风电基础 | Z-cozy

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风力机的基本特性

当风以速度通过面积为的区域时，通过这个区域的风能为：

其中，为空气密度

风力机通过叶轮捕获风能并将其转化为机械能的效率并不是，因此可以定义出一个风能利用系数

所以有：

为了便于讨论的特性，我们定义一个新的物理量——叶尖转速比

其中，为风力机风轮角速度，为主导风速，为风力机叶片半径

不加证明地给出，风能利用系数是叶尖转速比和桨叶节距角的二元函数，即有

显然的，如果保持节距角不变（定浆距风力机），是的一元函数。对于特定的定浆距风力机，存在一个唯一的最佳叶尖角速比。一般而言，实际的一般在0.4左右，很难超过0.5

风力机的功率调节

风力机及其控制系统是风力发电系统的第一个核心部分，负责将风能转换为机械能

控制目标

定桨距失速控制的主要控制目标包括：

功率限制与保护：在风速超过额定风速时，自动限制风力发电机组的输出功率，防止发电机和传动链过载，保护机组安全运行。

当风速超过额定风速时，通过降低风能利用系数 ，从而将发电机的输出功率限制并维持在一个恒定的水平

能量捕获优化：在低于额定风速的区域，使风轮尽可能高效地捕获风能，最大化年发电量。

能够追踪是再好不过了

定桨距失速控制

结构特点：桨叶和轮毂的链接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。机组的输出功率随风速的变化而变化。

功率限制

对于定桨距失速控制而言，降低依赖于经过特殊空气动力学设计的"失速型叶片" 。这种叶片的结构和翼型剖面经过精心设计，使其在特定的风速和气流条件下会产生失速现象。

然而，失速型叶片结构复杂，成型工艺难度大。尤其是随着机组容量增大，其应用受到极大限制。

能量捕获

因为桨叶的节距角是固定的，所以风能利用系数就只由叶尖速比决定。一台风力机只有一个唯一的最佳叶尖速比，能对应其最大风能利用系数，因此风机在大部分时间里都无法运行在效率最高的那个点上。

只能从追求最高，转而追求在一系列不同风速下保持较高的

但是一个异步电机运行的速度区间非常有限，也就意味着能够保持较高的的风速区间非常有限

为了解决这个问题，从而在更宽的风速范围内都保持一个“比较高”的风能利用系数，文中提到“这种机组通常采用两个不同功率、不同极对数的异步发电机。

变桨距控制

变桨距控制是一种主动的功率调节策略，通过实时调整风轮叶片的桨距角（pitch angle）来优化风力发电机组的性能，以适应不同的风况。

在额定风速以下最大化能量捕获：

目标：在风速低于机组额定风速时，使风轮尽可能高效地捕获风能，以最大化年发电量

实现方式：

最小桨距角运行：在此区域，叶片通常被设置为一个最优的、通常是最小的桨距角并保持不变，使风轮的功率系数（）达到较大值。
结合发电机转矩控制：变桨距控制通常与发电机转矩控制协同工作。通过调节发电机转矩来控制风轮转速，使其保持在最佳叶尖速比（）附近，从而实现最大功率点跟踪（MPPT）。

在额定风速以上实现功率限制：

目标：当风速超过机组额定风速时，将风力发电机组的输出功率限制在额定功率，防止发电机、传动链及其他部件过载，保护机组安全运行

实现方式：

主动增加桨距角：当风速达到或超过额定风速时，控制系统会主动且精确地增加叶片的桨距角，使叶片“偏离”风向
降低气动效率：通过增加桨距角，叶片的有效攻角（Angle of Attack, AoA）减小，导致叶片的气动升力下降，风轮的功率系数（）迅速降低
维持额定功率：通过精确的桨距角调节，即使风速继续升高，风轮捕获的功率也能被限制在额定值，从而保持输出功率的稳定。这种主动调节能力使得变桨距控制在功率限制方面比定桨距失速控制更为精确和灵活。

发电机及其控制系统

发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，负责将机械能转化为电能。

NOTE THAT：

下面所说的“速”系指转子转速；“频”系指发出的电能的频率

恒速恒频风力发电

在这种风力发电系统中，由于风速经常变化而风力机转速不变，值往往偏离最大值，风力机常常运行于低效状态。随着风力发电系统单机容量的增大，发电效率显得越来越重要，追踪最大风能捕获、提高整个风力发电机组的运行效率成为当务之急。

变速恒频风力发电

风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。如前述，风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，此转速下对风能的捕获效率最高，而且风施加给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。

传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在某一转速上才能达到最高运行效率，当风速改变时，风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，浪费风力资源，增大风力机的磨损。若采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在与该风速对应的最佳转速上。

全功率变换器有齿轮⚙变速恒频风力发电系统

齿轮⚙的出现是因为风力机实际转速很慢，需要使用多级齿轮加速让实际的电角速度达到工频左右

全功率变换器无齿轮箱变速恒频风力发电系统

如果采用多电机的永磁同步电机，则可以省去齿轮箱，从而消除了齿轮箱在运行中的损耗。

然而，多电机同步发电机的外形尺寸和重量比普通4电极电机+齿轮箱还要大，价格也更为昂贵。采用这种设计主要是出于提高系统稳定性，降低故障率的考虑

交流励磁（小功率变换器）变速恒频双馈风力发电系统

这个设计的核心在于：转子绕组上也有励磁电流。在风速发生变化时，若控制转子励磁电流的频率，可使定子频率恒定，实现变速恒频发电。

其中：是电网频率；为转子旋转频率；是极对数；是转子电流频率

运行状态	速度关系	功率流向
同步状态		变换器向转子提供直流励磁
亚同步状态		电网通过变换器向转子提供转差功率
超同步状态		转子通过变换器向电网回馈转差功率

由于这种变速恒频控制是通过对转子绕组进行控制实现的，转子回路流动的功率由发电机转速运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步速设计在整个转速运行范围的中间。这样如果系统运行的转差范围为±0.3，则最大转差功率仅为发电机额定功率的30%左右，因此交流励磁变换器的容量可仅为发电机容量的一小部分，可以大大降低成本。

变速恒频风力发电系统的运行区域

启动区

此时风速从零上升到切入风速，在切入风速一下风机不会并入电网发电

最大风能追踪区

此时风力机处在定桨距运行的状态，风力机桨叶节距角不调节。此时输出功率之和DFIG转速有关，控制DFIG转速使其运行在最佳功率曲线上，以实现最大风能的追踪

恒转速区

此时DFIG已经达到了最大允许的转速，但是风机的输出功率还没有达到最大。此时保持转速恒定，通过调整浆叶节距角继续提高发电功率

恒功率区

DIFG和其变换器将达到功率极限，通过调整桨叶节距角让发电功率维持在一个可以接受的最大值。

最大风力追踪的实现

由于在风电机组实际运行过程当中，风速的准确检测比较困难，无法直接给出与之相对应的最佳转速指令，所以最大风力追踪的实现靠的不是去求解每一个风力下的最大值，而是靠追踪最大功率曲线实现的。

随着风速的变化，最佳转速与最大的功率在坐标系中对应的曲线就是最佳功率曲线。最佳功率和转速的关系如下（不加说明地给出）：

在合适的控制策略下，当风速由增大为时，功率会由突变为，但由于风机的惯性转速并不会突变。随后在变流器的控制下风机转速沿着到达最大功率点