30、风力涡轮机系统设计考量与性能分析

风力涡轮机系统设计考量与性能分析

在当今追求可持续能源的时代，风力发电作为一种重要的可再生能源形式，正受到越来越多的关注。了解风力涡轮机系统的设计考量、性能特点以及控制方法，对于有效利用风能至关重要。

风力发电机类型

风力发电机主要分为固定转速和可变转速两大类，不同类型的发电机适用于不同的应用场景。
- 固定转速风力发电机 ：通常采用鼠笼式感应发电机（SCIG），它通过升压变压器直接连接到电网。SCIG 的转子转速变化很小，约为额定转速的 2% - 5%。这种发电机具有维护少、结构坚固、成本低、抗短路能力强和操作简单等优点。然而，由于转子转速不可变，风速的波动会直接转化为传动系统的扭矩波动，导致比可变转速发电机更高的结构负载。此外，直接连接到电网的 SCIG 需要无功功率来建立定子的旋转磁场，对于大型涡轮机和弱电网，通常在固定转速风力发电机的终端连接一个电容器组，以在额定条件下保持单位功率因数运行，但在其他运行条件下会出现电压波动。有些涡轮机有两个不同极数的感应发电机连接到电网，根据风速条件选择其中一个连接到电网。
- 可变转速风力发电机 ：有多种子类，包括带前端转换器的感应发电机、双馈感应发电机（DFIG）、绕线磁场同步发电机（WFSG）或永磁同步发电机（PMSG）。可变转速运行的优势在于在特定风速范围内可以提取更多的风能。这些发电机通常配备部分或全额定的电力电子转换器，虽然会有一些功率损失，但由于可变转速运行提高了空气动力学效率，从而提高了整体效率。可变转速运行还能减少机械应力，虽然成本通常较高，但可以通过额外的发电量来弥补。此外，它还能为弱电网提供无功功率补偿和故障穿越能力。如今，大多数风力涡轮机都