徐庆辉

摘要：随着电力能源的需求不断增长，风力发电系统也逐步受到重视，关于风力发电系统机组并网的的讨论从未停止。变速恒频技术是实现这一需求的关键性技术，其与恒速恒频的控制方式存在诸多区别，在实际应用中具有相当明显的优势。本文简要介绍了变速恒频风力发电系统的技术基础，对双馈发电机、笼型发电机等几种控制形式进行探析。

关键词：变速恒频；风力发电系统；运行；控制

【中图分类号】TM614

风力发电作为清洁能源发电，具有很大的发展潜力，能够在未来的电力行业中占据一席之地。但是风力发电并入电网存在一定的技术难点，需要通过变速恒频实现风电系统和电网的高效互联，进一步提升风电系统的发展空间和能力。

一、风力发电系统变速恒频运行的技术基础探析

风力发电系统在变速恒频运行模式下，随着外界风速的变化，风力机的转速也会随之对应出现变化，需要通过一定的控制手段，实现电能传输恒定，就是变速恒频的实质所在。风力机功率的影响因素主要包括了三个，即叶尖转速比 、桨叶节距角 和风速 。根据相关资料可知，风力机功率 的计算式为：

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上述三个计算式中： 为空气密度；R为风力机的风轮半径； 为风轮的角速度； 为风能利用系数。可以看出，桨叶节距角以及叶尖转速比都可对风能利用系数产生较大的影响。在桨叶节距角处于一个固定值时，就只有叶尖转速比对风能利用系数产生影响了。对于风力机来说，其具有一个风能利用系数上限，也就是最大利用值，该值下对应的叶尖转速比是最佳值。在变速恒频技术中，风力机在不同风速下具有不同的运转速度，可以有效切换运转速度追求风能最大转换。

风电系统变速恒频的运行方式非常适用，具有下面几个优点。

第一，变速恒频运行可以有效减少风力机受到阵风冲击的机械应力影响，可以在风速升高时把阵风余量转化为风力机的转动惯量；当外界风速出现下降的时候，又可以把转动惯量重新释放，通过一定的控制手段使其转为电能。

第二，电网和风电机组可以在变速恒频运行模式下进行柔性连接，有效削弱电网和风电系统之间存在的差异，切实降低并网后冲击电流引发的问题，保障电网运行安全。除此之外，变速恒频的实现比较容易，是进行风电并网的不二选择。

第三，风力机在低风速条件下会产生噪音，但是变速恒频技术可以有效缓解这一问题。在低风速情况下，风力机可以把存储的动能释放保证风力机的稳定运行，这就避免了风速较低情况下恒速运行产生的噪音。

总之，变速恒频运行已经得到国内外风电行业的一致认可，并且开始使用变速恒频取代恒速恒频，在提高发电效率和捕获风能等方面进行着深入研究。

二、风电系统的变速恒频控制手段探究

（一）双馈发电机在风电系统中的变速恒频控制

双馈电机的结构和普通电机比较类似，在风电系统中进行变速恒频控制时，定子绕阻和电网进行直接连接，转子绕阻在变频器作用下可以提供相位、相序、幅值和频率都可以变化的三相低励磁电流。在风速随机变化的情况下，电机转速改变引起变频调节器对转子的励磁电流进行调节，进而促使定子和转子的速度能够实现同步。

转差控制是双馈发电机进行调速的基础。发电机转速范围和转子电路的功率具有直接关联，转差功率通常是定子额定功率的三分之一到四分之一。功率转换装置可以大幅缩减变频器成本，简化系统设计。双馈发电机在风电系统中不仅可以实现变速恒频控制，还可以改变发电机功率角、降低变频器的容量、调节励磁电流相位等，能够促使电网和风电系统的并网工作不断简化。但是，这种控制方式也存在一定缺陷，就是交流历次电机中电刷和滑环产生的机械磨损会缩短电机寿命，需要市场时常维护。

（二）笼型异步发电机在风电系统中的变速恒频控制

笼型异步发电机不存在电刷和滑环这两种结构，这也是它与双馈发电机存在的最大区别。笼型异步电机的结构简单，运行可靠。由于可以在电网中获取励磁电流和感性无功功率，因此不需要励磁装置，所以电机整体结构简单、尺寸较小、重量较轻。利用笼型异步发电机在风电系统中实现变速恒频控制，其从本质上来说是对定子电路进行控制，再将电网和定子进行连接。先将风能转化为频率和幅值均可改变的交流电，再通过整流作用将其转化为直流电，在通过逆变器的逆变作用，形成三相恒頻交流电后接入到电网中。利用PWM整流器可以对笼型发电机的转矩和磁链形成解耦控制，PWM逆变器可以使直流侧电压保持稳定，最大程度削减谐波含量，逆变效果很好，可以大幅提升风力发电系统的运行控制。

（三）永磁同步系统在风电系统中的变速恒频控制

永磁同步系统和笼型发电机相似，其利用了永久磁铁取代转子励磁磁场，不需要借助外部励磁电源，有效降低了励磁损耗。此外，和其他控制系统不同，永磁同步发电机不存在换向装置，使用效率和寿命都很高。永磁同步发电机可以使发电机和风力机实现直接耦合，而且不需要增速传动机作为中间环节，最大程度上降低了系统运行过程中的噪音，提升了发电系统的可靠性。但是，由于转速较低的原因，永磁同步发电机的体积一般较大，成本会出现一定上升。不过由于剔除了齿轮箱这一结构，整体来说成本还是出现了一定的下降。

（四）开关磁阻发电机在风电系统中的变速恒频控制

开关磁阻发电机最大的特点就是结构简单、效率较高、可靠性强、能量密度高以及过载能力强。在开关磁阻发电机运行时，其电流产生的磁场会促使转子进行动作，可以使电机处于连续工作状态。在开关磁阻发电机的运行过程中，发电机本身等同于电流源，产生的电流波形会出现脉动现象。在风电系统中，开关磁阻电机具有很大的起动转矩和良好的低速性，在小型风电系统中使用较为广泛。但是，由于驱动器和逆变器都具有较大的容量，容易导致力矩波动问题出现。

结束语：

风力发电系统不断扩大不仅可以缓解用电压力，更可以有效利用风能。为了实现风电系统和电网的高效并网，需要借助各种不同的变速恒频技术得以实现。

参考文献：

[1]王冠琰，李娜.变速恒频风力发电技术综述[J].电气技术与自动化，2010

[2]刘向阳，邱凤蓉.变速恒频风力发电系统主要方案[J].装备机械，2009

[3]程启明，汪明媚，等.风力发电机组并网技术研究综述[J].华东电力，2011