0引言

能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題，日益引起國際社會的廣泛關注，并尋求積極的對策。風能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲量十分豐富。據(jù)估計，全球可利用的風能總量在53000TWh/年。風能的大規(guī)模開發(fā)利用，將會有效減少化石能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環(huán)境。大力發(fā)展風能已經(jīng)成為各國政府的重要選擇。

在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，即風電頻率保持恒定，因此，風力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）。恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機，前者運行于電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步轉速的速度運行。變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)（VSCF），是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉速，并以隨風速變化而通過其它的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。

1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

目前，單機容量為600kW～750kW的風電機組多采用恒速運行方式，這種機組控制簡單，可靠性好，大多采用制造簡單，并網(wǎng)容易，勵磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異步發(fā)電機。恒速風電機組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風力機。定槳距失速型風力機利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能，功率調(diào)節(jié)由風輪葉片來完成，對發(fā)電機的控制要求比較簡單。這種風力機的葉片結構復雜，成型工藝難度較大。而變槳距風力機則是通過風輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機構控制風力機的輸出功率。由于采用的是籠型異步發(fā)電機，無論是定槳距還是變槳距風力發(fā)電機，并網(wǎng)后發(fā)電機磁場旋轉速度由電網(wǎng)頻率所固定，異步發(fā)電機轉子的轉速變化范圍很小，轉差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風力發(fā)電機。

1.1定槳距失速控制

定槳距風力發(fā)電機組的主要特點是槳葉與輪毅固定連接，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，效率降低，達到限制功率的目的。采用這種方式的風力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，當風速達到一定值時必須停機。

1.2變距調(diào)節(jié)方式

在目前應用較多的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，一般情況要維持風力機轉速的穩(wěn)定，這在風速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證，而在風速過大時，輸出功率繼續(xù)增大可能導致電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時就要通過調(diào)節(jié)葉片的槳距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩。由于變槳距調(diào)節(jié)型風機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風機有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風速較低的地區(qū)安裝。變槳距調(diào)節(jié)的另外一個優(yōu)點是在風速超速時可以逐步變化到無負載的全翼展模式位置，避免停機，增加風機發(fā)電量。對變槳距調(diào)節(jié)的一個要求是其對陣風的反應靈敏性。

1.3主動失速調(diào)節(jié)

主動失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，吸取了被動失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點。系統(tǒng)中槳葉設計采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化機組功率的輸出。系統(tǒng)遭受強風達到額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出。

隨著風速的不斷變化，槳葉僅需微調(diào)即可維持失速狀態(tài)。另外，調(diào)節(jié)槳葉還可實現(xiàn)氣動剎車。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是既有失速特性，又可變槳距調(diào)節(jié)，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)控制容易，輸出功率平穩(wěn)，執(zhí)行機構的功率相對較小。

1.4主要缺點

恒速恒頻風力發(fā)電機的主要缺點有以下幾點：一是風力機轉速不能隨風速而變，從而降低了對風能的利用率；二是當風速突變時，巨大的風能變化將通過風力機傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應力;三是并網(wǎng)時可能產(chǎn)生較大的電流沖擊。

目前的恒速機組，大部分使用異步發(fā)電機，在發(fā)出有功功率的同時，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補償大部分消耗的無功功率）。而現(xiàn)代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于以上原因，變速風電機組越來越受到風電界的重視，特別是在進一步發(fā)展的大型機組中將更為引人注目。

當然，決定變速機組設計是否成功的一個關鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設計。

2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

利用變速恒頻發(fā)電方式，風力機就可以改恒繹技術交流速運行為變速運行，這樣就可能使風輪的轉速隨風速的變化而變化，使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比，使風力機的風能利用系數(shù)在額定風速以下的整個運行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。尤其是這種變速機組可適應不同的風速區(qū)，大大拓寬了風力發(fā)電的地域范圍。即使風速躍升時，所產(chǎn)生的風能也部分被風輪吸收，以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉變?yōu)殡娔?，送入電網(wǎng)，從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩(wěn)，風力機組運行更加平穩(wěn)和安全。

風力發(fā)電機變速恒頻控制方案一般有4種：

（1）鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；

（2）交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；

（3）無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；

（4）永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。

2.1鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

采用的發(fā)電機為鼠籠式轉子，其變速恒頻控制策略是在定子電路實現(xiàn)的。由于風速是不斷變化的，導致風力機以及發(fā)電機的轉速也是變化的，所以，實際上鼠籠式風力發(fā)電機發(fā)出的電是頻率變化的，即為變頻的，通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把變頻的電能轉化為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能。盡管實現(xiàn)了變速恒頻控制，具有變速恒頻的一系列優(yōu)點，但由于變頻器在定子側，變頻器的容量需要與發(fā)電機的容量相同，使得整個系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加，尤其對于大容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。

2.2雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)常采用的發(fā)電機為轉子交流勵磁雙饋發(fā)電機，其結構與繞線式異步電機類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現(xiàn)的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，所需的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。

這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔?。缺點是交流勵磁發(fā)電機仍然有滑環(huán)和電刷。

目前已經(jīng)商用的有齒輪箱的變速恒頻系統(tǒng)，大部分采用繞線式異步電機作為發(fā)電機，由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)和電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。而無刷雙饋電機定子有兩套級數(shù)不同繞組，轉子為籠型結構，無須滑環(huán)和電機，可靠性高。這此優(yōu)點都使得無刷雙饋電機成為當前研究的熱點。但在目前，這種電機在設計和制造上仍然存在著一些難題。