变频技术在风力发电机组中的应用

变频技术在风力发电机组中的应用
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10 MW，其中可利用的风能为2×10 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，符合国家能源改革的方向，而风力发电也是开发新能源、改善环境的重要组成部分。

随着现代变频技术的迅速发展，在风力发电中的应用也更为广泛。

本人重点介绍了变频技术在风力发电中的主要应用，包括风力发电系统的分类；风力发电双向变频器的优缺点等做了论述，最后对风力发电的前景进行了展望。

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截止到2013年底，中国风电累计装机容量达到91412.89MW。

同比增长21.4%。

新增装机和累计装机两项数据均居世界第一。

而风力发电机组也经历了从定桨距到变桨距再到变速变桨距的发展过程。

目前大都采用变速变桨距风力发电机组。

1. 风力发电系统的分类
风力发电系统一般分为两大类，采用恒速恒频发电机的风电系统和采用变速恒频发电机的风电系统。

风力发电机组与电网并联运行时，要求风力发电机组发出电能的频率保持恒定，与电网频率相等。

1.1 恒速恒频风力发电系统
恒速恒频发电机系统采用的是普通异步发电机，这在国外一般被称为丹麦概念风电机组。

这种风电机组的发电机正常运行在超同步状态，转差率s为负值，且转差率的可变范围很小，所以称之为恒速恒频风电机组。

这种风电机组有如下特点：（1）风力机有三个叶片（2）主轴系统由中间联结有齿轮箱的高速轴和低速轴组成（3）发电机为普通的感应异步发电机。

而这种风电机组的主要缺点是：当风速快速升高时，风能将通过桨叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；并且这种风电机组在正常运行时无法对电压进行控制，不能象同步发电机一样提供电压支撑能力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳定，这是采用普通异步发电机的风电机组的最大不足。

另外，恒速恒频风力发电系统所发出的电能也是随风速波动而敏感波动的，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出电能的电能质量问题，如电压闪变、无功变化等。

在工程中通常采用静止无功补偿器SVC或TSC来进行无功调节，采用软起动来减小起动时的发电机的电流。

图1 恒速恒频风力发电机原理图
随着变频技术的不断完善，更多的风力发电系统采用了双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统。

1.2 变速恒频风力发电系统
变速恒频风力发电系统有一系列优点：（1）风力机可以根据风速的变化而以不同的转速旋转，减少了力矩的脉冲幅度以及对风力机的机械应力；（2）可以减少低风速下的空气动力噪音（3）通过对最佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出。

（4）风轮机的加速减速对风能的快速变化起到了缓冲作用，使输出功率的波动变化减小。

（5）通过一定的控制策略（如矢量PWM控制）对风电机组有功无功输出功率进行解耦控制，可以分别单独控制风电机组有功无功的输出，具备电压的控制能力。

最后两点非常有利于电网的稳定安全运行。

变速恒频系统主要又分为同步风力发电机系统和异步风力发电机系统。

其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统；异步发电机系统主要是绕线转子异步发电机系统。

永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。

永磁同步发电机变速恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。

其典型结构如图2所示。

图2 永磁多极同步发电机风电机组原理框图
采用电励磁的同步风力发电系统如图3所示，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。

发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。

图3 电励磁同步发电机风电机组原理框图
同步风力发电机系统的特点为：（1）发电机发出的全部电功率都通过变换器，变换器容量需要按100%功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；（2）可以使用永磁发电机，电机轻，效率高，而且可以采用直接驱动的结构形式，去掉笨重的变速箱；（3）功率变换器为单象限的，结构简单。

采用绕线式异步电机的变速恒频风力发电系统其典型结构框图如图4所示。

这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子绕组和电网直接相连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的，该类机组在国内的应用已经很普及。

其特点为：（l）转子侧仅传递转差能量，变频器容量要求大幅降低，且发电机在50%的同步转速时工作正常。

（2）变频器的谐波含量较少，减少了相应的滤波器容量，降低了成本。

（3）可以调节双馈发电机发出和吸收的无功功率，实现无功调节和电压控制。

（4）由于要求功率双向流过变频器，它必须是四象限变频器，其价格约是同容量单象限变频器的一倍。

图4 双馈异步发电机风电机组原理图
双馈风力发电方式的双向变频器通常使用交—交变频器或交——直—交变频器。

交一交变频器大多采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、可靠，与电源之间进行无功功率交换和有功功率回馈容易，为四象限变频器，其无环流系统的最高输出频率为电网供电频率的1/2。

尽管交交变频器还具有无中间直流滤波环节，变频器效率高等优点，在双馈变速恒频风力发电系统中得到一定的应用，但由于交交变频器中晶闸管采用自然换流方式，变频器始终吸收无功功率，功率因数低、谐波含量大、输出频率低、变化范围窄、使用元件数量多等因素，使之在风力发电领域的应用受到了一定的限制。

交直交变频器由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。

整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。

中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。

交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。

传统的电流型交—直—交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。

采用电压型交—直—交变频器，这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。

2.结束语
通过采用变频技术，风电机组的运行特性大为改善；通过有功、无功控制，风电机组可以对系统的频率和电压控制起到一定作用；而大规模风电场的并网运行，也将会逐渐降低风力发电的成本，使风力发电更为普及。

所以现今的变频技术对于风电机组的控制、电能转换及电能质量的改善都起到了至关重要的作用，相信在以后的在经济和社会发展中将发挥出更大的作用。

参考文献
[1]闫耀民.双馈调速风力发电机系统的研究[D].北方交通大学，博士学位论文，2003.
[2]Lars Gertmar. Power Electronics and Wind power. Dep. of Industrial Electrical Engineering and Automation LTH/IEA，Lund University，Sweden，EPE2003
[3]张国新.风力发电并网技术及电能质量控制策略电力自动化设备第29卷第6期
[4]张强，张崇魏，张兴，谢震.风力发电用大功率并网逆变器研究[J].电机工程学报，2007，6（27）：55-59.。