风力发电系统及控制技术

２０１０年第０９期　（总第１５７期）　现代企业文化　ＭＯＤＥＲＮ　ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ　ＣＵ删ＲＥ　ＮＯ．０９，２０１０　（ＣｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｙＮＯ．１　５７）　风力发电系统及控制技术　莫文成　（广西桂邕消防工程有限公司，广西南宁５３００２８）　摘要：文章分析了变速恒频发电系统、笼型异步发电机系　磁阻发电机系统的原理、性能及特点，通过对比各种控制特点。　风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围内变化时。　风力机的风能利用系数Ｃｐ在某一确定的风轮叶尖速比人下达到　最大值。　统、双馈发电机变速恒频系统、无刷双馈型变速恒频系统、开关　若允许风力机作变速运行，那么可以更好地利用风能。这是因为　并对未来风力发电机及控制系统的发展做了展望。　关键词：风力发电系统；变速恒频；控制策略　恒速恒频发电系统的风力机由于只能固定在某一转速上。而　风能又具有随机性、爆发性和不稳定性，风速会经常变化，当风　风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能源。受化石能　速发生变化时，风力机必定偏离最佳速度，显然ｃｐ不可能保持　源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自２０世纪７０年　在最佳值。这样将导致风力资源浪费，发电效率大大下降。为了　代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的　开发利用。特别是自２０世纪９０年代初以来，现代风能最主要的利　在各种风速下能实现最大风能捕获。需要根据风速来调节风力机　的转速，采用变速恒频方式，在风速变化的情况下适时地调节风　用形式：风力发电的发展十分迅速，世界风电装机容量的年平均　力机转速，使之始终运行在最佳转速，Ｃｐ达到或者接近最佳值，　增长率超过了３０％。　根据风力发电过程中发电机的运行特征和控制技术，风力发　从而提高了机组的发电效率，优化了风力机的运行条件。　变速恒频风力发电是近年来发展起来的一种新型风力发电系　电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。风力发电机　统，国内外新建的大型风力发电系统大多数采用变速恒频方式。　运行方式主要有两种：一种是独立运行的供电系统；另一种是作　下面分别分析各种发电机的原理、性能及特点。　为常规电网的电源，与电网并联运行，并网风力发电是大规模利　二、笼型异步发电机系统　用风能的最经济方式。当风力发电机与电网并联运行时，要求风　力发电机的频率与电网频率保持一致，即恒频。恒速恒频指在风　力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒定的频率；　变速恒频是指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，通　系统结构如图１所示：　过其他控制方式来得到恒定的频率。　一电　嘲　、变速恒频发电系统　根据贝兹证明，风力机从风能中吸收的功率Ｐ为：　Ｐ＝Ｉ￣ＣｐＡ　Ｐ　ｖ３　式中，Ｐ为空气密度；ｖ为风速；Ａ为风力机扫掠面积；Ｃｐ　为风力机的功率系数，它是叶尖速比　和浆叶节距角ｄ的函数；　＝ＯＪｍＲ／ｖ：Ｃａ）ｍ为风力机机械角速度：Ｒ为风轮半径。　图１笼型异步发电机系统的结构图　图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动装置，箭　头指功率Ｐ的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，　五、发电机操作规程和管理制度　置于怠速位置运行３～５ｍｉｎ水温降到７０℃下再停机；　（６）机组经　根据供电部门的要求，自备发电机必须有安全可靠的操作规　过长期运行后，必须定期进行维护检修，每周至少一次对发电机　　程和运行管理制度，才能进入电网运行。以下是某单位发电机操　各运转部位进行全面检查，发现问题及时处理。作规程和管理制度，供大家制订时作一个参考。　１．发电机运行操作规程：　（１）起动前应认真检查各变速箱、　２．发电机运行管理制度：　（１）发电机由专人操作，专人维　修；　（２）发电机不允许和电网供电变压器并列运行。发电机运　离合器、调速器、曲轴控制、油盅油位及各部位紧固螺丝，各系　行前要断开供电变压器高压开关和低压总开关，并在相应回路上　统管路闸门位置是否正确，确认无误后方可进行起动；　（２）起动　挂上“发电机运行，变压器禁止合闸”警示牌；供电变压器运行　　时应将油门处于怠速位置，按下起动按钮起动发电机，若第一次　前要断开发电机回路开关，并在相应回路上挂上“变压器运行，不能起动成功，须停１—２ｒａｉｎ方能进行下一次起动，如连续三次　发电机禁止合闸”警示牌。并应经常检查变压器和发电机开关上　　（３）发电机运行由动力部门　仍不能起动成功，应停止起动，排除机组故障后，方能再行起　的连锁装置，使其处于完好状态；动；　（３）起动成功后，逐渐加载至额定负载运行，应避免机组　主管领导下指令，操作者必须按指令要求进行操作；　（４）操作　　运行时突加、突卸全部负荷，机组应避免长时间怠速空载运行；　者要熟悉发电机性能，严格遵守操作规程。（４）机组运行中应经常观察仪表读数或指针是否在规定范围内，　并检查是否有漏水、漏油、漏气现象；　（５）机组停机需逐渐切　一六、结语　台发电机从安装到投人运行，其间可能还会出现其他的问题，　除负荷，断开输出开关，减速前将投励开关拨到灭磁侧，将油门　但我们只要做好了以上几方面的工作，这些问题是不难解决的。　在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨　四、永磁同步发电系统　永磁同步发电系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，利用　永久磁铁取代转子励磁磁场，无需外部提供励磁电源，减少了励　叶，单速或双速发电机运行。由于其控制策略在定子侧实现，变　频器的容量和发电机的容量之比大于１００％，整个系统的成本、　其对于大型风力发电系统）；而且由于变　磁损耗，因此具有效率高、结构简单、寿命长等优点。此种发电　频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波污染，　机极对数可以较多，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无　但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维　传动机构的并网形式。变速恒频策略是在定子侧实现的，通过控　护和适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用，特别是在　制变频器，将发电机输出的变频变压交流电转换为与电网同频的　离网型风力发电系统巾，目前多用于ｌＯＯｋＷ以下的风力发电系统。　体积和重量显著增加　交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同，存在谐波污　染问题。主要优点：采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直　三、无刷双馈型变速恒频系统　无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机　接耦合，不需要增速传动机构，这样可大大减小系统运行噪声，　特点的交流调速电机，其结构和运行原理与传统的交流电机有较　提高可靠性，便于维护。主要缺点是尽管实现了直接耦合，由于　大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三组　永磁发电机的转速很低，需要大体积的发电机，成本增加，不过　绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁阻型的　结构。通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的　旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕　组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位，可以实现无刷　双馈电机的多种运行方式。　定子上装有两套不同的三相对称绕组，一套接至工频电源，　称为功率绕组；一套接至变频电源，称为控制绕组：转子采用自　行闭合的环路结构。无刷双馈电机特殊的磁场交叉耦合的运行原　理使电极达到稳定同步运行状态时，电机转速满足：　Ｊ　Ｐ±』ｃ＝（Ｐｐ＋Ｐｃ）』ＩＩ１＝（Ｐｐ＋Ｐｃ）ｎ／６０　式巾，　为定子功率绕组电流频率，山于其与电网相连，　ｆ　ｐ与电网频率相同；ｆ　ｍ为转子机械频率，　（ｆ　ｍ＝ｎｌ６０）；ｆ　ｃ　为定子控制绕组电流频率；Ｐｐ为定子功率绕组的圾对数；Ｐｃ为定　子控制绕组的极对数。　无刷双馈电机与普通感应电机的区别在于无刷双馈电机在定　子上有一套控制绕组，可以通过凋节控制绕组的电流频率来改变　转子的转速。与同步电机相比，无刷双馈电机励磁可凋量有三　个：一是与同步电机一样，可调节励磁电流的幅值；二是可改变　励磁频率；三是可改变电流的相位。通过人为地改变励磁频率，　可调节无刷双馈电机的转速，达到凋速的目的。这样，在负荷变　化时，迅速改变电机转速。充分利用转子的动能，释放和吸收负　荷，对电网的扰动远比常规电机轻，另外，通过改变转子电流的　幅值和相位。可达到凋节有功功率和无功功率的目的同步电机励　磁的可调量只有一个，即电流的幅值。所以同步电机励磁一般只　ｔｌｘ，￣无功功率进行调节。与之不同的是，无刷双馈电机励磁除了　可以调节电流幅值，亦可调节电流的相位。所以，无刷双馈电机　不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般说来，当电机吸　收无功功率时，往往功率角变大，使电机稳定度下降。但无刷双　馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机　组运行的稳定度提高，从而多吸收无功功率，克服由于晚问负荷　下降，电网电压过高的困难。与之相比，感应发电机却因需从电　网吸收无功的励磁电流，与电网并行运行后，造成电网的功率因　数变坏。　所以无刷双馈电机较同步电机和感应电机都有着更优越的运　行性能。其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是没　有电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕　线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行速　度可以调节，因此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加　了电机的体积和成本。　由于省去了价格较高的齿轮箱，整个系统的成本还是降低了，一　般用于风＋油或风＋光互补发电。对于海岛、高原地区，小于　ｌＯｋｗ的风——光互补发电更加适用。　五、开关磁阻发电机系统　开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、　动静态性能好、可靠性和效率高的特点。　作电动机运行时，励磁电流产生的旋转磁场使转子动作，改　变相绕组通电顺序，电机可处于连续运动的工作状态；作发电机　运行时，电机的各个物理量随着转子位置的变化作周期性变化，　当电机相电感随转子位置变化减小时，给相绕组通以励磁电流，　则在定子侧发生电磁感应，将机械能转化为电能。由于开关磁阻　发电机运行时相当于一个电流源，电流波形脉动，易实现并网运　行。当开关磁阻电机运行在风力发电系统中时，起动转矩大、低　速性能好，常被用于小型（＜３０ｋＷ）的风力发电系统中。但其逆　变器和驱动器容量大，开关磁阻电机容易出现力矩波动。　六、技术发展趋势展望　为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪　声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱　化、无刷化、智能化等方向发展：　１．风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和　单位功率造价，有利于提高风能利用效率。　２．采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术为　大型风力发电机的控制提供了技术保障。其应用可减小风力发电　机的体积、重量和成本，增加发电量，提高效率和电能质量。　３．风力发电机直接驱动。直接驱动可省去齿轮箱，减少能　量损失、发电成本和噪声，提高了效率和可靠性。　４．风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性，　实现免维护，提高发电效率。　５．智能化控制。采用先进的模糊控制、神经网络、模式识　别等智能控制方法，可以有效克服风力发电系统的参数时变与非　线性因素。　参考文献　…高景德，王祥珩，李发海．交流电机及其系统的分析【Ｍｊ．北　京：清华大学出版社，１９９３．　【２】黄科远，贺益康，卞松江．矩阵式变换器交流励磁的变速恒频　风力发电系统研究卟中国电机工程学报，２００２，２２（１１）．　｝３１，＊－成武，王风祥，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制　技术研究卟中国电机工程学报，２００３，２３（１１）．