基于变速恒频的风力发电技术研究

摘要：风力发电已经成为当代能源的发展趋势之一，风力发电技术在风力应用中具有重要的作用，尤其是变速恒频技术可以在不同的风速条件下获取得到最优的风能与效率。本文通过进行变速恒频发电技术进行介绍，对基于双PWM的永磁直驱风力发电系统结构、变桨距控制结构、变频器、保护系统以及总体控制的研究，实现了风力发电的变速恒频的功能，在其应用中具有重要的作用。

关键词：风力发电，变速恒频，PWM永磁直驱系统，控制

中图分类号：TM315文献标识码： A 文章编号：

引言

随着经济的不断发展，对能源的消耗量也是逐年的增加，新能源新技术的发展已经成为今后发展的方向。风能作为一种可持续资源，具有清洁性与高效性，已经成为当代能源的一种最佳的选择方式。风力发电伴随着新技术的应用得到了快速的发展与革新，有效的提高了设计的能力与水平。在我国，风力发电已经被确定为能源长远的发展规划，加强新能源的科技创新的能力，可以有效的提高国家的核心竞争力，实现保证国家安全的目的，因此研究风力发电技术具有重要的意义。

1.变速恒频风力发电技术

在风力发电过程中，根据风速的变化而进行发动机转速的变化，从而实现了频率的变化，在此过程中采用一定的控制手段例如AC-AC或者AC-DC-AC来进行与电网频率相适应，加入到电网中，此方式产生的电能为变速恒频电能。此技术是上个世纪末发展起来的，是一个多学科的综合体，包含了电子技术，信息处理技术以及矢量变换技术等来进行风力发电机的控制，实现了变速恒频的功能。此技术可以通过捕捉不同的风速获取得到一个最佳的运转速度，使得运行效率增加，机组发电效率提高，有效的利用了风能。

如图1-1所示，为变速恒频风力发电系统示意图，通过AC-DC或者AC-DC-AC来进行不同风速下的恒频的转换。上述可以称为变频器，在控制方案中，其能量的流向是双向的，其可以为交流直流交流变频器或者交流与交流变频器，通过采用变速恒频风力发电系统，可有最大限度的对风能的捕捉，可以根据风速的变化而适应，采用一定的PWM控制技术可以实现有效的功率补偿，较小损耗，提高效率的功能。

图1-1 变速恒频风力发电系统示意图

风力机的作用是从从空气中获取风能转化为动能的方式，当有一个固定的风速时候，风机只能在一定转速的情况下才能实现最高的风能转换。变速恒频风力发电可以使得在风力机速度变化的情况下对于电能的频率不受影响，使得叶尖速比处于最佳的状态，有效的提高了风能的利用。

2. 基于双PWM的永磁直驱风力发电系统

2.1双PWM变频器的直接驱动风力发电系统结构图

在变速恒频的风力发电过程中，最为重要的是变频器的选择，本文采用的是双PWM变频器，主要是由大功率晶体管与功率场效应晶体管结合的绝缘双基型晶体管构成，具有驱动功率小，速度快以及导通压低的特点，因此可以通过采用绝缘双基型晶体管的逆变器与整流器，其主要的拓扑结构为三相桥式结构，如图2-1所示为双PWM变频器的直接驱动风力发电系统，此系统可以有效的降低发动机的铁耗与铜耗，减少了能量的损失，实现了运行的最优运行位置。此系统提供了电流为正弦，发电机测的谐波电流大大的减少。通过直接之间放置一个大的电容可以有效的维持电压的稳定。通过系统的控制，将永磁电机产生的变频幅值电压转化为可用的恒频电压，实现了风能的利用率最大化。

图2-1 双PWM变频器的直接驱动风力发电系统结构图

2.2风力发电变桨距控制结构

如图2-2所示，为风力发电变桨距的控制框图：

图2-2 风力发电变桨距的控制框图

从图中可以得到，在发电机达到额定功率之前，根据风速的大小，采用转速控制方式，稳定低频分量，在上述的变频器的作用下，进行电机的控制，从而实现了风机运行到达最佳的尖速比。随着风速的加大，当电机运行过程中达到了电机的额定功率，此时主要进行功率的控制代替了风速的控制，上述系统根据发电机功率的信号来进行功率的控制。进行比较功率的反馈值的大小与额定值之间的大小，如果当功率值超过了额定的大小情况，可以通过将桨叶节距转一个角度，迎向的位置为迎风面积减小的方向；如果当功率值小于额定功率时候，可以将，迎向的位置为迎风面积减大的方向。对于采用的变桨距的结构主要有电机执行机构与液压执行机构。其中液压执行机构主要适用于大型风力电机的情况，能够很好的实现快速的响应频率、大的扭矩以及布置集成度高的特点，得到了广泛的应用。电机执行机构实现单独控制桨叶的方式，结构简单，应用也很多。

2.3变频器控制

对于变速很怕的风力发电采用双PWM全功率变流器方式，实现了电网侧的逆变器与发电机侧的整流器进行独立控制。可以将控制部分划分为电网侧逆变器控制（其实质是整流器工作在逆变方式）与发电机侧的整流器控制。采用此方式可以通过控制电机的转速下，实现正常的功率的传送以及最佳尖速比以及风能的利用率达到最大的功效。通过转矩或者调节发电机功率来实现速度控制，对流器进行控制可以采用不同的控制策略。具体方案可以通过发电机转子电流矢量的相位和幅值进行控制即可达到调速的永磁电机的矢量控制原理，永磁电机通过直流环节与电网连接，因此它不同电网交换无功功率，而只通过直流环节向电网输送有功功率方式以及通过对发电机侧变流器进行控制达到调速的目的，在逆变器侧采用 Statcoms 控制方法，稳定了中间直流电压，并能进行无功调节。

2.4变流器和发电机的保护系统

由于受到诸多环境的影响例如风速不规律性以及设备问题，在风力发电系统中，风力机的运行主要是通过变流器与发电机来决定的，因此对两者的保护是很重要的。保护系统通过检测发电机、电网侧的电流、直流连接环的直流电压以及其他各种电气参数，并对这些参数设置一定的保护值，当超过此系数的时候，会自动的将变流器进行中断，停止工作。主要存在着过电流问题对电机的损害以及发动机过载问题引起去磁现象的产生。为此为了有效的减少风力电网的故障问题，采取以下方法：

降低直流电压的波动问题可以通过选择较大的电容；

可以采用动态无功补偿的方法的进行对当电压下跌时候，电功率的输送下跌的情形下对直流连接环的电容的冲击与电压的波动问题。

通过采用反馈控制的方式放置于发电机网侧变流器控制环与侧变流器中间，减少了当发电机功率下降时对直流电容的冲击能力。

选择高的直流电压的额定值。

2.5直接驱动风力发电机组的总体控制

如图2-3所示，是驱动风力发电机组的总体控制示意图，主要的控制环节为变流器控制与变桨距控制。此系统通过与的控制单元进行向联系，实现了对系统的参数进行调节，保证风力机在不同的环境下具有很好的运行能力与最优的运行状态，实现发电量最大。在运行的过程中，通过不断地选择测量的数据进行评估，从而根据分析的结果进行自适应的偏航控制，根据不同的风向实现风能的最大。通过变流器的作用，实现了不同风速下的风机的使用小萝莉坐高，对一些高的运行负载与尖峰进行排除。对于风机的负载降低以及大的能量输出可以采用控制变桨距的方式进行转子叶轮节距角大小的控制。当发生故障问题时候，采用刹车控制方法保证风机的可靠性。本系统在风力发电的变速恒频具有广泛的应用意义。

图2-3 驱动风力发电机组的总体控制示意图

3.结语

风能将会成为21世纪全球经济发展所需的重要能，风力发电技术已经成为当代新能源应用与利用的重要的技术之一，已经成为一种发展方向，在今后的经济发展中起着举足轻重的作用。尤其是变速恒频技术的应用，可以在不同的风速情况下，获取得到最优的风能利用，降低成本，提高资源的利用效率具有重要的意义。

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