程啟明 程尹曼 王映斐 汪明媚

(上海電力學院電力與自動化學院，上海 200090)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境趨向惡化的今天，風能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到世界各國的重視，也越來越多地被應用到風力發(fā)電中。

風力機和發(fā)電機是風力發(fā)電機組中將風能轉化為電能的重要裝置，它們不僅直接關系到輸出電能的質量和效率，也影響著整個風電轉換系統(tǒng)的性能和裝置結構的復雜性。在過去的20年間，出現(xiàn)了多種風力機、風電系統(tǒng)控制技術、發(fā)電機及其風電系統(tǒng)。

本文較全面地介紹和分析了當前各種風電系統(tǒng)控制技術、風力機、風力發(fā)電機和風力發(fā)電系統(tǒng)，通過比較它們各自的原理、優(yōu)缺點及適用范圍，展望了未來風電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 風電系統(tǒng)的控制技術

風力發(fā)電系統(tǒng)的運行方式可分為獨立型、并網型和聯(lián)合型3種。并網型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力機控制器、風力機、傳動裝置、勵磁調節(jié)器、發(fā)動機、變頻器和變壓器等組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 并網型風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of grid connected wind power system

風力發(fā)電機組包括風力機、發(fā)電機、變速傳動裝置及相應的控制器等，可用來實現(xiàn)風能與電能的能量轉換。風力機和發(fā)電機的功率和速度控制是風力發(fā)電的關鍵技術。

風電機組中的風力機是將風能轉換成機械能的能量轉換裝置，它由風輪、迎風裝置和塔架等組成。按結構不同，風力機可分為水平軸式和立軸式兩種;按功率調節(jié)方式不同，風力機可分為定槳距失速、變槳距和主動失速3種。

風電機組中的發(fā)電機是將機械能轉化為電能的裝置，發(fā)電機在并網時必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發(fā)電機轉速的不同，發(fā)電機可分為恒速和變速兩類，其中變速需要通過變頻器來實現(xiàn)。變頻器采用電力電子變流技術和控制技術，將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化交流電轉換為與電網頻率相同、能與電網柔性連接的交流電，且能實現(xiàn)最大風能跟蹤控制。按照拓撲結構的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型3種;按照變頻器容量的不同，變頻器還可分為部分容量和全部容量(全額)兩種。

變速傳動裝置可將低速的風輪轉速轉換為較高的發(fā)電機轉速，按傳動鏈類型的不同，它可分為齒輪箱驅動和直接驅動兩種，其中前者包括多級和單級兩種齒輪箱驅動。

2 風力發(fā)電機及其風電系統(tǒng)

實現(xiàn)恒速或變速風力發(fā)電系統(tǒng)有多種方案，采用何種類型的發(fā)電機主要取決于風電系統(tǒng)的形式。

2.1 傳統(tǒng)的恒速/變速風電系統(tǒng)

2.1.1 基于SCIG的恒速風電系統(tǒng)

籠型異步發(fā)電機(squirrel cage induction generator，SCIG)是傳統(tǒng)風電系統(tǒng)廣泛采用的發(fā)電機［1］。該系統(tǒng)采用多級齒輪箱驅動的籠型異步發(fā)電機，發(fā)電機定子側通過變壓器直接接入電網，基于SCIG的恒速風電系統(tǒng)結構如圖2所示。SCIG采用定槳距失速或主動失速槳葉，它在高于同步轉速附近作恒速運行。并網運行時，SCIG需要從電網吸收無功功率以產生旋轉磁場，但這會降低電網功率因數(shù)，影響電壓的穩(wěn)定性，因此，一般需配備并聯(lián)補償電容器組以補償無功。

圖2 基于SCIG的恒速風電系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of constant speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的恒速風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:結構簡單且堅固，制造容易，成本低，可靠性高;并網容易，可直接從電網中獲得勵磁功率;常將高低速的兩臺SCIG組合使用或采用變極式雙速SCIG，以利用高低風速的風能資源，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制方便。該系統(tǒng)的缺點是:轉速基本不可控，運行范圍窄，風能利用率低;只能實現(xiàn)兩種有級調速，實現(xiàn)成本高;安裝有多級齒輪箱，增加了系統(tǒng)重量、維護量和噪聲，降低了系統(tǒng)效率;勵磁電流來自定子繞組，無法對輸出電壓進行有效控制;需并聯(lián)電容器進行無功補償，以提高功率因數(shù);風速變化使風力機的轉矩波動，而發(fā)電機轉速不變，這會使軸承、齒輪箱承受巨大的機械摩擦和疲勞應力。該系統(tǒng)在風電發(fā)展初期得到了廣泛的應用。

2.1.2 基于WRIG的受限變速風電系統(tǒng)

基于WRIG的受限變速風電系統(tǒng)采用轉子電阻可變的繞線式異步發(fā)電機(wound rotor induction generator，WRIG)［2］，定子側直接接入電網，而轉子繞組通過變流器件或普通異步發(fā)電機通過滑環(huán)外接可變電阻來調整轉子回路電阻，從而調節(jié)發(fā)電機的轉差率，實現(xiàn)有限變速運行?；赪RIG的受限變速風電系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 基于WRIG的受限變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure of limited variable speed wind power system based on WRIG

基于WRIG的受限變速風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:電機廉價、壽命較長、控制簡單;采用變槳距調節(jié)及轉子電流控制，提高動態(tài)性能，維持輸出功率穩(wěn)定，減小陣風擾動影響;功率器件和電阻都安裝在轉子內，可實現(xiàn)無刷化結構;采用串級調速，效率較高，裝置容量與調速范圍成正比，成本低。該系統(tǒng)的缺點是:在啟動或改變電阻時會產生較大浪涌電流，給電網帶來沖擊，仍需無功補償和軟啟動技術;外接電阻消耗能量，降低電機效率，還存在散熱問題;一般需增加滑環(huán)和電刷來改變外接電阻，這就增加了故障發(fā)生概率;為獲得較寬變速范圍，電機機械特性被設計得較軟，即在額定電壓下，負載改變時轉速變化較大，電機效率較低。該系統(tǒng)在風電系統(tǒng)中有所應用，但目前逐漸被鼠籠式+變頻器等發(fā)電方式所淘汰。

2.1.3 基于ESC-SCIG的變速風電系統(tǒng)

電磁轉差離合器(electromagnetic slip clutch，ESC)也稱滑差電機，它的基本部件是電樞與磁極，這兩者之間無機械聯(lián)系，各自可以自由旋轉。ESC被加在齒輪箱與SCIG之間，通過調節(jié)勵磁電流來改變輸出轉矩，使主從動軸間產生轉速差，使得發(fā)電機的轉速保持不變。該風電系統(tǒng)結構如圖4所示［3］。

圖4 基于ESC-SCIG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structure of variable speed wind power system based on ESC-SCIG

基于ESC-SCIG的變速風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:通過速度負反饋實現(xiàn)無級調速，無失控區(qū);結構簡單、維護方便、價格低;控制簡單，啟動力矩大且平滑，輸出電壓波形好;控制功率小，便于自控、群控和集控。該系統(tǒng)的缺點是:故障率高、響應時間長、噪聲較大、調速范圍小;低速時效率低、特性軟，需加反饋用以提高特性硬度;存在轉差損耗，部分風能消耗在ESC發(fā)熱上，降低了效率。該系統(tǒng)可應用于小功率風電系統(tǒng)，但因損耗大、效率低，現(xiàn)已很少使用。

2.1.4 基于MMG的變速風電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由磁場調制發(fā)電機(magnet modulated generator，MMG)和功率轉換電路等組成［4］，其結構如圖5所示，其中磁場調制發(fā)電機具有較高的旋轉頻率fr。MMG采用電網頻率為fm(一般為50Hz)的低頻交流電勵磁。電樞繞組的輸出電壓是由頻率為(fr+fm)和(fr－fm)的兩個分量組成的調幅波。經過并聯(lián)橋式整流器整流，可控硅開關電路將波形的一半反向，再通過濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉速無關、頻率為fm的單相恒頻正弦波輸出。系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位。

圖5 基于MMG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.5 Structure of variable speed wind power system based on MMG

基于MMG的變速風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:可直接用電網電流勵磁，發(fā)電機的輸出自動與電網同步，不存在失步問題，系統(tǒng)控制穩(wěn)定且簡單可靠;可使風力機在很大的風速范圍內按最佳效率運行，風能轉化效率高;簡化了風力機的調速機構，只需采取適當?shù)南匏俅胧?，且轉速可在一定范圍內波動，降低了風力機造價;可得到諧波含量少的正弦波形輸出。該系統(tǒng)的缺點是:為了得到三相輸出，需采用三套MMG發(fā)電系統(tǒng);發(fā)電機的轉速較高，而風機轉速較低，這對變速齒輪箱的要求較高;變流裝置在定子電路中，容量需求較大。該系統(tǒng)可應用于容量為數(shù)十千瓦到數(shù)百千瓦的中小型風電系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)代變速恒頻風電系統(tǒng)

現(xiàn)代風電系統(tǒng)一般采用變速恒頻技術，該技術可通過變流裝置或改造發(fā)電機結構來實現(xiàn)。

2.2.1 基于SCIG的風電系統(tǒng)

基于SCIG的風電系統(tǒng)通過位于定子繞組回路的交-直-交全額變頻器，將SCIG發(fā)電機發(fā)出的交流電轉換為與電網頻率相同的恒頻電能［5］?；赟CIG的變速風電系統(tǒng)結構圖如圖6所示。

圖6 基于SCIG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.6 Structure of variable speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:通過變頻器實現(xiàn)變速運行，控制靈活、結構簡單、運行可靠;價格便宜、制造方便、技術成熟;風速較大時效率較高;實現(xiàn)了軟并網，并網時無電流沖擊;若變頻器采用靜態(tài)自勵式逆變器，可調節(jié)無功功率。該系統(tǒng)的缺點是:由于變頻器在定子側，變頻器容量需與發(fā)電機容量相同，系統(tǒng)的成本、重量和損耗較高，系統(tǒng)效率較低;轉速運行范圍比窄;需配置龐大的變速齒輪箱，加大了噪聲和故障率;需從電網吸收無功功率，且需配備無功補償裝置，電壓和功率因數(shù)較難控制。該系統(tǒng)適合于中小容量風力發(fā)電系統(tǒng)。

2.2.2 基于DFIG的風電系統(tǒng)

基于雙饋式異步發(fā)電機(doubly fed induction generator，DFIG)的變速風電系統(tǒng)如圖 7 所示［6］。風力機采用變槳距調節(jié)，雙饋發(fā)電機的轉子采用繞線式結構，定子側直接接電網，轉子側通過雙向變頻器連接到電網，可對轉子進行交流勵磁;通過控制轉差頻率，可實現(xiàn)發(fā)電機的雙饋調速。該系統(tǒng)通過調節(jié)轉子電流的頻率、相位和功率來調節(jié)定子側輸出功率，使之與風力輸出功率相匹配，使風機運行在最大功率點附近。

圖7 基于DFIG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.7 Structure of variable speed wind power system based on DFIG

基于DFIG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:轉子側變頻器容量僅為發(fā)電機容量的30%左右，大大降低了變換器的損耗、造價和體積;轉子能量沒有被消耗掉，轉子繞組端口的功率根據(jù)電機運行狀態(tài)可以實現(xiàn)雙向流動;電網側及直流側濾波電感、電容功率減小，電磁干擾降低;電網側變換器可提供無功補償，便于實現(xiàn)電壓調節(jié)，平滑并網電流;變頻控制靈活，調節(jié)特性良好;具有良好的動態(tài)和暫態(tài)特性，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。該系統(tǒng)的缺點是:存在齒輪箱、滑環(huán)、電刷和雙繞組，容易產生摩擦損耗，增加了維護量、噪聲和成本，降低了可靠性;調速范圍較小，一般只能在70% ～130%的額定轉速范圍內調節(jié);需要采用雙向變頻器，控制回路多、控制較復雜、維護成本高;要求變頻器具有低電壓穿越等并網運行能力，控制復雜、投入大。目前，大多數(shù)變速風電系統(tǒng)都采用這種方式，如 Vestas、Gamesa、Repower、GE 等很多公司都有此類產品，其容量已達6 MW以上。

2.2.3 基于直驅式EESG的風電系統(tǒng)

由于風力機的轉速較慢，而發(fā)電機的轉速較快，兩者之間一般需通過變速齒輪箱連接。但是，齒輪箱易磨損，油路易老化。而直驅式風電系統(tǒng)省去了齒輪箱，兩者的轉子同軸直接相連，簡化了傳動鏈，提高了效率和可靠性，降低了維護量和噪聲。由于異步發(fā)電機(induction generator，IG)會產生滯后的功率因數(shù)且需要進行補償，而同步發(fā)電機(synchronous generator，SG)可以控制勵磁來調節(jié)其功率因數(shù)為1;且IG要通過增加轉差率才能提高轉矩，而SG只要加大功角就能增大轉矩，調速范圍更寬，承受轉矩擾動能力更強，響應更快。因此，SG正逐步取代IG。直驅式SG可分為電激磁SG和永磁SG兩大類。

基于電激磁同步發(fā)電機(electrically excited synchronous generator，EESG)的風電系統(tǒng)結構如圖8所示［7］。變換器與發(fā)電機定子相連，定子側的繞組結構和IG類似，一般采用轉子側直流激磁方式。電壓源型逆變器的直流側提供轉子的勵磁電流，通過控制轉子側變頻器，可以調節(jié)勵磁電流的大小。轉子可用凸極或隱極結構，凸極結構常用于低速電機，較適用于直驅式風電機組。通過控制定子側變頻器，可控制電壓的幅值和頻率，使得發(fā)電機在較寬轉速范圍內運行。

圖8 基于EESG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.8 Structure of variable speed wind power system based on EESG

基于直驅式EESG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:電機與風機直接連接，省去了齒輪箱，提高了效率和可靠性;控制回路少、控制電路簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護成本低;并網電流平滑、噪聲低、電壓閃變小及功率因數(shù)高;無最大、最小速度限制，調速范圍寬;發(fā)電機不承受較高的電壓變化率，電磁兼容性好。該系統(tǒng)的缺點是:需配備全功率變頻器，成本較高、損耗較大;電機轉速較低，電磁轉矩較大，同時電機極對數(shù)較多，電機體積大、成本高;直流環(huán)節(jié)需要高壓、大容量的電容，其體積大、成本高;可采用直流或無刷勵磁方式，存在勵磁損耗。目前，該系統(tǒng)以制造商Enercon的產品為代表，單機容量已達4.5 MW。

2.2.4 基于直驅式PMSG的風電系統(tǒng)

采用直驅式永磁同步發(fā)電機(permenant magnet synchronous generator，PMSG)的風電系統(tǒng)結構與圖6類似［8］。電機轉子為永磁式結構，無需外部勵磁電源，轉子與風力機直接耦合相連，無需齒輪箱;定子通過變頻器與電網相連，變頻器將頻率變化的電能轉變?yōu)榕c電網同頻的交流電。PMSG可分為徑向式、軸向式和橫向式3種勵磁類型。

基于直驅式PMSG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:發(fā)電機效率高，低電壓穿越能力強，控制魯棒性好;變速范圍不受限制，風能利用率高;省去了齒輪箱，降低了成本和噪聲，提高了可靠性;無需外加勵磁裝置，減少了勵磁損耗，無需從電網吸收無功功率，改善了電網功率因數(shù);可采用多電平變換技術，將風能直接饋入高壓電網;無需換向裝置，實現(xiàn)了電機無刷化，壽命長、免維護、安全可靠性好。該系統(tǒng)的缺點是:需配備全功率變換器，成本高、體積大、損耗多;電機的轉速低、體積大、成本高;勵磁不能調節(jié)，輸出電壓波動較大;定子繞組絕緣等級要求較高;永磁材料價格較高、機械加工困難、高溫或振動下易失磁;永磁電機功率因數(shù)特性差，需由變頻器來補償。該系統(tǒng)是目前性能最優(yōu)、可靠性和性價比最高的風力發(fā)電方式，GE、Harakosan、Enercon、WinWind 等多家公司已生產容量大于2 MW的該類產品。

2.2.5 基于半直驅PMSG的風電系統(tǒng)

直驅式PMSG風電系統(tǒng)采用低速多極發(fā)電機，其體積大、成本高。半直驅型PMSG綜合了DFIG和直驅PMSG系統(tǒng)的優(yōu)點，它在風力機和PMSG之間增加了單級齒輪箱。該系統(tǒng)的結構與圖6類似［9］，它采用PMSG作為發(fā)電機，但適當增加了發(fā)電機的級數(shù);定子通過變頻器并網，使系統(tǒng)效率提高。

基于半直驅PMSG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:兼有直驅型和齒輪箱型兩者的優(yōu)點，與直驅式PMSG系統(tǒng)相比，其發(fā)電機的轉速較高、體積小、重量輕、集成度高;與DGIG系統(tǒng)相比，增速箱速比小、傳動鏈簡單、損耗小、故障率低、可靠性高;采用全功率變換器，平滑了并網電流，增強了電網故障穿越能力。該系統(tǒng)的缺點是:由于齒輪箱的存在，還需定期維護。該系統(tǒng)可靠、經濟。目前，Multibrid和WinWind等公司已生產這種類型的機組。

2.2.6 基于PMBDCG的風電系統(tǒng)

直流發(fā)電機(DC generator，DCG)的電壓波形平穩(wěn)，但換向裝置易損、故障率高、壽命短，且風力發(fā)電機安裝在高塔架上，維修不便。因此，DCG在風電系統(tǒng)中很少使用。PMSG采用永磁體勵磁，無需外加勵磁裝置，無需換向裝置，效率高、壽命長，但勵磁不能調節(jié)，輸出電壓波動較大。永磁無刷直流發(fā)電機(permenant magnet brushless DC generator，PMBDCG)采用永磁體轉子勵磁和外電樞式結構。該結構將永磁同步發(fā)電機與二極管全橋整流電路合為一體。其電樞繞組是直流單波繞組，它采用二極管整流的電子換向器來取代電刷換向裝置，并將二極管與電樞繞組兩者合為一體。這種風電系統(tǒng)的結構如圖9所示［10］。

圖9 基于PMBDCG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.9 Structure of variable speed wind power system based on PMBDCG

基于PMBDCG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:兼有DCG和PMSG的優(yōu)點，其電壓波形同DCG一樣平滑，且啟動與調速性能良好，啟動轉矩較大，無易磨損的換向裝置;采用永磁體勵磁，具有PMSG的無勵磁損耗、壽命長、效率高等優(yōu)點，但其電壓調整率低于PMSG;采用直驅技術，省去了齒輪箱，降低了噪聲，減小了維護量。該系統(tǒng)的缺點是:啟動時直流電壓直接加在電機繞組上，瞬間電流和沖擊力矩很大;當繞組內部短路時，因采用永磁體的勵磁，不能用切斷勵磁解決，還需配置相應機構使風機與電機可靠脫離。該系統(tǒng)只適合用于小型風電系統(tǒng)，實際使用不多。

2.3 新型變速恒頻風電系統(tǒng)

近年來，一些具有商業(yè)化潛力的新型風力發(fā)電機及其風力發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。典型系統(tǒng)介紹如下。

2.3.1 基于SRG的風電系統(tǒng)

采用開關磁阻發(fā)電機(switched reluctance generator，SRG)的風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖10所示［11］。SRG為雙凸極電機，定子、轉子均為凸極齒槽結構，定子上設有集中繞組，轉子上既無繞組也無永磁體;SRG無獨立的勵磁繞組，與集中嵌放的定子電樞合并，通過控制器分時控制，實現(xiàn)勵磁與發(fā)電。定子接驅動器將電能輸出到直流側，再通過逆變器將能量饋入電網。

圖10 基于SRG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.10 Structure of variable speed wind power system based on SRG

基于SRG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:結構堅固且簡單、能量密度高、成本低、可靠性和效率高、調速范圍寬、控制靈活、過載能力強、無去磁效應;發(fā)電機相繞間無電磁耦合，容錯能力很強;并網時無電流沖擊;可調節(jié)無功功率;轉子無繞組和永磁體，轉子對溫度不敏感，高溫和高速下運行性能優(yōu)良;啟動轉矩大，低速性能好;直驅式連接，無齒輪箱。該系統(tǒng)的缺點是:需配置全額逆變器和驅動器，成本高、體積大、損耗多;電機存在非線性、多可控參數(shù)，數(shù)學模型不明確，優(yōu)化控制較難;逆變器控制以轉子位置反饋為基礎，控制較復雜;電動和發(fā)電時均需功率變換器工作，使發(fā)電可靠性降低;定子與轉子極數(shù)的不同會產生電機力矩的脈動，機械特性較硬。該系統(tǒng)一般應用于30 kW以下的低速小型風電系統(tǒng)中，目前，它還沒得到廣泛的應用，但發(fā)展?jié)摿^大。

2.3.2 基于BDFIG的風電系統(tǒng)

無刷雙饋感應發(fā)電機(brushless doubly fed induction generator，BDFIG)省去了電刷和滑環(huán)，定子有兩套極數(shù)不同的繞組，其中功率繞組直接接電網，控制繞組則通過雙向功率變換器接電網。其轉子采用籠型或磁阻式結構，無需電刷和滑環(huán)，轉子極數(shù)應為定子兩個繞組極對數(shù)之和。定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于DFIG的定子繞組和轉子繞組，通過功率變換器改變輸入到控制繞組的電流頻率，可使發(fā)電機的輸出頻率保持恒定。其風力發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖11所示［12］。

圖11 基于BDFIG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.11 Structure of variable speed wind power system based on BDFIG

基于BDFIG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:采用無刷結構，省去了碳刷和滑環(huán)，降低了成本，提高了可靠性和可維護性;變頻器容量僅為發(fā)電機額定容量的一部分，可實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制，對電網具有無功補償?shù)淖饔?可在不同的風速下運行，其轉速可隨風速的變化做相應的調制，使風力機處于最佳工況，提高機組的效率。該系統(tǒng)的缺點是:需要將兩臺繞線式異步電機同軸相聯(lián)，或在一臺普通無刷雙饋電機的定子上裝設兩套極對數(shù)不同的繞組，電機結構復雜，成本較高，設計與實現(xiàn)難度較大;電機損耗比同容量的感應電機大，電機效率降低70%左右。目前，該系統(tǒng)仍處于實驗研究階段，尚未全面進入工程實用，但它將會廣泛應用于中大容量的風電系統(tǒng)中。

2.3.3 基于CPG的風電系統(tǒng)

基于爪極式發(fā)電機(claw pole generator，CPG)的風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖12所示［13］，它與一般同步電機的區(qū)別僅在于勵磁系統(tǒng)部分。爪極發(fā)電機的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結構，所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組。系統(tǒng)通過變頻器把爪極發(fā)電機發(fā)出的高頻交流電轉變?yōu)楣ゎl交流電，從而實現(xiàn)變速恒頻控制。

圖12 基于CPG的變速風電系統(tǒng)結構圖Fig.12 Structure of variable speed wind power system based on CPG

基于CPG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:勵磁繞組的結構簡單、用料較省、勵磁功率較小、效率更高;無刷結構，易維護;發(fā)電機除了機械摩擦力矩外，基本無啟動阻力矩;通過調節(jié)勵磁可方便地控制其輸出特性，使風力機實現(xiàn)最佳葉尖速比運行，運行效率高。該系統(tǒng)的缺點是:交-直-交變頻器控制電路復雜，可考慮采用背靠背的四象限變流器;爪極法蘭盤結構較復雜，制造困難、費時;當發(fā)電機速度較高或容量較大時，爪極的離心力很大，爪子可能向外彎曲甚至斷裂;爪極和法蘭盤的體積較大，電機重量增加。該系統(tǒng)適用于千瓦級的風力發(fā)電裝置，但實際應用并不多。

2.3.4 基于HVG的風電系統(tǒng)

一般發(fā)電機電壓等級為690 V或960 V，兆瓦級風力發(fā)電機的電流很大，電線安裝和運行成本很高。隨著高壓直流遠程輸電技術以及海上、沙漠、大草原等風電場并網技術的發(fā)展，風力發(fā)電機需與高壓直流輸電網直接并網。選擇高壓直流輸電方式的原因是由于高壓能減小輸線電纜的截面積，降低成本，而直流能使交流需要的3根輸電線減少為2根。高壓發(fā)電機(high voltage generator，HVG)的定子繞組采用高壓電纜繞制，其輸出電壓可達10～40 kV，高壓發(fā)電機的輸出端經過整流裝置變換為高壓直流電輸出，并接到直流母線上實現(xiàn)并網，再將直流電經逆變器轉換為交流電，輸送到地方電網?；贖VG的風電場電氣連接如圖13所示［14］。

圖13 基于HVG的風電場電氣連接圖Fig.13 The electrical connections of wind farms based on HVG

基于HVG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:省去了并網所需的升壓變壓器，免除了變壓器損耗，提高了發(fā)電效率，只有當需要向遠方電網送電時，才啟用升壓變壓器;在直流母線上簡單地實現(xiàn)了各機組的并行運行，且能同步控制它們的轉速;采用不可控整流，技術簡單、運行可靠、損耗少;分散式整流使各發(fā)電機在通過直流母線并聯(lián)運行時產生了一種“電氣隔離”，相互間不會產生環(huán)流;采用直驅式永磁體結構，省去了勵磁裝置和齒輪箱，提高了效率和可靠性;全功率變換器采用IGCT器件實現(xiàn)，IGCT比IGBT耐壓高、電流大、功率器件少、轉換效率高;高壓直流可降低電纜成本，減少控制器件并聯(lián)數(shù)目，減小功率變換器體積。該系統(tǒng)的缺點是:使用了大量的永磁材料，對永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高;在防止電網解列、高壓放電故障等方面的風險投資更大，可靠性要求更高;高壓對電氣材料的絕緣要求提高;功率變換器采用IGCT器件實現(xiàn)，成本較高。由于海上、沙漠和草原深處架設輸電線路較困難且距離較長，選用高壓直流輸電方式的高壓風力發(fā)電機很合適。目前，ABB等公司已生產了3～5 MW高壓SG，其輸出電壓為1.2 ～3.0 kV。

2.3.5 基于DWIG的風電系統(tǒng)

基于DWIG的風電系統(tǒng)采用定子雙繞組異步發(fā)電機(dual-stator winding induction generator，DWIG)，發(fā)電機轉子為普通籠型結構，堅固可靠，且無電刷，但定子具有兩套繞組，其中一套為功率繞組，輸出端通常接有整流橋負載，可輸出直流或變頻交流電，發(fā)電機的主要輸出功率由這套繞組承擔;另一套為控制繞組，接有靜止的勵磁調節(jié)器，由變換器提供所需的無功電流，采用一定的控制策略，可調節(jié)電機的磁場，實現(xiàn)變速運行。它與BDFIG的主要區(qū)別在于:BDFIG的兩套定子繞組極數(shù)不同，而DWIG的兩套定子繞組的極數(shù)相同，它們的工作原理不同。由于兩套繞組的極對數(shù)相同，因此其工作頻率相同，無電氣連接，僅有磁場耦合。該系統(tǒng)結構如圖14 所示［15］。

基于DWIG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:兩套定子繞組僅有磁耦合，減小了高頻諧波對功率繞組的影響，提高了電磁兼容性和可靠性;定子兩回路無電氣連接，便于實現(xiàn)高性能、高可靠性的控制;控制繞組的漏感對于調節(jié)器輸出有一定的濾波作用，勵磁變換器輸出端不需濾波電感;允許轉速和負載在較寬的范圍內變化;轉子結構為鼠籠型，結構簡單，堅固可靠;無電刷和滑環(huán)，維護方便;采用自勵電容器與變換器共同激磁對電機進行無功調節(jié)，保持輸出電壓穩(wěn)定，在轉速和負載變化不大的情況下，電容器能提供大部分的勵磁無功，變換器僅提供電機無功電流的補償部分，其容量和體積可減小。該系統(tǒng)的缺點是:在變速、變負載時自勵電容的容抗變化大，為使系統(tǒng)輸出恒壓恒頻的交流電，變換器除了擔負更大的無功容量調節(jié)外，還會通過部分有功功率，這會增大其容量和體積;電機結構復雜，設計難度大，實現(xiàn)成本高。目前，該系統(tǒng)尚未成熟，可應用于中小功率和轉速變化不大的風電系統(tǒng)。

2.3.6 基于TFPMG的風電系統(tǒng)

橫向磁通永磁發(fā)電機(tansverse flux permanent magnet generator，TFPMG)是一種新型 PMSG［16］，它與常規(guī)發(fā)電機的不同之處體現(xiàn)在磁通回路。常規(guī)發(fā)電機的磁路方向一般沿轉子的半徑方向，而磁通發(fā)電機在橫向的磁路方向為轉子的軸向方向。

基于TFPMG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:定子各相間無耦合，可獨立分析與控制，便于設計為多相結構，控制特性良好;電機的很多參數(shù)互相獨立，可以任意選擇，可根據(jù)需要調整磁路尺寸，選擇線圈的規(guī)格和匝數(shù);轉矩密度大、效率高、體積和重量小;可采用無傳動機構的直接聯(lián)接。該系統(tǒng)的缺點是:結構復雜、工藝性差，制造困難，控制不易;功率因數(shù)較低，造成驅動系統(tǒng)容量增大，成本增加;電機的一些參數(shù)間相互制約，電機的尺寸對電機的轉矩密度、漏磁系數(shù)影響很大。該系統(tǒng)可應用于容量小于30 kW的小型風電機，但還不是很成熟。

2.3.7 基于DSPMG的風電系統(tǒng)

雙凸極永磁發(fā)電機(doubly salient permanent magnet generator，DSPMG)是一種將SRG的簡單結構與高性能永磁材料相結合的新型發(fā)電機［17］。這種發(fā)電機的定子和轉子均為凸極齒槽結構，定子齒上安放集中式繞組，繞組端部短、用料量少、損耗小。永磁體被置于定子軛部，具有獨特的聚磁效應，使激勵磁場受定子極弧面尺寸限制較少。使用時，只需增加凸極數(shù)量，就可滿足風電直驅的需要。

基于DSPMG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:保留了SRG結構簡單、控制靈活、功率密度高、效率高的優(yōu)點;轉子為純鐵心結構，無繞組和永磁體，結構簡單堅固、轉動慣量小、動態(tài)響應快、可靠性高;可單拍或雙拍運行，控制參數(shù)多;由于定子具有永磁體，繞組電感小，電流換向容易，動態(tài)響應良好;采用永磁材料勵磁，能量轉換率高，損耗低;采用直接驅動方式，無需齒輪箱;電機和功率變換電路各相獨立，容錯性能好;利用了可產生轉矩的兩個區(qū)，功率密度較高。該系統(tǒng)的缺點是:由于電感值較小，低速運行時系統(tǒng)斬波頻率高，逆變功率模塊開關損耗大;由于電樞電流不規(guī)則，電流變化率、轉矩脈動以及轉速波動、振動、噪聲均較大。該系統(tǒng)是2008年江蘇火電電力設備制造有限公司申請的發(fā)明專利項目，可應用于中小型風電系統(tǒng)，目前，它的實際使用還不多。

2.3.8 基于EVT的風電系統(tǒng)

電氣無級變速器(electric continuously variable transmission，EVT)具有外部永磁體轉子、內部繞線式轉子和1個定子［18］。EVT具有2個機械端口和2個電氣端口，它的外轉子和內轉子分別與風力機、同步發(fā)電機相連，定子繞組和內轉子繞組都通過功率變換器連接到直流母線上。EVT可接收任何風速輸入，無級調節(jié)發(fā)電機轉速，使發(fā)電機轉速不隨風速變化，實現(xiàn)變速恒頻的功能。

基于EVT的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:省去了機械齒輪箱和并網功率變換器，減小了功率損耗和諧波污染，無功調節(jié)更加便捷;相比機械無級傳動，EVT傳動可靠性高，經久耐用。該系統(tǒng)的缺點是:EVT內外電機的功率必須與風機功率相匹配，整流器、逆變器以及電池的容量也必須和風機功率相匹配;變換器價格昂貴。該系統(tǒng)是2008年東南大學申請的發(fā)明專利項目，可應用于小型風電系統(tǒng)，目前已授權幾家公司少量生產。

2.3.9 基于APMSG的風電系統(tǒng)

全永磁懸浮發(fā)電機(all permanent magnetic suspension generator，APMSG)由原動力傳送裝置、磁力傳動調速裝置、磁輪和永磁發(fā)電機等組成。

基于APMSG的風電系統(tǒng)的優(yōu)點是:輕風啟動，微風發(fā)電，啟動風速為1.5 m/s，遠低于傳統(tǒng)風速3.5 m/s;通過采用磁力傳動技術和磁懸浮技術，可克服永磁發(fā)電機輸出特性偏軟的缺點。該系統(tǒng)的缺點是:技術還不是很成熟，還有一些問題需要進一步研究并加以解決。低風速啟動技術可增加風電系統(tǒng)的發(fā)電時間。該系統(tǒng)被應用于開發(fā)廣大地區(qū)的低風速資源。

3 風電系統(tǒng)的選型及發(fā)展趨勢

每種風電系統(tǒng)都有各自的特點和適用場合，不同風電系統(tǒng)的性能比較需要考慮的因素有很多，包括轉矩密度、成本、效率、材料、重量、風能質量和發(fā)電量等，完全定量比較非常困難。在實際應用時，應根據(jù)它們的特點和技術發(fā)展等作合理選擇。目前，大型風電技術中，主流技術和首選方案是采用交流勵磁雙饋型變速恒頻風電系統(tǒng)，而中小型機組可以選用交-直-交型的風電系統(tǒng)［19－22］。

為提高風力發(fā)電效率、降低成本、改善電能質量、減少噪聲、實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行，風電技術正朝著大容量、低成本、高效率、長壽命、變轉速、直驅化、無刷化、智能化以及微風發(fā)電等方向發(fā)展。風電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢為:①風電機組型由定槳矩失速型向變槳矩和變速恒頻型發(fā)展;②電機饋型由單饋型向雙饋型發(fā)展;③傳動技術由有齒輪箱向無齒輪箱(直驅型、半直驅型)發(fā)展;④電機電刷由有刷型向無刷型發(fā)展;⑤勵磁方式由電勵磁向永磁方向發(fā)展;⑥新型電機在風電系統(tǒng)中的應用由少品種向多品種發(fā)展;⑦單機容量由小向大發(fā)展;⑧電機品種由單一型向大、中、小型風機系統(tǒng)并列發(fā)展;⑨運行方式由獨立運行向并網大型化與離網分散化互補運行發(fā)展;⑩風電成本由高向低發(fā)展;?風電選址由陸上風電向海上風電發(fā)展;?電機結構向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展;?電機材料由普通永磁式向全永磁懸浮式發(fā)展;?電機控制算法由傳統(tǒng)控制向智能控制發(fā)展;?風電機組的聯(lián)網方式由有線網絡向無線網絡發(fā)展。

4 結束語

作為一種開發(fā)成本低、清潔、安全、可再生的能源形式，風能越來越受到人們的重視。本文綜述了國內外風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展概況，分析對比了風電系統(tǒng)的控制技術、風力機、發(fā)電機及其風電系統(tǒng)的技術特點和適用范圍;同時指出了風力發(fā)電機的發(fā)展方向，可供選擇風力發(fā)電機系統(tǒng)和研發(fā)新型風力發(fā)電機系統(tǒng)時參考。這對風電系統(tǒng)的選擇與研究具有一定參考指導價值。

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