趙小平

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300）

1 我國風(fēng)力資源利用現(xiàn)狀

我國的風(fēng)能資源豐富，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的市場發(fā)展?jié)摿薮?。我國可開發(fā)利用的風(fēng)能總儲量約10億kW，其中可開發(fā)的陸地風(fēng)能儲量達(dá)2.53億kW，可開發(fā)的水上風(fēng)能儲量達(dá)7.5億kW［1］。而偏遠(yuǎn)山區(qū)地帶、沿海地區(qū)海島等的土地資源較多，人口數(shù)量較少，一些地區(qū)的交通不夠便利，但這些地區(qū)通常擁有充足的風(fēng)力發(fā)電資源。小型民用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的投資成本低且使用靈活，特別適合解決風(fēng)力資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)的缺電居民的基本生活用電問題和一些小規(guī)模生產(chǎn)用電問題。

2 傳統(tǒng)民用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析

2.1 傳統(tǒng)民用風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)過程

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)組、變流器、儲能技術(shù)裝置（蓄電池組）、逆變器和操控系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)的構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中的關(guān)鍵控制模塊中，儲能蓄電池組是風(fēng)能發(fā)電應(yīng)用推廣的核心部件。因?yàn)轱L(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電過程受自然條件的影響很大，風(fēng)力大小的變化難以精準(zhǔn)地預(yù)測分析，造成電流起伏較大，有可能會對電器的正常運(yùn)行造成影響甚至損壞電器，所以必須給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置一定容積的鋰電池組作為發(fā)電系統(tǒng)的儲能部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳出的電能將充入儲能設(shè)備，逆變裝置將電池中的電能逆變?yōu)樗璧慕涣麟娏飨蜇?fù)荷供電，確保供電品質(zhì)和用電設(shè)施的安全運(yùn)行。因此，逆變器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的裝置。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的風(fēng)力發(fā)電逆變器大部分接受電池組的直流電電能，并將其轉(zhuǎn)化為達(dá)到連接負(fù)荷規(guī)定的工頻正弦波電流，向當(dāng)?shù)刎?fù)荷電器供電。

2.2 傳統(tǒng)民用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺陷

傳統(tǒng)的小型民用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在如下缺陷。

（1）離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前只能儲存電力，當(dāng)有剩余電能時，必須經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化成50 Hz交流電后才能并網(wǎng)。

（2）離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)時要進(jìn)行兩次交—直流轉(zhuǎn)換，電能利用效率低下。

（3）系統(tǒng)必須使用電瓶，成本較高，而且電瓶的使用壽命有限，一般為3年左右。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類及選用

3.1 異步發(fā)電機(jī)

（1）籠鼠式異步發(fā)電機(jī)，用于初期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、離網(wǎng)型小型發(fā)電機(jī)，其構(gòu)造簡易，特性平穩(wěn)，成本較低。

（2）繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞阻聯(lián)接電阻器，當(dāng)風(fēng)速變化時，通過更改外接電阻器的大小操縱功率。當(dāng)風(fēng)速較高時，不必要的動能將耗費(fèi)在轉(zhuǎn)子摩擦阻力上。

（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子不但會輸入機(jī)械功率，而且會與附加電源進(jìn)行能量交換。伴隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，更改交流勵磁交流電流的工作頻率、幅度值、相序及相位差，使電機(jī)定子導(dǎo)出的電流幅度值和電流量工作頻率保持一致，同時可向電力網(wǎng)導(dǎo)出感性或容性的無功負(fù)荷。

3.2 同步發(fā)電機(jī)

（1）永磁同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子選用永磁材料制成，構(gòu)造簡單，不容易毀壞，檢修便捷，容積較大。一般適用于航空航天高速發(fā)電機(jī)。

（2）直流勵磁同步發(fā)電機(jī)，現(xiàn)階段的水力發(fā)電和火力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子選用直流勵磁，通過更改勵磁電流量可以調(diào)整功率和因數(shù)。

4 雙饋異步發(fā)電機(jī)的工作原理

4.1 雙饋發(fā)電機(jī)的3種工作狀態(tài)

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的關(guān)聯(lián)性，雙饋發(fā)電機(jī)有3種不同的運(yùn)行狀態(tài)。雙饋發(fā)電機(jī)組的這一特性可以在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)獲得平穩(wěn)的發(fā)電量，這正是它優(yōu)于傳統(tǒng)式異步發(fā)電機(jī)之處。

（1）亞同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速小于發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（0＜S＜1）。雙饋逆變電源對雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開展勵磁調(diào)節(jié)的終極目標(biāo)是在轉(zhuǎn)子繞阻中造成一個電磁振蕩，這一電磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)速生成轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速，達(dá)到電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，讓異步發(fā)電機(jī)像同步電動機(jī)一樣運(yùn)作。

（2）同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速等于發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（S=0）。雙饋逆變電源選用直流勵磁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子，雙饋異步電動機(jī)為同步電動機(jī)。除了轉(zhuǎn)子繞阻的一些耗損，轉(zhuǎn)子可不損耗動能用于勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)電，機(jī)械動能都轉(zhuǎn)換為電磁能，從電機(jī)定子導(dǎo)出到電網(wǎng)。

（3）超同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速大于發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（S＜0）。這時，發(fā)電機(jī)組的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變電源狀態(tài)，轉(zhuǎn)子造成的電磁能反饋到電網(wǎng)。

4.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)的工作原理

“雙饋”是指電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子間能量的雙向流動。能量流動的第一種方式是電網(wǎng)向逆變電源器供電，逆變電源器對轉(zhuǎn)子繞阻開展勵磁調(diào)節(jié)和饋電；能量流動的方向是從電網(wǎng)到轉(zhuǎn)子。能量流動的第二種方式是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子向雙饋逆變電路輸出能量，這時轉(zhuǎn)子側(cè)逆變電路處于整流狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)逆變電路處于逆變電源狀態(tài)。中間直流母線的工作電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)工作電壓同幅同頻的交流電，能量傳遞給電網(wǎng)；能量的流動方向是從轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)。

5 基于小型雙饋異步發(fā)電機(jī)風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)的構(gòu)建

本文采用小型雙饋異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組均可與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。

5.1 系統(tǒng)的構(gòu)建

本文提出一種基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接能很好地控制輸出頻率的采樣系統(tǒng)和調(diào)頻系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)對風(fēng)車轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送往調(diào)頻系統(tǒng)，由調(diào)頻系統(tǒng)對輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，保證輸出電壓頻率穩(wěn)定在50 Hz，不依賴硬件儲能設(shè)備。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示［2］。

圖2 基于小型雙饋異步發(fā)電機(jī)風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)的研究

該系統(tǒng)可以保證輸出電壓穩(wěn)定在50 Hz。當(dāng)風(fēng)車轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時，采用一次調(diào)頻法，向轉(zhuǎn)子繞組中通入三相交流電，產(chǎn)生反向的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行抵消；當(dāng)風(fēng)車轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時，采用慣量響應(yīng)法，向轉(zhuǎn)子繞組中通入三相交流電，產(chǎn)生同向的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行疊加。

該調(diào)頻系統(tǒng)的工作步驟如下：判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否已經(jīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。若未達(dá)到，則采用慣量響應(yīng)調(diào)頻方法；若達(dá)到，則采用一次調(diào)頻方法。保證輸出電壓頻率的穩(wěn)定［2］。

5.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制策略

從以上分析可以更好地展示雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體構(gòu)架。為了保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行，做好信息反饋，確保電力工程的可靠性，必須完善現(xiàn)有技術(shù)，更好地對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開展控制［3］。

（1）帶儲能的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（GSC）控制對策。向具備持續(xù)起伏的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)電機(jī)定子導(dǎo)出有功功率是GSC控制的目的之一，可以確保電網(wǎng)的功率達(dá)到期望值，根據(jù)控制電網(wǎng)的電流方向突出解耦控制的優(yōu)勢。

（2） 被動保護(hù)系統(tǒng)（RSC）控制策略。RSC是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最重要的一部分，其控制總目標(biāo)是根據(jù)追蹤控制對策精確測量較大的風(fēng)力，在風(fēng)能的利用上做好轉(zhuǎn)換，進(jìn)而根據(jù)獲得電機(jī)定子端口號命令明確有功功率。這部分控制系統(tǒng)選用電磁場定向的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)矢量控制方法，它最大的特點(diǎn)是可以將電機(jī)定子端口號的有功功率和無功負(fù)荷結(jié)合，完成解耦控制，最后使脈沖寬度調(diào)制信號綜合控制RSC。

（3） 故障穿越控制。伴隨著風(fēng)能發(fā)電經(jīng)營規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地區(qū)電網(wǎng)間的相互影響也會越來越大。一旦電網(wǎng)工作電壓降低，離心風(fēng)機(jī)便會大規(guī)模脫網(wǎng)，造成電網(wǎng)工作電壓奔潰，甚至造成安全事故。因而，控制常見故障穿越，可以穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)作、處理測算剖析后的不對稱問題及減少震動力度。

5.3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）不使用電瓶等電能儲存裝置，節(jié)省了成本。

（2）不用通過兩次交—直流轉(zhuǎn)換，可將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力直接并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，大大提高了電能的利用效率。

（3）該系統(tǒng)不使用電瓶且可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的直接并網(wǎng)，延長了發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。

6 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)的研究。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究包含風(fēng)能發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)和并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速操縱。為了增強(qiáng)風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)常見故障穿越工作能力，必須根據(jù)全輸出功率變流器完成控制系統(tǒng)，根據(jù)合閉并網(wǎng)電源開關(guān)來調(diào)整并網(wǎng)操縱?，F(xiàn)階段，可以利用調(diào)整小型風(fēng)力發(fā)電的槳距、輸出功率和轉(zhuǎn)速追蹤最大風(fēng)能，進(jìn)而捕獲最大風(fēng)能［4］。

（2）發(fā)展變槳距調(diào)整方法和調(diào)速運(yùn)作方法。變槳距調(diào)整方式可以根據(jù)操作系統(tǒng)的最佳運(yùn)作參數(shù)平穩(wěn)運(yùn)作，在額定值風(fēng)力之下最大限度地消化吸收風(fēng)能高效率，在額定值風(fēng)力以上調(diào)整全部系統(tǒng)的承受力以導(dǎo)出穩(wěn)定輸出功率，將進(jìn)一步替代現(xiàn)階段的固定不動槳距調(diào)整方式。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展終將變成并網(wǎng)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的一個主要方向［5］。

（3）海上風(fēng)電場技術(shù)。海上風(fēng)速資源比較豐富，核心風(fēng)向平穩(wěn)，離心風(fēng)電機(jī)對周圍環(huán)境影響小，因此可以組裝更高裝機(jī)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。將來，海上風(fēng)電場發(fā)電量將獲得較大的發(fā)展，但海上風(fēng)電場發(fā)展中的一些技術(shù)問題需盡早處理，如風(fēng)電可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)、水上風(fēng)電場輸配電技術(shù)科學(xué)研究、風(fēng)電場維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)、風(fēng)電場集中控制技術(shù)等問題。只有這些問題得到科學(xué)、合理、高效的處理，并網(wǎng)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)才能得到持續(xù)且迅速的發(fā)展。

7 結(jié)語

本文選用雙饋異步發(fā)電機(jī)，并基于雙饋異步發(fā)電機(jī)構(gòu)建了風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：不需要使用電瓶等電能儲存裝置，大大節(jié)省了成本；不用通過兩次交—直流轉(zhuǎn)換，可將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力直接并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，大大提高了電能的利用效率；不使用電瓶且可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的直接并網(wǎng)，延長了發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。

本文還探討了并網(wǎng)型風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展前景：并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)的研究將是未來風(fēng)力發(fā)電的重要方向；發(fā)展變槳距調(diào)整方法和調(diào)速運(yùn)作方法將是并網(wǎng)風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的一個主要研究方向。