第二节 风力发电机组的运行

一、风力发电机组的稳态工作点

当外部条件（如负载、风速和空气密度等）和自身的参数确定，风力发电机组经过动态调整后，将工作在某一平衡工作点，即稳态工作点。这个工作点取决于风力机、发电机的功率（或转矩）转速特性。

图1-5表示的是风力机在不同风速下的功率转速特性，以及发电机经由齿轮箱速比转换后的功率转速特性曲线。由图可见，当风速一定时，对应于某一特定转速风力机输出功率最大。在不同风速下，风力机输出功率最大点的连线叫做最佳风能利用系数曲线。图中的垂直线是同步发电机随风速增加功率增大的情形。发电机自身的转速虽然很高，但处于齿轮箱低速端的风力机，其转速却是比较低的。异步发电机以略高于电网频率所对应的转速运行，因而它的特性曲线与同步机的特性曲线略有差异。直流发电机的功率随着转速的增加而增加，并且其特性曲线形状非常接近风力机的最佳功率系数曲线。但是，直流发电机由于自身固有的维修保养费用高昂，功率质量比小，无法使用高压绕组等缺点，除特殊场合外，已经不再作为发电机使用。

图1-5 风力发电机组的稳态工作点

风力机和发电机的功率转速特性曲线的交点就是风力发电机组的稳态工作点。控制系统的任务就是在保证机组安全可靠运行的前提下，使风力发电机组的稳态工作点尽可能靠近风力机的最佳风能利用系数曲线，获得尽可能多的发电量，达到良好的经济效益。同时，在风速超过额定值时，使输出功率保持稳定。

二、最佳风能利用系数

风力机的功率特性通常由一簇风能利用系数C_P的无因次性能曲线来表示，其定义为

式中 P_m——风力机输出功率，单位为W；

ρ——空气密度，单位为kg／m³；

v——来流速度，单位为m／s；

A——风轮面积，单位为m²。

在理想状态下，C_P的最大值为0.59。

风能利用系数是风力机叶尖速比λ（风轮叶尖切向速度与风轮前的风速之比）的函数，如图1-6所示。

C_P（λ）曲线是桨距角的函数。从图上可以看到C_P（λ）曲线对桨距角的变化规律；当桨距角逐渐增大时，C_P（λ）将显著地缩小。

如果保持桨距角不变，用一条曲线就能描述出它作为λ函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。图1-7是一条典型的C_P（λ）曲线。

图1-6 风力机性能曲线

叶尖速比可以表示为

式中 Ω_r——风力机风轮角速度，单位为rad／s；

R——风轮半径，单位为m；

v——主导风速，单位为m／s；

v_t——叶尖线速度，单位为m／s。

由式（1-4）可得，风力机从风中捕获的机械功率为

图1-7 桨距角不变时风力机性能曲线

由式（1-6）可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数。如果在任何风速下，风力机都能在C_Pmax点运行，便可增加其输出功率。而只要使得风轮的叶尖速比λ＝λ_opt，就可维持风力机在C_Pmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速（即发电机的转速），使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的风能利用系数。这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。

对于图1-7所示的情况，获得最佳风能利用系数的条件是

λ＝λ_opt＝9 （1-7）

这时，C_P＝C_Pmax＝0.43，而从风能中获取的机械功率为

式中 k——常系数，k＝ρA／2。

设v_ts为同步转速下的叶尖线速度，即

v_ts＝2πRn_s （1-9）

式中 n_s——在发电机同步转速下的风轮转速。

对于任何其他转速n_r，则有

根据式（1-5）、式（1-7）和式（1-10），可以建立给定风速v与最佳转差率s（最佳转差率是指在该转差率下，发电机转速使得风力机运行在最佳的风能利用系数C_Pmax）的关系式为

这样，对于给定风速的相应转差率可由式（1-11）来计算。

但是，由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风速之间直接的对应关系。实际上，并不是根据风速变化来调整转速的。

为了不用风速控制风力机，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，按已知的C_Pmax和λ_opt计算P_opt。如用转速代替风速，则可以导出功率与转速的函数，三次方关系仍然成立，即最佳功率P_opt与转速的三次方成正比

由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率也是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能工作。因此，风力发电机组受到以下两个基本限制：

1）功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制。

2）转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。

三、风力发电机组的运行特征

1.定桨距风力发电机组

定桨距风力发电机的主要结构特点：叶片与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，叶片的迎风角度不能随之变化。当风速高于额定风速时，叶片必须能够自动地将功率限制在额定值附近，叶片的这一特性被称为自动失速性能。叶片的失速调节原理如图1-8所示。图中F为作用在叶片上的气动合力，该力可以分解成F_d、F₁两部分；F_d与风速垂直，称为驱动力，使叶片转动；F₁与风速平行，称为轴向推力，通过塔架作用到地面上。当叶片的安装角度不变时，随着风速的增加，攻角增大，当达到临界攻角时，升力系数开始减小，阻力系数不断增大，造成叶片失速。失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而，根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加，从而使输入功率保持在额定功率附近。

2.变桨距风力发电机组

与定桨距风力发电机组相比，变桨距风力发电机组能使风轮叶片的桨距角随风速而变化，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨距角置于0°附近，可认为等于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。

当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整桨距角，使叶片攻角不变，将发电机的输出功率限制在额定值附近，如图1-9所示。叶片受力定义与图1-8相同。

但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨，操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他措施，那么变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速变化是无能为力的。因此，近年来生产的变桨距风力发电机组，除了对桨距角进行控制以外，还通过控制发电机转速使输出的功率曲线更加平稳。

图1-8 失速调节原理

a）小风速 b）大风速

图1-9 变桨距调节

a）小风速 b）大风速

3.定速风力发电机组

定速风力发电机组的转速基本上是不变的，取决于所并入电网的系统频率。这意味着，定速风力发电机组一旦起动，转速与风速无关。如果应用感应发电机，则风力发电机组的转速只随其转差变化。在额定功率运行状态下，发电机转差变化范围是1％～2％，这取决于感应发电机的参数。

由图1-6可见，对于定速运行的风力发电机组，只在某个特定风速下风能利用系数最大。为了增加风能的捕获量，经常采用双速发电机组。机组装有两个感应发电机，或一个极对数可变的感应发电机。

4.变速风力发电机组

变速风力发电机组的转速可以随风速变化，一般是通过控制发电机的转速来实现的。变速风力发电机组的运行规律可以通过风力机的转矩速度特性来说明。

（1）风力机的转矩速度特性 图1-10是风力机在不同风速下的转矩-速度特性。由转矩、转速和功率的限制线画出的区域为风力机安全运行区域，即图中由OAdcC所围的区域，在这个区域中有若干种可能的控制方式。恒速运行的风力机的工作点为直线XY。从图上可以看到，定速风力机只有一个工作点运行在C_Pmax上。变速运行的风力机的工作点是由若干条曲线组成，其中，在额定风速以下的ab段运行在C_Pmax曲线上。a点与b点的转速，即变速运行的转速范围，由于b点已达到转速极限，此后，直到最大功率点，转速将保持不变，即bc段为转速恒定区。在c点，功率已达到限制点，当风速继续增加，风力机将沿着cd线运行，以保持最大功率，但必须通过某种控制来降低C_P值，限制气动力转矩。如果不采用变桨距方法，那就只有降低风力机的转速。从图1-10上可以看出，在额定风速以下运行时，变速风力发电机组并没有始终运行在最大C_P线上，而是由两个运行段组成。除了风力发电机组的旋转部件受到机械强度的限制原因以外，还由于在保持最大C_P值时，风轮功率的增加与风速的三次方成正比，需要对风轮转速或桨距角作大幅调整，才能稳定功率输出。这将给控制系统的设计带来困难。

（2）运行状态 变速风力发电机组的运行，根据不同的风况可分三个不同状态。

图1-10 不同风速下的转矩速度特性

第一种状态是起动状态，发电机转速从静止上升到切入速度。对于目前大多数风力发电机组来说，风力发电机组的起动，只要当作用在风轮上的风速达到起动风速便可实现（发电机被用作电动机来起动风轮并加速到切入速度的情况例外）。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，因而，并不涉及发电机变速的控制。

第二种状态是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能。这一阶段决定了变速风力发电机组的运行方式。从理论上说，根据风速的变化，风轮可在限定的任何转速下运行，以便最大限度地获取能量，但由于受到运行转速的限制，不得不将该阶段分成两个运行区域；即变速运行区域（C_P恒定区）和恒速运行区域。为了使风轮能在C_P恒定区域运行，必须应用变速恒频发电技术，使风力发电机组转速能够被控制，以跟踪风速的变化。

在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三种运行状态，该状态运行区域称为功率恒定区，对于定速风力发电机组，风速增大，能量转换效率反而降低，而从风力中可获得的能量与风速的三次方成正比，这样对变速风力发电机组来说，提高能量有很大余地。例如，利用第三种运行状态大风速波动特点，将风力机转速充分地控制在高速状态，并适时地将动能转换成电能。

图1-11是输出功率为转速和风速函数的风力发电机组的等值线图，图上示出了变速风力发电机组的控制途径。在低风速段，按恒定C_P（或恒定叶尖速比）的方式控制风力发电机组，直到转速达到极限，然后，按恒定转速控制机组，直到功率达到最大，最后按恒定功率控制机组。

图1-11还表示出了风轮转速随风速的变化情况。在C_P恒定区，转速随风速呈线性变化，斜率与λ_opt成正比。转速达到极限后，便保持不变。转速随风速增大而减少时，功率恒定区开始。为使功率保持恒定，C_P必须设置为与1／v³成正比的函数。

在高于额定风速的条件下，虽然可以由变速单独完成功率控制，但实践证明，如果加入变桨距调节，则显著提高了风力发电机组传动系统的柔性及输出的稳定性。因为在高于额定风速时，追求的是稳定的功率输出。采用变桨距调节，可以限制转速变化的幅度。根据图1-6，当桨距角向增大方向变化时，C_P值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。采用转速与桨距双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。

变桨距变速恒频风力发电机组与定桨距定速风力发电机组的功率曲线比较如图1-12所示。

图1-11 风力发电机组的等值线图

图1-12 风力发电机组的功率曲线比较