变速恒频风电机组的原理与应用

变速恒频风电机组的原理与应用
黑龙江省风电正在以前所未有的速度发展，风电已成为继火电之后的又一大电源，深入了解和掌握风电机组先进技术，有利于提高电力系统管理水平，最大能力吸纳风电绿色能源。

本文详细介绍了变速恒频风电机组的原理，提出了变速恒频风电机组在研究和应用中需要解决的问题。

标签：可再生能源，风电，风电机组，变速恒频
1.引言
作为可再生能源发电的一种技术形式，风力发电技术在近些年得到了大力的发展。

人们对可再生能源的重视和各国出台的对可再生能源的系统化扶植政策是促进风力发电产业发展的主要原因。

同时，各风电机制造商及科研部门也在技术改进和革新方面投入了较大的资金，这一方面使得风机制造成本降低了，另一方面也提高了风能利用效率，从而使得风力发电场商获得了更多的经济效益，对于促进风力发电的发展起到了积极的作用。

从1918年建成世界上第一个风电场至今，风力发电机组从最初的为蓄电池单独供电发展到现在的并网发电，呈现出单机容量大型化的发展趋势。

目前，兆瓦级以上的风力发电机组已经投入生产和运行，单机容量达5MW的海上风电机组也已研制成功。

截至2009年底，全世界总装机容量达到16GW，我国风电装机容量为25805.3MW，位列世界第二。

在风力发电发展过程中，在很长一段时间内，风电机组都是固定转速的。

它结构简单，易于维护，操作方便，没有复杂的控制，因而在一段时间内能够满足风力发电发展的要求。

然而，随着风电产业的商业化运营，风力发电规模逐渐扩大，固定转速风电机组逐渐暴露出它的缺点，如：
1）效率较低；
2）额定风速较大；
3）动态特性较差。

因此，人们开始研制变速风电机组。

在20世纪70年代末80年代初，对变速风机的研究工作已经开始了。

变速风电机组具有比较明显的优点，如：
1）可以获得更多的能量，整个能量转换系统的效率提高了；
2）风力发电机的输出功率波动可以通过调整转速来减小，无功功率的调整可以提高风电机的功率因数，减小对系统的无功需求，从而增强系统的稳定性。

3）额定风速减小了。

图1-1为Nordex公司生产的N50和N50p型风电机风功率特性。

N50为定桨距固定转速风机，N50p为变桨距变速风机。

这两个型号的风电机组叶片半径都为50米，额定功率为800kW。

从图中可以看出，变速风机比固定转速风机的额定风速小，且在相同风速下，变速风机的有功出力要大一些。

变速风机一般可以分为两类：变频变速风机和变速恒频风机。

变频变速风机是指风电机定子侧绕组通过交直交或交交变频器与系统相连，通过改变定子侧绕组的频率来实现风机的变速运行。

而变速恒频风电机采用双馈电机作为发电机，应用串级调速技术来实现风电机组的变速运行，定子侧绕组直接与系统相连，频率维持工频，所以称为变速恒频风电机[1-3]。

变速风电机组采用了电力电子设备，这些设备成本较高，因而只有应用于大容量风电机组中，才能使总的成本降低。

随着电力电子技术的快速发展，电力电子设备成本不断降低，同时，大型风电机组制造工艺也得到了很大进展，因而，大容量变速风力发电机成为风力发电机的主流。

近年来，PWM技术得到了突破性进展，使得双馈电机技术得到了迅猛发展。

目前研制和生产的1.5～5MW 风电机组都是变速恒频风电机组[4-6]。

然而，变速恒频风电机组还存在着许多问题，目前主要研究的方向为：
1）如何尽可能大的提高能量转换效率；
2）如何削减谐波。

2.变速恒频风电机的结构
与固定转速风电机组相比，变速恒频风电机在结构上与其没有大的区别，只是前者采用普通异步发电机，后者采用双馈电机。

图2-1所示为固定转速风力发电机和变速恒频风力发电机的结构图，从中可以看出，双馈电机的结构要比普通异步发电机的结构复杂，增加了定子绕组与转子绕组之间的变频器环节，因而其控制相应也复杂。

1.风轮机
变速恒频风力发电机的风轮机采用变桨距控制，它与双馈电机的转速控制相结合，可以减小风电机的输出功率波动，改善动态特性。

2.双馈电机
双馈电机是由异步发电机和变频器构成的。

变流器可以采用交交变频器或交直交变频器。

发电机定子侧发出的有功功率，大部分注入系统，小部分通过变流
器与转子绕组相连。

通过调节转子侧电源的频率和电压（幅值和相角），可以调节发电机的转速和定子侧的功率因数。

3.控制系统
变速恒频风电机的控制系统包括桨距角控制和双馈电机控制。

桨距角控制根据风速的变化情况，调节桨距角，使风速大于额定风速时，风机的输出功率维持在额定值。

双馈电机控制采集定子和转子侧绕组的电气量以及发电机转速，根据风机转速和定子侧功率因数的整定值，向变流器提供控制信号，调节转子侧绕组外接电源的电压频率及幅值和相角，调节转速和定子侧功率因数。

3.变速恒频风电机的工作原理
变速风电机是由风轮机、异步发电机、交直交或交交变频器以及控制系统组成的。

图3-1画出了变速风电机的主要结构图。

1）风轮机
变速风电机的风轮机与固定转速风力发电机在结构上没有区别。

风轮机扑获风能的大小与风速和风机转速有关，固定转速风电机组的发电机电磁转矩与风机转速有一定的对应关系，它所能扑获的风能、风机转速和发电机发出的功率之间必须满足一定的关系，所以它不能尽可能多的获得能量；变速风电机组的发电机在电磁转矩恒定的情况下可以随意调节转速，所以其风轮机扑获的风能不受风机转速的限制，能始终保持在最优值。

风电机捕获的风能与风速的立方成比例关系，同时还与风电机组的转速有关。

根据风机功率特性方程，有：。