电机也使用双速发电机。
普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，但风轮转速固定后效率较低，而且在交变的风速作用下，要承受较大的载荷。为了克服这些不足之处，相继开发了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。
同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电机中极少使用；另一种是交-直-交并网。
近几年来，由于大功率电子元器件的快速发展，变速恒频风力发电机得到了迅速的发展，同步发电机在风力发电机中得到了广泛的应用。
为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电机采用风轮直接驱动同步多级发电机，又称无齿轮箱风力发电机，其发电机转速与风轮相同而随着风速变化，风轮可以转换更多的风能，所承受的载荷稳定，减轻了部件的重量。缺点是发电机结构复杂，制造工艺要求高，且需要交流装置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。习 题
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]