[摘 要]本文以變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)為研究對象，著眼于風力發(fā)電的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)，從交流—直流—交流風力發(fā)電技術(shù)分析、磁場調(diào)制發(fā)電機技術(shù)分析以及交流勵磁雙饋發(fā)電機技術(shù)分析這幾個方面入手，圍繞變速恒頻風力發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)這一中心問題展開了較為詳細的分析與闡述，并據(jù)此論證了變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)作為風力發(fā)電最關(guān)鍵技術(shù)，其在緩解能源危機以及推動“綠色能源”可持續(xù)發(fā)展過程中所發(fā)揮的至關(guān)重要的作用與意義。

[關(guān)鍵詞]變速恒頻 風力發(fā)電技術(shù) 發(fā)電機 勵磁 定子 轉(zhuǎn)子 分析

為緩解能源危機問題，各方工作人員開始針對一種全新的“綠色能源”展開詳細分析與研究。一種將電力電子技術(shù)、微機信息處理技術(shù)及矢量變化控制技術(shù)充分融于發(fā)電機控制過程當中的發(fā)電技術(shù)——變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)更是以其特殊的應用優(yōu)勢而備受關(guān)注。本文是針對變速恒頻風力風力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)這一中心問題做詳細分析與說明。

一、交流—直流—交流風力發(fā)電技術(shù)分析

該技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示（見圖1）。受到風速持續(xù)變化因素的影響，整個系統(tǒng)當中的風力機裝置及發(fā)電機裝置也會產(chǎn)生與風速變化存在一定關(guān)系的變速旋轉(zhuǎn)作用，進而導致電功率的產(chǎn)生。由圖1我們不難看出：由發(fā)電機裝置所發(fā)出的交流電電流首先借助于整理器裝置轉(zhuǎn)換為直流電形式，在此基礎(chǔ)之上借助于逆變器發(fā)生有源逆變反應形成適宜于電網(wǎng)恒定頻率的交流電電源。為確保整個交流—直流—交流反應的穩(wěn)定性與有效性，風力發(fā)電過程當中應當確保發(fā)電機裝置反應容量基本與變頻器裝置反應容量保持一致。此類風力發(fā)電技術(shù)在實踐應用過程當中最為突出的優(yōu)勢在于且并網(wǎng)過程當中基本無電流沖擊作用力，并網(wǎng)對整個風力發(fā)電系統(tǒng)的影響程度較低。但是，考慮到系統(tǒng)運行中采取靜態(tài)自勵式逆變器裝置完成頻率變化作業(yè)，盡管發(fā)電過程當中可以針對系統(tǒng)所產(chǎn)生的無功功率予以調(diào)節(jié)，但電網(wǎng)所接受電流當中仍然存在部分高頻電流。

圖1 交流—直流—交流風力發(fā)電技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

二、磁場調(diào)制發(fā)電機技術(shù)分析

該技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示（見圖2）。其主要依賴于專門設計的高頻交流發(fā)電機裝置于電力電子變化電路裝置完成整個風力發(fā)電作業(yè)。很明顯，該運行系統(tǒng)當中的發(fā)電機裝置具備較高的旋轉(zhuǎn)頻率參數(shù)。同傳統(tǒng)意義上的同步電機裝置不同，這種高頻交流發(fā)電機裝置并不使用直流電勵磁，而是選取頻率較低的交流電勵磁進行系統(tǒng)運行。換句話來說，在運行系統(tǒng)要求輸出頻率參數(shù)（一般情況下以50Hz為恒定值）低于高頻交流發(fā)電機裝置自身運行頻率的情況下，該發(fā)電機裝置三相繞組所生成的電壓波形多表現(xiàn)為調(diào)幅波形式，將其連接至整理器裝置當中即能夠獲取與高頻交流發(fā)電機裝置單位時間轉(zhuǎn)速無關(guān)的正弦波信號。這也就意味著：勵磁電流的頻率及相位參數(shù)直接決定著整個運行系統(tǒng)輸出電壓的頻率及相位參數(shù)，而這與現(xiàn)階段并網(wǎng)運行式風力發(fā)電系統(tǒng)的要求是完全一致的，應用價值較高。

圖2 磁場調(diào)制發(fā)電機技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

三、交流勵磁雙饋發(fā)電機技術(shù)分析

該技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示（見圖3）。在發(fā)電機裝置單位時間轉(zhuǎn)動速度受到風速變化而發(fā)生改變的情況下，控制轉(zhuǎn)子電流頻率的方式能夠確保定子頻率始終處于恒定狀態(tài)當中，與之相對應的關(guān)系式為：定子電流頻率參數(shù)（即電網(wǎng)系統(tǒng)頻率參數(shù)）=電機極對數(shù)×轉(zhuǎn)子機械頻率參數(shù)（一般情況下按照發(fā)電機單位時間轉(zhuǎn)動速度/60的方式予以計算）＋轉(zhuǎn)子電流頻率參數(shù)。對該式進行分析可分為三種情況：首先，在發(fā)電機單位時間轉(zhuǎn)動速度低于定子旋轉(zhuǎn)磁場單位時間轉(zhuǎn)動速度的情況下，整個風力發(fā)電系統(tǒng)運行處于亞同步狀態(tài)。換句話來說，此時由變頻器裝置向發(fā)電機轉(zhuǎn)子部分提供交流勵磁信號，電網(wǎng)所接受電能來自于發(fā)電機定子所發(fā)出電能，整個關(guān)系式取值為“﹢”；其次，在發(fā)電機單位時間轉(zhuǎn)動速度高于定子旋轉(zhuǎn)磁場單位時間轉(zhuǎn)動速度的情況下，整個風力發(fā)電系統(tǒng)運行處理超同步狀態(tài)，電網(wǎng)所接收電能來自于發(fā)電機裝置定子及轉(zhuǎn)子同時發(fā)出的電能，整個關(guān)系式取值為“﹣”；最后，在發(fā)電機單位時間轉(zhuǎn)動速度等同于定子旋轉(zhuǎn)磁場單位時間轉(zhuǎn)動速度的情況下，整個風力發(fā)電系統(tǒng)運行處理同步狀態(tài)，此時的發(fā)電機裝置充當同步電機職能，變頻器裝置將直接向轉(zhuǎn)子位置提供相應的直流勵磁信號。換句話來說，基于交流勵磁雙饋發(fā)電機技術(shù)的變速恒頻控制方案以轉(zhuǎn)子電流為載體，這使得圖3中所變頻器裝置的容量僅僅為發(fā)電機裝置總?cè)萘康臉O小部分，由此使得變速恒頻風力發(fā)電過程中變頻器運行成本得到了有效控制。

圖3 交流勵磁雙饋發(fā)電機技術(shù)運作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

四、結(jié)束語

無論是交流—直流—交流風力發(fā)電技術(shù)分析、磁場調(diào)制發(fā)電機技術(shù)分析還是交流勵磁雙饋發(fā)電機技術(shù)，基于以上風力發(fā)電技術(shù)所形成的變速恒頻風力發(fā)電作業(yè)均表現(xiàn)出了如下幾個方面的應用優(yōu)勢：①較高的風能轉(zhuǎn)化工作效率；②傳統(tǒng)意義上的機電動力系統(tǒng)剛性連接轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝赃B接方式，在合理控制發(fā)電機裝置轉(zhuǎn)子脈動的同時有效延長風力機使用壽命；③勵磁裝置運行動作能夠借助于矢量調(diào)節(jié)與控制，并網(wǎng)運行后發(fā)生失步問題的可能性極低；④基于PWM技術(shù)支持實現(xiàn)了交寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，其深入研究與應用的重要性也由此得以凸顯。本文針對有關(guān)變速恒頻風力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)問題做出了簡要分析與說明，希望能夠為今后相關(guān)研究與實踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

參考文獻：

[1]黃科元.賀益康.卞松江等.矩陣式變換器交流勵磁的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)研究[J].中國電機工程學報.2002

[2]謝震.張興.宋海華等.電網(wǎng)電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化.2012

[3]吳子敬.于長勝.張憲忠等.背靠背式風力發(fā)電變流器的仿真研究[J].北京理工大學學報.2011

[4]朱曉榮.趙猛.王毅等.雙饋感應風力發(fā)電機組復合頻率控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2012