风力发电机组的电气控制技术研究与应用

风能作为当今世界的可再生能源，对于解决目前能源与环境问题具有重要作用，由于风能分布较广、蕴藏量丰富以及无污染的特性，使其在全球范围内应用较广。风力发电是继火力、水力等传统发电方式后的新型发电方式，涉及空气动力学、机械、电机和控制诸多技术领域，极大地减少了人类对自然环境的污染。
通过研究风力发电机涡轮机输出功率与风速和转速的关系，制定合理的控制策略。发电时通常采用恒速发电和变速发电两类方法，而变速发电又分为基于同步发电机的“直接在线”发电和基于绕线异步机的“双馈”发电，电机控制系统与桨叶倾角控制在电机运转过程中起着重要的作用。本文将新型控制策略应用于发电机组，设计锥形转子发电机组，较传统发电可节约35%投资。
1、风力涡轮机特性
分析风速、转速以及桨叶倾角等因素对原动机功率产生的影响，在桨叶倾角刀固定为最小值的条件下，风速不同会导致转速有差异，产生的电能也取决于风速的变化。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角刀有关，关系曲线示于图1。

图1 Cp=f（λ）
分析图1，倾角不同时对应曲线也不相同，且每条曲线会分为上升与下降两个阶段，其中下降段是稳定工作区段，倾角越大，叶尖速比与功率系数越大。
2、恒速发电和变速发电
现阶段风力发电技术分为恒速发电与变速发电两大类。
2.1恒速发电
恒速发电一般使用笼型异步电机，电机风速变化时转速保持恒定的发电方式称为恒速发电。发电时涡轮机拖动异步发电机转动，由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小。当风速变化时，通过调整桨叶倾角刀来控制输出功率和转速。
恒速发电又称“刚性”风力发电，具有对野外环境适应性较强、电气系统简单等优点，但对发电设备要求较高，因风速变化时发电效率较低，就要求倾角控制响应快，调节机构易疲劳损坏。
综合分析，采用恒速发电时，电机功率一般小于5000kW。
2.2变速发电
变速发电采用同步发电机或双馈发电机，风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频（50Hz）、恒压电网发电。
变速发电又称“弹性”风力发电，较恒速发电电气系统构造较为复杂，但在不同风速下可以提高发电效率，对电机部件机械要求较低，当强风来时倾角控制器开始工作，机构寿命延长。
综合分析，采用变速发电时，电机功率一般大于1100kW。
3、两种变速发电系统
3.1变速发电分类
变速发电系统分为采用同步发电机的直接在线系统和采用双馈电机（绕线异步机）的双馈系统。
3.1.1直接在线系统的特点
直接在线系统如图2所示，同步电动机输出的频率和电压经交—直—交变频器接至恒压、恒频（50Hz）电网。
1）较双馈系统而言，发电机发出的功率可以被全部吸收，变频器容量较大，投资和损耗也相对较大，谐波吸收困难。
2）通过节约机械结构的投资用于补偿变频器增加的投资，且使用的永磁发电机效率较高，从而增加发电量。
3）变频器所用二极管简单实用，减少了成本的投入。

图2直接在线系统
3.1.2双馈系统的特点
双馈系统示于图3，绕线异步机的定子直接联电网，转子经四象限IGBT电压型交—直—交变频器接电网。发电时，随转速变化而变化的转差功率变化为恒定、恒频（50Hz）的转差功率，进而到达电网。

式中：P为送至电网总功率，PS为定子功率，PR为转子功率，s为转差率。
通过分析转速与同步速的关系确定电网收到的功率。当转速高于同步速时，电网收到的功率为定转子功率之和，大于定子功率;当转速低于同步速时，电网收到的功率小于定子功率。
1）发电时，由于变频器容量较小，投资和损耗也较小，从而提高了发电机效率。
2）由于要求双方向功率流过变频器，故对变频器规格要求较高，价格随之增加。
3）只能使用特定的双馈电机，比永磁电机重，效率低。
3.2比较结果
综合分析，由于双馈系统较直接在线系统的优势更为显著，故生产生活中双馈系统变速发电方式应用较多。

图3双馈系统
3.3变速发电的控制原理
为确保电机发电时的平稳运行以及发电效率，变速发电运用转速信号控制原理，解决了根据风速信号控制功率和转速时扰动较大的问题，变速控制要求较高。
3.3.1三段控制要求
1）低风速段，根据输出最大功率要求进行变速控制。绘制不同风速下涡轮机功率—转速曲线，连接各曲线的最大值点，计算风力发电实际输出功率。分析可知，低风速时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率。
2）中风速段。此阶段为过渡区段，电机转速己达额定值，而功率尚未达到额定值。随着风速的增加，倾角控制器开始工作，使功率也随之增大。
3）高风速段。高风速时，电机功率和转速均受到约束，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制。
3.3.2双馈系统的变频器控制
双馈系统变频器由电机侧PWM变换器和电网侧PWM变换器两部分组成。对双馈系统电机侧变换器的输入给定量进行设定，计算定子电流和转子电流的有功和无功分量给定值，通过基于矢量变换的电流控制，使定、转子电流的有功和无功分量实际值分别等于其给定值。
电网侧PWM变换器控制的输入给定量为直流桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现。当风速增加时，调节桨叶倾角控制转速不变，分析涡轮机功率与转速的关系，采用非线性控制器调节两者的关系。
3.3.3试验结果
将1500kW双馈式变速风力发电机组试验运行，记录运行数据，绘制发电机组运行波形图。
分析波形图，可知：
1）当转速达到1800r/min时，桨叶倾角控制系统开启，维持输出功率在1500kW和转速在1800r/min左右，基本不变，波形中微小的波动是由于倾角控制响应滞后造成的。
2）当风速达到2000r/min时，变速发电开始产生“弹性”效果，部分风能贮存在机组转子的惯量中，输出功率和转矩仅很小波动。
3.4设想
根据风力发电机控制原理，设计一种新型风力发电技术，即锥形转子风力发电机。发电机桨叶呈锥形，向后倾斜，可随着风力的增加调节倾斜角度和部件受力，重量轻，结构强度小；塔体使用牵索拉紧的析架结构；简化结构，采用直接驱动的低速风冷永磁同步发电机，不需要设增速箱；省去倾角闭环控制，可维持倾角液压系统压力不变；电机侧变换器为二极管整流+直流斩波，结构简单，便于维修；变频器带直流斩波的整流器和DC/AC逆变器两大部分构成；发电机中零部件成本较低，可节约投资。
4、结论
1）对于1000kW以上的变速发电机组应用范围较广。
2）采用变速发电时，有同步发电机和双馈异步发电机两个方案。
3）变速发电时，对变流器以及桨叶倾角的控制是保证发电机高效运行的关键技术。当风速较高时，对倾角进行控制；当风速较低时，控制变流器功率—转速是重要步骤。
4）锥形转子风力发电机组在节约成本的基础上可满足供电系统的需求，是未来新能源发电的潮流。 


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