风力发电机组的防雷接地研究

风力发电机组的防雷接地研究（精选6篇）

篇1：风力发电机组的防雷接地研究

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风力发电机组的防雷接地研究

作者：赵国普 杨阳 陈旖旎

来源：《教育科学博览》2012年第10期

摘要：随着风力发电技术的日益成熟，接地安全性越来越重要，在高土壤电阻率下采用传统方法降低风机基础的接地电阻很困难，本文利用DK-电解地极的优点，应用在风机接地中，综合以往的降阻方法，改善风力发电机组的防雷接地方案，具有一定的实际应用性。

篇2：风力发电机组的防雷接地研究

现在风力发电机组使用的大部分都是双馈异步发电机，此发电机的转子电气系统是由集电环与碳刷组成的换向器而实现的，由于接地碳刷的磨损没有监控或报警系统而使得接地碳刷的过渡磨损而导致集电环损坏。经过现场观察和研究发现：磨损的集电环基本都是ABC三相集电环轻微磨损，但接地侧集电环已经磨损严重不得不更换整个集电环装置，导致集电环的过渡报废，增大了风电机的检修维护费用和风电机的可利用率。如果能有效监控或者控制接地碳刷的过渡磨损而损坏集电环装置，现在行业内的解决办法是：研究更耐磨更好性能的接地碳刷，经过大量研究发现，虽然接地碳刷的性能有了很大的提高，但是不能解决集电环过渡磨损的根本性问题，由于接地碳刷在磨损范围内时对集电环的磨损程度是很小的，但是如果接地碳刷过渡磨

损，导致碳刷连接导线的铜丝暴露出来后与集电环产生摩擦，这样就会使得集电环快速磨损，这样会在短时间内使得集电环磨损严重。为了控制接地碳刷连接导线铜丝不摩擦集电环，应该在碳刷未磨损到连接铜丝高度时产生接地保护信号，提示维护人员更换接地碳刷。为此特研究这种带有磨损极限保护报警的接地碳刷，原理图如下：

同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之

一。因此，近几年来，中国的风力发电事业也得到了很快的发展。

1中国的风能资源

风能资源是由于地球表面大气流动形成的一种动能资源，因此一般说来，其特点是靠近地面的风速越低，风能就越小；而离地面越高风速越大，其风能也越大，因而在估算风能资源时，离地高度是关键因素之一。本文以离地10m高的风

能估算。

由于中国幅员辽阔，海岸线长，拥有丰富的风能资源，但地形条件复杂，因此风能资源的分布并不均匀。据中国气象科学研究院对全国900多个气象站测算，陆地风能资源的理论储量为32.26亿kw，可开发的风能资源储量为2.53亿kw，主要集中在北部地区，包括内蒙古、甘肃、新疆、黑龙江、吉林、辽宁、青海、西藏，以及河北等省、区。风能资源丰富的沿海及其岛屿，其可开发量约为10亿kw，主要分布在辽宁、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省、市、区。但北部地区这些省、区，由于地势平坦、交通便利，因此有利于建设连成一片的大规模风电场，例如新疆的达坂城风电场和内蒙古的辉

腾锡勒风电场等。

2风电的发展过程和现状

中国的风力发电是于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作的，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在10kw以下的小型风力发电场，但其

后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，中国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是独立运行的。直到1986年，在山东荣城建成了中国第一座并网运行的风电场后，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。到1990年已建成4座并网型风电场，总装机容量为

4.215mw，其最大单机容量为200kw。在此基础上，风力发电从1991年起开始步入了逐步推广阶段，到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1mw，最大单机容量为500kw。1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，其特点是风电场规模和装机容量均较大，最大单机容量为1300kw。从1996～2002年末，中国风电装机总容量已达470mw。而一些省份风电装机容量见

表1。

表1一些省份2002年末风电装机容量

省、区容量(mw)省、区容量(mw)

辽宁102.51吉林30.06

新疆89.65甘肃16.20

广东79.29河北13.45

内蒙古75.84福建12.00

浙江33.05海南8.70

3风电场投资成本和风电机组的制造技术

(1)风电场投资成本：

风电场投资成本(单位千瓦造价)是衡量风电场建设经济性的主要因素，归纳

起来有以下三个方面：

①风电机组的制造成本，由于风电机组是风电场的主要设备，因此风电机组的制造成本将直接关系到风电场的总投资。但随着风电机组制造技术的不断提高和机组性能的不断改进，其单机容量的不断扩大，这将使风电机组单位千瓦的造

价会明显下降，因此也随之使风电场的造价下降。

②风电场的规模，亦即风电场的装机容量。一般说来，风电场的规模越大，其造价越低，这就是所谓规模效应。这种规模效应将使风电场单位千瓦的配套设

施相对地下降，如与电网配套设施的建设费用等。

③风电场选址，这也直接关系到风电场的经济效益。风电场选址、风电机组定位都选得适当，那么风电场就可以多发电量，风电场的经济性就好，若风电场选在交通便利的地方，运输成本就可下降等，这些也将使风电场的建设成本下降。

从中国目前风电场单位千瓦的造价看，其总趋势在不断地下降之中，例如，20世纪90年代中期，中国风电场的单位千瓦造价，还高达10000多元/kw，但到了21世纪初，单位kw的造价已降到8000多元/kw，这说明中国风电事业在近12年中，有了长足的进步，也为今后的大发展打下了基础。当然中国的风电场建设成本比起发达国家来，还有一定的差距，不过随着中国风电机组制造水平的不断提高和风电场建设经验的不断积累，其造价将进一步地下降。

(2)风电机组的制造技术：

风电机组是风电场的发电设备，也是风电场的主要设备，其投资约占风电场总投资的60%～80%，因此风电机组的制造水平将直接反映一个国家风电的发展

水平。

自20世纪70年代中、后期开始，中国真正进入了现代风力发电技术的研究和开发阶段。在这一阶段中，经过单机分散研制、重点攻关、实用推广，以及系列化和标准化等工作之后，使中国的风力发电技术无论在科学研究方面，还是在设计制造方面均有了不小的进步和提高，同时也取得了明显的社会效益和经济效益，主要解决了边远无电地区的农、牧、渔民的用电问题。但其风电机组的单机

容量仅为几百瓦到10kw，也均属独立运行的风电机组。

到了20世纪80年代，主要集中在研制并网型的风电机组上，并且陆续制造出从几十kw到200kw的机组。但由于这些风电机组自行研制周期长，又赶不上市场对更大容量风电机组的需求，因此大部分样机均来不及改进和完善并转化为商业性机组。在这种情况下，为了尽快提高中国风电机组的制造水平和满足市场的需求，国家采取了以下两条措施：①引进国外成熟技术，吸收消化，以提高国产化机组的制造技术。例如，已通过支付技术转让费的方式，从国外引进了600kw机组全套制造技术。目前，国内有关的风电机组制造厂家的风电主机生产企业，已研制出600kw机组的关键部件，如发电机、齿轮箱和叶片等，并且600kw的机组其本地化率已可达90%。②采用与国外公司合作生产的方式引进技术，并允许国外风电机组制造厂商在中国投资设厂。如国际著名的叶片制造商丹麦的lm公司就在天津独资设厂生产。而中国风力发电的大发展将为这些企业提供良好的机

遇。

4中国风电的发展前景

(1)发展风电的必要性：

前面已经提到，中国有丰富的风能资源，这为发展中国的风电事业创造了十分有利的条件。但就中国目前电力事业而言，火力发电仍是中国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，正在大量排放co2和so2等污染气体，这对中国的环保极为不利。而发展风电，一方面有利于中国电源结构的调整；另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。同时，又有利于减少能源进口方面的压

力，对提高中国能源供应的多样性和安全性将作出积极的贡献。

(2)国家对发展风电的政策支持：

由于风电场建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。在这种情况下，为了支持发展风力发电，国家曾给

予多方面政策支持。

例如，1994年原电力工业部决定将风电作为电力工业的新清洁能源，制定了关于风电并网的规定。规定指出，风电场可以就近上网，而电力部门应全部收购其电量，同时指出其电价可按“发电成本加还本付息加合理利润”原则确定，高于电网平均电价部分在网内摊消。为了搞好风电场项目的规范化管理，又陆续发布了一些行业标准，如风电场项目可行性研究报告编制规程和风电场运行规程

等。有了上述的政策支持，从此风电的发展便进入了产业化发展阶段。与此同时，国家为了支持和鼓励发展风电产业，原国家计委和国家经贸委曾

提供补贴或贴息贷款，给建立采用国产机组的示范风电场业主。

(3)发展风电的展望：

据不完全统计，2003年年初在建项目的装机容量约为60多万kw，其中正在施工的约有10万kw，可研批复的有22万kw，项目建议书批复的有32万kw，包括两个特许权项目。如果这些项目能够如期完成，那么到2005年底合计装机

可超过100万kw。

预计“十一五”计划期间(2006～2010年)，全国新增风电装机容量可达280

万kw，因而累计装机总容量约可达400万kw。

5结束语

篇3：风力发电机组的防雷接地研究

风能已经成为目前国内最具潜力和活力的新能源之一, 风力发电是目前最成熟的可再生能源发电技术。随着风力发电的飞速发展, 风电机组单机容量和风电场规模的增大, 对风力发电机组的安全运行也提到了一个广受关注的高度, 风力发电机组能否安全运行, 很大程度上取决于风力发电机组接地装置, 接地电阻值是衡量风力发电机组接地装置是否符合规程要求的主要指标。

1 非金属材料接地模块简介

1.1 接地模块结构图及原理图

(1) 接地模块结构图

(2) 接地模块原理图

1.2 非金属材料接地模块降低接地电阻的原理

接地网的接地电阻主要由接地体及其连接材料的自身电阻、接地体与周围土壤的接触电阻以及入地电流在土壤中的扩散电阻构成, 其中接地体与土壤的接触电阻和入地电流在土壤中的扩散电阻是接地电阻的主要部分, 占接地电阻的98%以上。

非金属材料接地模块与传统接地体相比具有以下显著特点:

(1) 降低接触电阻:接地模块的主体材料以高目数的非金属导电石墨为主体材料, 其极小的颗粒可以很好地与各种土壤达到分子级的接触, 有效接触面积远远大于传统的金属接地体, 有效散流面积也得到了极大地提高;另外其内部富含的吸湿保湿剂也使得接地体和周围土壤的接触更加密实, 从而可获得较低的接触电阻。因此能显著提高接地效率, 减少地网占用土地面积。

(2) 降低扩散电阻:接地模块其非金属接地部分共分为两层, 上层富含比例较大的吸湿保湿剂, 以吸附大气降水保湿为主;下层富含大量电解质离子, 其随的离子散发性, 可使其离子耗散至接地体周围3m~5m的土壤中, 并形成稳定的离子层, 在大范围内降低土壤电阻率, 从而降低土壤中的扩散电阻。

(3) 接地电阻稳定:接地模块自身有很强的吸湿保湿能力, 使它周围的土壤保持湿润, 保证接地模块有效发挥导电作用;同时, 接地体中导电物的导电特性不受干湿度、高低温等季节变化的影响, 因此能确保稳定的接地电阻。

(4) 减少地电位反击::接地模块的非金属材料使电阻率相差巨大的金属与土壤之间形成一个变化比较平缓的低电阻区域, 当大电流冲击时, 可降低接地体、接地线暂态电位梯度, 降低跨步电压和接触电压, 减少发生地电位反击的概率。

(5) 使用寿命长:接地模块的主体本身是抗腐蚀材料, 它的金属骨架采用的是表面经抗腐蚀处理的金属材料, 因此该接地体总体抗腐蚀性能优良, 使用寿命达到三十年以上。

1.3 非金属材料接地模块的性能特点

(1) 由于采用非金属导电材料作为导电介质, 不仅耐腐蚀而且无毒、无污染, 对环境无不良影响。

(2) 施工方便, 大大减小了施工工程量, 且使用寿命长, 理论寿命大于30年, 远大于传统接地材料。

(3) 稳定性好, 经多次大电流冲击后, 接地模块电阻值不增大, 亦不变硬、发脆, 无断裂现象, 导电性亦不受季节影响。

1.4 非金属材料接地模块的施工便捷性与经济性

(1) 接地模块尺寸为800mm× (400mm+200mm) ×60mm, 埋设时一般采用垂直埋设, 其较大的一端朝上, 较小的一段朝下, 埋设方便, 减小了施工难度与工程量。

(2) 对于施工难度极大的地质, 则可以使用接地模块平铺或侧立埋设, 接地效果基本不受影响。

(3) 单块接地模块价格仅数百元人民币, 相对于使用年限来讲, 成本较低。

2 降低风力发电机组接地电阻在风电工程中的具体运用

作为风电场主要设备的风力发电机组, 常常安装于山顶、山谷和沿海岛屿区域, 易遭受雷击, 而导致设备受损严重, 难以修复使用, 因此对于1000k W以上的风力发电机组, 要求接地电阻R≤4Ω。

宁夏中卫香山风电场是宁夏自治区规划的十大风场之一, 该项目整体规划装机容量100万千瓦。该项目地处宁夏中卫市沙坡头区, 常年干旱少雨, 年雷暴日为86d, 属中雷区。

工程建设过程中, 引进了西安优耐达电子科技有限公司生产的接地模块。通过对本工程地质及土质进行了勘察、试验, 得到的平均土壤电阻率约为2000Ω·m。由于本工程风机周围地质条件较差, 大多为岩石, 可施工面积小, 采用扩大接地网面积或外引接地网的方式难度极大, 且施工工程量非常大, 经过经济技术比较, 最终决定采用接地模块配合常规接地网进行施工, 并在接地模块周围施加一种特性与接地模块相同的离子缓释剂, 以达到更好的接地散流和降阻效果, 具体方案如下:

每台风机的接地网以风机中心为圆心设置环形水平接地网, 内圈圆环半径为12m, 中圈半径为22m, 外圈半径为32m, 同时从风机中心向外敷设数根水平接地体与环形水平接地体相交, 水平接地体采用-60×8热镀锌扁钢, 埋深冻土层下。在水平接地网内合理埋设接地模块, 总数为21块, 每块接地模块周围施加适量离子缓释剂, 接地沟或坑的回填土采用电阻较低的粘土并夯实。

(1) 根据DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》, “以水平接地体为主边缘闭合的复合接地极 (接地网) 的接地电阻可用下式计算:

式中:Rn———任意形状边缘闭合接地网的接地电阻, Ω;

Re———等值 (即等面积、等水平接地极总长度) 方形接地网的接地电阻, Ω;

S———接地网的总面积, m2;

d———水平接地极的直径或等效直径, m;

h———水平接地极的埋设深度, m;

L0———接地网的外缘边线总长度, m;

L———水平接地极的总长度, m。

计算得:

(2) 根据西安优耐达电子科技有限公司提供的接地模块接地电阻计算公式:

单块接地模块的接地电阻:

ρ———土壤电阻率, (Ω·m)

K———离子缓释剂影响系数, 取0.26

则单块接地模块的接地电阻:Rm=0.126ρ1

多块接地模块的接地电阻:Rb=Rm/nη

n———接地模块的数量n=21块

η———接地模块数量及间距影响系数η=0.78

c、水平接地体与多块接地模块并联的接地电阻:

3 费用比较

3.1 新材料特别适合于岩石地质;

3.2减少了接地极的数量, 接地网 (扁钢) 长度也减少约10%-20%, 减小了施工量。使接地极坑石方开挖量大大减少, 缩短了整个施工周期。原来需采用液压破碎锤凿孔 (孔深约2.2m) , 孔径大, 每基风机及箱变接地坑开挖约需3天左右。而采用模块, 开挖深度为0.7米左右, 孔径小。

3.3接地效果好, 在工程初期, 做过相应的对比试验, 采用钢管接地方式, 虽然采取了换土, 添加降阻剂、增加土壤湿度等方法, 电阻值始终难以达到要求的数值。

3.4今后的维护简便, 根据其他风电场的经验, 在运行几年后, 因为土壤含水率等条件的变化及其他因素的影响, 接地电阻会发生一定的变化, 而达不到要求, 钢管接地方式进行换填处理或增加降阻剂 (离子缓释剂) ;工作量很大, 而模块接地方式, 开挖量很小, 只需增加少量的降阻剂 (或离子缓释剂) 即可。

4 结束语

宁夏中卫香山风电场一、二、三、四、五、六期工程共174台风机的接地装置已敷设安装完毕, 技术人员对每台风机的接地电阻进行了实测, 结果为2.3~3.5Ω, 均满足设计要求, 同时减少了工程量并降低了工程费用。接地模块对降低风力发电机组的接地电阻起到了良好的效果。接地产品的种类很多, 各自特点和优势也不一样, 在进行方案设计及施工过程中应应合理采用合适的接地产品, 以达到最好的接地效果的同时减少费用的增加。

摘要：接地电阻值是衡量风力发电机组接地装置是否符合规程要求的主要指标。本文在分析非金属材料接地模块在降低接地电阻原理的基础上, 结合有关标准、资料, 阐述了非金属材料接地模块在中电投宁夏中卫香山风电场工程风力发电机组接地中的应用情况。

关键词：风力发电机组,接地材料,接地模块,接地电阻,复合接地,经济可靠

参考文献

[1]DL/T 621-1997.交流电气装置的接地[S].北京:中国电力出版社, 1997.

[2]DL/T 620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京:中国电力出版社, 1997.

[3]GB50057-94 (2000年版) .建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2000.

[4]熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册[M].北京:中国科技文化出版社, 2006.

篇4：风力发电及其技术发展研究

摘 要：风力发电是一种环保、节能的发电方式，对社会的可持续发展起着重要作用，具有无污染、可再生、能量大等优点，是当前电力行业研究的重要内容。文章对风力发电及其技术的发展展开研究，以促进风力发电的进一步发展，为我国风力发电事业的进步提供帮助。

关键词：风力发电；技术；发展

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）02-0015-01

近些年来，随着我国社会经济的不断发展，对电力能源的需求持续增加，但在传统火力电中，煤炭资源是不可再生，资源的日益紧张与需求之间存在严重矛盾。在此背景下，可再生能源的开发利用得到人们广泛重视，风力发电技术应运而生，发展十分迅速，对其展开研究，有着重要的现实意义。

1 风力发电的发展现状

风力发电是一种利用风动能转换为机械动能，再向电能转换的过程，其工作原理是借助风的动力来推动风车叶片旋转，再通过增速机加快风车叶片旋转的速度，带动发电机发电。

风力发电具有环保、节能等优点，自从我国2005年《可再生能源法》立法之后，风能、太阳能、生物质能、水能以及海洋能等可再生能源的得到充分重视，在能源发展中占据着重要地位。

在世界环境问题日益严峻的背景下，减轻二氧化碳排放量是世界各国发展的必然要求，为顺应这种发展趋势，降低化石能源的利用率，大力发展发电在内的可再生能源、核能等，是世界能源发展的基本内容，也是我国战略新兴产业规划的重要组成部分，对我国国民经济增长起着重要作用[1]。

我国的风力发电始于上世纪80年代中期，初次商业化运行的风电机容量等级为55 kW，在经过近三十年的发展后，我国风力发电市场有了长足进步。根据CWEA2015年的相关统计，截止2014年年底，我国风电累计装机容量约为114 609 MW左右，累计安装风机组76 241台，同比增长25.4%；在2014年中，全国新增安装风机组13 121台，新增装机容量23 196 MW，同比增长44.2%。

我国风能资源十分丰富，可开发利用的风能储量大约为10亿 kW，其中，陆地风能储量与海上可开发利用风能储量分别占2.5亿 kW和7.5亿 kW作用，因此，除了陆上风力发电之外，做好海上风力发电也十分重要。就2014年海上风电装机情况来看，我国海上风电新增装机61台，新增装机容量为229.3 MW，同比增长487.9%，其中，有56.7%属于潮间带装机。由此可知，我国海上风力发电水平远远低于陆地风力发电，加强在海上风力发电方面的开发与利用，是我国未来风力发电的重要趋势之一。

风力发电除了具有环保、节能的优点之外，由于风力是一种可再生能源，可以实现重复利用，具有永不枯竭的优点，相较于火力或水力发电方式，风电的基建周期更短，装机规模也较为灵活。但是，风力发电也存在一些不足之处，比如容易产生噪音或者视觉污染，需要占据大量的土地，风力发电的稳定性、可控性较差，发电成本较高，还会对鸟类生存环境产生一定破坏。

2 风力发电技术发展趋势

风力发电技术是一项综合性非常强的技术，与空气动力学、机械学、电机学、材料学、力学以及自动控制技术等都有着密切联系。在近些年来，随着风力发电的不断发展以及各种技术的创新，风力发电技术也有了很大水平提升，具体体现在以下两个方面。

2.1 风力发电机组容量、机型方面的发展

在风力发电技术的发展当中，降低发电成本、提高发电效率和可靠性，是其主要发展目标之一。在风能发电效率提升方面，主要是通过增大风力发电机的单机容量，来提高风能利用效率，在进入新世纪后，德国研制出了5 MW和6 MW风力发电机，对风能发电效率的提升创造了良好条件。

就我国风力发电机容量发展情况而言，国内主流风力发电机的机型从2005年750～850 kW，到2013年已经增加到1.5～2.5 MW；在发电机单机容量上，也表现出持续增大的发展趋势，其中，2012年新增机组平均单机容量为1.65 MW，2013年新增机组平均单机容量为1.73 MW，最大风电机组为6 MW。

同时，在海上风电机组方面，其容量也朝着大规模化发展，海上风电场中大量应用了华锐风电3 MW海上风电机组， 3.6 MW、4 MW、5 MW以及6 MW海上风电机组也开始建设并试运行，海上风电开发利用得到进一步发展[2]。

就风力发电机型而言，当前国外普遍采用的都是双馈异步发电型变速风电机组，包括丹麦Vestsar公司、美国GE风能公司等，我国风电企业生产的大多也是双馈异步发电机变速恒频风电机组。就2013年新增风电机来说，双馈异步发电型变速风电机组大约能占总量的69%，其中，在海上风电场中，3 MW双馈异步发电机变速恒频风电机组已经被批量投入使用，6 MW双馈异步发电机变速恒频风电机组也开始试运行。

2.2 风力发电机组控制技术方面的发展

在风力发电中，发电机组运行的效率与安全在很大程度是取决于控制技术的，因此，风力发电机组控制技术得到足够的重视，在近些年来，得到一定程度发展，具体可以体现在以下两个方面。

2.2.1 变速恒频控制技术

在传统的风力发电机组中，采用的大多是恒速恒频控制技术，具有结构简单、控制方便、性能可靠等优点，但是，在这种控制技术下，当风速改变时，风力机转速保持不变，风力机无法保证最佳转速，会降低风能利用效率，减小输出功率，从而影响发电效率。

变速恒频控制技术就有效改变了恒速恒频控制技术的不足，根据风速情况适当调节风力机转速，可以使风力机保持在最佳转速状态，有效提高风能利用系数，最大程度的捕获并利用风能，使机组运行处于最优化，提高發电效率。当前，在我国风电机场建设中，风电机组控制采用的大多是变速恒频控制技术[3]。

2.2.2 变桨距调节技术

在传统风力发电机中，在恒速运行情况下，采用的通常是定桨距失速调节技术，是将轮毂与桨叶固定连接后，使桨距角保持在一个固定值，当风速高于额定值时，根据桨叶翼型失速的特点，气流功角会满足失速条件，受桨叶表明紊流的影响，机组发电效率就会相应降低，从而实现限制输出功率的目标，其调节方式较为简单，但也存在叶片结构与制造工艺复杂、自重大以及发电效率低等弊端。

变桨距调节技术是通过在风力机组加装叶片桨距调节装置，根据风速情况来改变桨距角，在运行时，通过桨距角的改变来调节转速，在输出功率小于额定功率时，桨距角为0，无需控制；在输出功率超过额定功率时，通过调节变桨距改变桨距角，维持输出功率的稳定，优化机组输出功率特性，改善机组的启动性能。变桨距调节技术不仅具有载荷控制平稳、高效、安全的优点，还可以降低桨叶所受到的应力，减少叶片制造材料，减轻机组重量，延长机组使用寿命，对风电系统运行性能提升有着积极作用。但是，相应地，变桨距调节技术会在一定程度上增加风电机组结构的复杂性。

3 结 语

综上所述，风力发电对改善我国电能情况、减轻环境污染、节约能源等都有着重要意义，大力发展风力发电，是我国社会经济发展的重要要求。近些年来，我国风力发电发展较为迅速，在风力发电技术方面，有了长足进步，风力发电的商业运行水平不断提高，但依然有许多不足之处。因此，加强对风力发电的研究，加大在风力发电方面的投入，是我国电力行业应当重视的工作。

参考文献：

[1] 任丽蓉.我国风力发电现状及其技术发展[J].科技经济市场，2011，（4）.

[2] 李军军，吴政球，谭勋琼，等.风力发电及其技术发展综述[J].电力建设，2011，（8）.

篇5：风力发电机组的防雷接地研究

摘要：本文综合了几种常用风力发电机的并网控制技术，分析比较了它们各自应用于风力发电上的优缺点，并指出风力发电技术今后的发展趋势为：无刷双馈发电机将在变速恒频风力发电系统中得到广泛应用，最后对在鄱阳湖风力发电机组中应用无刷双馈发电机的具体案例进行了分析。

关键词：风力发电并网技术无刷双馈电机

一．引言

近年来，全球化能源危机日趋严重，资源短缺和环境恶化，使各国开始重视开发和利用可再生、无污染的能源。风能，是当今可再生的、资源丰富的清洁能源。由于电力电子技术的飞速发展和广泛应用，使许多新的风力发电系统技术不断提出，如异步发电机、同步发电机、磁阻电机等，但由于这些系统成本比较高，在增加风能捕获能力的同时，要求系统增加更多成本，是的额外的捕获风能变得意义不大。目前，交流励磁变速恒频发电技术在理论上是最优化的一种调节技术。此方法通过在双馈发机转自侧施加三相交流电进行励磁，来调节励磁电流的幅值、频率和相位，使定子侧输出恒频恒压。这样不但可以大大提高能量转换效率，还能实现有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力和稳定性。因此，运用该技术进行风力发电系统的并网控制，具有非常重要的意义。

二．风力发电机组的并网控制技术

1.同步发电机组的并网

在并网发电系统中普遍应用的是同步发电机。它在运行中，既能输出有功功率，又能提供无功功率，输出的电能质量高，已被电力系统广泛应用。不过，把它移植到风力发电机组使用时，效果却不够理想，这是因为风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能达不到期望的精度，使得并网比较难。图1为其常见的原理图。

图1 同步发电机并网结构图

2.异步发电机的并网

异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，只要转速接近同步转速就可并网，而且并网后不会产生震荡和失步，运行非常稳定。同时也存在一些问题，如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降，对系统安全运行构成威胁；它本身不发无功功率，需要无功补偿等。图2为其总体发电结构图。

图2 异步电机并网结构图

3.无刷双馈发电机的并网

无刷双馈电机（BDFM）作为一种新型电机，结构与运行机理异于传统电机。它的定子上有两套级数不同的绕组。一个为功率绕组，直接接电网；另一个为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子结构为笼型结构，无需电刷和滑环，但流过定子励磁绕组的功率仅为无刷双馈电机总功率的一小部分。采用无刷双馈发电机的控制方案后，不仅可实现变速恒频控制，降低变频器的容量，还可在矢量控制策略下实现有功和无功的灵活控制，起到无功补偿的作用。无刷双馈发电机取消了电刷和滑环，结构简单，坚固可靠，适用于风力发电的工作环境，保障了并网后风力发电机组的安全运行。输出侧直接接电网而不经过变频器，使得并网后的电能质量更好。图

3为无刷双馈电机风力发电系统的原理图。

图3无刷双馈电机风力发电系统的原理图

如上图所示，无刷双馈发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应的控制转子励磁电流的频率，使无刷双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击大，而无刷双馈发电机可通过对转子励磁电流的控制，实现软并网，避免并网时发生电流冲击和电压波动。在并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机功率绕组的频率、幅值、相位和相序，并通过双向变流器调节控制绕组的励磁电流，使功率绕组输出的电压与电网相应电压频率、幅值和相位一致，这就满足了自动并网运行。

三．无刷双馈发电机在鄱阳湖风力发电机组中的应用

1.无刷双馈发电机的发电系统原理图

图4无刷双馈发电机的发电系统原理图

由图4可知，整个发电系统由风机、齿轮箱、无刷双馈发电机、变换器及其控制构成。其中无刷双馈发电机和变换器是发电系统的主要部分。

2.变换器电路的结构

图5为变换器的结构图。

图5变换器电路拓扑结构

3.发电系统的网侧变换器

图6为网侧变换器的结构图。

图6 变换器的结构图

由图可知，变流器结构包括6个电力电子开关器件组成的逆变环节、输出滤波器和其它辅助控制环节。

4.无刷双馈电机调速系统的仿真

（1）仿真模型的建立

图7为假想的鄱阳湖风力发电机组调速系统的仿真模型。由该图可知，本系统是双闭环串级调速系统，它由速度调节器、电流调节器、触发电路、速度变换等部分组成，其中整流器和逆变器是主要电能转换部分。

图7 无刷双馈电机的调速系统仿真模型

其中子系统为变流器和电机部分的仿真图。结构如图8所示。

图8变流器及电机的仿真模型

（2）仿真结果

参数设置：假定给定转速n=1500r/min,转矩T=15N*m,电压u=220v交流电。仿真结果如图9所示。从上到下为转速n和转子电流i的波形。由图可知，在1s时进行了调速，使转速n下降，转子电流i基本保持不变。

图9 仿真结果

四．结论

篇6：风力发电机组的防雷接地研究

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 作者：张凤 张晓红 卢业蕙

来源：《科技创新导报》2012年第35期

摘 要：该文分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行区域，并针对高低风速区采取不同的控制策略，实现低风速区最大风能追踪和高风速区的额定功率保持。

关键词：风力发电机组 变速恒频 控制策略

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-0

1在当今新能源技术开发中，风电成为最成熟、最具开发利用的发电技术。风电机组是风电系统的重要装置，直接影响输出电能的质量和效率，因此选取合适的控制策略是保证系统安全、高效运行的关键。变速恒频双馈感应风力发电系统

变速恒频双馈感应风力发电系统中，风力机通过齿轮箱与发电机转子相连，发电机定子直接连接到电网，转子通过变频器并网。“双馈”是指发电机的定、转子同时向电网馈电。

根据不同的风速，风力发电机组主要有五个运行区域，如图1所示，每个运行区域机组的输出功率不同。

图1 双馈风力发电机组的运行区域

其中，A为并网区；B为最大风能追踪（MPPT）区域；C为过渡区；D为功率限制区。E为切出停机区。

由于风速的不断变化，风电机组运行在不同的运行区域。通常将发电机组的运行策略确定为：低风速区域，实现最大风能的追踪或使发电机的转速最大。高风速区域，实现发电机组保持额定功率输出。低风速区风力发电机组的控制策略

（1）矢量控制双馈发电机组矢量控制的目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率P和无功功率Q的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获[1]。

（2）直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是通过对感应发电机的磁链和转矩做滞环比较，再适当选择逆变器的开关状态实现对发电机转矩的控制，进而实现对发电机最大转速的控制。

直接转矩控制的磁链轨迹有两种形式，一种正六边形，六条边对应于六个电压矢量，通过切换逆变器的开关状态，实现对磁链轨迹的控制[2]；另一种圆形，通过实时计算发电机的转矩和磁链的误差，结合定子磁链的空间位置选择相应的开关矢量。

（3）滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平面，实现误差跟踪和风能最大捕获[3]；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。高风速区风力发电机组的控制策略

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小[4]。

（2）H∞鲁棒控制。H∞鲁棒控制是指在Hardy空间中通过一些性能指标的无穷范数将被控系统的设计问题转变为H∞范数最小化的问题。在风速和风向不断变化的情况下，利用鲁棒控制器设计的转速控制器使发电机在设定好的风速范围内运行，实现在低风速区的最大风能追踪和高风速区的保持额定功率控制[5]。结语

该文针对不同运行区域的控制目标，分析了风力机特性，研究了实现最大风能追踪的控制策略，通过调节机组转矩或转速，保持最佳叶尖速比，追踪最佳功率曲线。在高风速区域，对发电机组的变桨距控制技术进行研究，并对各控制方式进行分析总结。

参考文献