【正文】 輸出，則必須采用三套磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)， 且各套發(fā)電機系統(tǒng)間應(yīng)保持某一適合的相位差，這就提高了整個系統(tǒng)的成本。風(fēng)力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步， 這樣，風(fēng)力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當(dāng)簡單，運行非?？煽?。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為 fm 的恒頻正弦波輸出。這種采用無刷雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔?，同時發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷， 既降低了電機的成本，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。超同步時, 取“+”, 亞同步時取“”。fc=( Pp+Pc ) fm （26）式中: fp是定子功率繞組電流頻率, 與電網(wǎng)頻率相同。這種無刷雙饋發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵磁雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。該系統(tǒng)采用的發(fā)電機為無刷雙饋發(fā)電機。該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的 1 /4～1 /3，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。系統(tǒng)為了得到恒頻輸出，由變頻器提供這個磁場旋轉(zhuǎn)速度ωs ，與轉(zhuǎn)子的低頻勵磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，機械轉(zhuǎn)速ωr 相加等于定子磁場同步轉(zhuǎn)速ω1 ，即 ω1 = ωs 177。饋電方式則和雙饋電機或異步發(fā)電機超同步串級調(diào)速系統(tǒng)相似，即定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則由一套交—交或交—直—交變頻器提供頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源，實現(xiàn)恒頻輸出， 還通過改變勵磁電流的幅值和相位實現(xiàn)發(fā)電機有功、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。采用永磁發(fā)電機可做到風(fēng)力機與發(fā)電機的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結(jié)構(gòu)，可大大減小系統(tǒng)運行噪聲，提高可靠性。 而且由于變頻器直接和電網(wǎng)相連接, 不可避免地對電網(wǎng)造成一些諧波污染。采用的發(fā)電機為籠型轉(zhuǎn)子, 風(fēng)力機通過變速箱拖動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子, 而電機的定子繞組通過變頻器和電網(wǎng)相連接。其變速恒頻控制策略在定子電路實現(xiàn)。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式：交—直—交系統(tǒng)，變流勵磁發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋電機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體控制如圖 。因為在高于額定風(fēng)速時，我們追求的是穩(wěn)定的功率輸出。高于額定風(fēng)速時，變速風(fēng)力發(fā)電機組的變速能力主要用來提高傳動系統(tǒng)的柔性。用目標(biāo)功率與發(fā)電機實測功率之偏差驅(qū)動系統(tǒng)達到平衡。風(fēng)機轉(zhuǎn)速ω可以通過風(fēng)力機槳葉變節(jié)距調(diào)節(jié),也可以通過控制發(fā)電機輸出功率調(diào)節(jié)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行控制，風(fēng)力發(fā)電機組逐漸進入CP恒定區(qū)（CP=Cpmax）這時機組在最佳狀態(tài)下運行。在更高的風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機組的機械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下，這個限制就確定了變速風(fēng)力發(fā)電機組的第三個運行階段，該階段稱為功率恒定區(qū)。第二階段是風(fēng)力發(fā)電機組切入電網(wǎng)后運行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機組開始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能，從理論上來說，根據(jù)風(fēng)速的變化風(fēng)輪可以運行在任何轉(zhuǎn)速下，但是由于受到運行轉(zhuǎn)速的限定，不得不將該階段分成兩個區(qū)域，即變速運行區(qū)域和恒速運行區(qū)域。對于不同的節(jié)距角，風(fēng)機擁有不同的效率。恒速恒頻的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常變化，顯然Cp不可能保持在最大值。風(fēng)力機的作用是從空氣中獲取能量，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能。如果將風(fēng)力機和發(fā)電機直接禍合，省去變速齒輪箱，這樣可以大大降低成本，減少維護，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免變速箱漏油的問題；交流勵磁雙饋型異步發(fā)電機系統(tǒng)和無刷雙饋型異步發(fā)電機系統(tǒng)的變換器容量僅為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠郑赃@兩種方案適用于大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案例如交直交系統(tǒng)適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。由式(16)可知，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速氣變化時，即幾變化時，若控制關(guān)相應(yīng)變化，可使其保持恒定不變，實現(xiàn)了變速恒頻控制。無刷雙饋型發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵磁雙饋型異步發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機的運行機制有著區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現(xiàn)變速恒頻控制。矩陣式交交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結(jié)構(gòu)簡單，但控制方法還不成熟，需要依賴更加成熟的雙向開關(guān)器件。雙PWM型變換器輸入輸出特性好，能量可以雙向流，是雙饋型異步發(fā)電機較理想的一種勵磁變換器。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵磁變換器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，成本將會大大降低。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應(yīng)滿足：f1 = pn f m + f 2 (14)式中：?m為轉(zhuǎn)子機械頻率， m=nm/60， m為發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速；pn 為電機的極對數(shù)；?n?1為電網(wǎng)頻率； ?2 為轉(zhuǎn)子電流頻率。輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位，正是這一特點使得磁場調(diào)制發(fā)電機非常適合于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電機本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率?r，與普通同步電機不同的是，它不用直流勵磁，而是用頻率為?m的低頻交流勵磁(?m即為所要求的輸出頻率，一般為 50 Hz)，當(dāng)頻率?m遠低于頻率?r時，發(fā)電機三個相繞組的輸出電壓波形將圖 (?m+?r)和(?m?r)的兩個分量組成的調(diào)幅波，如圖 (b)所示，這個調(diào)幅波的包絡(luò)線的頻率是?m，包絡(luò)線所包含的高頻波的頻率是?r。因此，變頻器的容量和發(fā)電機的容量相同。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，有的是通過發(fā)電機與電力電子裝置相結(jié)合實現(xiàn)變速恒頻，有的是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻。同時采用矢量變換控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電機輸出有功功率、無功功率解藕(簡稱 P、Q 解藕)控制。(1)風(fēng)能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機，并網(wǎng)后在電機機械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行，異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。控制系統(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。機組在葉片設(shè)計上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。 主動失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機組相結(jié)合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。隨著風(fēng)電控制技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，變槳距風(fēng)力發(fā)電機組采用了最優(yōu)尖速比技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。 定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。根據(jù)定槳矩失速型風(fēng)機和變速恒頻變槳矩風(fēng)機的特點，國內(nèi)目前裝機的電機一般分為二類：（1）異步型①籠型異步發(fā)電機；功率為 600/125kW、750kW、800kW、1250\180kW 定子向電網(wǎng)輸送不同功率的 50Hz 交流電；②繞線式雙饋異步發(fā)電機；功率為 1500kW 定子向電網(wǎng)輸送 50Hz 交流電，轉(zhuǎn)子由變頻器控制，向電網(wǎng)間接輸送有功或無功功率。系統(tǒng)原理圖包括:風(fēng)力機、控制器、儲能設(shè)備及逆變器等。一般小型風(fēng)力發(fā)電機使用蓄電池儲能，先用整流器將發(fā)電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，然后用逆變器將蓄電池的直流電變換成交流電，供給負載。(3)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性風(fēng)車就是通過其槳葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能(風(fēng)車的轉(zhuǎn)速及其作用于其上的轉(zhuǎn)矩)的裝置。 λ=2π Rn ω R=vv (12)式中 n——風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，單位為 r/s；ω ——風(fēng)輪的角速度，單位為 rad/s；R——風(fēng)輪的半徑，單位為 m； v ——上游風(fēng)速，單位為 m/s；通過以上的分析我們知道，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)車、發(fā)電機、電力變換及其控制系統(tǒng)。(2)風(fēng)力機的功率由于實際上風(fēng)力機械不可能將槳葉旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩S的機械能，因而風(fēng)力機的實際功率應(yīng)為風(fēng)輪所接受風(fēng)的動能與通過風(fēng)輪掃掠面積的全部風(fēng)的動能比值。水平軸的風(fēng)力機通常根據(jù)風(fēng)力機不同的使用目的使用不同數(shù)目的葉片。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風(fēng)。后者又可包括水平軸的風(fēng)力機和垂直軸的風(fēng)力機，垂直軸的風(fēng)力機主要缺點是轉(zhuǎn)矩脈動大，在遇到強風(fēng)時不易調(diào)速，在 80 年代后期各國己經(jīng)停止了對這種風(fēng)車的研制和開發(fā)，現(xiàn)在的風(fēng)力機主要是水平軸螺旋槳推進器型的。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成及原理風(fēng)能發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，風(fēng)輪帶動發(fā)電機再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。就?nèi)陸而言，大約僅占全國總面積的1/100，主要分布在長江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區(qū)是我國最大的風(fēng)能資源區(qū)以及風(fēng)能資源豐富區(qū)。其中丹麥風(fēng)能產(chǎn)業(yè)年營業(yè)額在 30 億歐元左右，并網(wǎng)發(fā)電機組達 312 萬千瓦，風(fēng)能發(fā)電量占全國電力總量的 22%，居全球首位；而在該國的西北部地區(qū)，這個比例甚至已經(jīng)達到 100%。如今在全球的風(fēng)能發(fā)展中，歐洲風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展速度很快，預(yù)計 15 年之后歐洲人口的一半將會使用風(fēng)電。由于西部地區(qū)地廣人稀，土地貧瘠，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，人均用電量小，靠大電網(wǎng)去解決那里的用電問題是不夠的，必須同時開發(fā)像風(fēng)力發(fā)電這樣的分散供電系統(tǒng)，才能較好地滿足當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活對電力的需求。從 20 世紀(jì) 90 年代開始，世界能源電力市場發(fā)展最為迅速的已經(jīng)不再是石油、煤和天然氣，而是太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源。清潔、高效成為能源生產(chǎn)和消費的主流，世界各國都在加快能源發(fā)展多樣化的步伐。目前我國正在進行西部大開發(fā)。由此可見，風(fēng)電正在以超出預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長。在近期德國制定的風(fēng)電發(fā)展長遠規(guī)劃中指出到 2025 年風(fēng)電要實現(xiàn)占電力總用量的 25%，到 2050 年實現(xiàn)占總用量的 50%的目標(biāo)。我國相當(dāng)于 6 米/秒以上的地區(qū)，在全國范圍內(nèi)僅僅限于較少數(shù)幾個地帶。中國風(fēng)電真正開始有較大規(guī)模的發(fā)展是從1996 年、1997 年開始的。前者的功率系數(shù)很小，能量變換效率低下，所以逐漸被淘汰。低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機。發(fā)電裝置主要由塔樓和安裝在塔頂?shù)囊媾摻M成。風(fēng)車中還包括許多控制裝置功率較大的機組還裝有手動剎車機構(gòu)，以確保風(fēng)力機在大風(fēng)或臺風(fēng)情況下的安全。為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量，稱為葉尖速比 λ 。風(fēng)電機組的功率調(diào)節(jié)有兩種方式，一種是失速調(diào)節(jié)，另