变速恒频风力发电系统及其控制技术研究.

第25卷第1期2009年1月

文章编号：1674-3814（2009）01-0044-04

电网与清洁能源

PowerSystemandCleanEnergy

中图分类号：TM614

Vol.25No.1

Jan.2009文献标志码：A

变速恒频风力发电系统及其控制技术研究

沙

非1，马成廉1，刘

闯1，孙黎2

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;

吉林吉林132022）2.吉林化工学院信息与控制工程学院，ResearchonVSCFWindPowerGenerationSystemandControlTechnology

SHAFei1,MACheng-lian1,LIUChuang1,SUNLi2

（1.CollegeofElectricalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,JilinProvinc e,China;

2.CollegeofInformationandControlEngineering,JilinInstituteofChemicalTechnology,Jili n132022,JilinProvince,China）

ABSTRACT：Windpowergenerationsystemshouldadoptthevariablespeedconstantfrequency(VSCF)con trolstrategyinordertomaximizetheuseofwindenergy.Thispaperrespectivelyanalyzesthepri nciple,performanceandcharacteristicsofthecageasynchronouspowergenerationsystems,d oubly-fedpowergenerationsystemsandpowergenerationbrushlessdoubly-fedVSCFwindpowersystem.Bycomparingtheadvantagesanddisadvantages,thispaperlook sforwardthedevelopmenttrendsofthewindgeneratorandwindpowergenerationcontroltech niques,suchaslarge-

sizewindturbine,usingvariablepitchandvariablespeedconstantfrequency(VSCF)technolo gy,windturbinedirectdrive,andadoptionofintelligentcontrol,etc.

KEYWORDS:windpowersystems;variablespeedconstantfrequency;controlstrategy

摘要：为了最大限度地利用风能，风力发电系统应采用变速恒频控制策略。分析了鼠笼异步发电系统、双馈发电系统、无刷双馈发电等变速恒频风力发电系统的原理、性能及特点,通过对比各种风力发电机和各种控制方法的优缺点，对未来风力发电机和风力发电控制技术的发展趋势做了展望:风力发电机大型化；采用变桨距和变速恒频技术；风力发电机采用直接驱动；采用智能化控制等。

关键词：风力发电系统；变速恒频；控制策略

发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利

用。特别是自20世纪90年代初以来，现代风能最主要的利用形式———风力发电的发展十分迅速，世界风电装机容量的年平均增长率超过了30%。随着这一态势的发展，世界风电机组的装机容量到2020年预计会达到124.5MW，发电量占世界电力消费量的

因此，风能将是21世纪最有发展前景的绿色能12%。源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。根据风力发电过程中发电机的运行特征和控制技术[1]，风力发电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。风力发电机运行方式主要有两种：一种是独立运行的供电系统；另一种是作为常规电网的电源,与电网并联运行。并网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。当风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电机的频率与电网频率保持一致，即恒频。恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒定的频率；变速恒频是指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，通过其他控制方式来得到恒定的频率。

1变速恒频风力发电系统

0引言

风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能

源。受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要

根据贝兹证明，风力机从风能中吸收的功率

P[2]为：

（1）P=1/2CpAρv3

式中，ρ为空气密度；v为风速；A为风力机扫掠面积；

它是叶尖速比λ

和浆叶节距Cp为风力机的功率系数，

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角α的函数;λ=ωmR/v；ωm为风力机机械角速度；R为风轮半径。

风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围内变化时，若允许风力机作变速运行，那么可以更好地利用风能。这是因为风力机的风能利用系数

如Cp在某一确定的风轮叶尖速比λ下达到最大值，图1所示。

是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。

由于其控制策略在定子侧实现，变频器的容量

和发电机的容量之比大于100%，整个系统的成本、体积和重量显著增加（尤其对于大型风力发电系统）；而且由于变频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用，特别是在离网型风力发电系统中，目前多用于100kW以下的风力发电系统。

图1风力机Cp－λ曲线

恒速恒频发电系统的风力机由于只能固定在某一转速上，而风能又具有随机性、爆发性和不稳定性，风速会经常变化，当风速发生变化时，风力机必定偏离最佳速度，显然Cp不可能保持在最佳值。这样将导致风力资源浪费，发电效率大大下降。

为了在各种风速下能实现最大风能捕获，需要根据风速来调节风力机的转速，采用变速恒频方式，在风速变化的情况下适时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速，Cp达到或者接近最佳值，从而提高了机组的发电效率，优化了风力机的运行条件。

变速恒频风力发电是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，国外新建的大型风力发电系统大多数采用变速恒频方式，目前成为风力发电的发展方向。近年来世界上研究较多的变速恒频风力发电技术主要有5种。下面分别分析各种发电机的原理、性能及特点。

3双馈发电机变速恒频系统

双馈电机与普通的绕线式感应电机类似，系统

如图3所示。

图3双馈异步发电机的系统结构图

采用的发电机为转子双馈发电机，定子绕组与

电网直接相连，转子绕组通过变频器供以频率、幅值、相位和相序都可改变的三相低频励磁电流[3]。无论风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。

此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制来实现发电机的双馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，转差功率仅为发电机定子额定功率的1/4至1/3，