变速恒频风力发电关键技术分析

李国庆

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心,北京 100081)

变速恒频风力发电关键技术分析

李国庆

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心,北京 100081)

世界能源消耗量不断增加,风能作为可再生绿色能源成为各国重点发展的能源,风力发电也成为各国研究的重点。本文从国内风力发电的现状出发,对交流励磁变速恒频风力发电的关键技术进行研究,并分析了变速恒频风力发电技术的工作原理和优点,以求为风力发电技术的发展提供些许借鉴。

变速恒频 风力发电 原理

我国的能源消耗十分严重，能源短缺和环境污染成为经济发展的阻力。为了实现可持续发展，我国正在努力研究清洁能源技术。风能作为可再生能源，具有大规模开发利用的潜能。风力发电利用风力机的转动产生电能，具有廉价、清洁、取之不尽的特点，受到众多国家的青睐。变速恒频风力发电技术能够更加高效的实现能量转化。

1 我国风力发电现状

风力作为绿色能源，主要是在太阳的热量影响下，不同区域形成温度差，这些区域的气流相互流动形成风力。全世界的风能总量约为3亿兆瓦，但是能够利用的风能却不足总量的1%。我国的风能资源也相对较多，大概在2.5亿千瓦左右。我国的风力发电始于上世纪50年代，80年代开始快速发展，部分地区的风能发电能够解决人们的日常用电。内蒙、山东等地已经建立了风力发电厂，并积极进行风能发电研究。

每个国家和地区对风能的重视程度不同，其重视程度体现在风电机组的容量上。随着我国计算机技术的发展和自动化的控制系统不断提高，风能发电也取得了不少进展。风力饭店的机组容量逐步增加，使用变桨距代替了定桨距进行调节，能够提高风能发电的效率，满足不同用户的需求，并大大节省了成本。无齿轮箱中使用了直驱模式，风能技术朝着变速恒频的方向发展，既能节约成本又能提高发电效率。

2 变速恒频风力发电关键技术分析

2.1 变速恒频风力发电关键技术工作原理

风力发电机主要由风力机、发电机和辅助构件组成。当风能达到一定的密度时，风扇的转动将风能转变为机械能，扇叶转动的同时也带动了齿轮箱进行运转，不断传递机械能，使得齿轮箱的转子在磁场内运转，把得到的机械能变为电能。定子绕组中产生感应电流，通过电网传输给用户用电。在风力发电系统中，风力机处于十分重要的地位，它利用扇叶将风能转化为机械转矩，并传递给发电系统，产生电能后传输给用户使用。风能发电系统需要适应风的变化调整发电系统运转。因此，如何利用发电机追踪最大风能就是提高风能利用效率的关键。为了能够解决这一问题，风能发电机使用了自动控制系统，不需要人为的进行操作，能够利用计算机和机械进行高效生产。自动控制系统能够利用计算机计算出交流励磁发电机参考输入相关数据，利用计算公式追踪最大风能。

2.2 变速恒频风力发电机系统

当前风力发电系统采用最多的就是异步发电机，这些都属于恒速恒频发电系统。变速恒频发电系统能够使发电系统在较大风速范围内按照最佳效率运行，因此越来越受到人们的重视。当风力机的转速与风速成正比，并保持在一个恒定的最佳叶尖速比λ，使得风力机的风能利用系数Cp保持最大值不变，风力发电机组输出最大功率，从而提高风力机的运行效率。大型的发电机多采用变速恒频发电系统，能够利用最大风力，实现风能发电的最高效率。风力发电的变速恒频发电系统常见的有交-直-交磁场调制发电系统、交流励磁双馈发电系统、无刷双馈发电系统、开关磁阻发电系统等，这些系统的特点不同能够满足不同发电性能的需要。

2.2.1 交流励磁双馈发电机系统

这种系统主要采用转子交流励磁双馈发电机。风速发生变化时，发电机的转速n也随之变化，控制转子电流的频率使定子频率恒定，以满足

式子中的f1定子电流频率，与电网频率相同；

fm表示转子机械频率，fm=n/60；

P表示电机的极对数；

f2表示转子电流频率。

当发电机的转速小于定子旋转磁场转速时，变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能，此时上述式子取正号；当发电机的转速大于定子旋转磁场的转速时，处于超同步状态，此时发电机由定子和转子同时发出电能，变频器的能量流向逆向，此时上述式子取负号；当发电机的转速域定子旋转磁场转速相等时，两者处于同不状态，发电机作为同步电机运行，f2为0，变频器向转子提供直流励磁。由上述式子可以得出，当发电机的转速发生变化时，控制f2的变化就能够使f1保持恒定，也能够与电网频率保持一致，从而实现变速恒频控制。这种变速恒频控制方案能够在转子电路内实现，流过转子电路的功率由交流励磁发电机的转速运行范围来决定转差功率，该转差功率仅仅是定子额定功率的一部分。

2.2.2 无刷双馈发电系统

无刷双馈发电机系统的定子有两套技术不同的绕组，其中一个直接接通电网，称为功率绕组，另一个利用双向变频器接通电网，称为控制绕组。该系统的转子是笼形结构，不再使用电刷和滑环，转子的技术为定子两个绕组的极对数之和。无刷双馈电机利用励磁电流，根据转速的变化而变化，使旋转磁场与功率组实现相对转速恒定，从而实现变速恒频。

3 变速恒频风力发电关键技术的优点

该技术采用变速恒频方式，风能的转化效率高，变速原型风力机能够以最佳尖速比、最大功率运行，相较于恒速恒频风力发电系统而言，其年发电量提高了百分之二十，变速运行的分离机运行时间高，输出功率大，运行效率高。变机电动力系统之间的刚性连接为柔性连接，能够延长风力机的寿命，减少疲劳损坏。该技术采用矢量控制调节励磁，能够进行有功功率和无功功率的独立调节，能够根据最大分离自动调节电网的频率因数，提高了电力系统的动静态性能。

风力发电技术的不断发展使得风电机组的可靠性和效率不断提高，发电成本不断降低，单机容量持续增大，风电机组型式不断趋向多样化。变速恒频风力发电技术能够实现风能转化效率的提高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更高的电能质量，且采取了自动控制技术降低了风电机组的载荷。

[1]吴吉红,宋立新.变速恒频风力发电技术探析[J].中国化工贸易,2012,7(02)：157-158.

[2]王冠琰,李娜.变速恒频风力发电技术综述[J].机械制造与自动化,2010,1(02)：132-134.