变频技术在风力发电中的应用

摘要 :随着风力发电技术和设备在我国的普及和发展，由风力发电机所产生的电力正在我国得到迅速的增长。根据控制对象-电机结构的不同和风力发电的要求，而采 用的变频技术、系统结构、控制方法、控制策略和电网匹配并网方法等将是我们电力电子领域的研究和开发主要课题之一。本文针对当今不同的控制方法和技术进行了分析和论述。 关键词：风力发电 变频调速 电网匹配

Abstract：In space with spreading and developing of wind-engergy technology and equipment in China, power generated by wind-energy generators will be increased widely soon in China. According to the different control object –structure of motors and the requirment of wind-energy control, converter technology, system configuration, control methold, control strategy and technology matching to power network will mainly be a developing target and key topic in the power–electronic field. The article analyses and discribe the different control technology and metholds now.

Key words: Power of wind-energy rk

一、风力发电的意义及特点

随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可开采221年，石油39年，天然气只能用60年。如何实现能源的持续发展，从而保证我国经济的可持续发展，已经是我们必须解决的大问题，即能源战略问题。我们要有计划地利用常规能源、节约现有的能源、开发新能源和可再生能源。目前我国电能产生主要靠是火力发电，火力发电以碳氢化合物为主要成分的煤、重油等为燃料，燃烧后向大气排放SO2、CO2等有害气体及烟尘，SO2形成酸雨，对农作物、森林、建筑物及金属材料构成危害和腐蚀。CO2形成温室效应，改变局部气候，造成各种自然灾害。为了减少火电对大气的污染，实现能源的持续发展，世界各国都在积极地发展风力发电，随着风力发电装机容量的快速发展和风力发电机技术的成熟和不断完善，在今后10年，风力发电必将成为我国更加重视和重点开发的能源之一。

和火力发电相比，风力发电有其自己的特点，具体表现在以下几个方面： 可再生的洁净能源

风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗资源，不污染环境。这是火力发电所无法比拟的优点。

variable speed of Converter matching with power netwo

建设周期短

一个万千瓦级的风电场建设周期不到一年。 装机规模灵活

可根据资金情况，决定一次性投资的装机容量规模。有一台设备的资金就可安装一台，投产一台。

可靠性高

把现代高科技应用于风力发电机组，使风力发电可靠性大大提高。中大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到98%，高于火力发电，并且机组寿命可达20年。

造价低

从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。

运行维护简单

现代中大型风力机自动化水平很高，由于采用了微机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护更加完善，并且实现了单机控制，多机群控和摇控，完全可以无人值守，只需定期进行必须要的维护。不存在火力发电大修问题。

实际占地面积小

据统计，机组与监控、变电等建筑仅战友火电厂的1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

发电方式多样化

风力发电既可并网运行，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电组成互补系统，还可以运行，因此，对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可行性。

二、风力发电系统的电源变换技术

变速风力发电机组根据风速的变化，使机组保持最佳叶尖速比，从而获得最大风能。随着电力电子技术的发展，半导体器件和变频器在电源方面上应用中的进步,成就了发达国家在70年代初的第一次世界能源危机期间用变频调速实现高效节能事业的大发展。随着可控硅、GTO、IGCT和IGBT等电力电子元器件的开发及应用和相应的控制技术的发展，整流側也可以根据需要采用与逆变侧相同的电力电子元器件和变频结构。另外变速风力发电机组与电网实现了柔性连接，大大减少了机械冲击和对电网的冲击。不同的风力发电变频调速并网系统方案：

1. 风力发电采用同步发电机的方案

交流同步发电机的转速是一固定和恒速转速，此发电机的转速与电网频率的匹配是简单的硬连接，风力资源具有较大的随机性，因此发电机和电网之间使用交-直-交的频率变换器可使风机在较大转速范围内运行。图1所示的采用同步发电机风力发

图1 风力发电采用同步发电机的方案

电方案对于同步机的励磁可以有两种方法：单独给励磁同步发电机的转子绕组提供一直流电源的方案和采用永磁同步发电机方案，两者的主要区别在一般后者更倾向应用在中、小容量的风力发电机组。

2. 风力发电采用的异步发电机的方案

通过日常维护经验,我们知道：如果一种方案没有滑环的存在，这种方案将是最受欢迎的方案。这也是当今交流异步电机更受青睐的原因。

图2 风力发电采用交流异步电机的方案

图3 风力发电采用交流异步双馈电机的方案

在风力发电领域也含括着同样的问题，图2和图3都为交流异步电机的方案。图2的方案一般采用在双速电机的方案上，即：在低风速运行时的效率问题，在整个运行风速范围内由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，会使浆叶过早进入失速状

态，同时发电机本身也存在低负荷时的效率问题。因此在风力发电系统中普遍采用交流异步双速电机，分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。这样，当风力发电机组在低速段运行时，不仅浆叶有较高的气动效率，发电机的效率也可能保持在较高水平。

图3为交流异步双馈发电机的方案。应该说这种方案是目前所公认的、最为经济和有效的风力发电机的方案，整个系统为一交流双馈发电机和一变频器，其设计的速度范围在一般为四极（或6极）电机，即：在每分钟1500为额定转速，而电网的频率标准是50HZ，每分钟1500转也为电网的同步速度。发电机的定子绕组通过接触器与电网连接，而发电机的转子则是通过四象限交-直-交变频器与电网相连接，发电机的加速是由风力来驱动的。在驱动到一特定的速度范围时，变频器就开始随着电网的需求对电机的转子电流进行调节，通过调节转子电流的频率、相位和功率达到调节定子侧的输出功率，使之与风机输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近。此系统的特点为：由于变频器仅介于电机的转子和电网之间，故变频器的容量大约为发电机总容量的25%；可以根据电网的需要，可以控制系统的功率因数在容性或感性之间。

三、风力发电机的并网方法

风力发电领域要解决的一个很重要的问题是风力发电机组的并网问题。目前在国内和国外大量采用的是交流异步发电机，其并网方法也根据电机的容量不同和控制方式不同而变化。根据电机理论，异步发电机并入网运行时，是靠滑差率来调整负荷的，其输出的功率与转速近乎成线性关系，因此对机组的调速要求不像同步发电机那么严格和精确，只要检测到转速接近同步转速时就可并网，国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中，多采用异步发电机，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流（约为异步发电机额定电流的4~7倍），并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使电压保护回路动作，从而导致异步发电机根本不能并网。当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种。

1. 直接并网

这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由测速装置给出，而后者通过自动空气开关合闸完成并网过程。显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千

瓦级以下或电网容量较大的情况下。中国最早引进的55KW风力发电机组及自行研制的50KW风力发电机组都是采用这种方法并网的。

2. 降压并网

这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除，这种并网方法适用于百千瓦级以上，容量较大的机组，显见这种并网方法的经济性较差，中国引进的200KW异步风力发电机组，就是采用这种并网方式，并网时发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。

3. 通过可控的晶闸管软并网

这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制。接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。其并网过程如下：当风力发电机组接收到由控制系统内微处理机发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出风力发电机组开始启动的命令。当发电机转速接近同步转速时（约为99%~100%同步转速），双向晶闸管的控制角同时由180°到0°逐渐同步打开；与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由0°到180°逐渐增大，异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网；随着发电机转速继续升高，电机的滑差率逐渐趋于零，当滑差率为零时，并网自动开关动作，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数（COSφ）提高到0.95以上。

这种软并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流值在规定的范围内（一般为1.5倍额定电流以下，从而得到一个平滑的并网暂态过程。通过晶闸管软并网方法将风力驱动的异步发电机并入电网是目前国内外中型及大型风力发电机组中普遍采用的，中国引进和自行开发研制生产的250KW、300KW、600KW的并网型异步风力发电机组，都是采用这种并网技术。

4.采用变频技术控制无功量去调节电网的功率因数

在风电的领域，经常遇到的一个的难题是：薄弱的电网短路容量、电网电压的波动和风力发电机的频繁掉线。由于变频技术的发展，我们可以使交-直-交的变频调节装置的控制功能很容易的根据电网采集到的线路电压波动的情况、功率因数的状况、电网的要求和我们所期望值相比较，通过整个系统内部的通讯单元把要控制的要求传递给风电场的每一台风力发电机中的控制单元，

调节和控制变频装置的频率、相位角和幅值使之达到调节电网的功率因数，为弱电网提供无功能量的要求。这样的一个系统应该是一个闭环控制系统。

四、结束语

发电机、桨距装置和变频器三者很好的匹配可以很完美地达到下列效益：

 充分利用内地和沿海的风力场资源，产生当今我们急需的电力；

 根据电网状况，优化系统的功率因数，达到对系统的无功能量的控制和管理；  根据风速的变化，通过变桨距叶片和叶尖速比，从而获得最大风能；  既提供了洁净的电力资源，又为人类创造了一个好的生存环境。