并网型异步风力发电机的控制研究
（3）增高塔架：塔架越高捕获的风能越大。
（4）变速运行：在风速一定时，变速比恒速捕获的风能要多。
（5）变桨距：只有叶片的桨距角随着风速的变化可以自动调节，才能最大限度的捕获风能，进而提高风电机组的运行效率。
（6）从陆地上向海面上发展：海上风速大且稳定，年均利用风能可达3000h，年发电量高于陆地50%。海上风电的湍流小、机组疲劳载荷小、机组使用时间长，但机组的各种成本都比较高。我国海岸线较长，可利用的风资源比较丰富，故开发海上风电场将是一个不错的发展方向。
（7）结构设计向紧凑、柔性、轻型化发展。
（8）风电场向常规发电厂发展：风资源的随机性、间歇性和不稳定性，给电网的运行和控制带来了很大的困难。电网要求风电能像常规电厂一样，在电网故障时能够支持电网，参与频率调节和电压无功控制。
（9）风力发电的成本向更低发展：风电机组单机容量的增大减少了基础设施的投入费用，而且同样装机容量时减少了机组的数量，这就降低了成本。随着科学技术的发展，风电机组将越来越便宜并高效。风电机组各种设备可靠性的改进，减少了运行维护的成本。
1.3 本文主要研究的内容
随着风力发电快速发展，越来越多的人开始重视并网型风力发电系统的研究。而目前国内使用的大多是异步风力发电机组，故本课题主要研究并网型异步风力发电机的控制技术及策略。
如今风电事业正处于快速发展时期，在技术上也取得了很大成就，风力发电机组的装机容量越来越大，从定桨距控制发展到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频。未来的发展中，在大型风电机组中可能普遍采用变桨距、变速恒频技术。风力发电是一个复杂的系统工程，要保证风力发电系统稳定安全运行，必须考虑控制环节，比如：风速风向检测、偏航控制、解缆控制、刹车控制、并网控制等等。风能具有随机性和时变性，所以最大限度的捕获风能和控制输出功率是整个
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系统的关键技术。本文主要针对并网型异步风力发电机，分析它的组成、原理以及并网控制技术，并且对风电机组不可缺少的偏航系统、解缆系统、刹车系统等的控制技术作简要分析。异步发电机凭借结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率高，价格低等优势而独树一帜。
本文主要工作有一下几个方面：
（1）阐述了国内外风力发电的发展概况及发展方向。 （2）对风力发电系统的组成及并网控制作简要介绍。 （3）分析了并网型异步风力发电机的结构、原理及组成。 （4）分析了风力发电机组中偏航系统的原理及控制策略。
（5）对风力发电系统中定桨距的控制策略及整个系统的运行方式作简单的分析。
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2 风电机组组成及并网控制原理
2.1 风力发电技术概述
风力发电系统是利用风力机将获取的风能转化为机械能，再由发电机将风力机输出的机械能转化为电能的过程。其中风力机和发电机之间通过轴承和齿轮箱连接，输出的电能再经过特定的输电线路送给用户或接入电网。
风能 机械能 电能 风力机 发电机 及其 控制系统 及其 控制系统 图2.1 风力发电的能量转换过程
风力发电机组的类型可以分别从风力机和发电机这两个主要单元进行分类。从风力机角度可分为定桨距失速调节和变桨距调节；从发电机角度可分为恒速恒频发电和变速恒频发电。还可以分为“并网型”和“离网型”。“离网型”是指独立运行的风电系统，利用蓄电池储能来解决供电问题，在一些偏远地区采用这种方式。而规模较大的风电场都采用“并网型”，这种方式可以极大的发挥风能资源，是风力发电发展的主要方向。
2.1.1 风力机功率调节方式
风能具有随机性，当风力变化时风力机的输出功率也会发生变化，风力机输出功率的调节对并网运行的发电机来说非常重要。为了确保风力机在各种环境（大风、发生故障、过负荷）下不被损坏，而且在随机性风速的波动下，能够顺利切入运行，并保持较高的风能利用率，我们很有必要研究风力机的调速和功率调节。 1. 定桨距风力机的叶片失速调节
定桨距风力发电机组的主要特点就是：桨叶和轮毂是刚性连接，当风速变化时，桨叶的迎风角不会随着变化。失速调节的原理是：叶片的攻角沿着轴向从根
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部向叶尖逐渐减小，这样根部叶面就先进入失速，随着风速变大，失速部分向叶尖处扩展，原来失速的部分程度加深，没有失速的部分慢慢的进入失速区。失速部分功率减小，没有失速的部分功率在增加，这样就使得功率保持在额定功率附近。
定桨距失速控制不需要另外增加功率调节构件，也不用维护调节系统，它结构简单，性能可靠，造价低，但是启动性差，必须增设可靠地刹车装置。
2. 变桨距功率调节
变桨距控制是通过连接叶片和轮毂的轴承，借助控制系统和动力系统使叶片转动，以减小迎风角，从而减小翼型的升力，最终减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率。变桨距调节时叶片的迎风角是不断变化的，可以根据风速的大小来调节叶片的攻角，最终使风轮的输出功率不超过发电机的额定功率。它的不足之处就是增加了叶尖周围额外的重量，使叶尖转轴承受了很高的弯矩，增加了维护难度。 3. 两种方式的比较
（1）变桨距风力机在额定功率点以上输出功率是平稳的如图2-2所示。 （2）定桨距风力机一般在低风速段的风能利用系数较高，当风速接近额定风速时，风能利用系数就会大幅下降。而变桨距风力机桨叶的桨距角能够控制，所以在额定功率点也具有较高的风能利用系数。
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图2.2 定桨距和变桨距风力机功率特性
（3）变桨距风力机的输出功率不受温度、海拔、气流密度的影响。
（4）变桨距风力发电机组在风速较低时，可以调节桨叶到合适的角度，使得风轮具有最大的启动力矩，这样就比定桨距风力发电机组容易启动。
（5）变桨距风力机的轮毂结构复杂，制造、维护费用高，可靠性差。
2.1.2 风力发电系统的组成
风力发电系统是将风能转化为电能的装置，整个系统的原动力是风力机吸收的风能。风力机是一种能截获流动的空气所具有的动能，并将这部分截获的动能转化为有用的机械能的装置。整个风力发电机组是由风力机驱动发电机的机组，故风力机决定了整个系统的有效输出功率，是系统能量转化过程中的关键部件。风电系统是由风能资源、发电机组、控制装置、蓄能装置、监测显示装置以及用户负荷等组成，如图2.3所示。
监测显示装 蓄能装风 风力发电机组 9 负荷