廣子建

（北京京能新能源有限公司輝騰錫勒風電分公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 0 1 3 5 5 0）

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)運行與控制分析

廣子建

（北京京能新能源有限公司輝騰錫勒風電分公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 0 1 3 5 5 0）

本文針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的概念進行論述，并在此基礎上，就集中基于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)進行逐一的分析，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

變速恒頻；風力發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電機

風能是一種儲存量大、清潔環(huán)保的可再生能源。由于在世界范圍內(nèi)化石能源數(shù)量的日益減少，并且環(huán)境問題日益凸顯，所以針對風能的使用開始成為了各個國家所重點研究的科研項目。

1 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的概念

按照貝茲證明，風力機是可以從風能當中獲取到功率的，其公式為p=1/2 c A P v 3。在這一公式當中，P代表的是空氣的密度，v代表的是風的速度，A代表是風力機橫掃的面積，c則是風力機當中的功率系數(shù)，它是有風力機的漿葉距離與風葉尖的速度所構成的函數(shù)進行運算而獲得的。

風速的三次方和風能之間為正比例關系，若風速在一定的范圍當中進行改變時，若能夠讓風力機開展變速運動，便可以針對風能進行更加有效的使用，這是由于在風力機當中的風能利用系數(shù)在恒定的風輪葉尖速度比之下的最大值，如圖1所示。

圖1 風力機曲線

而變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是在最近幾年當中是世界范圍內(nèi)開始流行的一種高新風力發(fā)電系統(tǒng)，在許多先進的國家當中，所新建的大型風力發(fā)電系統(tǒng)有很大一部分都是使用的這一方式，并且在未來，變速恒頻電源系統(tǒng)也將成為未來世界范圍內(nèi)風力發(fā)電的一種主流。同傳統(tǒng)的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)進行對比，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)能夠在不同的轉速當中進行工作，可以有效適應風自身的不穩(wěn)定性、隨機性與爆發(fā)性。有常識的人都知道，風在運動過程中，其風速會經(jīng)常產(chǎn)生變化，在風速進行變化的過程當中，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)就能夠自動尋找到風力機運動過程中最為匹配的運動速度，這樣便可以最大程度對風能進行利用，并大幅度提升風力發(fā)電的效率，降低在風能采集過程當中所造成的浪費現(xiàn)象。

2常見的基于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機

2.1 籠型異步發(fā)電機

圖2為籠型異步發(fā)電機的結構系統(tǒng)圖。

圖2 籠型異步發(fā)電機的結構系統(tǒng)圖

圖2 中，功率變換器就是軟并網(wǎng)所采用的雙向晶閘管啟動設備，圖中的箭頭所代表的是功率P在系統(tǒng)當中所運動的防線。在籠型異步發(fā)電機工作的過程當中，是使用電容開展的無功補償。埋在超過同步轉速時會進行勻速運動，使用主動失速漿葉或者定槳距失速，并使用雙速發(fā)電機或者氮素發(fā)電機來使其進行運動。

因為其控制方式需要在定子側來完成，并且變頻器的容量與發(fā)電設備之間的容量的比例關系超過了1:1，所以籠型異步發(fā)電機在使用的過程當中，占據(jù)的空間較大，并且在運行的過程當中重量會得到明顯的上升（特別是針對大型風力發(fā)電裝置說），導致這一系統(tǒng)在運用的過程中，會帶來巨大的經(jīng)濟成本。另外，因為在運行的過程當中籠型異步發(fā)電機當中的變頻器是與電網(wǎng)進行直接連接的，所以極有可能在發(fā)電機運行的過程中對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。但是其優(yōu)點也是十分明顯的，首先該發(fā)電系統(tǒng)整體結構十分簡單，并且在運行的過程中，極少出現(xiàn)故障，即使發(fā)生問題，其修理和維護也比較簡單，特別適合在長期處于惡劣氣候環(huán)境當中進行工作，因此，在國內(nèi)籠型異步發(fā)電機的使用十分普及，在1 0 0 k W以下的風力發(fā)電裝置當中，籠型異步發(fā)電機是常見的選擇。

2.2 雙饋發(fā)電機

雙饋發(fā)電機和普通發(fā)電機的結構存在有很多相似的地方，雙饋發(fā)電機在使用的過程當中，定子繞組和電網(wǎng)進行直接連接，轉子繞組憑借變頻器進行幅值、頻率和相位的提供。不管在進行風力發(fā)電的過程當中，風速產(chǎn)生了怎樣的變動，在電機的運動速度變化時，憑借變頻器控制轉子當中的電流大小就能夠對轉子的運轉速度進行調(diào)控，讓轉子的磁感應強度和定子的運轉速度一直是保持匹配的狀態(tài)。在這種環(huán)境當中，定子感應電勢頻率便能夠保持相對恒定的狀態(tài)，發(fā)電系統(tǒng)就能夠進行變速恒頻的運轉。

雙饋發(fā)電機是憑借對轉差頻率的調(diào)控來完成發(fā)電機的雙饋速度調(diào)節(jié)的，因為控制方式是通過發(fā)電機的轉子側來完成的，通過轉子電路的功率是憑借發(fā)電機在運轉過程當中的速度限定值來確定轉差功率的，所以轉差功率只是發(fā)電機定子原有功率的1/3～1/4，功率變化設備的容量相對較低，電壓較小，這樣就會使變頻器在運行的過程當中經(jīng)濟成本大幅度下降，系統(tǒng)在整理和設計的過程當中也會更加方便。

2.3 永磁同步發(fā)電機

永磁同步發(fā)電機和籠型異步發(fā)電機在系統(tǒng)結構方面大致相同，它是使用永久性的磁鐵來代替原有的轉子勵磁磁場，它不需要外界對磁電源進行供應，由此降低了勵磁的消耗，并且永磁同步發(fā)電機也不需要進行換向設備的安裝，所以永磁同步發(fā)電機和其他類型的發(fā)電機相比，擁有發(fā)電功效高、使用壽命較長的特點，同一般功率的發(fā)電機進行對比，永磁同步發(fā)電機的重量和占地面積僅僅是他們的3 0%，并且在操作過程當中，擁有與同步發(fā)電機相同的優(yōu)點，所以該種類型的發(fā)電機可以和風輪進行直接的連接，內(nèi)有傳動結構的聯(lián)網(wǎng)方式，但是值得注意的是，永磁同步發(fā)電機仍然存在有對電網(wǎng)的諧波污染問題。

3 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)未來展望

為了減少在運行過程中產(chǎn)生的成本，增強風力發(fā)電的效率和穩(wěn)定性，提升電能質(zhì)量，降低在發(fā)電過程中出現(xiàn)的噪聲，完成發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在不遠的將來，風力發(fā)電會朝著大容量、無刷化、微風發(fā)電、智能化、轉速變化等多方面進行發(fā)展。

首先將風力發(fā)電大型化處理，這樣做可以顯著減少發(fā)電設備的占地面積，并大幅度縮減電網(wǎng)系統(tǒng)用于進行并網(wǎng)時的成本個單位公率電的造價，可以讓我國在進行風力發(fā)電的過程中，更好地獲取經(jīng)濟利益。

再有就是使用變速恒頻技術與變槳距，通過這一舉措，能夠為風力發(fā)電提供重要的技術支持，并降低現(xiàn)有風力發(fā)電設備體積過于龐大的缺點，降低風力發(fā)電的高額成本，并為我國提供更高質(zhì)量的電能資源。

最后使用磁懸浮技術與磁力傳統(tǒng)技術，可以讓風力發(fā)電機在微風的狀態(tài)下便能夠進行運轉，由此實現(xiàn)微風發(fā)電。

4 結語

針對風能資源的使用，一直是在化石能源日益減少之后，人們所重點研究的一項新能源，但是在針對風能資源進行開發(fā)的過程當中，仍然存在有成本過高的情況。

而合理針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)進行使用，是改變這一局面的重要突破口。

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