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摘要：闸明了为最大限度利用风能，风力发电系统应用变速恒频控制策略，并分析了变速磁双馈发电机、无刷双馈发电机和永磁发电机的变速恒频风力发电系统进行了性能对比分析。

关键词：风力发电；变速恒频控制策略；方案对比分析

一、引言

广泛应用的常规能源（如石油、天然气、煤及核能等）是有限的并会产生污染。而洁净的可再生能源（如太阳能、潮汐能及风能等）最近一些年来得到了长足的发展，其中风能作为一种洁净无污染的可再生能源，是目前最具有大规模开发利用前景的能源，也是一种最具有竞争力的非常规能源。风力发电是风能的主要形式，风力发电对电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。

在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。
风力机的功率与风速的三次方成正比，即

P=1/2CpAρυ3

式中：ρ--空气密度；υ--风速；A--风力机的扫掠面积；C--风力机的输出功率系数（一般Cp=1/3~2/5，最大可达16/27=0.59）

当风速在一定范围变化时，若允许风力机做变速运行，则能达到更好利用风能的目的。这是由于风力机的输出功率系数Cp在某一确定的尖速比（叶轮尖的线速与风速的比值）TSR（tipspeedratio）下达到最大值，如图1所示。恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然Cp不可能保持在最大值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风力机的转速可变，可以通过适当的控制，使风力的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。

由于变速恒频控制能够获取风力机的最大输出功率，从而最大限度的捕获风能，所以，风力发电系统采用变速恒频控制方案。

二、变速恒频风力发电系统的功率转换子系统

在变速恒频风力发电系统中，需要一种功率转换装置将发电发出的电能控制为恒频。变速恒频风力发电系统中功率转换子系统如图2所示，其主要组成环节及作用如下：

1、发电机

把风力机输出的机械能转变为电能。

2、发电机侧变流器

由自关断器件（如GTR、IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。

3、直流环节

一般直流环节的电压控制为恒定。

4、网侧变流器

由自在断器件构成的DC/AC变流器，采用某月种控制方法使直流电转变为三相弦波交流电（如50Hz、690V的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。

5、变压器

通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV或33kV等）。

其中2~4可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交-直-交变频器，也有采用交-交变频器。另外，在有的方案中发电机的全部功率通过变频器进行转换，而有的方案只有部分功率通过变频器进行转换。

变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：

1、最大限度的捕捉风能。

2、较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。

3、采用一定的控制策略（如矢量PWM）可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统可起功率因数补偿的作用。

4、采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。

三、风力发电系统的4种变速恒频方案

1、笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

图3笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

系统如图3所示，采用的发电机为笼型转子，其变速恒频控制策略在定子电路实现。由于风速的不断变化，所以实际上笼型风力发电机发出的电频率是变化的，即为变频的。通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频控制的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量与发电机的容量相同，使整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其是对于大容量风力发电系统。

2、交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统

图4交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统

系统如图4所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子的频率f2，可使定子频率f1恒定，即应满足

f1=pfm±f2（2）

式中：f1--定子电流频率，与电网频率相同；fm--转子机械频率，fm=n/60；p--电机的极对数；f2--转子电流频率

当发电机的转速n小于定子转磁场的转速n1时，即n＜n1处于同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网，式（2）取正号；当n＞n1时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向，式（2）取负号；当n＝n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，f2＝0，变频器向转子提供直流励磁。

由式（2）可知，当时电机的转速n变化时，即pfm变化时，若控制f2相应变化，可使保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。

由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图4中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。

3、无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统

系统如图5所示，采用的发电机为无刷双馈发电机。其定了有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网，如图5所示。（定子绕组也可只有一套绕组，但需有6个出线端，3个为功率端口，接工频电网）。其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。

图5无刷双馈发电机变速恒频控制风力发电系统

这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈发电机，有：

fp±fc＝（pp＋pc）fm（3）

式中：fp--定子功率绕组电流频率，由于其与电网相连，与电网频率相同；fc--定子控制绕组电流频率；pp--定子功率绕组的极对数；pc--定子控制绕组的极对数

超同步时，式（3）取""；亚同步时，取"-"。由式（3）可知，当发电机的转速n变化时，即fm变化时，若控制fc相应变化，可使fp保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。
尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率的功率绕组功率的pc/（pp＋pc），因此图5中所示的双象变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。
这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统的可靠性。

4、永磁发电机变速恒频风力发电系统

该系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所在采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机的变频的交流是通过变频器转变为电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的定容量相同。
采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，使整个系统的成本还是降低了。

四、结论

为充分利用风能电源，风力发电系统应采用变速恒频控策略。4种变速恒频控制方案的性能对比见下表，通过以上的对比分析可知：

1、方案一和方案四的风力发电系统，其变频器的容量与系统容量相同，因此一般适用于小容量的风力发电系统。

2、对于大、中容量的风力发电系统，适于采用方案二或方案三，因为变频器的容量仅为系统总量的一小部分。

3、方案二和方案三的风力发电系统，皆可在亚同步和超同步状态下运行，具有更宽的转速运行范围。

4、方案一、方案三和四和风力发电系统，所采用的发电机转子结构无电刷和滑环，坚固耐用，具有较高的可靠性。

5、若采用直接驱动方案，无需增速齿轮箱，则可降低系统运行噪声，进一步提高可靠性。实际上，直接驱动和变速恒频是风力发电的两个重要发展方向。