变速恒频风力发电系统应用技术研究

史旭春

摘要：我国经济的快速发展，人们生活水平的提高，使得我国对于能源的需求与日俱增，随着人类对能源可持续发展问题的日益重视，风能的利用正变得越来越重要。因此，对风力发电关键应用技术的研究成为国内外风力发电研究的热点。

关键词：变速恒频；风力发电系统；应用技术

引言

我国电力行业的快速发展推动我国快速进入现代化发展阶段，加快各行业的发展速度。随着社会的不断发展，对于电能需求量是越来越更多，为了更好的满足人们对于电能需求，加大了对风力发电开发。风力发电具有无污染和使用周期长的特点，可以更好的对环境进行保护。

1变速恒频风力发电技术发展的重要性

在风力发电中，风力发电机组要对风力发电的布局进行承担，承担着风力发电机组容量增大负荷，所以风力发电机组系统在风力发电中具有重要作用。在风力发电系统中，机组容量在不断增加，风力发电机组配置中存在一些问题，所以对于风力发电机组设计优化具有重要意义，通过风力发电机组优化，可以提高风力发电机组性能，保证风力发电系统正常运行。在风力发电中，通过变速恒频风力发电技术应用，可以保证风力发电机组安全稳定运行，对风力发电中转动系统具有重要作用。

2变速恒频风力发电技术

风能发电就是通过对风能合理地开发和最优化利用，进而实现发电目的。它的发电过程主要由两个能量转换过程构成：一是风能与机械能两者之间的转换过程；二是机械能与电能之间进行转换的过程。整个过程中，发电机占据主要地位，也是其核心部分。它的稳定和可靠对整个系统的性能起决定性作用，影响整体发电效率及输出的电能质量。变速恒频发电能够被大规模利用在风力、水力等清洁能源方面，结合风能的特点，即随机性、不确定性和不稳定性等。恒速恒频发电方式存在受限，因为其转速保持不变，但会随着风速的变化而受到影响。风速发生微弱变化就会使风能的利用效率下降，导致风能资源浪费。然而，通过变速恒频发电就能很好地避开这种缺陷，最大限度地利用风能，通过实时调节转速，始终保持在最佳转速，进而提高发电效率。在该发电系统中，由于随着风速的忽大忽小所产生的多余能量，都会被存储在机械运动的惯性过程中。这样有利于降低和缓解疲劳损坏及机械应力，能够有效地保护机组，降低对机组的损害。这样，不仅能达到对机组有功功率和无功功率的解耦控制的目的，还能有效促进机组的动静态性能；同时，还适用于机组和电网的柔性连接。这种运行方式，常常被应用在国外大型风力发电系统中，尤其是超过MW级的风电系统，应用的比较多。

3变速恒频风电机组

变速恒频风电机组在行业中应用较多，从其构成来看并不复杂，采用的是主流风力发电机组。对于变速频风电机来说，如果需要在额定风速下运行，风电机组要提高能量转换效率，为了实现这一目标，需要对发电机转矩实施有效控制，使机组处于变速运行状态，在此基础上实现目标。变速恒频风电机组的主流所使用的电机组功能较强，采用的是风力发电机组，对风力发电的核心问题具有控制作用。交流励磁变速恒频发电机具有较好的功效，有自己的特殊优势，将其与传统的直流励磁同步发电机相比，可以看到并网过程两者是不同的，与异步发电机相比，在此方面也存在较大的差异。同步发电机与电力系统之间形成密切的关系，体现为“刚性连接”。在深入研究后可以确定，发电机输出频率的大小具有决定性作用的是由原动机速度，与其励磁并无关系。异步发电机在并网操作时，对机组调整精度没有特殊和过高的要求，在并网之后也不会有震荡失步的情况发生。从其并网的方式来看有多种，在应用了交流励磁后，可以看到双馈发电机和电力系统之间形成密切的关系，以“柔性连接”的形式存在，也就是说可以发挥电网电压的作用，与发电机转速相结合，同时还要对励磁电流实施调节，在此之后要调节发电机输出电压，通过这些操作可以满足并网条件，在变速的条件下，并网操作得以实现。

4变速恒频风力发电控制技术

随着科技进步，国内外关于变速恒频发电系统的研究朝着多元化发展。其主要由变速恒频的发电机组来决定，起到最重要作用的就是发电机和电力电子交流装置。基于此，常见的两种系统如下：一种是交流转直流再转交流式发电系统，另一种是交流励磁式变速恒频发电系统。1.交流转直流再转交流式发电系统，发电机和电网之间经过变频器与变压器处理转换后，在此运行过程中发电机的转速也会根据风速的变化而随之发生变化，产生的交流电经过整流器，将交流电经过处理后变为直流电，然后逆变器再次将直流电转换成固定频率的交流电，最后将产生的电能传输到电网。该系统选用的电动机比较常见的为鼠笼式异步发电机。2.交流励磁式变速恒频发电系统，主要由3部分构成：控制电路、双向变换器和双馈感应发电机。其工作原理是将发电机的定子并到电网上，进而转子经过励磁变换器和进线电抗器连接到电网；再利用风能转化为机械能来驱动机械旋转，所生产的机械能可以转换到发动机的转子上，以此来驱动发动机的转子，最终将机械能转换为电能，利用定子绕组将电力传送到电网，完成发电过程。

5变速恒频风力发电关键技术的优点

在风力发电发展中，通过变速恒频风力发电技术，可以让发电系统以最大功率进行运行，会在很大程度上提升发电量，而且通过变速恒频风力发电技术应用，可以保持系统最大功率运行，在运行效率上会有明显提升。另外通过变速恒频风力发电技术应用，可以延长风力机的使用寿命，减少损坏发生几率。随着风力发电的不断发展，风力发电的效率在不断提升，运行成本也在不断进行降低。通过变速恒频风力发电技术应用，可以有效的降低噪音，提升电能质量，实现了计算机自动化管理，可以更好的提升工作效率，促进了风力发电的发展。

6技术发展趋势及展望

为进一步提高风力发电效率，不断降低成本，进一步改善电能质量，减少噪声，最终达到稳定可靠运行的效果，风力发电会逐步向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展，主要包括以下几方面：1.风力发电机逐步大型化。这样可以减少占地面积，实现并网成本费用降低，能够提高风能的利用效率。2.采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术能够为大型风力发电机控制提供相关技术保障，且能够减小风力发电机的体积、重量和成本，进而提高发电量，使风能利用率提高及电能质量改善。3.实现风力发电机直接驱动。直接驱动能够代替齿轮箱，可减少能量损失、降低发电成本和减小噪声，进而提高效率和可靠性。4.实现对风力发电机进行无刷化。选用无刷化，不仅可提高系统的运行可靠性，还能够达到免维护和提高发电效率的效果。5.实现智能化控制。通过采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，能够有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。6.实现磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。

结语

总之，随着科技的迅速发展，风力发电技术正在日益成熟，人类必将迎来清洁能源广泛应用的美好时代。

参考文献

［1］林成武,王凤祥,姚兴佳.变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[J].中国电机工程学报,2003,23(11):122-125.

［2］贺益康,胡家兵,徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京:中国电力出版社,2011.

［3］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[J].中国电机工程学报,2002,22(11):100-105.