变速恒频交流电机风力发电技术探究

摘　要：早在20世纪70年代我国开始对变速恒频风力发电系统展开的了研究，和传统的恒速恒频风力发电系统相比，在结构以及原理等方面都有很大的区别。由于变速恒频风力发电技术的高效性与实用性非常高，因此备受人们所重视。本文主要以交流电为基础，针对当前的变速恒频风力发电技术的结构和功率调节技术等进行了深入的探讨和分析，重点研究了变速恒频的现状，同时对今后风力发电技术的发展加以合理展望。

关键词：变速恒频　交流电机　风力发电技术　探讨

一、前言

现如今，世界能源短缺、环境遭到严重破坏，这是人们首要解决的两大难题。然而，人们对绿色和清洁能源的开发使用越来越重视。而风能是一种可再生的清洁能源，不仅有较大的商业潜能，而且也具有环保的作用，在所有的新能源开发中，发展是最为迅速的。

二、风力发电系统的功率变换系统

1.直接变频器

直接变频器在运行时比较可靠，而且和电源无功功率交换与有功功率回馈都非常简单，使用的是四象限变速器，其中，在无环流系统中的最大输出频率占电网供电频率的一半。直接变频器具有很多优点，例如：无直流滤波环节、工作效率高等，并且这些优势都得到了很好的应用。然而，由于直接变频器的晶闸管换流方式大多数为自然换流，那么便大量吸收无功功率，从而使得功率因数大大降低，其输出频率非常低，与此同时，使用了较多的元器件等问题，上述这些缺点又限制了直接变频器在风力发电技术上的应用受到了限制。

2.间接变频器

现如今，应用最为广泛的变频器就是间接变频器。为双向传递能量，间接变频器通常使用的是双脉宽调制形式。此变频器有很多的优点，例如：结构比较简单、谐波量小、功率因数可以控制等。现如今，此种变频器主要应用在变速恒频双馈风力发电系统中。

3.矩阵式变频器

矩阵式变频器也可以看作是交—交变频器，和传统的交—直—交变频器相比，矩阵式变频器的优点更多，控制自由度较大，输出频率既能够比输入频率高也可以地狱输入频率，功率因数可以调控，不但可以超前，而且可以滞后，结构相对比较紧密，体积小，工作效率非常高。然而，此种变频器在应用过程中，也会出现很多的问题，例如：换流时，不能同时开通和关断两个开关，做到此点非常困难；在输出侧必须要接滤波电容。在变速恒频风力发电系统中，此种变频器依然处于研究阶段，并没有得到应用。

三、变速恒频风力发电的浆距调节

1.定桨距失速调节

此种条件技术通常恒速风力发电系统中。它是原理是，把桨叶和轮毂连接固定，不改变浆距角的大小，借助桨叶自身的失速特性，在比额定风速高的情况下，将气流功角增大到失速的条件下，这样一来，就会在桨叶表面产生紊流，以此来降低工作效率，从而实现限制功率的目的。此种调节方式不仅简单，而且非常可靠，然而，由于叶片重量较大，同时结构过于复杂，这样一来，使桨叶、塔架等元件承受较大的力，从而大大降低机组的工作效率。

2.变桨距调节

在定桨距基数上安装浆距调节装置，就形成了变桨距机组。叶片的浆距能够随风速的变化而发生一定的变化，此装置一般用在变速运行的风力发电机系统中。其中，变桨距调节是为进一步改善风力机组的起动特性与功率输出特性。其主要调节原理是：当发电机转动后，调节浆距角，能够合理的控制转速，在并网后，也能够控制功率大小，如果输出功率比额定功率小，那么浆距角为零，不需要进行调节；如果输出功率比额定功率大时，要通过调节浆距角，大大减小功角，这样才能确保输出功率和额定值相等。此装置的优点有很多，比如：桨叶受力非常小，因此，可以做到轻巧些，这样一来，不仅节省了材料，而且也大大降低了机组的重量；适当条件浆距角可以大大增加功率的输出，所以，有利于提高运行性能。然而，此条件装置结构比较复杂，大大降低机组运行的可靠性。

四、变速恒频交流电机风力发电系统的分析

1.笼型异步发电机

此种发电机转子结构非常简单，而且在生产制造上比较便捷，同时还能确保发电机的可靠运行。通过电网来获得励磁电流和无功功率，然而，此过程并不需要有励磁调节装置。由于具有上述多种优点，因此，在风力发电系统中笼型异步发电机应用十分广泛。风速的变化会使风力机和转子转速等都发生一定的变化，所以，发电机输出的电能频率也是时刻在变化的。定子与电网变频器先进行整流然后再经过逆变，将频率变化的电能转变为和电网频率一致的电能，然后再送入电网中。上述这种设计能够实现变速恒频，这样一来，使增大了变速运行的范围，针对此设计只能用在风力变化大的情况下，这样一来，使维护更加方便。然而，要求变频器容量需要和发电机容量大小相同，这样一来，会增大变频器的体积和重量，与此同时，也会大大更加生产成本。

2.绕线式异步发电机

在通常情况下，较普通的异步发电机转差变化范围是非常小的，一般都在5%范围内。所以，这样使得转子转速变化范围也过于小，因此，我们可以认为是恒速转动。然而，通过改变转子回路电阻指，就能够改变转子回路电阻消耗的转差功率，这样一来，就会实现调速的目的。

3.开关磁式

开关磁阻电机通常会用在风力发电并速同步发电系统中。和异步发电机相比，此种电机结构比较简单、便于控制，在转子上没有绕组，因此，就不存在限制最高转速以及疲劳故障的出现。除此之外，也不含有独立的励磁绕组，是和嵌放定子电枢集为一体，再利用控制器进行控制，实现发电，所以，进一步优化控制系统结构，从而大大提高了机组运行的可靠性。

五、结束语

总体来说，当前国际上通用单机容量为1-3MW发电机组，而5MW机组已经投入运行当中。现如今，商业化风电发电机风能利用率在98%，并且安全性能都符合国家的标准要求。由于我国风电技术开发非常薄弱，大多数企业都依靠从国外引进技术，难以做到在风力发电机设计上有所创新，和西方发达国家相比，我们还需要作出更多的努力，才能使变速恒频交流电机风力发电技术得到快速发展。

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]李姗姗,何凤有.变速恒频交流电机风力发电技术[J].电机与控制应用,2008(4).

[3]杨冬,郭家虎.变速恒频双馈风力发电机的矢量控制研究[J].电机技术,2008(5).

[4]胡冬良,赵成勇.变速恒频风力发电机组输出特性分析[J].华北电力大学学报,2008(4).

作者简介：王厚树 （1984.01-），男，临沂大学 本科,学士,广东中山市,工程师，研究方向:风力发电技术方向。

吴吉红（1983.05-）男，湖南科技大学 本科,学士,工作地点广东中山,工程师， 研究方向:风机发电技术及电气技术。