风力发电变频系统的实践与探讨

摘要：变速恒频异步风力发电技术，特别是双馈异步发电技术在风力发电中得到了广泛的应用。本文将从变速恒频异步风力系统的拓扑结构及其控制技术两个方面对变频技术在风力发电中的应用进行综述，以反映变频技术在风力发电中的发展情况。

关键词：风力发电；变频系统；技术

中图分类号：TM921.51

随着环境、能源问题的日益严峻，可再生资源的开发利用已经成为国际热点。风能作为一种可再生洁净绿色能源，不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用之不竭。双馈感应电机变速恒频风力发电技术具有功率变换器的容量小，成本低等特点。是目前应用广泛的技术之一。相比于采用双馈感应电机发电的风力系统，直驱型风力发电技术省去了齿轮箱，减小了系统维护费用和体积，具有很好的应用前景。目前，直驱型风力发电技术正成为国内外研究的热点之一。直驱型风力发电系统的变速恒频控制是把永磁发电机发出的交流电通过变流器转变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，需要全功率变换器。在现有器件耐压水平未取得突破性进展时，多电平技术因其具有输出谐波含量小、控制灵活等特点，非常适合应用于直驱型风力发电系统，因此，多电平变流器在直驱型风力发电系统中具有广阔的应用前景。

1风力发电系统的类型

风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能.发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%-150%之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。

2风力发电系统的电源变换技术

变速风力发电机组根据风速的变化，使机组保持最佳叶尖速比，从而获得最大风能。随着电力电子技术的发展，半导体器件和变频器在电源方面应用中的进步，成就了发达国家在70年代初的第一次世界能源危机期间用变频调速实现高效节能事业的大发展。随着SCR， GTO， IGCT和1GBT等电力电子元器件的开发及应用和相应的控制技术的发展，整流侧也可以根据需要采用与逆变侧相同的电力电子元器件和变频结构。另外变速风力发电机组与电网实现了柔性连接，大大减少了机械冲击和对电网的冲击并有不同的风力发电变频调速并网系统方案。

2.1风力发电采用同步发电机的万案

交流同步发电机的转速是一固定和恒速转速，此发电机的转速与电网频率的匹配是简单的硬连接，风力资源具有较大的随机性，因此发电机和电网之间使用交一直一交的频率变换器可使风机在较大转速范围内运行采用同步发电机风力发电方案对于同步机的励磁可以有两种方法：单独给励磁同步发电机的转子绕组提供一直流电源的方案和采用永磁同步发电机方案，两者的主要区别在于一般后者更倾向应用在中、小容量的风力发电机组。

2.2风力发电采用的异步发电机的万案

根据日常维护经验，我们知道：如果一种方案没有滑环的存在，这种方案将是最受欢迎的方案。这也是当今交流异步电机更受青睐的原因。在风力发电领域也包括着同样的问题，一般采用在双速电机的方案上，即：在低风速运行时的发电，在整个运行风速范围内由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，会使浆叶过早进入失速状态.同时发电机本身也存在低负荷时的效率问题。因此在风力发电系统中普遍采用交流异步双速电机，分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。这样，当风力发电机组在低速段运行时，不仅浆叶有较高的气动效率，发电机的效率也可能保持在较高水平。

交流异步双馈发电机这种方案是目前所公认的、最为经济和有效的风力发电机的方案，整个系统为一交流双馈发电机和一变频器组成，其设计的速度范围在一般为4极（或6极）电机，即：在1500r/min为额定转速，而电网的频率标准是50Hz。1500r/min也为电网的同步速度发电机的定子绕组通过接触器与电网连接，而发电机的转子则是通过四象限交一直一交变频器与电网相连接，发电机的加速是由风力来驱动的。在驱动到一特定的速度范围时，变频器就开始随着电网的需求对电机的转子电流进行调节，通过调节转子电流的频率、相位和功率达到调节定子侧的输出功率，使之与风机输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近。此系统的特点为：由于变频器仅介于电机的转子和电网之间，故变频器的容量大约为发电机总容量的25%；根据电网的需要，可以控制系统的功率因数在容性或感性之间。

结论

随着变频技术的蓬勃发展，变速恒频异步发电技术特别是双馈异步风力发电技术得以快速实用.其单机容量已经达到MW级，迅速成为风电场的主力机型。三十年多来，在风力风电的变频技术上取得了许多非常有意义的成果，我国在变频器的产业化上也取得了很大的进展。我们相信双馈变速恒频风力发电技术必将在未来相当长一段时间在风电领域扮演非常重要的角色。

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