0引言

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

在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，即風(fēng)電頻率保持恒定，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，所采用的發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，前者運(yùn)行于電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF），是指在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并以隨風(fēng)速變化而通過(guò)其它的控制方式來(lái)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(jī)容量為600kW～750kW的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速運(yùn)行方式，這種機(jī)組控制簡(jiǎn)單，可靠性好，大多采用制造簡(jiǎn)單，并網(wǎng)容易，勵(lì)磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異步發(fā)電機(jī)。恒速風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風(fēng)力機(jī)。定槳距失速型風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)輪葉片翼型的氣動(dòng)失速特性來(lái)限制葉片吸收過(guò)大的風(fēng)能，功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來(lái)完成，對(duì)發(fā)電機(jī)的控制要求比較簡(jiǎn)單。這種風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度較大。而變槳距風(fēng)力機(jī)則是通過(guò)風(fēng)輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。由于采用的是籠型異步發(fā)電機(jī)，無(wú)論是定槳距還是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍很小，轉(zhuǎn)差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

1.1定槳距失速控制

定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是槳葉與輪毅固定連接，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)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(fēng)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(dá)到限制功率的目的。采用這種方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組的整體效率較低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)必須停機(jī)。

1.2變距調(diào)節(jié)方式

在目前應(yīng)用較多的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般情況要維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，這在風(fēng)速處于正常范圍之中時(shí)可以通過(guò)電氣控制而保證，而在風(fēng)速過(guò)大時(shí)，輸出功率繼續(xù)增大可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)和機(jī)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(shí)就要通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的槳距，改變氣流對(duì)葉片攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。由于變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)安裝。變槳距調(diào)節(jié)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在風(fēng)速超速時(shí)可以逐步變化到無(wú)負(fù)載的全翼展模式位置，避免停機(jī)，增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量。對(duì)變槳距調(diào)節(jié)的一個(gè)要求是其對(duì)陣風(fēng)的反應(yīng)靈敏性。

1.3主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

主動(dòng)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(dòng)失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中槳葉設(shè)計(jì)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(jī)組功率的輸出。系統(tǒng)遭受強(qiáng)風(fēng)達(dá)到額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出。

隨著風(fēng)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(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是既有失速特性，又可變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減弱了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)控制容易，輸出功率平穩(wěn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對(duì)較小。

1.4主要缺點(diǎn)

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速而變，從而降低了對(duì)風(fēng)能的利用率；二是當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，巨大的風(fēng)能變化將通過(guò)風(fēng)力機(jī)傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力;三是并網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生較大的電流沖擊。

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

當(dāng)然，決定變速機(jī)組設(shè)計(jì)是否成功的一個(gè)關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設(shè)計(jì)。

2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

利用變速恒頻發(fā)電方式，風(fēng)力機(jī)就可以改恒繹技術(shù)交流速運(yùn)行為變速運(yùn)行，這樣就可能使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，使其保持在一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運(yùn)行獲取更多的能量。尤其是這種變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速區(qū)，大大拓寬了風(fēng)力發(fā)電的地域范圍。即使風(fēng)速躍升時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)能也部分被風(fēng)輪吸收，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免了主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭矩及應(yīng)力，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽腿腚娋W(wǎng)，從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻控制方案一般有4種：

（1）鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；

（2）交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；

（3）無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；

（4）永磁發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2.1鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

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

2.2雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)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?jī)H為發(fā)電機(jī)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(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｈ秉c(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(jī)作為發(fā)電機(jī)，由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)和電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。而無(wú)刷雙饋電機(jī)定子有兩套級(jí)數(shù)不同繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無(wú)須滑環(huán)和電機(jī)，可靠性高。這此優(yōu)點(diǎn)都使得無(wú)刷雙饋電機(jī)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但在目前，這種電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造上仍然存在著一些難題。