变频技术在风力发电机组及电气系统中运用分析

中国三峡新能源(集团)股份有限公司陕西分公司 李 朋 程振飞 铜川市峡光新能源发电有限公司 赵红伟

变频技术的引入能够有效调节风力发电机的运行速度，适应风速的变化，从而提高了风电系统的发电效率和稳定性。电气系统作为风电机组的核心部分，其设计和运行的可靠性直接影响到风力发电的安全和高效。随着技术的不断进步，变频技术在风电领域的应用日益广泛，本文将分析变频技术在风电机组及其电气系统中的应用情况，探讨其在提升风电性能方面的作用。

1 变频技术在风力发电机组中的应用分析

1.1 变频器在风电机组中的优化实践

本单位风电机组应用变频技术的背景：本单位风电机组在引入变频器后，对原有的发电系统进行了全面优化。案例中的风电机组原先直接通过恒速系统连接至电网，受限于风速变化发电效率较低。引入变频器后，风电机组能够在风速变化时动态调整叶片转速，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以提高能量捕获性能[1]。

变频器选型及其对发电效率的提升：选型过程中，本单位依据风电机组的额定功率、电网频率以及电压等级选择了适配的变频器。变频器选型过程依靠的技术原理为：P选型=P额定×（1+μ），式中：P选型表示变频器的选型功率，P额定表示风电机组的额定功率，μ表示预留的功率余量系数，在实践应用中μ的取值为10%。一般来说，引入变频器后风电机组的发电效率会发生变化，之前的效率以n原表示，之后的效率以n新表示，效率变化的过程以公式表示为：n提升=（n新-n原）/n原×100%。

实际运行中的能效分析与数据记录：本单位的风电机组在应用变频技术后，在不同风速条件下，发电量的变化情况如表1所示（表中优化前、后发电量对比未写明时间范围），从中可以看到，引入变频技术后，在各风速下的发电量均有所提升，在低风速下发电量的提升尤为显著。该结果证明了变频技术在提升低风速下发电效率方面的重要作用。此外，变频器的调节作用还对高风速下的发电稳定性有显著贡献，从而保证了风电机组的长期稳定运行。

表1 本单位风电机组应用变频技术前后不同风速下发电量变化情况

1.2 变频技术解决的技术难题

风速的波动是风电发电中的关键变量，对风电机组的发电效率有着直接的影响。在变频器未应用于风电机组时，风速的任何非线性变化都会导致发电效率远离最优点。传统的恒速风电机组无法适应风速的快速变化，造成功率损失，尤其在风速远离设计点时更加明显[2]。

本单位采用的变频技术通过实时监测风速并动态调整发电机的转速，实现了发电效率的最大化。调节作用具体表现在对发电机转速的精细控制方面，能够使发电机匹配当前风速下的最佳工作点。具体而言，当风速低于额定风速时，变频器可以提高发电机转速以提高发电效率，当风速高于额定风速时，变频器可以降低发电机的转速，避免因风能过大而对设备造成损坏。如表2所示为本单位某发电机组在引入变频技术前后，在不同风速下的发电功率变化情况及发电效率提升情况。

表2 变频技术应用前后风电机组发电效率变化情况

根据表2所述结果可知，在风速为6m/s 时，通过变频器调节后发电功率从150kW 提升至180kW，发电效率提升了20.00%；风速为12m/s 时，发电功率提升了10.00%；而在风速为18m/s 时，发电效率的提升相对较小，仅为2.50%。这体现了变频技术在低风速和中风速区间调节作用最为明显，而在高风速区间由于接近机组自身的物理极限，调节作用相对减弱。

总体来说，通过变频器的应用，本单位实现了在风速波动较大的自然条件下，风电机组能够更加稳定地运行在高效区，此举显著提升了发电效率并减少了能量损失。这种技术的优化，对于提升整个风电场的经济效益和运行稳定性起到了至关重要的作用[3]。

高风速下变频技术在保护风电机组中的作用及分析：在高风速条件下，未使用变频技术的风电机组很容易受到损坏。本单位通过变频技术有效地保护了风电机组。变频器可以限制发电机的转速，防止在高风速时机组超速运行。表3记录了引入变频技术前后风电机组在极端风速条件下的保护情况。从中可以看到，变频技术显著减少了高风速下的故障次数，保证了风电机组的稳定运行。此外，变频技术通过调节发电机转速降低风电机组的机械磨损和疲劳，延长其使用寿命。因此，变频技术不仅解决了风速变化带来的技术难题，而且提高了整个风电机组的经济性和可靠性。

表3 变频技术应用前后高风速下风电机组故障发生情况对比

2 变频技术在风力发电机组电气系统中的应用

2.1 变频技术与风力发电机组电气系统整合

2.1.1 变频技术在电气系统设计中的考量

本单位在风力发电机组电气系统设计时，充分考虑了变频技术的集成和优化。在设计阶段，首先评估了变频器对于电气系统的适配性，包括其与发电机的电气参数匹配，如电压、频率、功率、效率、绝缘等级等，同时确保了变频器能够承受风电机组在各种工作状态下的电气负荷。电气系统的设计还顾及了变频器的热管理和散热需求，确保在长时间运行中维持其性能与寿命。变频器的选择基于其效率曲线与风电机组的功率特性相结合的分析[4]。例如，一台额定功率为2MW 的风电机组，变频器功率配置在2.2MW 时能够实现效率最大化，同时可适应风速变化造成的额定功率工况运行下的波动。

2.1.2 风力发电机组电气系统的变频应用架构

本单位风力发电机组电气系统的核心是变频应用架构。该架构包括风力发电机、变频器、控制系统和并网设备。在整个系统中，变频器连接在发电机与并网接口之间，起到转换和调节作用。发电机产生的交流电首先被变频器转换为直流电，之后通过逆变器转换回交流电，以满足电网的频率和电压要求。本单位应用的架构还包含了先进的控制系统，该系统能够实时监控和调节变频器的运行，确保电气系统响应风速变化的同时保持电网稳定性。控制系统的算法基于实时数据进行优化，调整发电机的转速和变频器的输出以实现最佳的发电效率。

2.1.3 变频技术对电气系统稳定性的提升

变频技术对于提升风力发电机组电气系统的稳定性起到至关重要的作用。通过变频调节，发电机的输出可以与电网的需求实现精细匹配，避免了对电网的冲击和频率波动，从而维护了电网的稳定性。如，本单位日常监测到的场景：在风速突然增加时，未使用变频技术的发电机组可能会产生瞬间功率峰值，这会导致电网频率的短时波动，应用变频技术的发电机组能够平滑这种功率波动。

具体解决策略是设定一个“电气系统稳定性系数”，表达式为：T=Δf最大/P额定，式中：Δf最大表示未使用变频技术时电网频率的最大波动范围；P额定表示风电机组的额定功率。通过引入变频技术，测得Δf最大显著减小，稳定性系数T由引入前的0.8%降低到了0.1%。此外，变频技术还允许在电气系统中实施低电压穿越（LVRT）和高电压穿越（HVRT）策略，这些是现代风电场必须具备的技术要求，以应对电网的瞬时电压波动问题。综合以上分析，变频技术的实施不仅提高了风力发电机组的发电效率，而且还极大地增强了电气系统的稳定性和可靠性，为风电健康发展和电网稳定运行提供了有力的技术支撑[5]。

2.2 变频技术在提高电能质量中的作用

变频技术对电压和频率控制的影响。本单位通过引入变频技术，有效地提升了电气系统中的电能质量，尤其在电压和频率控制方面。变频器能够确保电压和频率的稳定输出，响应电网的即时需求和风速的变化。变频器的控制算法经过优化，使得输出电压的波动维持在 ±0.5%的范围内，频率稳定性也得到了相应提高，稳定在 50Hz±0.1Hz 的窄带内。电压稳定性的提升减少了对电网和终端设备的损害，降低了维护成本。频率的精确控制则保障了与电网的同步，避免了谐波和不对称负荷对电网的影响。本单位实施的变频技术通过动态调整发电机的转速，确保了电能输出的高质量标准。

变频技术在减少电能损耗中的具体应用。在电能损耗的管理上，本单位利用变频技术优化了发电机组的运行模式。传统的固定转速发电机在风速低于或超过额定值时效率显著下降，而变频技术通过调节发电机转速使其始终在最佳工作点运行。该技术减少了因转速不匹配导致的能量损耗，提高了整体系统效率。如通过实施变频技术后，发电机在低风速时的转速由固定的1500rpm 调整至1300～1500rpm 的变速范围，从而降低了风力损耗和机械损耗。计算表明，转速的优化使得发电效率提高了大约5%，这意味着相同的风能输入电能输出增加了5%。

电能质量改进前后的对比数据分析。本单位对变频技术引入前后的电能质量进行了详尽的数据分析。变频技术应用前，发电机组的电能波动率为4%，而应用变频技术后波动率下降至1%。此外，电能损耗率从原来的10%降至目前的7%。具体来说，变频技术实施前后的功率因数对比从0.85提高到0.95，这表明了电能利用率的提高。同时谐波总畸变率（THD）从10%降至5%以下，显著减少了对电网的污染。此外，系统运行的可靠性通过减少设备的过载运行次数从而得到了加强，过载次数由每月平均2次减少到0.2次。

2.3 变频技术在故障检测与处理中的应用

本单位在运行中深入探索了变频技术在故障检测及处理方面的功效。变频器内置的微处理器能够实时监测电机运行状态，通过精确的数据分析，及时发现异常波动和潜在的故障征兆。变频技术使得电机的电流、电压、温度和振动等关键参数得以实时监控，当这些参数超出正常工作范围时，变频器能够自动调整或发送警报[6]。

如本单位监测到某发电机组输出电压波动超过±10%，变频器即刻判断为不正常波动并启动故障保护程序，通过降低输出频率来尝试恢复正常电压水平。若调整未能成功，变频器则会断开该发电机的输出，防止故障扩散至整个电网。在实施变频技术后，发电机组的平均无故障运行时间（MTBF）由原来的800h 提升至1200h。通过对比分析发现，变频技术的应用使得电机故障率下降了30%，大幅减少了因故障导致的维护成本和停机时间。此外变频技术还实现了对故障的前瞻性维护，通过对发电机组运行数据的深度分析，本单位可以提前预测并安排维护，避免了突发性故障的发生，有力地保护了风电机组的安全。

综上所述，未来随着变频技术的不断成熟和电力电子技术的进步，风力发电机组的性能和电气系统的稳定性有望得到进一步的提升，为全球能源结构的绿色转型贡献力量。