变速恒频风力发电系统应用技术研究

叶洪海，罗 宾，包 宇

（1.佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.西南石油大学 机电工程学院，成都 610000）

随着科技不断进步，工业生产规模的不断扩大，人类面临的能源枯竭问题日益严重，尤其是不可再生能源，如石油、煤炭、天然气等存储量逐渐减少所导致的电力资源紧张和普通能源对环境污染影响巨大等原因。清洁、高效、绿色环保的可再生能源开发就显得格外重要，如：太阳能、风能等，已被世界各国高度重视，重点开发。其中，风能是当前最具有大规模开发可能性和发展利用前景的可再生能源[1]。风能主要的开发利用形式是风力发电，由于其优势明显，利用其发电将会对电力结构的调整以及环境保护产生明显的效果，缓解能源危机。

图1 风能利用系数与叶尖速比的关系曲线Fig.1 Relationship between wind energy utilization coefficient and blade tip speed ratio

1 发电技术概况

目前，风力发电系统中应用最广泛的，常见的主要为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。结合风力发电过程中发电机所体现的运行特征与相关控制技术，其发电机运行方式主要分为两种：一种为独立运行的供电系统；另一种为常规电网与风力电网并联并行，该种运行方式是大规模利用风能发电最经济的一种方式[2]。

风力发电机电网并网运行时，需满足一定条件才可实现恒频，即风力发电机的频率要时刻与电网运行时的频率相同，不能发生误差，保持步调一致[3]。恒速恒频是指，发电过程中发电机的转子转速要保持不变，即达到恒频。而变速恒频与之相反，发电机的转速要随风速发生变化，再通过其他的控制手段来达到恒定频率。风能与风速成一定的比例关系即风能与风速三次方成正比[4]。当风速开始变化时，如果风力机能够作变速运行，这样将大大提高风能的利用效果。主要是风力机的风能利用系数CP，在某一确定的风轮叶尖速比λ 下将达到最大值，如图1 所示。

然而恒速恒频发电系统效果将大打折扣，主要是因为其风力机的转速始终保持在一个固定值上，风速不确定性较大且不稳定、变化较大。此时，随着风速在不断改变，风力机会偏离最合适的速度，导致CP不能达到最优值，造成风力资源严重浪费，发电效率下降。

因此，为了能够在任何风速上都可以实现最大程度地利用风能，需要按照风速来调节电机转速，即采用变速恒频方式就可以避免这种情况发生。当风速发生变化时，实时地调节发电机转速，使其始终保持在最佳的转速，让CP值保持或徘徊在最佳值附近，这样就能够最优地利用风能，提高发电机组发电效率，进而优化和调节风力机的运行条件。

图2 鼠笼型异步发电机变速恒频发电系统Fig.2 Squirrel-cage asynchronous generator variable-speed constant-frequency power generation system

2 变速恒频风力发电技术

风能发电就是通过对风能合理地开发和最优化利用，进而实现发电目的。它的发电过程主要由两个能量转换过程构成：一是风能与机械能两者之间的转换过程；二是机械能与电能之间进行转换的过程。整个过程中，发电机占据主要地位，也是其核心部分。它的稳定和可靠对整个系统的性能起决定性作用，影响整体发电效率及输出的电能质量。

变速恒频发电能够被大规模利用在风力、水力等清洁能源方面，结合风能的特点，即随机性、不确定性和不稳定性等。恒速恒频发电方式存在受限，因为其转速保持不变，但会随着风速的变化而受到影响。风速发生微弱变化就会使风能的利用效率下降，导致风能资源浪费。然而，通过变速恒频发电就能很好地避开这种缺陷，最大限度地利用风能，通过实时调节转速，始终保持在最佳转速，进而提高发电效率。在该发电系统中，由于随着风速的忽大忽小所产生的多余能量，都会被存储在机械运动的惯性过程中。这样有利于降低和缓解疲劳损坏及机械应力，能够有效地保护机组，降低对机组的损害。这样，不仅能达到对机组有功功率和无功功率的解耦控制的目的，还能有效促进机组的动静态性能；同时，还适用于机组和电网的柔性连接[5]。这种运行方式，常常被应用在国外大型风力发电系统中，尤其是超过MW 级的风电系统，应用的比较多。

3 变速恒频风力发电控制技术

随着科技进步，国内外关于变速恒频发电系统的研究朝着多元化发展。其主要由变速恒频的发电机组来决定，起到最重要作用的就是发电机和电力电子交流装置。基于此，常见的两种系统如下：一种是交流转直流再转交流式发电系统，另一种是交流励磁式变速恒频发电系统。

1）交流转直流再转交流式发电系统

图3 交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统Fig.3 Variable-speed constant-frequency power generation system of AC excited doubly-fed generator

其结构如图2 所示。该风力发电系统中，发电机和电网之间经过变频器与变压器处理转换后，在此运行过程中发电机的转速也会根据风速的变化而随之发生变化，产生的交流电经过整流器，将交流电经过处理后变为直流电，然后逆变器再次将直流电转换成固定频率的交流电，最后将产生的电能传输到电网。该系统选用的电动机比较常见的为鼠笼式异步发电机。

2）交流励磁式变速恒频发电系统

该系统结构如图3 所示。主要由3 部分构成：控制电路、双向变换器和双馈感应发电机。其工作原理是将发电机的定子并到电网上，进而转子经过励磁变换器和进线电抗器连接到电网；再利用风能转化为机械能来驱动机械旋转，所生产的机械能可以转换到发动机的转子上，以此来驱动发动机的转子，最终将机械能转换为电能，利用定子绕组将电力传送到电网，完成发电过程。

发电机转速随风速改变而改变。如果是由于风速引起的变化，则可通过调节转子进而达到对电流频率的改变，最终实现保持定子频率不发生改变。满足以下关系式：

其中，电网频率是f1；转子机械频率是fm；其中，fm=nm/60 表达式表示发电机的机械转速；pn代表发电机的极对数；f2代表转子电流频率。

如果发电机的转速nm 产生变化时，即是pn*fm值改变时，如果调整f2值，则可以达到f1保持不变的效果，进而达到变速恒频控制。

3）变速恒频风力发电关键技术的优点

通过对上述两种发电机分析，变速恒频对风能的转化利用率较高，且变速恒频风力发电机能够实现最大功率运行。相较传统的恒速恒频风力发电机而言，年发电量将提高20%，运行效率大幅提升，且使风力发电机运行时间延长，最终达到输出功率大、运行效率高的效果。变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接，能够延长风力机的寿命，减少疲劳损坏。

在该发电系统控制技术中，矢量控制调节励磁不仅可以独立调节有功功率和无功功率，还可以自动调节电网频率因数，进而改善电力系统的动静态性能。

变速恒频发电机技术的实现，为风能发电开启了新纪元，加速了新能源替代旧能源的步伐。在该系统中，噪声在不断减小，且能输出更高的电能质量，正在逐步实现计算机自动化控制管理。

4 技术发展趋势及展望

为进一步提高风力发电效率，不断降低成本，进一步改善电能质量，减少噪声，最终达到稳定可靠运行的效果，风力发电会逐步向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展，主要包括以下几方面：

1）风力发电机逐步大型化。这样可以减少占地面积，实现并网成本费用降低，能够提高风能的利用效率。

2）采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术能够为大型风力发电机控制提供相关技术保障，且能够减小风力发电机的体积、重量和成本，进而提高发电量，使风能利用率提高及电能质量改善。

3）实现风力发电机直接驱动。直接驱动能够代替齿轮箱，可减少能量损失、降低发电成本和减小噪声，进而提高效率和可靠性。

4）实现对风力发电机进行无刷化。选用无刷化，不仅可提高系统的运行可靠性，还能够达到免维护和提高发电效率的效果。

5）实现智能化控制。通过采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，能够有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。

6）实现磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。

总之，随着科技的迅速发展，风力发电技术正在日益成熟，人类必将迎来清洁能源广泛应用的美好时代。