2.1 风力发电
2.1.1 风电机组的构成及分类
2.1.1.1 风电机组的构成
风电机组是将风的动能转换为电能的系统，由风轮、机舱、塔架和基础等部分构成，如图2-1所示。
图2-1 风电机组结构示意图
风轮由叶片和轮毂组成。叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将转矩输入到主传动系统；机舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件，整流罩用于保护风电机组，机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接；塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆；基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的型式，其中心预置与塔架连接的基础部件，保证将风电机组牢牢地固定在基础上，基础周围还要设置预防雷击的接地装置。
典型变速风电机组内部结构如图2-2所示。
图2-2 典型变速风电机组内部结构
1—叶片；2—轮毂；3—机舱；4—风轮轴与主轴连接；5—主轴；6—齿轮箱；7—刹车机构；8—联轴器；9—发电机；10—散热器；11—冷却风扇；12—风速仪和风向标；13—控制系统；14—液压系统；15—偏航驱动；16—偏航轴承；17—机舱盖；18—塔架；19—变桨距部分
典型的变速风电机组由以下基本部分组成：①变桨距系统，包括变距电动机、变距控制器、电池盒等；②发电系统，包括发电机、变流器等；③主传动系统，包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等；④偏航系统，包括电动机、减速器、变距轴承、制动机构等；⑤控制系统，包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。
此外，还有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。液压系统包括液压站、输油管和执行机构。为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，设有循环油冷却风扇和加热器。
2.1.1.2 风电机组的分类
风电机组类型多样，按风轮转轴方向，可以分为水平轴风电机组和垂直轴风电机组；按叶片角度调节方式，可以分为定桨距风电机组和变桨距风电机组；按传动方式，可以分为直驱风电机组和非直驱风电机组；按发电机类型，可以分为异步风电机组和同步发电机组。随着电力电子技术在风力发电中的应用，按电气控制方式和电力电子变流器容量，可以分为双馈风电机组和全功率风电机组。
目前最为常用的风电机组类型包括采用笼型异步发电机的定桨失速型风电机组（异步风电机组）、采用双馈异步发电机的变速恒频风电机组（双馈风电机组）和采用低速永磁同步发电机的直驱式变速恒频风电机组（永磁直驱风电机组）。在大容量风电机组设计制造中，双馈风电机组和永磁直驱风电机组是典型代表。IEC根据物理特性将风电机组类型分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。
1.Ⅰ型风电机组
Ⅰ型风电机组（定速风电机组）一般采用笼型异步感应发电机，其转子经齿轮箱与风轮连接，定子直接连接到电网，转速只能少许改变[±（1%～2%）]，几乎是“恒速”的。Ⅰ型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式如图2-3所示。图中，WTR为风轮，GB为齿轮箱，AG为异步发电机，FC为固定电容器组，VC为可变电容器组，QF为断路器，TR为箱式变压器，WTT为风电机组端口。
图2-3 Ⅰ型风电机组结构图
2.Ⅱ型风电机组
Ⅱ型风电机组（滑差控制变速风电机组）通过电力电子器件控制转子电阻，同时配有变桨控制系统，允许转速的变化为±10%，使电能质量优化并降低风电机组元件的机械应力。Ⅱ型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式如图2-4所示。图中，WTR为风轮，GB为齿轮箱，WRAG为线绕式异步发电机，VRR为可变转子电阻，FC为固定电容器组，VC为可变电容器组，QF为断路器，TR为箱式变压器，WTT为风电机组端口。
Ⅱ型风电机组商用产品不多，国内更为少见。
3.Ⅲ型风电机组
Ⅲ型风电机组（双馈变速风电机组）采用绕线式异步发电机，转子通过背靠背变流器连接于电网，控制转子励磁，实现转子转速与转频率解耦、电网频率与转子频率匹配以及有功与无功解耦，转速变化范围可达同步转速的±30%。Ⅲ型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式如图2-5所示。图中，WTR为风轮，GB为齿轮箱，WRAG为线绕式异步发电机，GSC为机侧变流器，LSC为网侧变流器，CB为撬棒电阻（Crowbar），CH为斩波电阻（Chopper），C为直流电容器，L为电抗器，QF为断路器，TR为箱式变压器，WTT为风电机组端口。
图2-4 Ⅱ型风电机组接线方式
图2-5 Ⅲ型风电机组接线方式
4.Ⅳ型风电机组
Ⅳ型风电机组（全功率变流风电机组）通过全功率变流器连接于电网，实现与电网完全解耦，可以提供比Ⅲ型风电机组更宽的运行风速范围和更宽范围的无功/电压控制能力。绝大部分Ⅳ型风电机组一般采用永磁同步发电机，无齿轮箱，因此运行可靠性更高、故障率更低。Ⅳ型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式如图2-6所示。图中，WTR为风轮，GB为齿轮箱，SG/AG为同步/异步发电机，GSC为机侧变流器，LSC为网侧变流器，C为直流电容，CH为斩波电阻，L为电抗器，QF为断路器，TR为箱式变压器，WTT为风电机组端口。
图2-6 Ⅳ型风电机组接线方式
2.1.2 风轮工作原理
2.1.2.1 风能利用系数
由流体力学可知，空气流动产生的动能，即风能的表达式为
式中 ρ——空气密度，kg/m3；
A——单位时间气流流过的截面积，m2；
v——风速，m/s。
对于理想的风轮，风功率PW是动能对时间的导数，其表达式为
通常用风能利用系数CP来表示实际风电机组从风中所吸取功率的比例，从而得到风电机组实际吸收的功率为
式中 PW——风电机组从风中获取的能量转化而来的风功率，W；
r——风轮半径，即叶片长度，m；
CP——风电机组的风能利用系数。
对于给定的风电机组类型，CP可以通过实际测量拟合为叶尖速比λ与桨距角β的函数，计算公式为
其中
风轮的特性可以由一簇风能利用系数的无因次性能曲线来表示，图2-7给出风能利用系数CP与叶尖速比λ和桨距角β的关系曲线。
2.1.2.2 变桨距控制系统
变桨距就是使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的桨距角，可以改变风轮的气动特性，控制风能的能量吸收，从而保持一定的输出功率。变速风电机组的转速变化范围一般为10～30r/min。变速恒频变桨距控制的理论依据是，当风速低于额定风速时，一般固定桨距角不变，为0°；当风速高于额定风速时，保持电磁转矩恒定，通过调节桨距角减少发电机的输出功率，使输出功率稳定在额定功率。在实际变速风电机组的变桨距控制中，根据输入信号的不同，变桨距控制可以分为转速限制和功率限制两种模式。
图2-7 风能利用系数与叶尖速比和桨距角的关系曲线
2.1.2.3 传动系统
传动系统是风电机组传递机械能，并将机械能转换为电能的重要部件，主要由主轴、轴承及轴承座、齿轮箱、联轴器等部件组成。
（1）主轴。主轴安装在风轮和齿轮箱之间，起到支撑轮毂处传递的各种负载的作用，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。
（2）轴承及轴承座。轴承及轴承座用于支撑传动系统，与齿轮箱两侧的弹性支撑一起构成三点式支撑。
（3）齿轮箱。除了直驱式风电机组，其他型式的风电机组都要应用齿轮箱。齿轮箱通过齿轮副进行动力传输。风电机组的齿轮箱种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱及其组合；按照传动的级数可分为单级齿轮箱和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式齿轮箱、分流式齿轮箱、同轴式齿轮箱以及混合式齿轮箱等。
（4）联轴器。联轴器是一种通用元件，种类很多，用于传动轴的连接和动力传递。联轴器可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类，挠性联轴器又分为无弹性元件联轴器、非金属弹性元件联轴器和金属弹性元件联轴器。刚性联轴器常用在对中性好的两个轴的连接；挠性联轴器用于连接对中性较差的两个轴，提供一个弹性环节，吸收轴系外部负载波动产生的振动。
2.1.3 并网控制原理
变速恒频风电机组的电气控制主要是指变流器的控制，通过变流器控制发电机的电磁转矩，实现对风轮转速的控制，进而实现变速恒频。本节分别以广泛使用的双馈风电机组和直驱风电机组为例，说明并网控制原理。
2.1.3.1 双馈风电机组
双馈风电机组的变速运行是建立在交流励磁变速恒频发电技术基础上的。交流励磁变速恒频发电是在异步发电机的转子中施加三相低频交流电流实现励磁，调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保发电机输出功率恒频恒压，同时采用矢量变换控制技术，实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定，发电机转速不断变化，经常在20%～30%同步转速范围内波动。
双馈风电机组通过双PWM变流器（网侧变流器和机侧变流器）实现并网控制，其拓扑结构如图2-8所示。
图2-8 双馈风电机组双PWM变流器拓扑结构
双馈风电机组的控制普遍采用矢量控制技术。利用坐标变换建立的旋转坐标系下的数学模型，定子输出的有功功率和无功功率是耦合的，利用电流的前馈补偿，可以使有功功率和无功功率分别与q轴和d轴的电流成正比，从而实现定子、转子解耦，以及对有功功率和无功功率的解耦控制。
在运行控制过程中，两个变流器各司其职。其中，网侧变流器的主要作用有：①保证其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求；②保证直流母线电压稳定，直流母线电压稳定是变流器正常工作的前提。
机侧变流器的主要作用有：①给双馈风电机组的转子提供励磁分量的电流，从而调节双馈风电机组定子侧发出的无功功率；②通过控制双馈风电机组转子转矩分量的电流控制双馈风电机组的转速或控制双馈风电机组定子侧发出的有功功率，从而使双馈风电机组运行在风轮的最大功率追踪曲线上，实现最大风能捕获。
2.1.3.2 直驱风电机组
直驱风电机组采用同步发电机，其转速和电网频率之间是刚性耦合的。随机变化的风能将给发电机输入变化的能量，不仅给风轮带来高负荷和冲击，而且不能以优化方式运行。
直驱风电机组的控制策略是基于机侧变流器定子电压定向的电流矢量控制，继而控制发电机的电磁转矩，从而控制风轮转速，追踪到最大功率曲线，保持风轮获得最佳的风功率。
直驱风电机组同样通过双PWM变流器实现并网控制，但其结构与双馈风电机组不同，如图2-9所示。
图2-9 直驱风电机组双PWM变流器拓扑结构
机侧变流器采用转子磁链定向控制，把坐标系的d轴定向在转子磁链矢量上，与转子同步旋转。在dq旋转坐标系下，d轴和q轴上的电压控制矢量是有耦合项的，通过在d轴、q轴加入电流前馈补偿项，可实现完全解耦，继而达到有功功率和无功功率的解耦控制。实现内环电流控制和外环转速控制，使风轮工作在最优转速的运行条件下。
网侧变流器采用电网电压定向控制，在dq旋转坐标系下，以直流电压Udc和网侧变流器与电网交换的无功功率Q为控制目标，采用电网电压定向的矢量控制方案，实现其解耦控制。
由于永磁发电机无需无功功率的特殊性，采取基于dq旋转坐标系的矢量控制法可达到对发电机转速的控制，同时实现功率因数的可控，整个系统的控制方法有利于风轮保持在最大功率追踪曲线上。控制过程的关键在于，变桨系统根据风轮情况对采集的风速信号及时做出调整，通过变流器的矢量控制及时调整转速保证机组维持在额定功率附近运行。