变速恒频风力发电系统控制方案分析

变速恒频风力发电系统控制方案分析

《》２００７年第２

期工程科技

变速恒频风力发电系统控制方案分析

倪

琳

２３０００９）

（合肥工业大学，安徽合肥

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，本文分别对鼠笼异步发电系统、双馈发电系统、

无刷双馈发电等系统的性能进行了分析和总结。

关键词：风力发电；变速恒频；控制策略中图分类号：ＴＫ８３：Ｘ９１３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－０５４７（２００７）０２－００６６－

０３

一、引言

随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大，不可再生能源（如石油、天然气、煤等）储藏量不断减少，电力资源紧张及常规能源对环境污染严重等原因，使洁净的可风能等）的开发得到世界各国的高度再生能源（如太阳能、

重视，其中风能是目前最具有大规模开发利用前景的能源。风力发电是风能的主要利用形式，风力发电对电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。

根据风力发电过程中发电机的运行特征和控制技术，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。

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ＣＰ在某一确定的风轮叶尖速比λ下达到最大值，如图１所示。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。

二、变速恒频风力发电系统

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以下几种：

１．鼠笼异步发电系统

系统如图２所示，采用的发电机为笼型转子，风力机通过变速箱拖动发电机的转子，而电机的定子绕组通过变频器和电网相连接。由于风速的不断变化，风力机及发电机的采用转子磁转速也随之变化，既电机发出来的电是变频的。

链定向的矢量控制以及网侧ＰＷＭ整流的方法把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，这样就实现变速恒频。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％，使整个系统的成本、

图２

笼型异步发电机变速恒频系统

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。

２．双馈发电机变速恒频系统

图１

风能利用系数与叶尖速比的关系曲线

双馈电机与普通的绕线式感应电机类似，系统如图３

收稿日期：２００７－０３－０７作者简介：倪

琳（１９６９－），女，安徽无为人，铜陵学院电气工程系讲师，合肥工业大学在读硕士研究生。

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所示。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

图３双馈电机变速恒频风力发电系统

频励磁电流。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，所以功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降低，系统容易设计与整理。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，需要经常维护，目前这种风力发电机技术已经商品化，能生产出ＭＷ级风力发电系统。

组在电路和磁路方面是解耦的。其发电机转子为特殊设计无刷的笼型结构或者磁阻式结构，转子极数为定子两个绕组极数之和，通过限制磁通路径，以产生交、直轴方向上的磁阻差别，来调制定子绕组产生的极数不同的气隙磁场。

图５无刷变速恒频发电系统

无刷双馈电机中定子的功率绕组和控制绕组的作用，相当于绕线式双馈电机的定子绕组和转子绕组，单电机的无刷化比双电机方案体积小、成本低，其缺点是电机的设计比双电机复杂。虽然两种电机的运行机制不同，但在控制上可以通过和绕线式双馈电机同样的策略实现：

ｆｐ±ｆｃ＝（Ｐｐ＋Ｐｃ）ｆｍ

式中：ｆｐ是定子功率绕组电流频率，与电网频率相同；ｆｃ

是定子控制绕组电流频率；Ｐｐ是定子功率绕组的极对数；Ｐｃ是定子控制绕组的极对数。超同步时，取“，亚同步时取＋”“。当发电机转速ｎｍ变化时，即ｆｍ变化时，若控制ｆｃ相应－”

发生变化，ｆｐ将保持恒定不变，从而实现了变速恒频控制。

此系统控制方案是在定子侧实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈型发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的Ｐｃ／（Ｐｐ＋Ｐｃ），双向变换器的容量也仅为发电机容量的一小部分。

这种控制方案除了可实现变速恒频控制，变频器容量只占系统容量的一小部分，还可以实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。由于无刷双馈电机兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，还可以调节功率因数和运该项技术行速度，因此非常适合于变速恒频风力发电系统。

目前在国内不是十分成熟，处于理论研究阶段，尚未进入工程实用阶段。

３．无刷双馈型变速恒频系统

双馈电机的无刷化可采用两种方式：（１）双电机级联式

级联式双馈感应电机是一种过渡形式，它由两台绕线式感应电机同轴串联而成，具有两套分离的定、转子绕组，两台电机通过转轴和转子电路的连接实现机械、电气上的

一体化，

以消除电

刷。其中一台机的定子直接连电网，另一台绕线式感应电机的定子通过变换器供电，两台电机的转

图４

级联式双馈电机示意图

子绕组不用滑环电刷而直接相联，控制

变换器既可实现整个级联电机的控制。由于其中一台作为功率电机，一台作为控制电机，因而控制与功率是独立的磁路，很容易实现有功、无功功率的解耦。但是数量巨大的绕组数，使得在机组上的损耗很大，所以效率低。示意图如图

４．永磁同步发电系统

该系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，利用永久磁铁取代转子励磁磁场，无需外部提供励磁电源。变速恒频策略是在定子侧实现的，通过控制变频器，将发电机输出的变频变压交流电转换为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同，存在谐波污染问题。其系统如图６所示：

４所示。

（２）单电机无刷双馈

系统如图５所示。采用单电机的无刷双馈电机是在定子上安装两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。两套定子绕

图６

采用永磁发电机的变速恒频风力系统

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主要优点：采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，不需要增速传动机构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性，便于维护。主要缺点是尽管实现了直接成本耦合，由于永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、高，不过由于省去了价格较高的齿轮箱，因而使整个系统的成本还是降低了，一般用于风—柴油或风—光互补发电。

三、结论

通过以上的分析，风力发电系统采用变速恒频技术，能充分利用风力资源。现得出几点结论：

１．双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统的变频器容

量仅为系统总容量的一部分，故这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，风力发电目前的发展趋势是大型化，这两种方案是当今世界风力发电的主流发电方式。其他方案适用于小容量的风力发电系统。

５．开关磁阻发电机系统

系统如图７所示，采用开关磁阻发电机，发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子为导磁材料，既无绕组也无永磁体，因此机械结构简单，起动转矩大，低速性能好，没有异步电机在起动时出现的冲击电流的现象。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，与定子电枢合二为一。定子接驱动器将电能输出到直流侧，通过控制器实现励磁与发电，控制系统结构大大简化，提高了可靠性，而且发电机绕组间无电磁耦合，其容错能力极强。由于开关磁阻发电机运行时相当于一个电流源，电流波形脉动，易实现并网运行。但其逆变器和驱动器容量大，开关磁阻电机容易出现力矩波动。

２．无刷双馈发电机没有滑环和电刷，结构简单，可靠性

好，非常适用于风力发电系统，但要加强发电机本体的研究，使其进入实用阶段。

３．采用直接驱动，不需要增速箱，系统的运行噪声将大

大降低，可靠性不断提高，成为目前变速恒频的热点之一。

参考文献：

［１］尹玲玲，胡育文．交流电机变速恒频风力发电技术［Ｊ］．电气

传动，２００５，（１０）．

［２］林成武，王风翔，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制

技术研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，（１１）．

［３］刘其辉．交流励磁变速恒频风力发电关键技术研究［Ｄ］．浙

江大学博士论文．

［４］帕孜来 马合木提，于书芳．风力发电机组变速恒频控制系统

研究［Ｊ］．新疆大学学报，２００４，（１）

．

图７

（上接第４２页）

开关磁阻式风力发电系统

时能够敢于创新，勇于承担责任，要促进

的规模、方式等方面都逐步进入全球化和国际化的时代，在这样的国际科技背景下，要紧跟世界科技新潮流，缩短与国际先进水平的差距，政府必须鼓励企业间的技术合作，加强科研项目的联合研究，互通信息，各取所长，并鼓励企业加强国际间技术往来，加强国际科技和科研的合作，学习国外的先进技术和管理经验，增强企业的自我创新能力。此外，政府必须加强对知识经济背景下科技发展趋势与对策的战略性研究，为企业的科技创新提供方向性的指导。

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政府各部门在创新方面的经验交流，使创新精神渗透到政府的管理体制中，还要进一步加强行政人员的业务技能和综合知识学习，提高政策制定和执行的质量和效率，确保政策执行的有效性。

７．强化政策执行的监控机制，确保政策执行的有效性。

科技创新活动本身就具有风险性和诸多不确定性，政策执行又是一个动态过程，在政策的执行过程中还会出现许多新问题和新情况，预期效果和执行结果之间的误差是一种客观存在，没有人能够料事如神，科技创新政策又是随着科技发展、社会进步新出现的政策体系，也无先例可循，所以有时政策执行者只能根据笼统的甚至是模糊的政策目标，在执行过程中逐步摸索，不断地对目标进行修改，使实施方案逐渐完善。在这个过程中难免出现一些不严格执法或任意窜改政策意图的严重阻碍政策执行的行为，因而为了确保各项政策能够落实到实处，政府必须重视执行的监控反馈机制，对政府行政部门执法情况和完成情况进行量化考评，建立相应的奖罚制度，加大专职监督机构、各级人大、各级政府的监督职能，充分发挥广大人民群众和新闻媒体等社会力量的监督作用，加强对政府部门的监督。

参考文献：

［１］国家教委社会科学研究与艺术教育司．自然辩证法概论［Ｍ］．

北京：高等教育出版社，２００２．３４１．

［２］黎贵才．科技政策的国际借鉴［Ｊ］．中央财经大学学报，２００２，

（１）：４１．

［３］吴彤，孙丽．论新时期中国科学技术政策问题［Ｊ］．内蒙古

大学学报，２００４，（６）：４８．

［４］中华人民共和国．１９９８年国民经济和社会发展统计公报［Ｚ］．

中国统计，１９９９，（３）：７．

［５］伊力哈木土赫提．新疆经济发展与民族关系［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：

８．完善科技创新的外部环境，鼓励企业加强相互间的

技术联合，积极参与国际间的技术交流与合作。当前，科技发展日新月异，知识和信息的更新速度大大加快，科学研究

／／ｐｏｓｔ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｆ？ｋｚ＝７５６８１１１３，２００６－０１－１７．

［６］郭亚莉．我国科技税收政策体系现状与发展研究［Ｊ］．河南社

会科学，２００５，（９）：６７．

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pmn4.html