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1、 国内图书分类号： TM614 国际图书分类号： 621.3 学校代码： 10079 密级：公开 专业硕士学位论文 福清牛头尾风力发电场电气设计研究 硕 士 研 究 生 ：刘磊 导 师 ：王增平教授 企业导师 ：赵芫桦高工 申 请 学 位 ：工 程硕士 专 业 领 域 ： 电 气 工 程 所 在 学院：电 气 与 电 子 工 程学院 答 辩 日 期 ： 2011年 3 月 授予学位单位：华北电 力大学 Classified Index: TM614 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master Degree Research on Fuqing Niutouwei Wi
2、nd Power Plant Electrical Design Candidate： Liulei Supervisor： Mentor-mentee： Prof. Wang zengping Senior engineer Zhao Yuanhua School： School of Electrical and Electronic Engineering Date of Defence： March, 2011 Degree-Conferring-Institution ： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明
3、本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文福清牛头尾风力发电场电气设 计研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年 S月日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 福清牛头尾风力发电场电气设计研究系本人在华北电力大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大
4、学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打 保密 ，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 士 J義 曰期 导师签名： 么 2 日期 : V )： 2 11年 3月 2/日 2卬年 3月巧日 华北电力大学硕士学位论文 摘要 风能的随机性和不可控性决定了风电机组的出力具有波动性和间歇性的 特点；且风机大多为异步发电机，其运行特性与同步机有着本质的区别。因 此，风电场在机组布置、机组运行方式、
5、系统组成、系统配置等诸多方面与 火电厂差别较大，不能完全照搬火电项目的设计思路。 本文结合国内福清地区风资源情况及入网条件，完成一期大型风电场电 气设计工作中的重要环节，并尽可能的对各环节进行深入研究，主要工作包 括：风力发电机组选型、风电场电气主接线设计、风电场短路电流计算、风 电场升压站电气设备选型及保护设计、 .风电场无功补偿装置设计。 本文中对风电场等值电路模型进行分析简化，由此简化电路计算出短路 电流值，并将此计算结果与设计单位提供的短路电流进行验证，总结出工程 设计中实际可行的较为简便的短路电流计算方法。本文还对现有各种风电场 无功补偿方式的优缺点进行了分析比较，提出目前较为先进、
6、经济的无功补 偿设计方案。 本文预期通过分析国际风电技术发展趋势及国内风电设备制造情况，结 合福清牛头尾风电项目的设计工作， 对国内风电场电气主接线方案设计、电 气设备选型等提出一些建议。 现阶段国内风电场工程电气设计标准化工作正在不断完善，也希望本文 能为标准化工作提供一个典型的设计实例。 关键词：风电场；电气主接线；短路电流；无功补偿 华北电力大学硕士学位论文 Abstract The randomness and uncontrollability of wind energy source will determine the characteristic of wave charac
7、ter and intermittency for the output of wind power units. Furthermore, the fans are mostly asynchronous generator. The running characteristic of asynchronous generator is essential different from the synchronous generator. Hence, wind power plant is much more different from thermal power plant with
8、regard to the respect of unit layout, running method, system composition and system configuration etc. It can not to copy the design idea of thermal power plant completely. This context is combined with the wind sources and synchronous conditions of domestic Fuqing district to complete the important
9、 segment in the electric design works for the first stage of large-scale wind power plant and it will study for every segment as much as possible. The main work will include: selection for the types of wind generator units, single line diagram design of wind power plant, short-circuit current calcul
10、ation of wind power plant, selection for the types and make the protection design of electrical equipment for the booster station of wind power plant and reactive-load compensation equipment design of wind power plant. This context is analysis and simplified the equivalent circuit model so that it w
11、ill calculate short-circuit current value by simplify the circuit. It will test and verify this calculation results through short-circuit cunent which is provided by design company. Afterwards it will conclude the calculation method for the short-circuit current through the practical, feasible and s
12、imple way in the project design. This context is also analysis and compared the advantages and disadvantages for the reactive-load compensation method of different type of wind power plant so that it will provide the advanced and economic reactive-load compensation design scheme presently. This cont
13、ext is expected to analysis the trend of international wind power technological development and domestic wind power equipment mamifacturing conditions, combines with the design works of Fuqing Niutouwei Wind Power Project and put forward some suggestion for the domestic electrical single line diagra
14、m design and selection for the types of equipment etc. Now it have already got improved continuously in the stage of domestic electrical design standardization work of wind power project and it also hoped that this context can provide a typical design example for the standardization work. Keywords:
15、wind power plant; electrical single line; short-circuit current; reactive-load compensation 华北电力大学硕士学位论文 目录 赔 . I Abstract . II 第 1 章绪论 . . 1 1.1选题背景及其意义 . 1 1.2国内外研究动态 . 2 1.2.1国际风电技术趋势 . . 2 1. 2. 2非上网型风电场 . 3 1.2.3风电场无功补偿装置 . 3 1. 2. 4海上风电场 . . 4 1.3本文研究工作 . . 5 第 2章风电场电气设计方案及设备选型 . 6 2.1风力发电机组选型
16、方案 . . 6 2.1.1风电场最优装机容量分析方法 . 6 2.1.2风电场风力发电机组布置及发电量计算 . 6 2.2风电 场电气主接线 . 10 2. 2.1风电场接入系统方案 . 10 2. 2. 2电气主接线 . 10 2.3短路电流值及主要电气设各选择 . 13 2. 3. 1短路电流值 . 13 2.3.2污秽等级选择 . 13 2.3. 3主要电气设备 . : . 13 2. 4本章小结 . 26 第 3章风电场无功补偿系统设计 . 27 3.1风电场无功补偿方式 . 27 III 1 华北电力大学硕士学位论文 3. 1. 1风电场无功需求特点 . 27 3. 1.2风电场常
17、用无功补偿方式比较 . 28 3. 1.3无功补偿要点 . .31 3. 1. 4本风电场无功补偿方式 . 32 3.2 SVG型动态无功补偿设计方案 . 32 3.2.1不同技术方案的 SVG补偿装置比较表 . 32 3. 2. 2无功补偿容量 . 34 3.2.3技术性能要求及保证值 . 34 3. 2. 4具体设计方案 . 34 3.3本章小结 . 38 第 4章风电场短路电流计算及控制保护 . 39 4. 1风电场短路电流计算 . 39 4. 1.1风电场等值电路模型的建立 . 39 4. 1.2本工程短路电流计算 . 39 4.2风电场控制保护 . 47 4.2. 1风力发电机组控制
18、保护系统 . 47 4.2.2主变压器保护系统 . 48 4.3本章小结 . 49 第 5章结论及展望 . 50 参 考文献 . 51 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 55 m . 56 作者简介 . 57 -IV- 华北电力大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.1选题背景及其意义 风力发电是目前可再生能源各种技术中发展最快、技术最为成熟、最具大规 模开发和商业化前景的产业，是最有可能成为主流电源的可再生能源技术之一。 据专家们的测估，全球可利用的风能资源为 200亿千瓦，约是可利用水力资源的 10倍。如果利用 1%的风能能量，可产生世界现有发电总量 8% 9%的电量。 我国是一个能
19、源消费大国。随着我国工业国民经济的高速发展和可开采化石 能源总量的逐日减少，大力推进节能减排，积极开发新能源，快速发展风能、太 阳能可再生能源，改善能源结构，替代常规化石能源，减少温室气体，保护生态 环境，发展循环经济是贯彻落实科学发展观、促进经济社会可持续发展的重大举 措。中国政府，早在 2005年 8月就颁布了可再生能源法，大力提倡发展风电、 太阳能发电等可再生能源，可再生能源法自 2006年一月一日正式实施后中国 政府又相继出台了可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法、可再生能 源发展专行资金管理暂行办法等一系列实施办法、实施细则，先后制定了可 再生能源中长期发展规划、十一五可再生能源
20、发展规划。 在政府的大力支持和鼓励下，国内逐步兴起开发建设风力发电的热潮，到 2010年我国风电装机总容量己接近 3000万千瓦，在此期间我国风电装备制造产 业也得到迅猛的发展，成为世界第四风电大国。即使在当前经济运行压力加大的 环境下，我国政府仍然高度重视节能减排和发展新能源，不断推进新能源和节能 环保技术产业化，加快 用新能源和节能环保技术改造传统产业，促进新兴产业发 展壮大，根据国家最近颁布的新能源振兴规划草案，我国的风电和光伏的发 展规模得到了大幅提高，到 2020年风电计划总装机容量将达到 1.5亿千瓦，届 时我国将成为全世界第一风电大国。 我国风资源属于逆向分布，风资源丰富的地区多
21、在西北等经济相对落后地 区。随着国内风电场大规模的建设发展，对当地电网也造成了很大的压力，风电 并网这一瓶颈问题，已成为我国风电产业能否高速持续发展的关键。 由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。为了 改善风电场 运行性能的有效措施，降低风电对电网的影响，除了合理选择风电场 接入电网的地点和方式，增加接入点的短路容量外，选用性能优良的风电机组、 通过装设灵活的调节装置来改善系统的运行性能也是风电场电气设计必须考虑 的重要问题。此外，如风电场无功功率补偿、风电场低电压穿越等技术指标也是 毕北电力大学硕士学位论文 风电场电气设计的关键问题，国家电网风电场接入电网技术规定（修
22、订）对此 已作出明确规定。 风力发电技术发展迅速，风力发电机单机容量、桨矩变化、驱动方式和控制 技术等方面不断发展更新，面对各种新型的风力发电机组，结合国内现有风资源 情况选择最经济合理的方案是现阶段风机选型的关键。 1.2国内外研究动态 1.2.1国际风电技术趋势 从国际风电设备技术发展趋势看，主要体现在容量大小、风轮设计、浆矩变 化、驱动方式和控制技术等主要方面。 1.2.1.1单机容量增大 单机容量越大，单位 kW的造价就越低。正是基于经济效益的优势，单机容 量逐步提高成为国际风电设备技术的主要趋势之一。 20世纪末，风电机组主流规格在欧洲是 750kW， 美国是 500kW。 2007
23、年国 际上安装的风电机组平均单机容量约达到 1.5MW， 主流机型已经向 2 3MW发 展， 5MW和 6MW风电机组也己投运，并开始更大功率机组的设计和研制。 目前，己并网运行的最大单机容量的是德国 Enercon的 6MW风电机组，其 塔身高近200m， 风轮直径为 127m,安装上巨型机头后，总重量约为 75t， 每年 供电 1800万 kWA,可以满足近 5000户家庭的电力需求。 1.2.1.2风轮设计变化 随着风电机组单机容量的增大，风轮的设计、材质和制造工艺等方面均面临 新的挑战。 在工艺上，目前真空树脂灌注成型 (VARTM)已经取代手工铺层成为主流的叶 片生产工艺 5, 14
24、,32。 文献 31现场测试研究了风电场中因风机尾流引起的风速分布变化和湍流 强度增加而增加的作用在叶片上的疲劳荷载和极端荷载，并对传统叶片载荷计算 模型提出了改进建议。文献 3主要从气动弹性方面对叶片设计进行了研究，并 指出通过增加叶尖小翼可减小叶片诱导阻力，使得风轮功率最大增加 1.4%。 1.2.1.3定桨矩向变桨矩的变化 以前的桨叶采用固定模式，现逐步发展为变奖矩模式。利用变桨矩调节技术， 叶片的安装角可以根据风速的变化而改变，气流的攻角在风速 变化时可以保持在 华北屯力大学硕上学位论文 一定的合理范围内。当风速大于额定风速时，仍可以保持稳定的输出功率。 正在开展的研究工作有独立变桨控
25、制 6和增强电力系统的稳定性等 4。 1.2.1.4变速恒频技术的采用 目前，市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构 （ 4极 /6极）的异步发 电机，双速运行。双速运行的优点是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本 恒定，而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数 （ Cp)较低的点 上，风能得不到充分利用。 近年来发展起来的变速风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电 机。双馈电机的转子侧通过功率变换器（一般为双 PWM交直交型变换器）连接 到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的 1/3,并且能量可以双向流动，这 是这种机型的优点。多极同步发电机的定子侧通过功率变换器连接到电
26、网，该功 率变换器的容量要大于等于电机的容量。变速运行风电机组通过调节发电机转速 跟随风速变化，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度地利用风能， 提尚风力机的运行效率。 1.2.1.5驱动方式 从风轮到发电机的驱动方式大致分为三种 ：双馈式、直驱式、混合式。混合 式设计旨在融合双馈式和直驱式机组的优点而避免其缺点。芬兰 WinWind公司 已开发出容量 1.1MW， 叶轮直径 56m的混合式风电机组。 正在开展的研究主要有 32, 35直驱式传动、混合式传动、分布式传动 (如 Clipper公司 )等。 从国际上的趋势看，直驱式风力机由于具有传动链能量损失小、维护费用低、 可靠性好等优
27、点，在市场上正在占有越来越大的份额。 1.2.2非上网型风电场 国内一些沿海的大型企业计划利用海边丰富的风力资源，采用风力发电作为 项目生产和生活的供电辅助电源，以减少常规能源消耗，以我国目前的情况看， 在不久的将来电价如实行煤电联动，此做法的经济效益将更为显著，也做到了节 能降耗、保护环境，符合国家当前政策要求。 1.2.3风电场无功补偿装置 SVC动态无功补偿：在理论计算和实际的应用中较为理想，补偿效果好， 反应快速。但缺点是输出谐波大、基波损耗高、占地面积广。 华北电力大学硕士学位论文 STATCOM动态无功补偿 .动态响应速度快，补偿精确，可以实现实时响应 ; 输出电流谐波含量小，不需
28、外加滤波器，避免系统谐振；且 STATCOM无功电流 与节点电压大小无关，低压特性好，是目前惟一具有低电压穿越功能的补偿方式。 STATCOM独立于电压，可认为是一电流源，其无功电流与节点电压大小无 关，相比较 SVC， 低压特性非常优越，随着功率半导体器件价格的逐年下降， STATCOM价格下降空间大，逐渐被人们认识和接受，可以预见 STATCOM必将 成为新一轮的研究和市场化热点，应用前景非常广阔。 1.2.4海上风电场 海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为 5个不同时期： (1) 1977 1988年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究。 (2) 1990 199
29、8年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实施第 1批示范 计划。 (3) 1991 1998年，开发中型海上风电场。 (4) 1999 2005年，开发大型海上风电场和研制大型风力机。 (5) 2005年以后，开发大型风力机海上风电场。 2010年 4月 27日，德国首座海上风电站 “ 阿尔法 文图斯 ” 在北海正式并网发 电，这标志着德国未来重点能源之一海上风电进入大发展时期。 “ 阿尔法 文图斯 ” 电站被称为 “ 示范项目 ” ，造价达 2.5亿欧元，现装有 12台风力涡轮机，每台风 力涡轮机的装机容量均为 5000千瓦 ，一 年共发电至少 2.2亿千瓦时，从理论上 讲可满足 5万户家庭的
30、用电需求。德国决定到 2030年使海上风电达到 2500万千 瓦的装机容量，并将在北海建 30座海上风电站，在波罗的海建 10座，风力涡轮 机将达到 5000台。 欧洲未来风力发电增长的很大部分将来源于海上，美国能源部也制定风力资 源深海发展战略，将海上油、气开发技术经验与近岸浅水 （ 30m)风能开发 技术相结合，开展深海 （ 50 200m)风能开发研究，包括低成本的锚定技术、 平台 优化、平台动力学研究、悬浮风力机标准等。 现阶段主要研究方向和领域有 32: (1) 新材料的研制，减轻机舱重量，降低总体成本； (2) 叶片设计，采用更高的叶尖速度、更短的弦长； (3) 两叶片下风向柔性机
31、组概念； (4) 机舱防潮、防盐雾技术； (5) 高效和高可靠性的远程监控技术； (6) 为海上吊装、运输和维护而进行的系统和部件的特殊设计。 华北电力大学颐士学位论文 1.3本文研究工作 结合国内风资源情况及入网条件，完成大型风电场电气设计工作，并在此基 础上进一步分析风电场与传统火电项目设计上的区别，为风电场设计标准化工作 提供参考借鉴。主要工作如下： (1) 介绍风电场最优装机容量分析方法，完成风电场风力发电机组选型及 布置。 (2) 通过软件计算和曲线修正，完成风电场年上网电量的估算工作。 (3) 根据当地电网提供的资料，完成风电场接入系统方案设计。 (4) 根据风电场设计规范，依据当
32、地地形条件，并通过方案对比研究，完 成风电场集电线路、升压站变电所电气主接线方案设计。 (5) 通过对风电场各电气元件的分析研究，建立风电场等值电路模型。通 过简化等值电路，计算风电场各短路点的短路电流，并总结出风电场工程设计中 可行的短路电流计算方法。 (6) 根据计算得出的短路电流值，完成风电场升压站电气设备设计选型。 (7) 根据风电场电气主接线图，完成主要系统的继电保护方案设计。 (8) 通过对现阶段无功补偿方式的分析比较，完成风电场无功补偿装置的 设计。 (9) 本文力求采用标准化设计，增加设计通用性。 华北电力大学硕士学位论文 第 2章风电场电气设计方案及设备选型 2.1风力发电机
33、组选型方案 2丄 1风电场最优装机容量分析方法 在一个项目的前期阶段了解一个风电场的最优装机容量，可以按照以下几个 步骤来进行分析： (1) 利用 Wasp对该风电场进行建模。 (2) 利用 WindFarmer对风电场进行不同装机容量下的机位优化，进而得到 不同台数时的发电量及尾流影响。 (3) 根据该项目的财务等相关参数计算度电成本、产出投入比，进而计算 度电成本小、产出投入比最大时候的装机台数，同时根据厂商提供的最大尾流参 数大致估算出装机台数，最后可以判断该风电场的最优装机容量。 2.1.2风电场风力发电机组布置及发电量计算 2.1.2.1风电场风力发电机布置 福清牛头尾风电场规划容量
34、为 30MW， 一期建设完成。 福清牛头尾风电场位于兴化湾北岸、龙高半岛南端沙埔镇牛头尾附近，东北 距沙埔镇约 9km。 场址西北距福清市约 48km。 场址所处场地的用地类别主要为： 旱地（种植花生、地瓜等旱地作物，目前部分撂荒）、未利用土地（丘陵台地 )、 既有道路用地。地形起伏较大，高程 （ 1956年黄海高程 ） 3m-60m之间。 通过场址内 2座测风塔的实测风资源分析结果，该地区风资源参数见表 2-1: 表 2-1福清牛头尾风电场 IEC级别参数表（高度 65m 70m) 年平均风速 50年最大风速 50年极大风速 湍流强度（ ) (m/s) (m/s) (m/s) (15m/s)
35、 9.02 9.20 54.8 67.3 9 9.5 该地区极端最低温度 0.9 C， 极端最高温度 37.4 C。 根据上述参数判断该风电场 IEC等级为 1C类，适宜选择 IEC 1C类及以上常 温型发电机组。 牛头尾风电场场址处村落密布，风机布置的区域有牛头尾、蛎坑、牛南、牛 北、江下、杭下、上华、梅塘、坑北、西峰等数个村庄。根据福建省环保部门对 华北电力大学硕 .1:学位论文 风电场环境评价的审查意见，风机的布置与附近居民房屋保持 200m最小间距。 牛头尾疏港公路（县道 X171线）规划为江阴港区牛头尾作业区，蛎坑村与下华 村中间的台地部分规划为牛头尾作业区取土区。风机的布置要求与之
36、保持一定的 距离。 布置方案由于场地条件限制原则上考虑平行主导风向不小于 7倍风轮直径， 垂直于主导风向不小于 4倍风轮直径。利用 WAsP 8软件，输入观测站代表性测 风资料、场址的地形图以及粗糙度、拟选风机的功率曲线，进行布置的优化并模 拟计算出风电场各风机布点的年发电量及其尾流损失，淘汰其中较差的布点或进 行必要的调整和优化，从而选定风电机组的装机位置，见图 2-1。 图 2-1 1.5MW布置方案 2.1.2.2电量损失计算及上网电量 福清牛头尾风电场风电机组年发电量计算见表 2-2。 除了 WAsP8软件计算时已考虑的尾流损失外，风电场年理论发电量还需要 作以下几方面的修正，才能估算
37、出风电场年上网电量。 华北屯力大学硕丄学位论文 表 2-2福清牛头尾风电场风电机组年发电量计算 风机编 号ID 东 （ m) 北 （ m) 基面尚 度 W 最近风 机编号 ID 到最近风 机的距离 (m) 平均 风速 (m/s) 平均紊 流强度 (%) 净发电量 (MWh/yr) 尾流损 失 (%) 1 40448230 2807255 20 2 411.5 8.46 10.6 6130 5.8 2 40448490 2807574 51 1 411.5 9.31 9.4 7049 2.99 3 40448850 2807835 53 2 444. 7 9.07 9.6 6807 3.6 4
38、40449180 2808144 43 3 452. 1 9.21 9. 1 6999 1.42 5 40450140 2808802 18 6 900.8 8. 36 9.9 6131 0. 79 6 40451040 2808839 49 7 426.9 8.89 9.8 6578 6.4 7 40451440 2808988 36 8 240.4 8. 75 9.9 6481 4.5 8 40451370 2809218 53 7 240.4 8. 88 10 6571 6.2 9 40452310 2809047 34 10 355.4 8. 75 10 6435 6.7 10 404
39、51980 2809179 44 9 355.4 9. 29 9. 1 7026 3.6 11 40451730 2809789 12 12 292.7 8.56 10 6271 3.8 12 40451500 2809970 5 11 292. 7 8. 58 9.9 6339 1. 1 13 40452710 2809280 34 15 279.9 8.71 10.7 6356 8.2 14 40453080 2809291 46 16 337. 1 9.25 9 7038 0.4 15 40452640 2809551 25 13 279.9 8.71 10.3 6419 5.2 16
40、40452950 2809602 31 15 314.2 8. 78 10. 1 6495 4.5 17 40453320 2810502 5 18 404.2 8.64 9.7 6351 1.23 18 40452920 2810444 10 17 404.2 8.71 9.9 6437 1.65 19 40452570 2810138 6 20 394.9 8.52 10. 3 6237 3.3 20 40452350 2810466 14 19 394.9 8. 89 9.5 6637 1.24 总计 130787 平均 381.7 8. 82 9.8 6539 3.63 (1)功率曲线
41、保证折减 根据一般风电机组采购合同中的有关条款，该项折减取 5%，由于国产风电 机组尚缺乏实际运行考验，风机的功率曲线未经过认证，改项折减取 6%。 (2) 风电机组可利用率折减 风电机组因故障、检修等因素不能发电，以目前风电机组的技术、制造水平 及风电场运行、管理和维修经验 ，一 般风电机组的可利用率可达 95%。结合目前 该项目风电机组的询价情况及考虑国产化率要求，国产风电机组尚缺乏实际运行 华北电力大学硕士学位论文 考验，可利用率可能会低些，因此本项目的可利用率取 92%。 (3) 叶片污染折减 叶片表层污染使叶片表面粗糙度提高，翼型的气动特性下降，从而使发电量 下降。参照经验，取 3%。 (4) 控制和湍流折减 这里的控制是指风电机组随风速风向的变化控制机组的