风力发电系统基本原理及电能质量分析

风力发电系统基本原理及电能质量分析
1、风力发电机组的基本结构和工作原理
典型的风力发电机组主要由风轮( 包括叶片、轮毂)、(增速)齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成。

具体结构如图2.1所示。

其工作原理为：风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电。

图1 风力发电机组的基本结构（水平轴、上风向型）
由于风力发电机组频繁起停，风轮转动惯量又很大(大型风力发电机组的单个叶片重达数吨)，故风轮的转速设计值较低，通常20-30r/min(机组容量越大，转速越低)；另一方面，为了限制发电机的体积和重量，其极对数较少，故在风轮与发电机间通常设置增速齿轮箱，将风轮输入的较低转速增至1000-1500r/min以满足发电机所需。

风力机按空气动力学原理可分为升力风机和阻力风机，按风轮主轴的方向分为水平轴、
垂直轴两大类；对水平轴风力机，需要风轮保持迎风状态，根据风轮所处的位置分为上风向
和下风向两类，其中上风向风轮位于塔前，下风向风轮位于塔后。

现代风力发电机组大多数
采用上风向(风轮在塔架前面迎着风向旋转)、水平轴式(风轮的旋转平面与风向垂直、旋转
轴与地面平行)、3叶片，且在大型机组中采用变桨距风轮，即桨叶与轮毂不像传统的定桨
距失速型那样采用刚性联接，而是通过可转动的推力轴承或回转支撑联接，以使叶片攻角可
随风速变化进行调整从而对风轮进行调速(限速)。

风力发电机组中的发电机一般为异步发电机(包括笼型、绕线型)或同步发电机(包括永
磁、电励磁)，采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。

由风力机的基本理论得到风中所蕴含的功率为：
312
P fv ρ= 其中错误!未找到引用源。

为空气密度，f 为流面面积，v 为风速。

风轮通过对空气的
迟滞把风功率转换成风机转子的机械功率。

然而风轮并不能完全吸收风功率，若流过流面的
空气被完全足赛，即流量为0，功率也为0。

若不加然和阻滞，则流入能量等于流出能量，
也得不到功率。

必须在这两种极端情况间取一最佳状态，根据Betz 理论理论上风机所获得
机械功率为：
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p P fv C ρ= p C 为功率系数，而p C 的最大值约为0.59，即风能最高利用率为59%。

功率系数p C 是叶尖速比λ和桨叶桨距角β的非线性函数而叶尖速比为风轮尖端线速
度与风速之比：
wR v
λ= 其中w 为风轮角速度，R 为风轮半径，v 为风速。

图1和图 2分别为基于某定桨距风力机四参数模型、某变桨距风力机七参数模型的
p C -λ曲线。

00.5
1
1.5
22.53
3.5
4
4.5
0510152025
λ
c
P
图2 定桨距风力机p C -λ曲线
图3 变桨距风力机的p C -λ曲线
图2表明在桨距不变的情况下存在λ使p C 取得最大值，而图3表明在不同的桨距情况下取得最大值时对应的叶尖速比错误!未找到引用源。

的值是不同的，且获得的最大功率系数的值也不同，同时不同桨距下叶尖速比相同时风能的功率系数也是存在差异的。

因此，通
过改变桨距和叶尖速比可提高风能利用率，优化风力发电机组的功率输出。

2、风力发电电能质量分析
风能因具有随机性、间歇性和不可调度性的缺点，随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，并网后对风电机组功率连续波动和本身产生电力脉动给电力系统的电能质量带来负面影响， 需要研究风电的特性和评估其对电能质量的影响。

风力发电并网产生的电能质量问题主要有两个，一个是电压波动和闪变，另一个就是谐波。

2.1风电并网引起的电压波动与闪变问题
风电机组引起电压波动和闪变的根本原因是风电机组输出功率的波动，研究电压波动和闪变首先要分析风力发电系统的功率问题。

图3为风力发电机组并网示意图，其中E 为风电机组电压相量，U 为电网电压相量，R 、X 分别为线路电阻和电抗，I 为线路电流相量。

图3 风力发电机组并网示意图
假设风力发电机组的输出的有功功率和无功功率分别为P 、Q ，那么则有并网点电压为：
PR QX PX QR U E j E E
+-=-- 由上式可知当风力发电系统输出功率发生波动时，将会引起并网点电压发生波动，而电压波动将会有可能引起闪变现象。

风机转化的风能为：
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p P fv C ρ= 错误!未找到引用源。

为空气密度，f 为流面面积，v 为风速，C p 为功率系数。

由上式可知风电机组的输出功率与风速、空气密度有关，风电机组的输出功率随风况的变化在0功率和额定功率之间不断波动。

2.2风电并网引发的谐波问题
对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波问题的来源是风电机组中采用的电力电子元件。

对于直接和电网相连的恒速风机，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生，当机组软并网装置处于工作状态操作时，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，发生的次数也不多，这时的谐波注入通常可以忽略，因此直接采用异步发电机与电网连接的风机谐波分量不大。

变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用可控PWM 整流或不控整流后接DC /DC 变换，在电网侧采用PWM 逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用PWM 逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率；转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。

不论是哪种变速风电机组，并网后变流器将始终处于工作状态。

因此，变速风电机组的谐波注入问题需要考虑。

IEC 61400—2l 《并网风电机组电能质量测试和评估》中提出了风力发电谐波相关的检测与评估方法。

1、风力发电机组谐波的检测
IEC61400-21标准中规定，只考虑采用PWM 变换器的并网型风力发电机组的谐波问题。

在连续运行过程中输出的各次电流谐波分量，必须测量到基波频率的50倍(即直到第50次谐波)，而且必须确定出最大谐波电流畸变率THD 。

其中，各次谐波电流分量应基于10 min 的观察给出，并且为这10 min 内各次谐波电流分量的最大值。

2、多台风力发电机组的谐波电流计算
IEC61400-21标准中同样给出了连接在公共连接点上的多台风力发电机组引起的谐波电流的计算公式：
h I ∑=
其中h I ∑为公共连接点上的h 次谐波畸变率；错误!未找到引用源。

为连接到公共连接点上的风力发电机组数目；i n 为第i 台风电机组的变压器变比；,h i I 为第i 台风电机组h 次谐波电流畸变；错误!未找到引用源。

为一指定参数，当h ﹤5时，错误!未找到引用源。

=1.0，当5≦h ≦10时，错误!未找到引用源。

=1.4；当h ﹥10时，β=2.0（IEC 61000-3-6规定）。