风力发电中的变速恒频技术综述

风力发电中的变速恒频技术综述

1引言

风力发电技术是一种利用风能驱动风机浆叶。进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力物力财力来发展风力发电技术。第一次世界大战后，丹麦首开先河，制造了仿螺旋桨高速风力发电机组。随后美国、法国、前西德等国先后制造出了风力发电机组并投入运行。前西德在风机桨叶制造上首次使用了质地轻、强度高的复合材料。到20世纪60年代，由于石油廉价和内燃机的广泛运用，风力发电成本高的问题显得突出，和以内燃机为动力的发电技术相比失去竞争力，发展几近停止。但1973年全世界的石油危机以及燃料发电带来的环境污染问题，使得风力发电技术重新受到重视。风力发电又进入迅速发展阶段。先后有美国研制的1000kW大型风力发电机、前西德的3000kW大型风力发电机、英国加拿大的3800kW大型风力发电机投入运行，自动控制技术日益成熟，并形成了能并网运行的风力发电机群(见图1)。2002年，世界各国风电装机总量达到近40000MW，并且每年增长率达20％，发展势头强劲。我国现代风力发电技术始于20世纪70年代。2002年底，我国风力发电装机容量达473MW，遍布新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江等地[1]。

图1风力发电机群

最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点：

（1）风力发电机单机容量稳步变大。现在单机容量已达到兆瓦级；

（2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术；

（3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效；

（4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高[2]。

2 风力发电机的气动功率调节方式

气动功率调节是风力发电的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。功率调节方式主要有三种。

（1）定桨距失速调节

这种调节方式下，桨叶与轮毂刚性联接，桨距角度保持不变。随着风速增加，攻角增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，上下翼面压力差减少，阻力增加，升力减少，造成失速，从而限制功率增加。整机结构简单、部件少、安全系数较高，但翼型结构复杂，制造困难，机组额定功率增加后，叶片加长，

承受推力大，对其刚度是严峻考验。因此不太适合于大型机组。

（2）变桨距调节

这种调节方式下，风机桨叶的安装随风速变化。高于额定功率时，桨距角向迎风面积减少的方向转动适当角度，相当于减小功角。在阵风时，受到的冲击比定桨距小得多，可减少材料使用，降低总机重量，但需要有一套比较复杂的变桨距调节机构，并要求对阵风的响应速度要快，以利于减轻由于风速波动而引起的功率波动。

（3）主动失速调节

它是前两种功率调节方式的组合。在低风速时采用定桨距调节，可达到更高的起动功率；当风速更高时，在风机达到额定功率后，采用变桨距调节，限制风能吸收。二者取长补短，调节机构不再需要很高的调节速度。

3变速恒频风力发电系统的几种形式

在风力发电机与电网并网时，要求风力发电频率与电网频率一致。由于变速变频发电系统中风力发电频率随风速而变，不能和电网频率始终保持一致，不能实用。但如果允许风力发电机在一定的风速范围内做变速运行，则能达到更好利用风能的目的。基于上述考虑，发展了变速恒频发电系统。近年来，研究较多的交流电机变速恒频风力发电系统主要有以下四种形式。

3.1 同步发电机变速恒频系统

同步电机是自励磁电机，机电转换效率高，容易做成多极数低转速型，因而可以采用风机直接驱动，省去增速齿轮箱。系统成本低，可靠性高。同步发电机变速恒频发电系统如图2所示。如果能控制转子励磁电流的大小，还可控制发电机的功率因数。当采用永磁转子时，电极极距可以很小，因而可以大大减小多极数低转速电机的径向尺寸，但发电机的电压和功率因数就比较难控制了。此外，发电机的全部功率经由变频器输送到电网，变频器容量很大，至少要达到发电机额定功率的1.5倍，这是其不利的一面。但也有人在研究永磁发电机在风力发电的最大功率跟踪控制方法[3]。

图2同步发电机变速恒频系统结构图

3.2 笼型异步发电机变速恒频系统

笼型异步发电机结构简单，成本低，易于维护，适应恶劣环境，因而在风力发电中广泛应用。笼型异步发电机变速恒频系统如图3所示。其定子绕组通过变频器和电网相连，通过控制器控制在变化的风速下输出恒频交流电。同样由于变频器要通过全部发电功率，容量要达到发电功率的1.3～1.5被才能安全运行。因此系统庞大，只适用于小容量风力发电系统。

图3笼型异步发电机变速恒频系统结构图

3.3 双馈电机变速恒频系统

如果发电机采用转子交流励磁双馈发电机时，就有了双馈电机变速恒频发电系统。系统结构如图4所示。

图4双馈电机变速恒频系统结构图

当转子速度随风速变化时，控制转子电流的频率f r，即f1=f r±f2就可使定子频率始终与电网频率保持一致。由于变频器在转子侧，只需要一部分功率容量（发电界定功率的1/4），变频器就能在超载范围内调节系统。因此相对于前两种变速恒频系统而言，降低了变频器的成本和控制难度，定子直接接于电网，抗干扰性好，系统稳定性强，还可以灵活控制有功无功，十分适用于大中容量风力发电。为了克服此系统无法实现弱磁，美国Thoms.A.Lipo提出双变频器的双馈电机变速恒频系统，双馈电机可长期运行于超同步模式。

3.4 无刷双馈异步电机变速恒频系统

无刷双馈电机没有滑环和电刷，克服了双馈电机有刷和滑环等机械部件的缺点，且能低速运行，因而受到广泛关注。应用无刷双馈电机的变速恒频系统结构如图5所示。

图5无刷双馈异步电机变速恒频系统结构图

该电机由两台绕线式异步电机背靠背而成。两个转子同轴连接，转子绕组在电气上直接相连，没有滑环和碳刷；一个定子绕组向外输出功率，另一个定子绕组为励磁绕组，由变频器供电。设功率绕组（接于电网）的频率为fp，励磁绕组频率为fc，相应的两定子绕组极对数为P p和P c，则运行后有如下关系：

n r=60×(f p±f c)/(P p+P c)

当转子转速nr发生变化时，通过改变励磁电流频率f c，即可使发电机输出频率f p不变，实现变速恒频控制。现在已有改进型应用于风力发电中。

4 几种变速恒频风力发电系统比较及最近发展趋势

上述几种变速恒频发电系统中，笼型异步发电变速恒频系统和同步发电变速恒频系统所采用的变频器容量是发电界定功率的1.5倍左右，而双馈电机变速恒频系统和无刷双馈异步电机变速恒频系统所采用的变频器的容量只需要发电界定功率的1/4，变频器小，控制难度降低，适用于大中型风力发电系统。另外还可以看出，笼型异步风力发电和无刷双馈异步电机变速恒频系统没有碳刷和滑环，坚固耐用，可靠性高。

变速恒频技术覆盖了风力发电机的全部功率范围，因而成为今后风力发电的主要发展方向。现在应用比较成熟的是双馈电机变速恒频发电技术。大型风力发电系统大部分采用这种技术。有众多学者研究人员研究改善这种方式下的变频器及系统控制策略，使系统性能发电效率逐步提高。例如有基于最大功率跟踪控制策略[4][5]、基于电网无功功率优化控制策略[6]；还有的控制策略力图在低风速时按最大功率跟踪控制，在高风速时按恒功率控制[7]。

无刷双馈电机由于没有碳刷滑环等易磨损机械部件，能低速运行，控制励磁绕组的变频器容量小，成为热点之一。但目前该型电机结构复杂，成本高，效率较低。许多专家致力于该型电极的改进，使其结构简单，成本降低，提高效率。相信不久的将来，无刷双馈电机可应用到大中型风力发电中去。

另外一个值得注意的研究方向是永磁同步发电变速恒频系统。但永磁电机在过冷过热以及强烈震动时会退磁，尤其是在电机过载时过热时将造成不可逆的退磁，因此在永磁同步发电变速恒频系统中保证发电机不过载是难点之一。为了克服这个缺陷，在文献[8]中提到混合励磁同步电机。它采用永磁和电励磁两种励磁方式相结合的形式，集成了电励磁同步电机调磁方便且调磁容量小和永磁同步电机效率高、转矩／质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，有较大的应用前景。但大型的混合励磁同步电机结构复杂，制造困难，还有待于进一步改进提高。

5结束语

近年来变速恒频风力发电技术发展迅速，特别是双馈电机变速恒频发电机组已经商品化。NORDEX、VESTAS 等公司已研制出2.5MW变速恒频风力发电机组，并投入运行。而我国在这方面还处于应用基础研究阶段，