变速恒频风电系统论文：浅谈变速恒频风电系统中的作用

变速恒频风电系统论文：浅谈变速恒频风电系统中的作用【摘要】本文介绍了变速恒频风电系统的优点及其控制方案，交流励磁双馈电机的优点和基本原理，同时对双馈电机在变速恒频风电系统中的应用进行了实验研究。

【关键词】变速恒频风电系统控制方案交流励磁双馈电机

随着人们对风能的重视，风力发电由单机运行逐渐发展为并网发电，同时容量也在逐渐增大。在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风力发电机组发电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。但风力发电机发出的电能，其频率、电压、波形等都是不稳定的，对这样的电能只有经过处理与控制，才能并网。为充分利用不同风速时的风能，我们对风电系统的控制方案做了深入的研究，并提出了实用且适合于风力发电的变速恒频技术。

１变速恒频风电系统

恒速恒频和变速恒频风电系统是现代并网风电机组的两种类型。恒速恒频风电系统结构简单，整机造价低、安全系数和可靠性较高，在现在的风力机市场上占有较大份额，但恒速运行对风能的利用效率不高。变速恒频风电系统是20世纪70年代中期以后发展起来的一种新型风力发电系统，风力机跟随风速的变化而变速运行，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大。与恒速恒频风电系统相比，其

主要优点是：

１．１系统转换效率高。变速运行的风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率，和恒速恒频风电系统相比年发电量一般可提高10％以上。

1．2 机电系统间的刚性连接变为柔性连接。当速跃升时，吸收阵风能量以飞轮能量的形式存储在机械惯性中，减少机械应力和转矩脉动，延长风机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮能量释放出来变为电能送给电网。

1．3 具有同步电机运行特点，功率因数可调。不消耗电网无功功率，还可改善电网功率因数，提高发电质量。

1．4 可使变桨距调节简单化。只需采取适当的限速措施，在限速运行区允许转速有一定范围的波动，从而降低风力机机械部分的造价，并能提高运行的可靠性。

1．5 便于和电力系统并网，操作简单，运行可靠，不会发生振荡和失步，减少运行噪声，可进行动态功率和转矩脉动补偿。

２变速恒频风电系统的几种控制方案

国内外风电专家提出了多种风力发电的控制方案，有的是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现的，它们各有其特点，适用场合也不一样。

2．1 采用异步发电机变速恒频。通过定子绕组与电网间的变频器把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒

频电能送人电网。这种方案的发电机成本低、无滑环、便于维护。但变频器容量与发电机容量相同，使系统的成本、体积和重量显著增加，发电机从电网吸收无功励磁功率，需要附加补偿装置。

2．2 高转差异步发电机变速恒频。采用具有较软机械特性的高转差率电机扩大风机的转速变化范围，可利用现代电力电子技术控制转子电阻无级变化来实现。这种方案控制技术简单、发电机制造容易，但系统效率低、机组发热增加，不利于机组向更大型化发展。vestas v66型机组属此种类型。

2．3 串级式变速恒频。该方案是对上述高转差异步发电机变速恒频控制方式的改进。其增加电机转差的方法是通过变流器改变转子绕组的电流频率，将原来消耗在串联电阻上的电能再回馈给电网。这种方案其技术复杂、变流器成本高，变速范围小，因此在实际产品中应用很少，从发展趋势上看竞争力不大。

2．4 电磁转差离合器同步发电机变速恒频。采用速度负反馈环节，通过电磁转差离合器使得同步发电机的转速保持不变，因此发电机可输出恒压恒频的交流电。该系统的优点是控制线路简单，发电输出电压波形好，但效率低，相当一部分风能消耗在转差离合器磁极的发热上。

2．5 双绕组双速异步发电机变速恒频。发电机有两个定子绕组，转子是笼型或绕线型，其优点是比单速风机的年发电量高，但该系统不属于连续变速恒频系统，不能获得变速运行的所有好处，两个绕组何时切换也是系统控制的难点。现在的风电系统采用的较少，新疆水利厅风电场引用丹麦的600kw风力机就是这种系统。

2．6 永磁发电机变速恒频。该系统与笼型变速恒频风电系统类似，只是发电机转子为永磁式结构，无需外部励磁电源，提高了效率。风力机与发电机直接耦合，省去齿轮箱，减小运行噪声，提高可靠性。lagerway公司与abb公司合作推出兆瓦级直接驱动低速永磁发电机变速恒频风电系统，最终是否成为主流机组有待观察。

2．7 磁场调制发电机变速恒频。系统由专门设计的三相高频交流发电机和电力电子变换电路组成，通过磁场调制和解调技术产生一个与发电机转速无关的恒频正弦波输出。系统控制简单，运行可靠，风能转换效率较高，适合并网运行，不存在失步问题。但系统成本高，比较适合容量在数十千瓦～数百千瓦的中小型风电系统。

2．8 交流励磁双馈发电机变速恒频。该系统根据变速运行风力机的转速变化与电网电压频率的要求，通过变流器给发电机转子送人相应转差频率的励磁电流，使定子绕组发出的电压频率与电网相同。当前，德国deｗind‘technik

gmbh公司兆瓦级双馈式变速恒频风电机组的技术比较成熟，已推出lmw和1．25mw的d6系列与2mw的d9系列。

2．9 无刷双馈发电机变速恒频。电机定子有两套极数。不同的绕组：功率绕组和控制绕组，分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组。这种控制方案除具有交流励磁双馈发电机的优点外，发电机本身没有滑环和电刷，降低成本，提高运行可靠性，减少维护。但电机制造和控制比较复杂，实现比较困难。

综上所述，根据当前的控制技术，在多种变速恒频风力发电方案中，交流励磁双馈电机变速恒频是目前风力发电比较合理的方案。

３交流励磁双馈风力发电机系统

双馈型变速恒频风电系统主要由风轮、双馈发电机、变频器励磁系统、控制检测系统组成。

双馈电机利用绕线式异步电机的结构特点，将定子绕组接工频电网，转子通过三相变频器接入所需低频电源，定转子同时供电，实现双馈调速。当双馈电机稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间是保持相对静止的。当定子旋转磁场在空间以(1）w0=2?仔f1，的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度应当是：

wｓ＝ｗ０－ｗ＝ｗ０－ｗ０（１－ｓ）ｗ０ｓ(1)

式中：wｓ：转差角速度；