1、天津理工大學(xué)本科教學(xué)教案第 1 周，第 1 次課 第一部分 緒論主要內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：電氣工程的歷史和形成、 地位和發(fā)展、展望。教學(xué)重點(diǎn)：電氣工程學(xué)科的分學(xué)科分類的未來發(fā)展；教學(xué)難點(diǎn)：電氣工程學(xué)科所包含的內(nèi)容，設(shè)備教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來表示抽象概念。教學(xué)要求：了解電氣工程的歷史和形成、 電氣工程的地位和發(fā)展、電氣工程的展望。1.1 電氣工程的歷史和形成電氣工程是研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，以電工科學(xué)中的理論和方法為基礎(chǔ)而形成的工程技術(shù)稱為電氣工程。根據(jù)電氣工程學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其分為相對(duì)獨(dú)立的五個(gè)分學(xué)科:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)、電機(jī)與電器及其控制

2、技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子技術(shù)和電工新技術(shù)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。 1. 2 電氣工程的地位和發(fā)展1.電氣工程學(xué)科的地位電氣工程學(xué)科在國家科技體系中具有特殊的重要地位；是國民經(jīng)濟(jì)的一些基本工業(yè)（能源、電力、電工制造等）所依靠的技術(shù)科學(xué)；是另一些基本工業(yè)（交通、鐵路、冶金、化工、機(jī)械等）必不可少的支持技術(shù)；是一些高新技術(shù)的重要科技組成部分。2. 發(fā)展解放前，我國電工科學(xué)的基礎(chǔ)薄弱而落后。建國后，有了多方面的巨大發(fā)展。我國一次能源總產(chǎn)量達(dá)10.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤（2000），居世界第三位，比1949年增長(zhǎng)了44倍。但電能比重仍較落后，只占國民經(jīng)濟(jì)總能源消耗的25%左右。1949年,我國電力工業(yè)的發(fā)

3、電量4.3億kWh（世界排序第25位）、裝機(jī)容量1850MW（世界排序第21位）。 2003年，分別增加到19052億kWh和391GW（皆居世界第二位），各增大443倍和211倍。 截至2003年底，我國水電裝機(jī)達(dá)92170MW，占發(fā)電總裝機(jī)的24，年發(fā)電量2830億kWh，占總發(fā)電量的15。3. 實(shí)例：（1）電工制造業(yè)以技術(shù)復(fù)雜的汽輪發(fā)電機(jī)組為例： 我國1956年才試制成功6000kW機(jī)組； 2002年，已制成并投產(chǎn)900MW，即46年期間汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的制造能力擴(kuò)大到1500倍，居于世界先進(jìn)行列。 （2） 在斷路器和避雷器等電器制造方面： 解放時(shí)，我國只能制造10kV的充油式斷路器

4、； 目前，可制造500kV新型的SF6的斷路器；從10kV管式避雷器提高到500kV氧化鋅避雷器的制造水平，均已進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。（3） 以大型電力變壓器為例：1923年，我國生產(chǎn)第一臺(tái)三相電力變壓器50kVA；1948年，制成國內(nèi)最大的6.6kV三相2500kVA電力變壓器；本世紀(jì)初，我國已能生產(chǎn)500kV的三相750MVA和成組1000kV/250MVA的單相電力變壓器，按三相容量計(jì)算，制造能力擴(kuò)大到300倍。 （4）在輸電線路方面：1949年，我國只有一回220kV線路，全部35kV以上輸電線僅6475km；1999年底，我國超高壓輸電500kV（含直流線路）達(dá)22927km ，變電容

5、量達(dá)80120MVA ；220kV以上輸電線路總長(zhǎng)達(dá)495123km、變電容量達(dá)593690MVA。（5） 在電氣化方面： 工業(yè)用電量占全部電能生產(chǎn)的71.5%（2001），每年新增發(fā)電量的64.6%用于工業(yè)用電，其中輕工業(yè)用電的年增長(zhǎng)率已達(dá)14.6%。 農(nóng)業(yè)用電增長(zhǎng)也很快，自解放以來，平均每年以24%的高速增長(zhǎng)，在全國2300個(gè)縣中，已有2280個(gè)縣用上了電。 第三產(chǎn)業(yè)用電（包括市政商業(yè)和交通通信）和居民用電量到2001年已達(dá)電能總生產(chǎn)量的24.61%。 （6） 在電力電子和電工新技術(shù)領(lǐng)域：1962年，我國試制出第一個(gè)晶閘管；目前，已能批量生產(chǎn)電流達(dá)3000A、電壓為8500V的晶閘管，并能

6、研制生產(chǎn)和應(yīng)用快速、全控器件或設(shè)備。 （7） 在電力系統(tǒng)方面： 1949年，只有東北、京津唐和上海三個(gè)容量不大（分別為646，259和250MW）的電力系統(tǒng)； 2003年，已有11個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)電裝機(jī)容量超過20000MW，其中東北、華北、華東、華中電網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量均超過30000MW，華東、華中電網(wǎng)甚至超過40000MW ，西北電網(wǎng)的裝機(jī)容量也達(dá)到20000MW； 其他幾個(gè)獨(dú)立省網(wǎng)，如四川、山東、福建等電網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量超過或接近10000MW； 大區(qū)電力系統(tǒng)目前正進(jìn)入各自加強(qiáng)和彼此互聯(lián)以及進(jìn)一步發(fā)展形成全國統(tǒng)一電力系統(tǒng)的過程中。 （8） 在電工高技術(shù)的范圍內(nèi)：我國也從空白狀態(tài)發(fā)展形成多個(gè)相互配

7、合的研究基地或重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并相繼取得一些世人矚目的研究成果。例如1983年建成的8MV閃光I強(qiáng)流脈沖電子束加速器和1990年建成的9MeV感應(yīng)直線加速器、各種激光器、各種等離子體裝置的研制和應(yīng)用、超導(dǎo)技術(shù)、醫(yī)療用電工技術(shù)、電接觸技術(shù)、新型電測(cè)技術(shù)等的成果（新裝置、新儀器、新方法等）都使我國在電工新技術(shù)和新技術(shù)領(lǐng)域中從填補(bǔ)空白的階段先后步入建立試驗(yàn)基地，開展系統(tǒng)性研究，力求迎頭彌補(bǔ)差距的新階段。綜上所述：我國電工科學(xué)在傳統(tǒng)的電力輸送、電工制造或高電壓技術(shù)方面，取得可喜的進(jìn)展和成績(jī)我國在電工新技術(shù)和高技術(shù)領(lǐng)域中也取得可喜的進(jìn)展和成績(jī)。這說明我國的電工科學(xué)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中可靠的支柱。1. 3

8、 電氣工程的展望20世紀(jì)中葉以來，以電子信息技術(shù)為核心的新技術(shù)革命正在興起，沖擊著所有傳統(tǒng)科學(xué)，包括基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、綜合科學(xué)，甚至社會(huì)科學(xué)等在內(nèi)的廣大領(lǐng)域。 有人統(tǒng)計(jì)，最近20年中的科技創(chuàng)造和發(fā)明超過了過去兩千年中創(chuàng)造發(fā)明的總和。 在技術(shù)科學(xué)范圍內(nèi)，不少學(xué)科都發(fā)生了“舊貌換新穎”的變化，電工學(xué)科的巨大變化也十分顯著。 1. 在支持和加強(qiáng)電工科學(xué)技術(shù)發(fā)展時(shí)，應(yīng)從宏觀方面考慮到以下幾個(gè)重要問題：（1） 電工科學(xué)是一門技術(shù)科學(xué)，只從縱向關(guān)系看，它與其所依賴的基礎(chǔ)科學(xué)（如電磁學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等）和指引并支持的生產(chǎn)技術(shù)（包括設(shè)計(jì)、工藝、產(chǎn)品開發(fā)等）是一條連續(xù)線，但又各有分工。 （2） 電工科學(xué)應(yīng)

9、指導(dǎo)電力和電工的生產(chǎn)應(yīng)用而生產(chǎn)應(yīng)用應(yīng)促進(jìn)電工科學(xué)進(jìn)步。 （3） 當(dāng)代學(xué)科發(fā)展戶的相互交叉、滲透現(xiàn)象已成為科技發(fā)展中的重要促進(jìn)因素。電工科學(xué)中近些年來新出現(xiàn)的大量新分支、新技術(shù)、新方法和新理論就是明證。 （4） 電工科技的應(yīng)用面廣，交叉范圍大。但科研資金的來源卻不能和其應(yīng)用范圍相適應(yīng)，相對(duì)較狹窄。 2. 電氣工程學(xué)科是在經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)中不斷發(fā)展起來的： 著名例子是美加“8.14大停電”，2003年8月14日下午，美國的中西部和東北部以及加拿大的安大略省經(jīng)歷了一次大停電事故，其影響范圍包括美國的俄亥俄州、密西根州、賓夕法尼亞州、紐約州、佛蒙特州、馬薩諸塞州、康涅狄格州、新澤西州和加拿大的安大略省，損失

10、負(fù)載大61.8GW，影響了5千萬人口的用電。停電在美國東部時(shí)間下午4時(shí)06分開始，在美國的一些地區(qū)兩天內(nèi)未能恢復(fù)供電，加拿大的安大略省甚至一周未能恢復(fù)供電。這次停電事故引起了全世界的關(guān)注。 綜合資料，基本可以判斷本次大停電對(duì)全網(wǎng)而言屬于潮流大范圍轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的快速電壓崩潰，同時(shí)伴有潮流大范圍轉(zhuǎn)移和竄動(dòng)導(dǎo)致的斷面線路相繼跳閘和系統(tǒng)解列后的頻率崩潰。 第 頁天津理工大學(xué)本科教學(xué)教案第 周，第 次課 第二部分 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：風(fēng)能的特性及風(fēng)能利用、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償、風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)；教學(xué)重點(diǎn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略、

11、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償教學(xué)難點(diǎn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來表示抽象概念。教學(xué)要求：了解風(fēng)能的特性、掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理及控制策略、掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的補(bǔ)償原理。2.1 風(fēng)的特性及風(fēng)能應(yīng)用2.1.1風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。2.1.2 風(fēng)的特性與風(fēng)能優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、無污染、可再生缺點(diǎn)：穩(wěn)定性、連續(xù)性、可靠性差，時(shí)空分布不均勻1、風(fēng)的表示法風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)力（1）風(fēng)向的表示法 風(fēng)吹來的地平方向定為風(fēng)的方向。風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。觀測(cè)風(fēng)向的

12、儀器，目前使用最多的是風(fēng)向標(biāo)。（2）風(fēng)速的表示法由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。國際上的單位為m/s或km/h。（3）風(fēng)速與風(fēng)級(jí) 風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來估計(jì)風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個(gè)等級(jí)。 風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系： 式中 VNN級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)(m/s)；N風(fēng)的級(jí)數(shù)。2、風(fēng)的特性（1）風(fēng)的隨機(jī)性 風(fēng)的產(chǎn)生是隨機(jī)的，但可以根據(jù)風(fēng)隨時(shí)間的變化總結(jié)出一定的規(guī)律。如地面上夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強(qiáng)；高空中夜里風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱，這個(gè)逆轉(zhuǎn)的零界高度為100150m。我國大部分地

13、區(qū)風(fēng)隨季節(jié)變化的情況是：春季最強(qiáng)、冬季次之、夏季最弱。（2）風(fēng)隨高度的變化而變化不同高度風(fēng)速的表達(dá)式：式中 距地面高度為h處的風(fēng)速（ms）；    0高度為h0處的風(fēng)速（ms），一般取h0為10m； k修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.1250.5。 為了從自然界獲取最大的風(fēng)能，應(yīng)盡量利用高空中的風(fēng)能，一般至少比周圍的障礙物高10m左右。3、風(fēng)能（1） 風(fēng)能密度 空氣在1s內(nèi)以速度流過單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。表達(dá)式為：（2） 風(fēng)能 空氣在1s內(nèi)以速度流過面積為S截面的動(dòng)能。 （3） 風(fēng)能的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：蘊(yùn)量巨大、可再生、分布廣泛、沒有污染 缺點(diǎn)：密

14、度低（只有水力的1/816）、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大2.1.3 風(fēng)能的利用風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，一般利用風(fēng)推風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)以形成動(dòng)能。2.2 風(fēng)的特性及風(fēng)能應(yīng)用2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類 1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有3種，如下表所示。從風(fēng)輪軸的安裝型式水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率微型（額定功率501000W）、小型（額定功率1.010kW）、中型（額定功率10100kW）和大型（額定功率大于100kW）按運(yùn)行方式獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)

15、量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其效率低、需起動(dòng)設(shè)備等技術(shù)原因應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見右圖。 （2） 并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示。 （3） 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成。2.2.

16、2 風(fēng)力機(jī)及風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)又稱為風(fēng)輪，主要有水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。1、水平軸風(fēng)力機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸與地面呈水平狀態(tài)a.荷蘭式b.農(nóng)莊式c.自行車式d.槳葉式 水平軸風(fēng)力機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要有：風(fēng)輪直徑：功率越大，直徑越大 葉片數(shù)量：高速風(fēng)力機(jī)24片，低速風(fēng)力機(jī)大于4片 風(fēng)能利用系數(shù)：0.150.5起動(dòng)風(fēng)速：35m/s 停機(jī)風(fēng)速：1535m/s 輸出功率：幾十W至幾MW 2、垂直軸風(fēng)力機(jī)：旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面 a.薩窩紐斯式 b.達(dá)里厄式 c.旋翼式2 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非“推”動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓

17、差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。如果將一塊薄板翼形放在氣流中且與氣流方向平行，由于翼片上表面彎曲，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強(qiáng)比下方小，上下表面間的壓差產(chǎn)生垂直于氣流方向的升力。當(dāng)翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時(shí)，隨攻角增加升力會(huì)增大，阻力也會(huì)增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會(huì)發(fā)生分離，產(chǎn)生渦流，升力會(huì)迅速下降，阻力會(huì)急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。 3、風(fēng)力機(jī)的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力機(jī)的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率可用式子表示為：4、風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)與控制風(fēng)

18、力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種。（1）風(fēng)力機(jī)的定槳距調(diào)節(jié)與控制 定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。 在流體力學(xué)中，失速是指翼型氣動(dòng)攻角增加到一定程度（達(dá)到臨界值）時(shí)，翼型所產(chǎn)生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型氣動(dòng)迎角超過該臨界值之前，翼型的升力是隨迎角增加而遞增的；但是迎角超過該臨界值后，翼型的升力將遞減。 基本原理：當(dāng)槳距角固定不變時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，增加到高于額定風(fēng)速時(shí)，氣

19、流的攻角 增大，氣流與翼型分離，上下翼面壓力差減小，致使阻力增加，升力減小，造成失速條件，其效率降低，從而達(dá)到限制功率的目的。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、部件小、造價(jià)低。 缺點(diǎn)：機(jī)組的整體效率較低。 解決措施：采用設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率、不同極對(duì)數(shù)的雙速異步發(fā)電機(jī)。（2）風(fēng)力機(jī)的變槳距調(diào)節(jié)與控制 變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（090º）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風(fēng)輪葉片的槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，一般用于變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。 根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過程：起動(dòng)時(shí)的

20、轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。 起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制 變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角為90º，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0º方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)。 在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之前，給定變槳距系統(tǒng)一個(gè)轉(zhuǎn)速參考值，根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)比較來調(diào)整槳距角，進(jìn)行速度閉環(huán)控制。 額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定功率以下的低功率狀態(tài)，稱為欠功率狀態(tài)。 早期的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)此狀態(tài)不作控制，控制器將葉片槳距角置

21、于 附近，不作變化，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。 為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。 額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制 當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳距角 向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，增大，功角 減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。 2.2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)及工作原理在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系

22、統(tǒng)的核心。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。1、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī) 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 （1）直流發(fā)電機(jī) 直流電機(jī)典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無刷化，永磁直

23、流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機(jī)。 （2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī) 永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，因此無勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī) 硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。（4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī) 電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容

24、，以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場(chǎng)，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。 2、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī) （1）異步發(fā)電機(jī)定子：三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結(jié)。 轉(zhuǎn)子：繞組為籠型或繞線型。采用定子繞組上并接電容器來提供無功電流建立磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運(yùn)行。 通常，處于并網(wǎng)運(yùn)行的較大容量異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在（11.05）ns 之間。風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作。異步發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整輸出。（2）同步發(fā)電機(jī)a. 普通同

25、步發(fā)電機(jī)定子：定子鐵心和三相繞組。 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子軸等組成； 有隱極式和凸極式兩種。凸極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，一般用于低 速發(fā)電場(chǎng)合。隱極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，可用于高速發(fā)電。轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵(lì)磁電流來建立磁場(chǎng)。工作原理：同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)切割定子上的三相繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為f1的三相對(duì)稱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流輸出，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功

26、率，也可提供無功功率，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。 在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速的不定性使得發(fā)電機(jī)獲得不斷變化的機(jī)械能，給風(fēng)力機(jī)造成沖擊和高負(fù)載，對(duì)風(fēng)力機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)不利。為了維持發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率始終相同，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須恒定，這就要求風(fēng)力機(jī)有精確的調(diào)速機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)速變化時(shí)維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，即等于同步轉(zhuǎn)速。（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和變頻器組成，變頻器有交交變頻器、交直交變頻器及正弦波脈寬調(diào)制雙向變頻器三種。雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：異步發(fā)電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而

27、頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：式中 f1定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1 為同步轉(zhuǎn)速； p發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)； n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）； f2轉(zhuǎn)子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉(zhuǎn)差頻率。根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以有三種運(yùn)行狀態(tài)： 1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方

28、向，功率流向如圖所示。 3）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。 雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運(yùn)行，也可以超同步運(yùn)行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，因此電能質(zhì)量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機(jī)。 （4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī) 無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(Brushless DoublyFed Machine，簡(jiǎn)稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機(jī)相同，不同之外是取消了

29、電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級(jí)聯(lián)式和磁場(chǎng)調(diào)制型兩種類型。 （5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱SRG），定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩個(gè)繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。 3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒速恒頻控制策略 在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速(也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到恒頻的電能。 目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異

30、步發(fā)電機(jī)多屬于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺(tái)不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)速低時(shí)用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速高時(shí)則用大容量發(fā)電機(jī)發(fā)電。但這也只能使異步發(fā)電機(jī)在兩個(gè)風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。 （2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻控制策略 在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為： 低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量； 高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)控制過程： (1) 起動(dòng)時(shí)通過調(diào)

31、節(jié)槳距角控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)； (2) 并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題； (3) 在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 4、風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制主要功能：一是使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能捕獲； 二是當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。一般在風(fēng)輪

32、的前部或者機(jī)艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制器開始計(jì)時(shí)，這種方向偏差達(dá)到一定時(shí)間后，控制器控制偏航電機(jī)或者偏航液壓馬達(dá)將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方向。偏航角度大小的檢測(cè)通過安裝在機(jī)艙內(nèi)的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)緊急停車時(shí)，需要通過偏航調(diào)節(jié)使機(jī)艙經(jīng)過最短的路徑與風(fēng)向成90度夾角。2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)由于風(fēng)能是一個(gè)不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲(chǔ)能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行。2.3.1 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系， 同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，可通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償，其

33、輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)也是應(yīng)用最普遍的。1、同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法（1）并網(wǎng)條件同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路如圖3-50所示，圖中同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的各相端電壓的瞬時(shí)值要與電網(wǎng)端對(duì)應(yīng)相電壓的瞬時(shí)值完全一致。波形相同；幅值相同；頻率相同；相序相同；相位相同。在并網(wǎng)時(shí)，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機(jī)的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，條件就可以滿足；而條件可由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時(shí)，主要是

34、其他三條的檢測(cè)和控制，這其中第條頻率相同是必須滿足的條件。 （2）并網(wǎng)方法1）自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式。在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會(huì)下降，也不會(huì)對(duì)定子繞組和其他機(jī)械部件造成沖擊。同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)與并網(wǎng)過程如下： 偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)量的風(fēng)向信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)。 當(dāng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁電流，通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎達(dá)到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的端電壓與電網(wǎng)

35、電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時(shí)，控制斷路器合閘并網(wǎng)。 風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)一致。 以上的檢測(cè)與控制過程一般通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)。2）自同步并網(wǎng) 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先通過限流電阻短接，電機(jī)中無勵(lì)磁磁場(chǎng)。 用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時(shí)，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機(jī)自動(dòng)牽入同步。 由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中無勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)定子繞組中沒有感應(yīng)電勢(shì)，不需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡(jiǎn)單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。 這種并網(wǎng)方法的缺點(diǎn)是合閘

36、后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降現(xiàn)象。2、同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)與補(bǔ)償（1）有功功率的調(diào)節(jié)風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能首先克服機(jī)械阻力，通過電機(jī)內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機(jī)繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計(jì)銅損耗和鐵損耗，可認(rèn)為輸出功率近似等于電磁功率。 同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相互作用。 功率角： 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場(chǎng)軸線之間的夾角； 失步功率（極限功率）：對(duì)于隱極機(jī)而言，功率角為90°（凸極機(jī)功率角小于90°）時(shí)，輸出功率的最大功率。風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率 Pe

37、m勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)，達(dá)到最大功率后，如果風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率繼續(xù) 90°，Pem轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。這時(shí)可以增大勵(lì)磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調(diào)節(jié)。（2）無功功率的補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降的原因：1）電網(wǎng)所帶的負(fù)載大部分為感性的異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，這些負(fù)載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個(gè)電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會(huì)下降。2）同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)，由于定子電流建立的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)中的勵(lì)磁磁場(chǎng)有去磁作用，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也下降。為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定和補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流。同步發(fā)電機(jī)的無功功率補(bǔ)償可用其定子電流

38、I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機(jī)的定子電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線也稱為V型曲線。 3、帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)恒速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機(jī)輸出頻率完全取決于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機(jī)必須經(jīng)過嚴(yán)格的整步和（準(zhǔn)）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對(duì)控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接。 當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉(zhuǎn)化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)。 由于同

39、步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間通過變頻器相連接，發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨(dú)立，并網(wǎng)時(shí)一般不會(huì)發(fā)生因頻率差而產(chǎn)生的較大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，并網(wǎng)過程比較平穩(wěn)。 缺點(diǎn)是電力電子裝置價(jià)格較高、控制較復(fù)雜，同時(shí)非正弦逆變器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻諧波電流流入電網(wǎng)，將影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。2.3.2 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù) 異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但其主要缺點(diǎn)是需吸收20%30%額定功率的無功電流以建立磁場(chǎng)，為提高功率因數(shù)必須另加功率補(bǔ)償裝置。1、異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要有三種：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)

40、。（1）直接并網(wǎng) 風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組的直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致，即發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡可能接近于同步轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時(shí)間越短。當(dāng)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速附近（一般為98%100%）時(shí)，測(cè)速裝置給出自動(dòng)并網(wǎng)信號(hào)，通過自動(dòng)空氣開關(guān)完成合閘并網(wǎng)過程。 并網(wǎng)簡(jiǎn)單，但并網(wǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，引起電網(wǎng)電壓下降。因此，只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百kW級(jí)以下且電網(wǎng)容量較大的場(chǎng)合。 （2）降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將接入的電阻等元件迅速從線路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性較差，適用于百KW級(jí)以上，容量較大的機(jī)組。（3）晶閘管軟并網(wǎng)晶閘管軟并網(wǎng)是在異步發(fā)電機(jī)的定子和電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。其并網(wǎng)過程如下：