1.2 常用的风电机组及其介绍

    风力发电是利用风力发电机将风的动能转换为机械能，并通过轴系传动机构带动发电机将其转换为电能的一种风能利用方式。随着风力发电技术的发展，风电机组的种类也越来越多。根据转速变化与否，风电机组分为恒速恒频风电机组和变速恒频风电机组。

恒速恒频风电机组（constant speed constant frequency WTGS），是指并网运行后风轮转速不能随风速改变，由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。变速恒频风电机组（variable speed constant frequency WTGS），是指风轮转速可以随风速在较宽的范围内改变，机组输出的电能频率与电网频率保持同步的风电机组。

传统的恒速恒频风电系统不论风速如何变化,都保持风力机转速不变,从而实现发电频率恒定。恒速恒频系统的主要缺点是风力机不能保持在最佳叶尖速比下运行,风能利用率和转换效率低,系统为刚性机电藕合,当风速发生突变时,风力发电控制系统为了保持机械转速恒定,会使风机主轴、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,且风力机转速无法保持完全恒定,难以确保功率的恒定输出,其并网会影响电力系统的稳定运行[8]。

变速恒频风电系统的发电机转速可在较大范围内变化而不影响其输出电压和频率,即转速与输出频率无关,这就非常适用于风能这种随机性强的能源形式。由于风力机转速运行范围变宽,就可以在一定风速范围内保持基本恒定的最佳叶尖速比,最大限度地使风能转换为机械能提供给发电机[8]。从理论上说,变速恒频技术是目前最优的风力发电调节方式,这种调节方法可以在输出功率低于额定功率之前使风电系统效率达到最高。双馈感应电机(DFIG)的变速恒频风电机组在额定风速下能提高捕获风能效率,获得最佳能量输出,其优良的有功、无功解耦控制性能，以及效率高、安全性能好、成本低的优势，逐步成为风电市场的主流机型。

1.3 风力发电的基本原理及发展现状

1.3.1 风力发电的基本原理

风力发电就是将风能转化为机械能再转换为电能的风能的一种利用方式。风轮吸收到额风电功率如下式：

                            （1.1）

风能利用系数 由叶尖速比 和桨距角 决定。 值越大，表示风力机对风能的利用率越高。由贝茨理论可知， 的理论最大值为0.593。

叶尖速比 表示风轮运行速度的快慢，即：

                           （1.2）

式中： 为风轮机转速，单位为转/分； 为风轮半径； 为风速； 为风轮旋转角速度。

                 （1.3）

其中：                                       （1.4）

风能利用系数 是叶尖速比 和桨距角 的函数，可表示为 。风力机的特性曲线如图1-3、1-4所示。

图1-3 风能利用系数与叶尖速比的关系

图1-4 风能利用系数和桨距角的关系

功率调节是风力发电控制的关键技术之一。一般情况下，当风速低于额定风速时，风力发电机组运行在最大风能捕获状态，风能的利用率最高；风速高于额定风速时，风电机组利用桨距角控制和变频器控制使风电机组的输出功率保持在额定值附近。在一定风速下，当转速不同时，风力机有不同的输出功率。风力机功率特性图如下：