北車風(fēng)電有限公司 王建維

1 概述

在過去的20多年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，特別是最近幾年，大型機(jī)組得到迅速推廣應(yīng)用。技術(shù)的不斷進(jìn)步是機(jī)組單機(jī)容量得以不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部是定槳距失速型風(fēng)機(jī)。由于定槳距機(jī)組葉片的角度不能在風(fēng)速變化時進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)，因此無法在低風(fēng)速時獲取最大的風(fēng)能；在風(fēng)速為額定風(fēng)速時功率最大，當(dāng)風(fēng)速超過額定值后，發(fā)電功率又明顯下降，故定槳距失速型風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益不甚理想，因此這種型的機(jī)組很難向大型化方向發(fā)展。目前該類型的產(chǎn)品均為小型機(jī)組，兆瓦級機(jī)組均不采用此類型的結(jié)構(gòu)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組發(fā)展到了變槳距系統(tǒng)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片角度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的風(fēng)速情況下，通過調(diào)節(jié)葉片的角度使攻角保持最佳狀態(tài)，從而獲得較大的轉(zhuǎn)換效率。變槳距機(jī)組的額定風(fēng)速較低，啟動性能較好，而且在風(fēng)速超過額定值時通過變槳系統(tǒng)可以有效地控制葉片的迎風(fēng)角度，使得發(fā)電機(jī)有著較為平滑的功率曲線，大大提高了發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。通過技術(shù)的不斷提高和新材料的不斷應(yīng)用，葉片結(jié)構(gòu)變得越來越簡單、重量也越來越輕，易于機(jī)組的大型化，因此大型風(fēng)電機(jī)組多采用變槳距技術(shù)。

目前，風(fēng)電技術(shù)已發(fā)展到了更先進(jìn)的變速變槳距機(jī)型。變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時應(yīng)用了變槳技術(shù)和變速恒頻技術(shù)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)速的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便最大限度地吸收風(fēng)的能量，提高轉(zhuǎn)換效率。由于在發(fā)電機(jī)中采用了變速恒頻技術(shù)，使發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平大幅度提高，總體發(fā)電效率得到進(jìn)一步提高。兆瓦級以上的機(jī)組大都是變速變槳距機(jī)型。

發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，直接影響到轉(zhuǎn)換過程的效能、效率和供電質(zhì)量。而目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用兩種類型：雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。

2 雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）結(jié)構(gòu)分析

2.1 DFIG工作原理

雙饋異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電動機(jī)類似，定轉(zhuǎn)子三相對稱，轉(zhuǎn)子電流由滑環(huán)接入。風(fēng)速的變化通過增速齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)，為了保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，這些工作可以由變頻器來完成。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高（低）于同步速時，應(yīng)控制變頻器能量流入（出）電網(wǎng)，這樣就控制了電機(jī)定子向電網(wǎng)供應(yīng)電能頻率的穩(wěn)定。其原理框圖如圖1所示。

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)原理圖

當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應(yīng)滿足：

式中： 為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，所以與電網(wǎng)頻率相同； 為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率， ，p為電機(jī)的極對數(shù)； 為轉(zhuǎn)子電流頻率。

? n

? n>n1時，處于超同步運行狀態(tài)，此時發(fā)電機(jī)同時由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變流器的能量流向逆向；

? n=n1時，處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運行， =0，勵磁變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。

而n=pnm，當(dāng)n發(fā)生變化時，即p 發(fā)生變化，若控制轉(zhuǎn)子供電頻率 做相應(yīng)變化，可使 保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一致，實現(xiàn)變速恒頻控制。

2.2 PMSG工作原理

永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是以永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器為核心的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相聯(lián)，變頻器將風(fēng)電機(jī)組輸出的不停變化交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。

圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)工作原理圖

該系統(tǒng)如圖2所示，與籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)電機(jī)定子輸出頻率也跟隨變化，通過功率變換器將定子發(fā)出的變頻變壓的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率幅值一致的穩(wěn)定電能。

3 DFIG和PMSG結(jié)構(gòu)性能比較（如表1所示）

4 DFIG和PMSG發(fā)電量比較

按照現(xiàn)行變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率捕獲原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從切入風(fēng)速（Cut-in wind speed）到額定風(fēng)速（Rated wind speed）這一過程中，通過變槳技術(shù)可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況下的最優(yōu)化，從實際風(fēng)速分布統(tǒng)計情況來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。從圖3中可以看出，在額定風(fēng)速以下時，永磁發(fā)電機(jī)比雙饋異步發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率明顯高，根據(jù)芬蘭公司The switch的計算，相同功率等級的風(fēng)機(jī)采用永磁發(fā)電機(jī)比雙饋異步發(fā)電機(jī)的年輸出電能最高可以高出20%，從20年的風(fēng)機(jī)使用壽命來看，這產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果是非常客觀的（粗略統(tǒng)計20年多發(fā)的電產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益在1000萬人民幣左右）。

圖3 DFIG和PMSG發(fā)電量比較

5 結(jié)論

（1） 從結(jié)構(gòu)分析來看，DFIG和PMSG在技術(shù)參數(shù)上各有優(yōu)缺點，DFIG相比PMSG變流器容量小，易于安裝和維護(hù)，成本低，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，重量和體積比同步發(fā)電機(jī)大大減小。但低電壓穿越功能不強(qiáng)，需要在變流器中額外增加模塊，現(xiàn)在DFIG的市場認(rèn)可度較高，但由于其低電壓穿越能力不好，所以，如果國家以后出臺并網(wǎng)要求相關(guān)規(guī)定后，市場將傾向于同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

（2）就技術(shù)成熟度來講，目前國內(nèi)外DFIG技術(shù)成熟，國內(nèi)大多數(shù)兆瓦級風(fēng)機(jī)均采用該機(jī)型，而PMSG國內(nèi)該方面的技術(shù)尚處于研發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)鏈不完善，基本要依賴進(jìn)口。

（3）就成本來講，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要低一些，雙饋式風(fēng)機(jī)變流器（風(fēng)機(jī)容量相同）比全功率變流器的成本價格低30%左右。

（4）從發(fā)電質(zhì)量和發(fā)電量來看，雙饋式異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能都是經(jīng)變壓器升壓后直接與電網(wǎng)并聯(lián)，加之在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中采用了電力電子裝置，會產(chǎn)生電力諧波，發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，使功率因數(shù)惡化，加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)；而PMSG具備最大風(fēng)能跟蹤、定子側(cè)功率因數(shù)和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能以及有功、無功的解耦控制功能，由于并網(wǎng)電路將PMSG與電網(wǎng)分開，因此該電路具有隔離故障的能力，不會因電網(wǎng)故障損害PMSG，也不會因PMSG故障對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。該電路還具備有功無功的存儲能力，以保證在無風(fēng)或少風(fēng)情況下對電網(wǎng)起到穩(wěn)定支撐作用。同時在同一工況條件下PMSG比DFIG發(fā)電量要高出很多。

表1 DFIG和PMSG結(jié)構(gòu)性能比較

綜上，雙饋異步機(jī)型成本較低，在短期內(nèi)它將是主流機(jī)型，具有很強(qiáng)的市場競爭力。但隨著國家風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的快速增長，風(fēng)電在整個電網(wǎng)所占比重不斷加大，電力部門對風(fēng)電并網(wǎng)的要求也會越來越高（華北電網(wǎng)已正式出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），可以預(yù)見具備“低電壓穿越功能”的全功率變流同步機(jī)型必將是今后風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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