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）

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(gòu)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(guān)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖。

圖2 籠型異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子當中的電流大小就能夠?qū)D(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)速度進行調(diào)控，讓轉(zhuǎn)子的磁感應強度和定子的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

雙饋發(fā)電機是憑借對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子側(cè)來完成的，通過轉(zhuǎn)子電路的功率是憑借發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程當中的速度限定值來確定轉(zhuǎn)差功率的，所以轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)方面大致相同，它是使用永久性的磁鐵來代替原有的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)與磁力傳統(tǒng)技術(shù)，可以讓風力發(fā)電機在微風的狀態(tài)下便能夠進行運轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)微風發(fā)電。

4 結(jié)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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