變速恒頻風力發電系統應用技術研究

葉洪海，羅 賓，包 宇

（1.佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.西南石油大學 機電工程學院，成都 610000）

隨著科技不斷進步，工業生產規模的不斷擴大，人類面臨的能源枯竭問題日益嚴重，尤其是不可再生能源，如石油、煤炭、天然氣等存儲量逐漸減少所導致的電力資源緊張和普通能源對環境污染影響巨大等原因。清潔、高效、綠色環保的可再生能源開發就顯得格外重要，如：太陽能、風能等，已被世界各國高度重視，重點開發。其中，風能是當前最具有大規模開發可能性和發展利用前景的可再生能源[1]。風能主要的開發利用形式是風力發電，由于其優勢明顯，利用其發電將會對電力結構的調整以及環境保護產生明顯的效果，緩解能源危機。

圖1 風能利用系數與葉尖速比的關系曲線Fig.1 Relationship between wind energy utilization coefficient and blade tip speed ratio

1 發電技術概況

目前，風力發電系統中應用最廣泛的，常見的主要為恒速恒頻發電系統和變速恒頻發電系統。結合風力發電過程中發電機所體現的運行特征與相關控制技術，其發電機運行方式主要分為兩種：一種為獨立運行的供電系統；另一種為常規電網與風力電網并聯并行，該種運行方式是大規模利用風能發電最經濟的一種方式[2]。

風力發電機電網并網運行時，需滿足一定條件才可實現恒頻，即風力發電機的頻率要時刻與電網運行時的頻率相同，不能發生誤差，保持步調一致[3]。恒速恒頻是指，發電過程中發電機的轉子轉速要保持不變，即達到恒頻。而變速恒頻與之相反，發電機的轉速要隨風速發生變化，再通過其他的控制手段來達到恒定頻率。風能與風速成一定的比例關系即風能與風速三次方成正比[4]。當風速開始變化時，如果風力機能夠作變速運行，這樣將大大提高風能的利用效果。主要是風力機的風能利用系數CP，在某一確定的風輪葉尖速比λ 下將達到最大值，如圖1 所示。

然而恒速恒頻發電系統效果將大打折扣，主要是因為其風力機的轉速始終保持在一個固定值上，風速不確定性較大且不穩定、變化較大。此時，隨著風速在不斷改變，風力機會偏離最合適的速度，導致CP不能達到最優值，造成風力資源嚴重浪費，發電效率下降。

因此，為了能夠在任何風速上都可以實現最大程度地利用風能，需要按照風速來調節電機轉速，即采用變速恒頻方式就可以避免這種情況發生。當風速發生變化時，實時地調節發電機轉速，使其始終保持在最佳的轉速，讓CP值保持或徘徊在最佳值附近，這樣就能夠最優地利用風能，提高發電機組發電效率，進而優化和調節風力機的運行條件。

圖2 鼠籠型異步發電機變速恒頻發電系統Fig.2 Squirrel-cage asynchronous generator variable-speed constant-frequency power generation system

2 變速恒頻風力發電技術

風能發電就是通過對風能合理地開發和最優化利用，進而實現發電目的。它的發電過程主要由兩個能量轉換過程構成：一是風能與機械能兩者之間的轉換過程；二是機械能與電能之間進行轉換的過程。整個過程中，發電機占據主要地位，也是其核心部分。它的穩定和可靠對整個系統的性能起決定性作用，影響整體發電效率及輸出的電能質量。

變速恒頻發電能夠被大規模利用在風力、水力等清潔能源方面，結合風能的特點，即隨機性、不確定性和不穩定性等。恒速恒頻發電方式存在受限，因為其轉速保持不變，但會隨著風速的變化而受到影響。風速發生微弱變化就會使風能的利用效率下降，導致風能資源浪費。然而，通過變速恒頻發電就能很好地避開這種缺陷，最大限度地利用風能，通過實時調節轉速，始終保持在最佳轉速，進而提高發電效率。在該發電系統中，由于隨著風速的忽大忽小所產生的多余能量，都會被存儲在機械運動的慣性過程中。這樣有利于降低和緩解疲勞損壞及機械應力，能夠有效地保護機組，降低對機組的損害。這樣，不僅能達到對機組有功功率和無功功率的解耦控制的目的，還能有效促進機組的動靜態性能；同時，還適用于機組和電網的柔性連接[5]。這種運行方式，常常被應用在國外大型風力發電系統中，尤其是超過MW 級的風電系統，應用的比較多。

3 變速恒頻風力發電控制技術

隨著科技進步，國內外關于變速恒頻發電系統的研究朝著多元化發展。其主要由變速恒頻的發電機組來決定，起到最重要作用的就是發電機和電力電子交流裝置?；诖耍Ｒ姷膬煞N系統如下：一種是交流轉直流再轉交流式發電系統，另一種是交流勵磁式變速恒頻發電系統。

1）交流轉直流再轉交流式發電系統

圖3 交流勵磁雙饋發電機變速恒頻發電系統Fig.3 Variable-speed constant-frequency power generation system of AC excited doubly-fed generator

其結構如圖2 所示。該風力發電系統中，發電機和電網之間經過變頻器與變壓器處理轉換后，在此運行過程中發電機的轉速也會根據風速的變化而隨之發生變化，產生的交流電經過整流器，將交流電經過處理后變為直流電，然后逆變器再次將直流電轉換成固定頻率的交流電，最后將產生的電能傳輸到電網。該系統選用的電動機比較常見的為鼠籠式異步發電機。

2）交流勵磁式變速恒頻發電系統

該系統結構如圖3 所示。主要由3 部分構成：控制電路、雙向變換器和雙饋感應發電機。其工作原理是將發電機的定子并到電網上，進而轉子經過勵磁變換器和進線電抗器連接到電網；再利用風能轉化為機械能來驅動機械旋轉，所生產的機械能可以轉換到發動機的轉子上，以此來驅動發動機的轉子，最終將機械能轉換為電能，利用定子繞組將電力傳送到電網，完成發電過程。

發電機轉速隨風速改變而改變。如果是由于風速引起的變化，則可通過調節轉子進而達到對電流頻率的改變，最終實現保持定子頻率不發生改變。滿足以下關系式：

其中，電網頻率是f1；轉子機械頻率是fm；其中，fm=nm/60 表達式表示發電機的機械轉速；pn代表發電機的極對數；f2代表轉子電流頻率。

如果發電機的轉速nm 產生變化時，即是pn*fm值改變時，如果調整f2值，則可以達到f1保持不變的效果，進而達到變速恒頻控制。

3）變速恒頻風力發電關鍵技術的優點

通過對上述兩種發電機分析，變速恒頻對風能的轉化利用率較高，且變速恒頻風力發電機能夠實現最大功率運行。相較傳統的恒速恒頻風力發電機而言，年發電量將提高20%，運行效率大幅提升，且使風力發電機運行時間延長，最終達到輸出功率大、運行效率高的效果。變機電動力系統間的剛性連接為柔性連接，能夠延長風力機的壽命，減少疲勞損壞。

在該發電系統控制技術中，矢量控制調節勵磁不僅可以獨立調節有功功率和無功功率，還可以自動調節電網頻率因數，進而改善電力系統的動靜態性能。

變速恒頻發電機技術的實現，為風能發電開啟了新紀元，加速了新能源替代舊能源的步伐。在該系統中，噪聲在不斷減小，且能輸出更高的電能質量，正在逐步實現計算機自動化控制管理。

4 技術發展趨勢及展望

為進一步提高風力發電效率，不斷降低成本，進一步改善電能質量，減少噪聲，最終達到穩定可靠運行的效果，風力發電會逐步向大容量、變轉速、直驅化、無刷化、智能化以及微風發電等方向發展，主要包括以下幾方面：

1）風力發電機逐步大型化。這樣可以減少占地面積，實現并網成本費用降低，能夠提高風能的利用效率。

2）采用變槳距和變速恒頻技術。變槳距和變速恒頻技術能夠為大型風力發電機控制提供相關技術保障，且能夠減小風力發電機的體積、重量和成本，進而提高發電量，使風能利用率提高及電能質量改善。

3）實現風力發電機直接驅動。直接驅動能夠代替齒輪箱，可減少能量損失、降低發電成本和減小噪聲，進而提高效率和可靠性。

4）實現對風力發電機進行無刷化。選用無刷化，不僅可提高系統的運行可靠性，還能夠達到免維護和提高發電效率的效果。

5）實現智能化控制。通過采用先進的模糊控制、神經網絡、模式識別等智能控制方法，能夠有效克服風力發電系統的參數時變與非線性因素。

6）實現磁力傳動技術和磁懸浮技術，使電機能夠“輕風起動，微風發電”。

總之，隨著科技的迅速發展，風力發電技術正在日益成熟，人類必將迎來清潔能源廣泛應用的美好時代。