所有的风机类型和建模

所有的风机类型和建模第一部分风机的分类风力发电机组由两大部分组成，即风力机和发电机。

其中，风力机的功能是将风能转化为机械能;而发电机的功能则是将机械能转换成电能。

因此风电装备的类型归属需要从两个角度划分，一是从机械角度划分，二是从电气角度划分。

1. 从机械角度对风机分类风力机的类型和种类很多，但由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮，因此风机依风轮的机构特点及其在气流中所处的位置(即风机转轴的机械位置)大体上可以分为两大类:一类为水平轴风机，一类为垂直轴风机。

两种类型的风力发电机在结构上各有优点，也各自有其不足之处，在实际设计制造中应结合具体情况确定结构的具体形式。

1.1 水平轴风力机水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片与旋转轴相垂直安装，并与风轮的旋转平面成一角度Φ(安装角)。

水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同可有上风向与下风向之分。

风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力机;风轮安装在塔架的下风位置的，则称为下风向风力机。

上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。

而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。

水平轴风力机组有两个主要优势:一是实度较低，其能量成本低于垂直轴机组;二是叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。

水平轴风力机是目前世界风机市场中的主流机型。

1.2 垂直轴风力机垂直轴风力机的传动轴与地面垂直布置，设计较简单，风轮在风向改变时无需对风，可减少风轮对风时的陀螺力。

垂直轴风力机的优点如下:一是可以接受来自任何方向的风，因而在风向改变时，无需对风。

由于不需要调向装置，结构设计简化;二是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，检修维护方便。

2 从电气角度对风机分类2.1 异步风力发电机在国内已运行的风电场大部分机组是异步风力发电机。

主要特点是结构简单，运行可靠，价格较便宜，此种发电机为恒速恒频机组。

运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而，发电能力比新型机组低。

同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。

为满足电网对风电场功率因数的要求，采用在机端并联补偿电容器，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。

由于风速大小随机变化，异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转，为了充分利用低风速时的风能，增加全年发电量，近年广泛应用双速异步发电机，此种电机可以改变极对数，有大、小电机两种运行方式，采用4极或6极电机，运行速度分别为1500r/min或1000r/min。

2.2 双馈异步风力发电机现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组都选用双馈异步风力发电机，能够实现风力机叶片桨距调节及变速运行。

由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节到风力机的最优化效率数值，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得较高的系统效率;可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化;发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如功率因素从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力，实现几个相同的独立运行机组的并联运行。

2.3 直驱式交流永磁同步发电机大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。

采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。

目前我国部分风电场使用直接驱动永磁式同步发电机，运行时全部功率经A—D—A变换，接入电力系统并网运行。

与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。

2.4 高压同步发电机此类发电机是将同步发电机的输出端电压提高到10,20kV，甚至高达40kV以上，可以不用变压器而直接与电网连接。

由于不用增速齿轮箱，以低速运转，减少了齿轮箱运行时的能量损耗，同时由于省去了一台升压变压器，免除了变压器运行时的损耗，效率可提高5%左右。

但由于使用大量的永磁材料，对永磁材料的性能稳定性要求高。

第二部分恒速恒频风力发电系统并网型恒速恒频风力发电系统是上世纪80年代和90年代初的经典的风力发电系统，具有结构与控制简单、性能可靠的优点。

恒速恒频风力发电系统采用同步发电机或感应发电机，不论风速如何变化，保持风力机转速不变(通常为同步速)从而实现发电频率恒定。

在这种风力发电系统中，风力机采用定桨距失速控制或主动失速控制，叶尖速比不可能总保持在最佳值，也不能实现风能最大利用率，风力机常常运行于低效状态。

恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统。

当风速发生突变时，风机的叶片承受较大的扭应力和风力摩擦，为保持机械转速恒定，风能还将通过叶片在风机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力，增加了这些部件的疲劳损坏程度，缩短了使用寿命。

并网运行还会潜在地影响电力系统的稳定运行。

大容量的机组主要是采用主动失速控制，如果采用同步机，会在电网故障时引发一些问题，所以一般不用同步机而采用异步发电机。

一、异步风力发电机的简介异步风力发电机组目前仍然是我国乃至世界上主流的风力发电设备，其具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点。

但同时由于异步风电机组直接与电网连接属强耦合型，风电的随机等特性会直接影响到电网的运行;其次，由于异步发电机运行时需要吸收一定的无功功率，加重了电网的无功负担，势必会影响电网的电压稳定性。

恒速恒频风力发电系统结构图如图1所示。

风轮机利用叶片将风能转化为作用在传动轴上的机械能，传动装置将风轮机轴上的低速旋转运动转变为较高的转速，并与发电机转子相连接，最后由发电机将机械能转化为电能，输送到电网。

图1 恒速恒频风力发电系统结构图大规模直接并网的异步风力发电系统一般由四个部分组成:(1)风速作用在风力机叶片上的空气流，也称之为风能，是风电系统的原动力，具有随机性和间歇性的特点。

(2)风力机捕获和传动风能的装置。

它主要包括叶片和轮毅、齿轮箱、联轴器等中间传动装置，具有较大的转动惯量，与异步发电机柔性连接;风力机是并网型异步风力发电系统能量转换的两大部分之一，它将风能转化为机械能。

单就风力机的调节方式而言，恒速恒频风力发电系统又分为:定桨距失速调节型和变桨距调节型两种。

定桨距是指叶片被固定安装在轮毅上，其桨距角(叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角)固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性(当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的)。

它的优点是调节控制简单可靠;其缺点是叶片重量大(与变桨距风机叶片比较)，轮毅、塔架等部件受力增加，机组的整体效率较低。

变桨距是风机的控制系统可以根据风速的变化，通过桨距调节机构，改变其桨距角的大小以调整输出电功率，以便更有效地利用风能。

其工作特性为:在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化;当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。

它的主要优点是桨叶受力较小，因而可以做得比较轻巧，并且可以尽可能多的捕获风能，提高发电量;其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

(3)异步发电机异步风力发电机组又称为恒速恒频风力发电机组，这种发电系统单机容量一般都不大，大都采用异步风力发电机组，其中鼠笼异步发电机应用最为广泛。

鼠笼型异步发电机的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。

转子采用鼠笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆筒形，槽中嵌入金属导条，在铁心两端用铝或铜端环将导条短接。

转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。

由于异步发电机存在三个运行状态:电动机状态，发电机状态，电磁制动状态。

状态由转子的旋转方向和转速决定的。

工作在发电机状态下，转子转向同定子电流产生的基波旋转磁场的方向一致，转速大于同步转速。

这种状态下发电机吸收机械功率发出电功率。

所以异步发电机带一定滑差运行，但在实际运行中滑差s是很小的，不仅输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去叶片似乎是在“恒速”旋转，故称之为恒速恒频。

直接并网的大中型风力发电系统中的发电机基本上是异步发电机。

它将机械能转化为电能，和风力机一起实现了风能到电能的能量转换。

(4)补偿电容器组和STATCOM一般情况下，在异步发电机端配备有补偿电容器组，根据风功率的变化自动投切，以提供异步发电机所需要的部分激磁无功，进而也提高了它的功率因数。

STATCOM(静止无功补偿器)加装在风电场端口，从系统吸收或者注入无功功率，以调节端口母线电压。

二、异步风力发电机的并网及对电网的影响异步发电机的并网条件是发电机转子转向应与定子旋转磁场转向一致并且发电机转速应尽可能接近同步速(98%~100%同步速)。

异步发电机直接并网时，最大瞬时电流达到额定值8倍，该冲击电流大小，与其本身暂态电抗和并网时的电压高低有关，其有效值还与并网时的滑差有关。

滑差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。

这也会导致局部电压水平降低，造成并网失败。

目前可以通过装设软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流，但同时给电网带来一定的谐波污染。

并网风电场一般采用感应发电机直接并网的运行方式，在机端配备有无功补偿电容器组，以提供感应发电机在并网和运行时所需要的激磁无功。

电容器组最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的。

即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数达到设计的额定功率因数，一般为大于0.98。

1)对电压的影响国内风电场大多在电网的边缘即电网的薄弱点(短路容量较小的点)联网，风力的波动会引起风机吸收无功的变化，如果风电场容量较大，当系统电压水平降低时，无功补偿量下降，这是同时由于起无功补偿作用的电容器组装设在机端，无功补偿量与接入点的电压的平方成正比。

此时风电场本身缺乏无功支持，而补偿无功又大大减少，导致风电场对电网的无功净需求反而上升，进一步恶化电压水平，造成电压崩溃，部分风电机组由于自身的低电压保护停机。

风电机组停机后，风电场有功输出减少，需求无功相应减少，系统失去这部分无功负荷又容易导致电压水平偏高。

总之，并网风电场会显著影响局部电网的电压质量和电网的电压稳定性。

风电场对电压的影响主要包括电压波动，闪变以及波形畸变电压不平衡等。

另外，正常运行中，无功补偿不足时，有功和无功潮流都有发生反向的可能性，逆潮流可能会引起继电保护装置的误操作。

2)对频率的影响在系统频率方面，风电场的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。

当风电场容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著，影响了电网的电能质量和一些频率敏感负荷的正常工作。