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变速恒频风力发电系统运行与控制探讨
作者：蒋聪迪
来源：《电子技术与软件工程》2015年第21期
摘 要 本文结合对变速恒频风力发电技术的介绍，提出了几种风力发电技术，对系统的运行和控制进行了分析，以期为相关从业人员提供理论研究依据。 【关键词】变速恒频 风力发电 运行控制
在化石能源逐渐紧张的环境下，风能作为一种新型的可再生无污染的能源被充分开发出来。大自然中的风能储量极为丰富，可以缓解当今社会能源的供应压力，在风能开发利用的过程中，风力发电技术的发展十分迅速。根据风力发电过程中发电机组的运行特征和控制技术的不同，将风力发电系统分为变速恒频发电系统和恒速恒频发电系统，本文主要介绍变速恒频发电系统。
1 风力发电系统介绍 1.1 发电系统分类
风力发电机组主要有两种运行方式，即独立的供电运行系统和常规电网供电系统，其中常规电网供电系统以电网为主要电源，与电网并联运行。从经济的角度考虑，并网风力发电是大规模利用风能最好的方式，在风里发电机组与电网并联的过程中，风力发电机组的运行频率需要与电网的频率相一致，即常说的恒频发电，在发电过程中，保持发电机组的转速不变，以求得到恒定的频率，这就是恒速恒频风力发电；若发电机组的转速可以根据风速的变化实现控制，以得到恒定的频率，这就是变速恒频风力发电。 1.2 变速恒频风力发电系统
其中风力发电机组的功率系数CP是叶尖速比S与桨叶节距角d的函数，S=wmR/v，其中wm是风力发电机机械角的速度，R是风轮半径。
风能与风速的三次方呈正比，在实际应用中，风速在一定范围类变化，如果一定程度上允许风力机作变速运行，将可以实现风能的最大化利用。从理论上面分析，风力机的风能利用系数CP随着叶尖速比S的变化而变化，在风能利用系数不断变化的过程中，必定有一个时间点的叶尖速比S使得风能利用系数CP最大，二者的变化图象如图1所示。 图1中横坐标表示叶尖速比S，纵坐标表示风能利用系数CP。
对于恒速恒频风力发电系统的风力机而言，它只能固定在某一转速上，但是自然界的风能具有较大的随机性和爆发性，风速也不可能固定不变，在风速发生变化的过程中，风力机必定
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偏移设定的最佳速度，显然风能利用系数CP不能维持在最佳值，所以必定导致风力资源的浪费，很大程度上降低发电效率。
变速恒频风力发电技术的应用，能实现在风速变化的过程中不断获得最大风能，以自然界风速的变化为基准，智能调节风力发电机的转速，在风速变化的情况下实现风力发电机转速的调节，控制发电机转速运行于最佳状态，在变速恒频发电机的运行过程中，发现风能利用系数CP始终接近或达到最佳利用值，这就大大提高了发电机组的发电效率，实现了自然风能的最大化利用，优化了风力机组的运行条件。
随着技术的的不断革新，变速恒频发电系统衍生出多种形式，主要包括双馈发电机变速恒频系统、笼型异步发电机系统、永磁同步发电系统。 2 双馈发电机变速恒频系统
式中f1、f2分别为双馈发电机的定子和转子频率，n1是定子磁场的转速，即同步转速，n2是转子磁场在转子转速下的相对速度，nr是双馈发电机转子的转速，在双馈发电机稳定运行的过程中，定子和转子磁场相对静止。
由式（2）可知，发电机转速nr变化时，为了使定子电能频率f1恒定，需要调节转子的电流频率f2，这就是双馈发电机的基本运行原理。当发电机同步运行时，f2=0，转子进行直流励磁；发电机超同步运行时，f20，发电机定子相序和转子绕组相序相同。 3 笼型异步发电机变速恒频系统
一个完整的笼型异步发电机变速恒频系统包括电网联接部分、电容器部分、功率变换部分、机组部分构成，系统结构如图2所示。
图2中的P是指功率的流动方向，功率变换器由并网过程中的双向晶闸管构成，电容器的作用是实现无功补偿，保证发电机在同步转速的附近作恒速运行。对于笼型异步发电机系统的控制策略，主要在发电机组的定子侧实现，变频器的容量和发电机的容量之比大于1，将导致系统的成本增加，通过系统结构图可知，变频器直接与电网相连，同时给电网造成一定程度的谐波污染。在实际应用中，笼型异步发电机具有结构简单、坚固耐用的特点，在发电环境恶劣的地区得到了广泛应用，在离网形风力发电系统中，一般用于100kw以下的电力系统。 4 永磁同步发电系统
在风力发电系统中，永磁同步以结构简单、运行可靠的优点受到越来越多人的关注，永磁同步电机中没有电刷和滑环，很大程度上消弱了转子损耗，具有其它风力机组无法达到的发电效率，应用于转速快且性能要求高的场合。永磁同步发电机组没有励磁绕组，很大程度上解决了用铜量问题，降低了电气的铜耗和铁耗，永磁同步电机的控制常采用电流控制法。采用这种方法在风里发电系统中可以将风力发电机组直接与发电机组实现耦合，没有设置变速箱，因此
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提高了整体的系统的可靠性和稳定性，降低了系统的噪声和原本的维护费用。在实际的风力发电机组应用中，将风力发电机组的转子设置成永磁体，永磁体中的磁通量不随外界因素的变化而变化，式中维持不变，因此在发电机组制作完成后，机组中的磁通量不变，也可以说是不能通过人为的方式对其进行调节。在实际应用中，将永磁体安装于发电机转子上，发电机定子与交流电网相连，具体的联接方式是利用全功率变流器，发电机变速运行过程中，变流器可以保证输出电流的频率和电网频率一致，这就实现了恒频发电，根在风速变化的过程中，永磁同步发电系统结合风速的变化，将发电机转子的旋转速度控制在10.5-24.5RPM之间，则相应的机械频率fM在0.175-0.408Hz之间变化，电频率的计算公式为：
式中的p为永磁电机电极的极对数，对于多级永磁电机而言，极对数p一般达到32，频率变化范围为5.6-13Hz。在忽略机组铁芯饱和效应，忽略涡流损耗和磁滞损耗，忽略转子上阻尼绕组的情况下，永磁发电产生的电动势Eg=2πfET。式中T为电机组转子永磁体在定子相产生的磁通量。
从整体上讲，永磁同步发电系统与笼型发电系统有些类似，都是利用永磁体代替传统的转子励磁磁场，降低励磁损耗的同时并不需要外界为系统提供励磁电源，在应用过程中，永磁同步发电系统结构中没有换向装置，因此此系统具有极高的利用效率和使用寿命。另外，在相同功率下，永磁同步发电系统具有一定的重量和体积优势，永磁同步发电机的尺寸和重量仅为其它类型发电机的-。
变速恒频的控制策略则同样在定子侧实现，以变频器为主要控制结构，将发电机输出的变频电压进行交流转换，保持其与电网相同的频率即可，在实际的变频器应用中，其容量和系统的额定容量保持一致，所以导致电网受到一定程度的谐波污染。
采用永磁发电机可以实现风力机与发电机的直接耦合，系统中省去了提速传动装置，有利于降低噪音，提高整体稳定性，维护工作也极为方便。 5 结束语
随着科学技术的进步和用电需求的不断增加，为了提高风力发电的效率，降低系统的成本，实现电力系统的稳定可靠运行，风力发电将向大容量、智能化、微风发电的方向迈进。相信在不久的将来，风力的利用将更加高效化和科技化。 参考文献
[1]刘其辉，贺益康，张建华等.并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究[J].中国电机工程学报，2013，26（23）：109.
[2]贺志斌.变速恒频风力发电关键技术研究[J].黑龙江科技信息，2015，26（11）：59.