2.1 风力发电系统的概述
2.1.1 风力发电系统简介
风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初 ，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。
利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下[1]。
目前，内蒙古草原上的风力发电机产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。
2.1.2 风力发电系统的原理
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵[2]。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。
发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。
在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。
我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。
2.2.1 风力机的运行原理
由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为
式中：ρ为空气密度，一般为 1.25kg/m ；Sw为风力机叶片迎风扫略面积；v 为空气进入风力机扫掠面以前的风速。
由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数为 Cp，所以风力机的输出机械功率为：
风能利用系数 Cp是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶
风能发电原理节距角均有关系。为了便于讨论 Cp的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比 λ，即叶片的叶尖线速度与风速之比：
式中：Rw为叶片的半径；ωw为叶片旋转的角速度。
风力机可分为定浆距和变浆距两种。定桨距的风力机桨叶节距角 β 保持不变，风能利用系数 Cp只与叶尖速比 λ 有关，则可用一条曲线描述 Cp(λ)特征，图1就是定浆距风力机的特性曲线[3]。
图1 定浆距风力机特性曲线
在定浆距情况下叶尖速比 λ 决着风能利用系数 Cp的大小。对于一个特定的风力机具有唯一一个使得 Cp最大的叶尖速比，称为最佳叶尖速比，用 λopt表示，对应的 Cp为最大风能利用系数用 Cpmax表示。从图中可以看出，当叶尖速比大于或小于最佳叶尖速比时，风能利用系数都会偏离最大风能利用系数，引起机组效率的下降。
图2 变浆距风力机特性曲线
变浆距的风能利用系数 Cp是叶尖速比 λ 和桨叶节距角 β 两者的函数，综合起来可以表示 Cp
(λ,β)。如图2所示，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系，其数学模型如下:
从上面的分析可以得到，在某一固定的风速 v 下，随着风力机转速的变化， Cp的值也会相应地变化，从而使风力机输出的机械功率也变化，因此转速的变化会导致风力机捕获风能的能力发生变化。根据式子可以导出不同风速下风力机输出功率和转速的关系，如图3可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在最佳功率曲线上将会输出最大功率 Pmax，其值为：
对应的转矩为：
式中：
图3 风力机功率与转速的关系 图4 风力机转矩与转速的关系
由式可知，对于特定的风力机，其最佳功率曲线是确定的，最大功率和转速成三次方关系。定浆距风力机的特点可总结如下：
(1)在某一固定的转速下，风速 v 越大风提供的输入功率越大，风力机输出的机械功率也越大；
(2)在某一固定的风速下，风力机在某一转速时可以输出最大的功率，转速较小或较大时风轮机输出功率将会降低，应保证风力机在最佳转速下运行；
(3)风力机最佳转速是相对于某一确定的风速来说的，随着风速的增加，风力机最佳转速也增加[4]。
2.2.2 风力机的运行区域
由于风速的不同，交流励磁变速恒频风力发电机的运行范围也不同。一般情况下运行范围可以划分为三个区域。在不同的区域不仅控制手段和控制任务各不相同，而且风力机和双馈电机的控制重点和协调关系也不相同。
第一个运行区域是起动阶段，此时风速从零上升到切入风速。当风速小于切入风速时，双馈发电机与电网是脱离的不能发电运行，只有当风速大于切入风速时，才进入并网运行状态。在这个区域内风力机控制系统是通过变桨系统来完成桨距角的调节，进而控制转矩的输出。
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