[科普中国]-离网型风力发电机组

风力发电可以分为并网型风力发电和离网型风力发电。离网型是指独立于电网运行，单机容量较小。

发展风力发电可以分为并网型风力发电和离网型风力发电。前者与电网相连，单机容量较大，现今已发展至单机兆瓦级别；而后者独立于电网运行，单机容量较小。相比于并网型风力发电系统，离网型风力发电系统具有成本低、应用灵活、维护简便等优点，故十分适用于牧区、林区、通讯基站、气象站、海岛及边防哨所等电网无法有效覆盖的地区。近些年来，随着全球风力发电产业的快速发展，离网型风力发电系统在上述应用场合发挥了越来越大的作用。根据Global Data2011报告显示，全球小型风机（离网型占绝大部分份额）在过去五年年均增长率达27%，预计至2020年年均增长率将提高至29.7%。据美国风能协会统计，2011年北美和欧洲的制造商总共生产销售的小型风力发电机组（离网型占据绝大部分比例）比2010年增长了13.4%。据英国可再生能源协会统计，2009年 英 国 中 小 型 风 电 系 统 （ 离 网 型 占 据 绝 大 部 分 比 例 ） 的 发 电 量 已 达 到35.8GWh，而估计到2020年时英国的小型风电机组总装机容量可达到1300MW，其年发电量可达到1700GWh。在我国，离网型风力发电产业也取得了惊人的增长。自2003年至2013年，我国离网型风力发电系统的年产量上升了405%，达到了每年100645台。随着技术的不断进步，国内生产的离网型风力发电系统早已出口到欧洲、美洲和亚洲的多个国家。

尽管当前离网型风电发展迅速、前景广阔，但相关的技术研究工作却相对不足，在提高风能转化率以及提高发电机系统可靠性这两个研究层面尚欠深入和完善。由于传统离网型风力发电系统的特性与风力机的特性并不匹配 ， 因而在风速变化时无法自动地实现最大功率点跟踪（Maximumpower point tracking，MPPT），致使风能利用率较低。现有MPPT技术从电控角度入手，通过变换器等电控装置控制发电机系统的特性，能够有效地实现MPPT。然而，电控装置中含有大量的电子器件，在野外环境中面临恶劣天气时，这些电子器件非常容易损坏，进而导致整个发电机系统故障，故基于电控MPPT方法的离网型风力发电系统的可靠性相对较低。因此，研究具有高可靠性的MPPT技术是离网型风电发展的迫切需要。

离网型风力发电机技术的研究现状不同类型的离网型风力发电机系统及其应用现状按所包含的发电机种类不同，离网型风力发电机系统可以被分为三种类型：基于异步发电机的离网型风力发电机系统、基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统和基于开关磁阻发电机的离网型风力发电机系统。

基于异步发电机的离网型风力发电机系统基于异步发电机的离网型风力发电机系统使用异步发电机作为系统的能量变换装置。异步发电机可分为笼型异步发电机、绕线型异步发电机和双馈型异步发电机这三种类型。

笼型异步发电机具有成本低、可靠性高和具有鲁棒性等优点，因此被广泛应用于传统离网型风力发电机系统领域。图1-1显示了离网型笼型异步发电机系统的结构拓扑图。然而，笼型异步发电机由于其自身特性，只能单速运行或者采取双发电机实现双速运行，无法实现变速运行。因此，笼型异步发电机无法实现MPPT，导致其风能转化率较低，所以逐渐地被永磁同步发电机系统代替。

图1-2显示了绕线式异步发电机系统的拓扑结构。由图可见，电机转子外接可变电阻，其工作原理是通过调整转子回路的电阻值，从而调节发电机的转差率，故能实现一定程度的变速运行。虽然该发电机系统比笼型发电机系统的转速范围大，但其只能有限地变速运行，从而导致其无法实现MPPT。并且由于结构非常复杂，绕线式异步发电机系统在离网型风力发电领域内没有得到广泛的应用。

为了降低系统中功率变换器的容量，双馈异步发电机系统被广泛应用于风力发电领域之中。通过控制转差频率，双馈异步发电机系统可以实现双馈调速，从而在较大的转速范围内变速运行，并且能够方便地实施MPPT控制。然而，双馈发电机的结构复杂、成本较高，控制方法也非常复杂，因此双馈异步发电机系统只被应用在并网型大容量风电系统之中，而没有被应用于离网型风电系统之中。

基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统永磁同步发电机采用永磁体励磁，故无励磁损耗，并且无需换向装置，因而还具有效率高，寿命长等优点。与同等功率的其他发电机相比，永磁同步发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3或1/5。这些优点使得基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统逐渐代替了其它类型的离网型风力发电机系统，成为了市场上的绝对主流。

系统可以采用的永磁同步发电机的种类较多，按结构可以分为：径向磁场内转子电机、径向磁场外转子电机、轴向磁场双定子有槽电机、轴向磁场双转子有槽电机和定子平衡单边轴向磁场电机等多种类型，如图1-4所示。

对这些类型的永磁发电机进行了分析比较，得到了如下结论：

在相同额定参数条件下，轴向磁场电机的功率密度大于径向磁场电机；

在不同类型的轴向磁场电机之中，双边轴向结构比单边轴向结构有很大的优势；

在不同类型的径向磁场电机之中，外转子径向磁场电机比内转子径向磁场电机有优势。

虽然径向磁场内转子电机在功率密度上落后于其它类型的永磁同步发电机，但其结构最简单、制造成本最低，非常适合小型离网型风力发电机系统，因此径向磁场内转子电机在离网型风力发电领域内获得了最广泛的应用。图1-3显示了基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统的结构示意图。由图1-3 a)可见，传统永磁同步发电机系统的结构非常简单，三相交流输出通过不控整流器转换为直流输出，然后给蓄电池和负载供电。该系统可以在较广的转速范围内变速运行，但无法实现MPPT，因此风能利用率不高。为了实现MPPT，各国学者提出改进型永磁同步发电机系统，通过电控装置对系统进行控制，从而实现MPPT。出于节省成本、简化结构的考虑，绝大多数系统采用DC/DC变换器进行控制，如图1-3 b)所示。

基于开关磁阻发电机的离网型风力发电机系统近些年来，部分学者提出了基于开关磁阻发电机的离网型风力发电机系统。开关磁阻发电机具有结构简单、过载能力强、动静态性能好和可靠性高等优点，非常适应风力发电所处的野外环境。然而，开关磁阻发电机系统的控制较为复杂，并且其功率密度小于永磁发电机，因此开关磁阻发电机系统在离网型风力发电领域里的应用并不广泛。

MPPT技术的研究现状本文提出两种基于无源自适应MPPT方法的离网型风力发电机系统方案，即高漏电感型发电机（High-leakage-inductance generator，HLIG）系统方案和高主电感型发电机（High-main-inductance generator，HMIG）系统方案。

由上文分析可知，基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统在近些年得到了最广泛的使用，因此下面以基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统作为论述对象。基于永磁同步发电机的离网型风力发电机系统为了实现MPPT，多数都采用了相同的系统结构[见图1-3 b)]，各种MPPT方法的差异只体现控制策略和算法上。当前MPPT的控制策略主要有四种。

最优叶尖速比控制方法计算得到风力机的瞬时叶尖速比，将其与风力机的最优叶尖速比进行对比得到误差量，然后通过控制DC-DC变换器实现MPPT。最优叶尖速比控制方法的原理框图如图1-5所示。该种控制方法的原理非常简单，但其需要使用昂贵的风速测量装置，从而增加了成本，降低了系统可靠性。由于这些缺点，小功率离网型风力发电机系统很少采用此种控制方法。

功率反馈控制方法最优叶尖速比控制方法需要使用昂贵的风速测量设备，所以不利于降低成本，于是学者们提出了功率反馈控制方法。由风力机特性可知，风力机的最大输出功率可以表示为转速的函数，详见式（1）。换言之，如果风力机从风中捕捉的功率与风轮转速满足式（1），则风力机捕捉到了最大功率，同时发电机系统也输出了最大功率。由于无法直接测量风力机从风中捕捉的功率，通常将发电机系统的输出功率作为反馈信号。因此，功率反馈控制方法只需测量风轮转速，然后根据式（1）和发电机系统的效率特性就可确定发电机系统可以输出的最大功率，再与此刻发电机系统的瞬时输出功率进行比较得到误差信号，进行输出功率调节控制。通过以上分析可知，功率反馈方法的实质是建立了发电机系统的最大输出功率和转速的对应关系。同样，还可以建立最大输出转矩和转速的对应关系。容易得知，转矩反馈控制方法的本质与功率反馈控制方法完全相同。图1-6显示了功率反馈控制方法的控制原理。

(1)

λop——风力机的最佳夜间速比。

相比于最优叶尖速比控制方法，功率反馈控制方法舍弃了风速测量装置，从而降低了成本。此外，功率反馈控制方法具有较快的响应速度，能够迅速地跟踪风速变化。虽然具有以上优点，功率反馈法仍然具有不足之处。功率反馈控制方法需要将风力机的最大功率特性曲线和发电机系统的效率特性曲线提前储存在控制器储存单元之中，而这些特性需要从实验中获得，因此功率反馈控制方法的可移植性较差。1

爬山搜索控制方法爬山搜索控制方法（Hill-climbing searching method, HSC）与前两种控制方法完全不同，其本质是离散迭代控制，具体的控制方法是：

当系统处于稳态阶段时，给控制量一个微小扰动，然后观察这一扰动所引起的输出功率变化；

若该变化量为正，则继续施加相同方向的扰动；如果该变化量为负，则改变下一次扰动的方向；

如此反复，风力机的工作点将动到最大值附近，并保持一定的波动。

因此，该方法也被称为观测扰动控制方法。由此可见，HCS控制方法非常简单，其不需要使用测量风速装置，也无需知道风力机的参数特性，因此HCS控制方法具有很好的移植性，这些优点使得HCS制方法成为小型离网型风力发电机系统的首选。

除了这些优点，HCS控制方法也存在着一些缺点。由于HCS控制方法具有盲目性，系统很难快速地跟踪风速变化，尤其当风力机的转动惯量较大的时候，这个缺点就会变得十分明显，因此HCS控制方法只适用于具有较小转动惯量的离网型风力发电机系统。另外，在实际情况中，风速时刻在不断变化，很难出现稳态风速的情况，扰动引起的输出功率变化很可能淹没在由风速变化所引起的输出功率变化之中，从而造成搜索方向错误。如图1-7所示，当风速突然增大时，风力机的特性曲线由蓝色曲线变成了褐色曲线，导致功率增大，这让爬山搜索法错误地将“下山”方向当作了“爬山”方向，造成搜索方向错误。除了上述两个缺点之外，爬山法还面临搜索速度与MPPT效率的权衡问题：如果搜索步长较大，则搜索速度较快，但降低了MPPT效率，风力机的工作点围绕最大功率点做大幅度震荡；如果搜索步长较短，能够非常接近MPP点，具有较高的MPPT效率，但搜索速度较慢，具体见图1-8。

基于模糊逻辑和基于神经网络的控制方法除了主流的功率反馈法与HCS控制方法之外，还有部分学者提出了基于模糊逻辑和基于神经网络的控制方法。基于模糊逻辑的MPPT控制方法和基于神经网络的MPPT控制方法具有快速收敛，对参数变化不敏感，可以容纳噪声干扰等优点。2

离网型风力发电机普及存在的问题DFIG 离网运行可对海岛地区供电，无需铺设并网输电线路，节约远程燃料运送费用，市场前景广阔; 但至2015年（论文发表时间）仍未得到推广应用，究其原因，除供电可靠性较并网型低外，另一个重要原因是DFIG 离网运行，转子电流用于控制电压频率和幅值后，无法实现最大风能捕获控制，风机利用效率不高，投资价值大为降低。

针对离网型DFIG 组供电可靠性低及不能实现最大风能捕获问题，澳大利亚M． Aktarujjaman、Nishad Mendis，以及华北电力大学杨京燕等人，采用蓄电池储能装置，经DC /DC 变换器与负载侧变换器连接，结合下垂控制方法，不但能够保证定子电压稳定，而且实现了最大风能捕获。浙江大学彭思敏等人，分析DFIG 孤岛供电系统稳定运行与能量供求平衡机理，采用并联型储能系统及分层协调控制策略，保证电压稳定，实现最大风能捕获，且能有效降低储能系统及备用电源的使用频率。中科院唐西胜等人，建立了包含储能环节的异步风力发电机微网仿真和试验平台，因储能系统的控制作用，微电网可在离网与并网模式间无缝切换，保持良好的电压和频率稳定性。太原理工大学李腾飞等人，采用蓄电池和超级电容的混合蓄能装置，平滑因风速或负载变化引起的功率波动，起到稳定电压作用，实现最大风能捕获。印度K． Vijayakumar 等人，在DFIG 离网运行中，将转子侧逆变器和电池储能系统相连接，以定子电压和频率作为反馈控制量控制逆变器，稳定定子电压和频率，当风机运行于超同步运行时，多余电能通过转子馈送至蓄电池，可实现最大风能捕获。

综上所述，对于离网型DFIG 供电系统，已有文献均采用蓄电池或超级电容等储能装置，以负载侧变换器控制蓄电池在不同风速情况下的充放电，解决最大风能捕获问题，同时保证系统不间断运行，优点较多。但应用蓄电池或超级电容等储能装置，存在电池寿命短、维护难度较高，且需要大容量变换器与储能装置相连，大幅度提高了系统的硬件装置成本，使得单位用电成本过高，不宜在大范围推广应用。3

书籍 离网型风力发电机组作者中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

内容简介《离网型风力发电机组(第2部分):试验方法(GB/T 19068.2-2003)》是根据GB/T 1.1—2000《标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写规则》的要求编写修订的。本部分是对JB/T 7323—1994《风力发电机组试验方法》修订，并将名称改为“离网型风力发电机组第2部分：试验方法”。由于野外试验的场地对试验结果影响很大，所以本部分在原JB/T 7323—1994基础上增加了3.1：试验场地。本部分的附录A为规范性附录，附录B为资料性附录。《离网型风力发电机组(第2部分):试验方法(GB/T 19068.2-2003)》由中国机械工业联合会提出。本部分由全国风力机械标准化技术委员会归口。本部分起草单位：内蒙古华德新技术公司。本部分主要起草人：刘金启。

图书目录前言

引言

1范围

2规范性引用文件

3试验条件

3.1试验场地

3.1.1风速

3.1.2地形

3.1.3邻近运行或同时被测机组

3.1.4测试区域内障碍物

3.2试验样机

3.3试验仪器

4试验方法

4.1空气动力特性试验

4.1.1调向性能测量

4.1.2机组切入风速测量

4.1.3风轮空气动力特性测量

4.1.4风轮机械输出特性

4.2机组性能试验

4.2.1功率输出特性试验

4.2.2调速特性试验

4.2.3性能参数

4.3机组功率输出特性及效率的测算法

4.4制动、保护试验

4.5噪声、电磁干扰测定

4.5.1机组噪声水平

4.5.2电磁干扰测定

5试验报告格式和内容

附录A（规范性附录）风轮转动惯量的测量和计算

附录B（资料性附录）试验报告格式和内容

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学