風力發電機組的電氣控制技術研究與應用

風能作為當今世界的可再生能源，對于解決目前能源與環境問題具有重要作用，由于風能分布較廣、蘊藏量豐富以及無污染的特性，使其在全球范圍內應用較廣。風力發電是繼火力、水力等傳統發電方式后的新型發電方式，涉及空氣動力學、機械、電機和控制諸多技術領域，極大地減少了人類對自然環境的污染。
通過研究風力發電機渦輪機輸出功率與風速和轉速的關系，制定合理的控制策略。發電時通常采用恒速發電和變速發電兩類方法，而變速發電又分為基于同步發電機的“直接在線”發電和基于繞線異步機的“雙饋”發電，電機控制系統與槳葉傾角控制在電機運轉過程中起著重要的作用。本文將新型控制策略應用于發電機組，設計錐形轉子發電機組，較傳統發電可節約35%投資。
1、風力渦輪機特性
分析風速、轉速以及槳葉傾角等因素對原動機功率產生的影響，在槳葉傾角刀固定為最小值的條件下，風速不同會導致轉速有差異，產生的電能也取決于風速的變化。
渦輪機轉速、輸出功率還與槳葉傾角刀有關，關系曲線示于圖1。

圖1 Cp=f（λ）
分析圖1，傾角不同時對應曲線也不相同，且每條曲線會分為上升與下降兩個階段，其中下降段是穩定工作區段，傾角越大，葉尖速比與功率系數越大。
2、恒速發電和變速發電
現階段風力發電技術分為恒速發電與變速發電兩大類。
2.1恒速發電
恒速發電一般使用籠型異步電機，電機風速變化時轉速保持恒定的發電方式稱為恒速發電。發電時渦輪機拖動異步發電機轉動，由于只工作在機械特性的線性區，轉差率很小。當風速變化時，通過調整槳葉傾角刀來控制輸出功率和轉速。
恒速發電又稱“剛性”風力發電，具有對野外環境適應性較強、電氣系統簡單等優點，但對發電設備要求較高，因風速變化時發電效率較低，就要求傾角控制響應快，調節機構易疲勞損壞。
綜合分析，采用恒速發電時，電機功率一般小于5000kW。
2.2變速發電
變速發電采用同步發電機或雙饋發電機，風速變化時，轉速也隨之變化，通過電力電子變換器，使電機接入恒頻（50Hz）、恒壓電網發電。
變速發電又稱“彈性”風力發電，較恒速發電電氣系統構造較為復雜，但在不同風速下可以提高發電效率，對電機部件機械要求較低，當強風來時傾角控制器開始工作，機構壽命延長。
綜合分析，采用變速發電時，電機功率一般大于1100kW。
3、兩種變速發電系統
3.1變速發電分類
變速發電系統分為采用同步發電機的直接在線系統和采用雙饋電機（繞線異步機）的雙饋系統。
3.1.1直接在線系統的特點
直接在線系統如圖2所示，同步電動機輸出的頻率和電壓經交—直—交變頻器接至恒壓、恒頻（50Hz）電網。
1）較雙饋系統而言，發電機發出的功率可以被全部吸收，變頻器容量較大，投資和損耗也相對較大，諧波吸收困難。
2）通過節約機械結構的投資用于補償變頻器增加的投資，且使用的永磁發電機效率較高，從而增加發電量。
3）變頻器所用二極管簡單實用，減少了成本的投入。

圖2直接在線系統
3.1.2雙饋系統的特點
雙饋系統示于圖3，繞線異步機的定子直接聯電網，轉子經四象限IGBT電壓型交—直—交變頻器接電網。發電時，隨轉速變化而變化的轉差功率變化為恒定、恒頻（50Hz）的轉差功率，進而到達電網。

式中：P為送至電網總功率，PS為定子功率，PR為轉子功率，s為轉差率。
通過分析轉速與同步速的關系確定電網收到的功率。當轉速高于同步速時，電網收到的功率為定轉子功率之和，大于定子功率;當轉速低于同步速時，電網收到的功率小于定子功率。
1）發電時，由于變頻器容量較小，投資和損耗也較小，從而提高了發電機效率。
2）由于要求雙方向功率流過變頻器，故對變頻器規格要求較高，價格隨之增加。
3）只能使用特定的雙饋電機，比永磁電機重，效率低。
3.2比較結果
綜合分析，由于雙饋系統較直接在線系統的優勢更為顯著，故生產生活中雙饋系統變速發電方式應用較多。

圖3雙饋系統
3.3變速發電的控制原理
為確保電機發電時的平穩運行以及發電效率，變速發電運用轉速信號控制原理，解決了根據風速信號控制功率和轉速時擾動較大的問題，變速控制要求較高。
3.3.1三段控制要求
1）低風速段，根據輸出最大功率要求進行變速控制。繪制不同風速下渦輪機功率—轉速曲線，連接各曲線的最大值點，計算風力發電實際輸出功率。分析可知，低風速時渦輪機產生的機械功率大于電機發出的電功率。
2）中風速段。此階段為過渡區段，電機轉速己達額定值，而功率尚未達到額定值。隨著風速的增加，傾角控制器開始工作，使功率也隨之增大。
3）高風速段。高風速時，電機功率和轉速均受到約束，轉速靠傾角控制器限制，功率靠變頻器限制。
3.3.2雙饋系統的變頻器控制
雙饋系統變頻器由電機側PWM變換器和電網側PWM變換器兩部分組成。對雙饋系統電機側變換器的輸入給定量進行設定，計算定子電流和轉子電流的有功和無功分量給定值，通過基于矢量變換的電流控制，使定、轉子電流的有功和無功分量實際值分別等于其給定值。
電網側PWM變換器控制的輸入給定量為直流槳葉傾角控制通過液壓執行機構來實現。當風速增加時，調節槳葉傾角控制轉速不變，分析渦輪機功率與轉速的關系，采用非線性控制器調節兩者的關系。
3.3.3試驗結果
將1500kW雙饋式變速風力發電機組試驗運行，記錄運行數據，繪制發電機組運行波形圖。
分析波形圖，可知：
1）當轉速達到1800r/min時，槳葉傾角控制系統開啟，維持輸出功率在1500kW和轉速在1800r/min左右，基本不變，波形中微小的波動是由于傾角控制響應滯后造成的。
2）當風速達到2000r/min時，變速發電開始產生“彈性”效果，部分風能貯存在機組轉子的慣量中，輸出功率和轉矩僅很小波動。
3.4設想
根據風力發電機控制原理，設計一種新型風力發電技術，即錐形轉子風力發電機。發電機槳葉呈錐形，向后傾斜，可隨著風力的增加調節傾斜角度和部件受力，重量輕，結構強度小；塔體使用牽索拉緊的析架結構；簡化結構，采用直接驅動的低速風冷永磁同步發電機，不需要設增速箱；省去傾角閉環控制，可維持傾角液壓系統壓力不變；電機側變換器為二極管整流+直流斬波，結構簡單，便于維修；變頻器帶直流斬波的整流器和DC/AC逆變器兩大部分構成；發電機中零部件成本較低，可節約投資。
4、結論
1）對于1000kW以上的變速發電機組應用范圍較廣。
2）采用變速發電時，有同步發電機和雙饋異步發電機兩個方案。
3）變速發電時，對變流器以及槳葉傾角的控制是保證發電機高效運行的關鍵技術。當風速較高時，對傾角進行控制；當風速較低時，控制變流器功率—轉速是重要步驟。
4）錐形轉子風力發電機組在節約成本的基礎上可滿足供電系統的需求，是未來新能源發電的潮流。 


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