变速恒频风力发电系统运行与控制分析

广子建

（北京京能新能源有限公司辉腾锡勒风电分公司，内蒙古 乌兰察布 0 1 3 5 5 0）

变速恒频风力发电系统运行与控制分析

广子建

（北京京能新能源有限公司辉腾锡勒风电分公司，内蒙古 乌兰察布 0 1 3 5 5 0）

本文针对变速恒频风力发电系统的概念进行论述，并在此基础上，就集中基于变速恒频风力发电系统的发电系统进行逐一的分析，变速恒频风力发电系统的未来发展趋势进行了展望。

变速恒频；风力发电系统；发电机

风能是一种储存量大、清洁环保的可再生能源。由于在世界范围内化石能源数量的日益减少，并且环境问题日益凸显，所以针对风能的使用开始成为了各个国家所重点研究的科研项目。

1 变速恒频风力发电系统的概念

按照贝兹证明，风力机是可以从风能当中获取到功率的，其公式为p=1/2 c A P v 3。在这一公式当中，P代表的是空气的密度，v代表的是风的速度，A代表是风力机横扫的面积，c则是风力机当中的功率系数，它是有风力机的浆叶距离与风叶尖的速度所构成的函数进行运算而获得的。

风速的三次方和风能之间为正比例关系，若风速在一定的范围当中进行改变时，若能够让风力机开展变速运动，便可以针对风能进行更加有效的使用，这是由于在风力机当中的风能利用系数在恒定的风轮叶尖速度比之下的最大值，如图1所示。

图1 风力机曲线

而变速恒频风力发电系统是在最近几年当中是世界范围内开始流行的一种高新风力发电系统，在许多先进的国家当中，所新建的大型风力发电系统有很大一部分都是使用的这一方式，并且在未来，变速恒频电源系统也将成为未来世界范围内风力发电的一种主流。同传统的恒速恒频风力发电系统进行对比，变速恒频风力发电系统能够在不同的转速当中进行工作，可以有效适应风自身的不稳定性、随机性与爆发性。有常识的人都知道，风在运动过程中，其风速会经常产生变化，在风速进行变化的过程当中，变速恒频风力发电系统就能够自动寻找到风力机运动过程中最为匹配的运动速度，这样便可以最大程度对风能进行利用，并大幅度提升风力发电的效率，降低在风能采集过程当中所造成的浪费现象。

2常见的基于变速恒频风力发电系统的发电机

2.1 笼型异步发电机

图2为笼型异步发电机的结构系统图。

图2 笼型异步发电机的结构系统图

图2 中，功率变换器就是软并网所采用的双向晶闸管启动设备，图中的箭头所代表的是功率P在系统当中所运动的防线。在笼型异步发电机工作的过程当中，是使用电容开展的无功补偿。埋在超过同步转速时会进行匀速运动，使用主动失速浆叶或者定桨距失速，并使用双速发电机或者氮素发电机来使其进行运动。

因为其控制方式需要在定子侧来完成，并且变频器的容量与发电设备之间的容量的比例关系超过了1:1，所以笼型异步发电机在使用的过程当中，占据的空间较大，并且在运行的过程当中重量会得到明显的上升（特别是针对大型风力发电装置说），导致这一系统在运用的过程中，会带来巨大的经济成本。另外，因为在运行的过程当中笼型异步发电机当中的变频器是与电网进行直接连接的，所以极有可能在发电机运行的过程中对电网产生谐波污染。但是其优点也是十分明显的，首先该发电系统整体结构十分简单，并且在运行的过程中，极少出现故障，即使发生问题，其修理和维护也比较简单，特别适合在长期处于恶劣气候环境当中进行工作，因此，在国内笼型异步发电机的使用十分普及，在1 0 0 k W以下的风力发电装置当中，笼型异步发电机是常见的选择。

2.2 双馈发电机

双馈发电机和普通发电机的结构存在有很多相似的地方，双馈发电机在使用的过程当中，定子绕组和电网进行直接连接，转子绕组凭借变频器进行幅值、频率和相位的提供。不管在进行风力发电的过程当中，风速产生了怎样的变动，在电机的运动速度变化时，凭借变频器控制转子当中的电流大小就能够对转子的运转速度进行调控，让转子的磁感应强度和定子的运转速度一直是保持匹配的状态。在这种环境当中，定子感应电势频率便能够保持相对恒定的状态，发电系统就能够进行变速恒频的运转。

双馈发电机是凭借对转差频率的调控来完成发电机的双馈速度调节的，因为控制方式是通过发电机的转子侧来完成的，通过转子电路的功率是凭借发电机在运转过程当中的速度限定值来确定转差功率的，所以转差功率只是发电机定子原有功率的1/3～1/4，功率变化设备的容量相对较低，电压较小，这样就会使变频器在运行的过程当中经济成本大幅度下降，系统在整理和设计的过程当中也会更加方便。

2.3 永磁同步发电机

永磁同步发电机和笼型异步发电机在系统结构方面大致相同，它是使用永久性的磁铁来代替原有的转子励磁磁场，它不需要外界对磁电源进行供应，由此降低了励磁的消耗，并且永磁同步发电机也不需要进行换向设备的安装，所以永磁同步发电机和其他类型的发电机相比，拥有发电功效高、使用寿命较长的特点，同一般功率的发电机进行对比，永磁同步发电机的重量和占地面积仅仅是他们的3 0%，并且在操作过程当中，拥有与同步发电机相同的优点，所以该种类型的发电机可以和风轮进行直接的连接，内有传动结构的联网方式，但是值得注意的是，永磁同步发电机仍然存在有对电网的谐波污染问题。

3 变速恒频风力发电系统未来展望

为了减少在运行过程中产生的成本，增强风力发电的效率和稳定性，提升电能质量，降低在发电过程中出现的噪声，完成发电系统的稳定运行，在不远的将来，风力发电会朝着大容量、无刷化、微风发电、智能化、转速变化等多方面进行发展。

首先将风力发电大型化处理，这样做可以显著减少发电设备的占地面积，并大幅度缩减电网系统用于进行并网时的成本个单位公率电的造价，可以让我国在进行风力发电的过程中，更好地获取经济利益。

再有就是使用变速恒频技术与变桨距，通过这一举措，能够为风力发电提供重要的技术支持，并降低现有风力发电设备体积过于庞大的缺点，降低风力发电的高额成本，并为我国提供更高质量的电能资源。

最后使用磁悬浮技术与磁力传统技术，可以让风力发电机在微风的状态下便能够进行运转，由此实现微风发电。

4 结语

针对风能资源的使用，一直是在化石能源日益减少之后，人们所重点研究的一项新能源，但是在针对风能资源进行开发的过程当中，仍然存在有成本过高的情况。

而合理针对变速恒频风力发电系统进行使用，是改变这一局面的重要突破口。

[1]刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D].浙江大学,2 0 0 5.

[2]赵永祥,夏长亮,宋战等.变速恒频风力发电系统风机转速非线性P I D控制[J].中国电机工程学报,2 0 0 8,1 1:1 3 3-1 3 8.

[3]沙非,马成廉,刘闯等.变速恒频风力发电系统及其控制技术研究[J].电网与清洁能源,2 0 0 9,0 1:4 4-4 7.

[4]孙国伟,程小华.变速恒频双馈风力发电系统及其发展趋势[J].电机与控制应用,2 0 0 7,0 1:5 8-6 1+6 4.

[5]夏长亮,宋战锋.变速恒频风力发电系统变桨距自抗扰控制[J].中国电机工程学报,2 0 0 7,1 4:9 1-9 5.

[6]马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J].电工技术杂志,2 0 0 0,1 0:1-4.

[7]张广明,吴煜琪,梅磊,季文娟.变速恒频风力发电系统控制方案综述[J].电机与控制应用,2 0 1 2,0 3:5 3-5 6.

T M 6 1 4

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 1 3 6-0 2