2.1 风力发电技术

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，按照风力发电系统构成分为独立发电系统和并网发电系统两种。其中，独立发电系统由风电机组、蓄电池组、充电控制器等组成；并网发电系统由多台风电机组组成，它们之间通过汇流母线，连接到升压变压器后接入电网。相比于独立发电系统，并网风力发电系统适用于大规模新能源开发。此外，在新能源领域中风力发电技术已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电。

2.1.1 风电机组类型及工作原理

风电机组的形式多种多样，按照风轮转轴的位置和方向不同分为水平轴风电机组和垂直轴风电机组，如图2-1所示。其中，水平轴风电机组可以按照风力作用原理不同，分为升力型风电机组和阻力型风电机组；按照桨距控制方式不同，分为定桨距风电机组和变桨距风电机组；按照发电机类型不同，分为异步风电机组和同步风电机组。

目前，国内外广泛使用的风电机组为升力型、水平轴风电机组，常用的风电机组类型分别采用笼型异步发电机的定桨失速风电机组（简称“笼型异步式”）、双馈异步发电机的变速恒频风电机组（简称“双馈式”）和低速永磁同步发电机的直驱式变速恒频风电机组（简称“直驱式”）。这三种风电机组的优缺点比较见表2-1。其中，在大容量风电机组设计制造中，双馈异步风电机组和直驱式永磁同步风电机组两种变速型风电机组是典型代表。

1.笼型异步风力发电机

笼型异步风力发电机结构简单，不需要安装滑环等电气装置，其自身有无法维持感应磁场的弊端可通过简单加装可投切电容等无功补偿装置解决。另外，笼型异步发电机汇流少，根据所连接的电力系统频率就可以决定发电机转速，利用增速机构可以使叶片等速旋转。因此，在风力发电发展初期，定桨失速型的笼型异步风力发电机得以普遍使用。其典型恒速恒频笼型异步风力发电机系统工作原理如图2-2所示。

由于定桨失速风电机组的风轮与轮毂刚性联接，风速的随机性和波动性使风能转换得到的机械转矩频繁变化，特别是风电机组的大型化使得风力发电的机械特性问题变得越来越重要，变桨距控制受到了越来越广泛的关注，这也使得后期投入运行的笼型异步风力发电机多采用变速控制。

笼型异步风力发电机也有显著的缺点，即需要从电网吸收无功功率为其提供励磁电流，但在生成感应磁场的过程中励磁电流可能会发生突变，难以保证发电量的恒定，因此，兆瓦级（特别是1.5MW及以上）的大型风电机组已经不使用这类发电机。

2.双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机由绕线式转子异步发电机和在转子侧的交流励磁变流器组成。发电机向电网输出的功率由直接从定子输出的功率和通过变流器从转子输出的功率两部分组成。基于风电机组的机械速度随风速变化的规律，通过对发电机的控制，使风电机组运行在最佳叶尖速比的状态，使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。双馈异步风力发电机系统的工作原理如图2-3所示。

双馈风电机组的发电机部分采用一般的绕线式异步电机，其定子绕组直接与系统相连，转子绕组通过背靠背的变流器与系统相连。转子绕组通过三相电流时形成转速为n ₂ 的低速旋转磁场，当发电机转速n _r 变化时，控制转子电流的频率使两者叠加等同于电网的同步转速n ₁ ，其中，n ₁ 、n ₂ 、n _r 之间的关系满足n ₁ =n _r ±n ₂ ，这样就实现了变速恒频控制。双馈风电机组通过转子变流器可以向电网输送或者从电网吸收功率，即运行在超同步或次同步状态。

为了实现双馈风电机组的仿真，其模型应该包括以下部分：

（1）风轮仿真模型，包括风电机组仿真的空气动力学模型、两质块轴系模型、桨距角控制模型。

（2）转子侧变流器控制模型，包括电流控制模型、功率控制模型和转速控制模型。

（3）电网侧变流器控制模型，包括电流控制模型、直流电压控制模型和无功控制模型等。

双馈风电机组动态模型连接关系如图2-4所示。

双馈风电机组控制系统的控制目标为控制发电机与电网之间的无功交换功率、控制风电机组发出的有功功率以及追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。

3.直驱式永磁同步风力发电机

同步风力发电机发电是当今最普遍的发电方式，但同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，如果原动力是随机性和波动性较强的风力，那么变化的风速将给发电机输入变化的能量，这不仅会给风电机组带来高负荷和冲击力，也无法保证风电机组优化运行。

如果在发电机和电网之间使用大功率电力电子变流器，则可实现发电机转速和电网频率之间的解耦。一方面，大功率电力电子变流器的使用，使风电机组可以在不同的速度下运行，并使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统的应力。另一方面，通过对变流器电流的控制，可以控制发电机转矩，从而控制风轮机的转速，使之达到最佳运行状态。

直驱式永磁同步风力发电机组就是同步发电机和大功率电力电子变流器在风力发电领域应用的一种典型形式。在实际运行中，通过控制发电机的电磁转矩能够实现同步发电机的变速运行并减缓传动系统的应力。与双馈异步风力发电机相比，直驱式永磁同步风力发电机组的变流器直接连接在定子上，可以通过变流器控制对其功率因数进行调节，而双馈异步发电机会产生滞后的功率因数需要进行无功补偿，故在相同条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。

与双馈异步风力发电系统结构相似，直驱式永磁同步风力发电机工作原理如图2-5所示。

直驱式永磁同步风电机组的控制系统如图2-6所示。图中虚线框为有功功率控制模块。

需要说明的是，正在运行的风电机组中还存在不同于上述三种风力发电机组的其他类型风力发电机组，其结构在本书中不做具体介绍。

2.1.2 风电场电气系统

风电场关键组成设备包括风电机组、变压器、无功补偿装置、场内汇集线路和风电场控制系统等。图2-7所示为某大型风电场的典型结构，其中，风电机组机端电压由690V（或620V）经风机变压器升压至35kV，在风电场内形成放射状的35kV集电母线网络；再经风电场主变电站升压至220kV送到主网。主变压器一般选用可带载调压的变压器，以适应风电场电压波动较大的需要。220kV变电站高压侧出线与主网连接的母线是风电场与系统的公共连接点（point of common coupling，PCC）。在风电场运行过程中，PCC点是有功（无功）功率和电压最重要的监控点。

除了在风电机组（笼型异步发电机）装有无功补偿装置之外，在风电场变电站也装有集中的无功补偿（容性和感性）装置，保证PCC点电压和功率因数在电网要求的范围之内。每一条35kV输电线路上的风电机组台数不等，各段电缆截面不同，各集电线路注入母线的潮流也是不等的。