【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；在額定風(fēng)速以上時(shí)，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過(guò)變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，保證發(fā)電機(jī)功宰輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動(dòng)態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來(lái)響應(yīng)快速變化的風(fēng)速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動(dòng)作，堤高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向 。 變速恒頻的優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來(lái)適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功宰的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高?？刂葡到y(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(wú)功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的另一大核心部分，它負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和控制技術(shù)，也決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可分為恒速恒頻 (Constant Speed Constant Frequency，簡(jiǎn)稱 CSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，簡(jiǎn)稱 VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化， cp 值往往偏離其最大值，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于 同步轉(zhuǎn)速 3%5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，這是十分危險(xiǎn)的。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 雖然目前大多數(shù)采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但作為一種新型發(fā)電技術(shù)，變速恒頻發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術(shù)，非常適用于風(fēng)力、水力等綠色能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，尤其是在風(fēng)力發(fā)電方面，變速恒頻體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。 (1)風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源。傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速上，當(dāng) 風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降，不但浪費(fèi)風(fēng)力資源，而且增大風(fēng)力機(jī)的磨損。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 7 速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。 (2)變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻電流實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，控制勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位實(shí)現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。同時(shí)采用矢量變換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率、無(wú)功功率解藕 (簡(jiǎn)稱 P、 Q 解藕 )控制?？刂朴泄β士烧{(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速 ，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的追蹤控制；調(diào)節(jié)無(wú)功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性。 (3)采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作及運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)使其受到了人們的廣泛關(guān)注，它越來(lái)越多地被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中。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(guò)發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻，有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。 圖 磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有 以下幾種： (1)交 直 交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 這種系統(tǒng)中的變速恒頻控制是在電機(jī)的定子電路中實(shí)現(xiàn)的。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速運(yùn)行。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過(guò)三相橋式整流器變換成直流電，然后通過(guò)逆變器變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相同。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響；同時(shí)由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵(lì)式逆變器，雖然可調(diào)節(jié)無(wú)功功率，但有高頻電流流向電網(wǎng)。這類系統(tǒng)可以采用同步發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)、繞線式異步發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)。 (2)磁場(chǎng)調(diào)制 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的高頻交流發(fā)電機(jī)和一套電力電子變換吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 電路組成，圖 示出磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)單相輸出系統(tǒng)的原理方框圖及各部分的輸出電壓波形。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率? r，與普通同步電機(jī)不同的是，它不用直流勵(lì)磁，而是用頻率為? m的低頻交流勵(lì)磁 (?m即為所要求的輸出頻率，一般為 50 Hz)，當(dāng)頻率? m 遠(yuǎn)低于頻率? r 時(shí)，發(fā)電機(jī)三個(gè)相繞組的輸出電壓波形將圖 電機(jī)系統(tǒng)是由頻率為 (?m+?r)和 (?m?r)的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波，如圖 (b)所示，這個(gè)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。將三個(gè)相繞組接到一組并聯(lián)橋式整流器，得到如圖 (c)所示的基本頻率為? r的全波整流正弦脈動(dòng)波。再通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)電路使這個(gè)正弦脈動(dòng)波的一半反向，得到圖 (d)。最后經(jīng)濾波器濾去紋波，即可得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)、頻率為? m 的恒頻正弦波輸出，如圖 (e)所示。輸出電壓的頻率和相位取決于勵(lì)磁電流的頻率和相位，正是這一特點(diǎn)使得磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)非常適合于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與交 直 交系統(tǒng)相比，磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是： ①由于經(jīng)橋式整流器后得到的是正 弦脈動(dòng)波，輸入晶閘管開(kāi)關(guān)電路后基本上是在波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)作開(kāi)關(guān)換向，因而換向簡(jiǎn)單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高； ②晶閘管開(kāi)關(guān)電路輸出波形中諧波分量很小，且諧波頻率很高，很易濾去，可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形； ③磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出頻率在原理上與勵(lì)磁電流頻率相同，因而這種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)與交 直 交系統(tǒng)類似，也是電力電子變換裝置處在主電路中實(shí)現(xiàn)全功率變換，因而容量較大； ④發(fā)電機(jī)要經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，不能利用通常形式的發(fā)電機(jī)。 (3)交流勵(lì)磁雙饋型 異步發(fā)電系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的雙饋型異步發(fā)電機(jī)，雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子并到電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子通過(guò)一勵(lì)磁變換器和進(jìn)線電抗器與電網(wǎng)相連。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，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(jī)械頻率， m=nm/60， m為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速； pn 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；? n?1 為電網(wǎng)頻率； ?2 為轉(zhuǎn)子電流頻率。 發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和電轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為 nr =pnnm 或ω r=pnω m。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 nr 小于同步轉(zhuǎn)速 n1時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)勵(lì)磁變換器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng) nr n1 時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵(lì)磁變換器的能量流向逆向；當(dāng) nr =n1 時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行， f2=0，勵(lì)磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。由式 (14)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 nm變化時(shí)，即 pn?m變化時(shí)，若控制? 2相應(yīng)變化，可使? 1 保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 9 電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的 功率是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)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(lì)磁變換器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，成本將會(huì)大大降低。交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制、減小變換器的容量外，在磁場(chǎng)定向矢量控制下還可實(shí)現(xiàn) P、 Q解耦控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。雙饋型異步發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器的主要要求是輸入、輸出特性好，功率可以雙向流動(dòng)。 此 系統(tǒng)采用的是雙 PWM 型交 直 交變換器，它由兩個(gè) PWM 型變換器組成：靠近發(fā)電機(jī)的稱為機(jī)側(cè)變換器，靠近電網(wǎng)的稱為網(wǎng)側(cè)變換器。 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(jī)較理想的一種勵(lì)磁變換器。勵(lì)磁電源除了采用交 直 交變換器外，也可以采用交 交變換器。 6 脈波、 36 管的交 交變換器輸出電壓富含低次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)行諧波抑制。 12 脈波、 72 管的交一交變頻器結(jié)構(gòu)符合勵(lì)磁電源要求，但結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。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(jiǎn)單，但控制方法還不成熟，需要依賴更加成熟的雙向開(kāi)關(guān)器件。 (4)無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 這種系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)。其定子 有兩套極數(shù)不同的繞組，一為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一為控制繞組，通過(guò)雙向變換器接電網(wǎng)。無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為特殊設(shè)計(jì)的籠型結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。 無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著區(qū)別，但卻可以通過(guò)同樣的控制策略實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。對(duì)于無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)，有： f p 177。 f c = ( p p + pc ) f m (15) 式中： fp 為定子功率繞組電流頻率； fc為定子控制繞組電流頻率； pp 為定子功率繞組的極對(duì)數(shù)； pc 為定子控制繞組的極對(duì)數(shù)； fm 由于其與電網(wǎng)相連，與電網(wǎng)頻率相同。超同步時(shí)，式 (16)取“ +”；亞同步時(shí)，取“ ”。由式 (16)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速氣變化時(shí)，即幾變化時(shí)，若控制關(guān)相應(yīng)變化，可使其保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。盡管這種變速恒頻控制方案是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，但流過(guò)定子控制繞組的功率僅為無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)總功率的一小部分，這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的 pc /(pp +pc)小雙向變換器的容 量也僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分。 無(wú)刷雙饋型發(fā)電機(jī)具有與有刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)相同的特性，但沒(méi)有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。只是目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段。 如果將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)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(hù)，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免變速箱漏油的問(wèn)題；交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 10 機(jī)系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變換器容量?jī)H為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠?，所以這兩種方案適用于大、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) 。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還可以采用其他電機(jī)，變磁阻電機(jī)，雙速異步電機(jī)，但是它們的技術(shù)目前還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)。 第二章 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電電機(jī)及其系統(tǒng) 變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注，使它越來(lái)越多地被應(yīng)用到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。自上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，國(guó)外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是 MW 級(jí)以上的大容量風(fēng)電系統(tǒng)。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理 風(fēng)力機(jī)的作用是從空氣中獲取能量，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的原理，風(fēng)力機(jī)的功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)輪葉片從 風(fēng)中獲取的能量公式為： 1p1 = c p Aρ v3 （ 2— 1） C5C p (λ , β ) = C1 (λ i? C3 β ? C4 )e λ i + C6λ （ 2— 2） λ i=?3λ + β + 1 （ 2— 3） λ = ω R / v （ 2— 4） 其中ρ為空氣密度，單位 kg/m3； v為風(fēng)速，單位 m/s ； A 為風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，單位 m2 ； Cp 為風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)（一般 Cp=1/32/5，最大不超過(guò) 16/27=），它是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)；ω為風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度； R為風(fēng)輪半徑。根據(jù)槳葉節(jié)距角β為一定時(shí) ,風(fēng)力機(jī) CPλ曲線可知：對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī) ,在槳葉節(jié)距角β不變時(shí)總有一個(gè)對(duì)應(yīng)著最佳功率系數(shù) CPmax 的最佳葉尖速比λ opt,此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率最高。換而言之 ,對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)速 v,風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在 一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速ω下才會(huì)有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。 恒速恒頻的風(fēng)力機(jī)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。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近于最佳值，從而最大限度的利用風(fēng)能。 變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù) CP 與尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線性關(guān)系。對(duì)于不同的節(jié)距角，風(fēng)機(jī)擁有不同的效率。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行根據(jù)不同的風(fēng)況可分三個(gè)不同階段。第一階段是起動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止上 升到切入速度。在切入速度以下，發(fā)電機(jī)并沒(méi)有工作，機(jī)組在風(fēng)力作用下作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，并不涉及發(fā)電機(jī)變速的控制，因此對(duì)該階段不作討論。第吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 11 二階段是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能，從理論上來(lái)說(shuō)，根據(jù)風(fēng)速的變化風(fēng)輪可以運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速下，