摘要：风能作为当今世界的可再生能源，对于解决目前能源与环境问题具有重要作用，由于风能分布较广、蕴藏量丰富以及无污染的特性，使其在全球范围内应用较广。风力发电是继火力、水力等传统发电方式后的新型发电方式，涉及空气动力学、机械、电机和控制诸多技术领域，极大地减少了人类对自然环境的污染。
关键词：风力发电机组；电气控制；关键技术；应用
引言
风电是电力行业的先进生产力，资源无尽、成本低廉。我国已将风力发电作为新能源发展的一个重点，在风力资源好、用电量需求大的地方，有计划、有步骤地建设一定规模的风力发电场。这在电气设备、保护控制系统的选型和设计上有一定的特殊性，电力设计单位在进行风电设计时需要应尽可能多地详细掌握各类风电电气设备的技术特性。本文在此简要介绍了风力发电机组及其控制系统主要设备的工作原理和技术关键。
1 恒速发电和变速发电
1.1 恒速发电
恒速发电一般使用笼型异步电机，电机在风速变化时转速保持恒定的发电方式称为恒速发电。发电时叶轮拖动异步发电机转动，由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小。机组的功率调节完全依靠叶片的气动特性，输出功率随着风速的变化而变化。恒速发电又称“刚性”风力发电，具有对野外环境适应性较强、电气系统简单等优点，但对发电设备要求较高，因风速变化时发电效率较低。
1.2 变速发电
变速发电采用同步发电机或双馈发电机，风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变流器，使电机接入恒频（50Hz）、恒压电网发电。变速发电又称“弹性”风力发电，较恒速发电电气系统构造较为复杂，但在不同风速下可以提高发电效率，对电机部件机械要求较低，当强风来时变桨系统开始工作，机构寿命延长。综合分析，采用变速发电时，电机功率一般大于1100kW。
1.3 两种变速发电系统
1.3.1 变速发电分类
变速发电系统分为直驱永磁发电机和双馈发电机（绕线异步机）。（1）直驱永磁发电机输出的频率和电压经交—直—交变频器接至恒压、恒频（50Hz）电网。1）较双馈系统而言，发电机发出的功率可以被全部吸收，变频器容量为直驱发电机容量，投资和损耗也相对较大，谐波吸收困难。2）通过节约齿轮箱的投资用于补偿变频（流）器增加的投资，且使用的永磁发电机效率较高，从而增加发电量。3）变频器所用二极管简单实用，减少了成本的投入。
1.3.2 双馈系统的特点
双馈发电机的定子通过并网开关连接电网，转子经四象限IGBT电压型交—直—交变频器连接电网。发电时，随转速变化而变化的转差功率变化为恒定、恒频（50Hz）的转差功率，进而到达电网。通过分析转速与同步转速的关系确定电网收到的功率。当转速高于同步转速时，电网收到的功率为定转子功率之和，大于定子功率；当转速低于同步速时，电网收到的功率小于定子功率。1）发电时，由于变频器容量较小，投资和损耗也较小，从而提高了发电机组效率。2）由于要求双方向功率流过变频器，故对变频器规格要求较高，价格随之增加。3）双馈发电机的磁通转化率比直驱永磁发电机较低。
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2 风力发电机组的电气控制关键技术
2.1 风力发电机变流器
风力发电变流装置采用经过验证的成熟的电力电子变频技术，可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力以适应电网扰动，并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。风能的随机性、阵风性、不确定性，导致风力机组所输出的电功率频率、电压均易随风速而变，因此必须对电能品质进行控制和整定。而风力发电系统具有很强的非线性和不确定性，多干扰等特点，所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定工作周期，因此风力发电系统模型的确定也很困难。现在采用的直驱风力发电机，由于采用了变速恒频控制技术，不仅节省了无功补偿器，而且还可以捕获更多的风能，并在风能不确定的条件下使发电机输出稳定。其控制主要通过3个部分来实现：（1）发电机侧变流器，其功能主要是利用GTO或IGBT将发电机的出口交流转换成直流输出。（2）直流控制器，主要控制直流，使其在要求的电压下运行。（3）电网侧变流器，将直流通过逆变变为交流并入电网，并根据系统的需要有效地调整输出的功率因数，去除谐波，提高电能质量。双馈风力发电机的转速随风速及负荷的变化能及时作出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。风力发电的变流装置的主要关键技术在于：（1）针对风力模型本身的不确定性，采用更优的如非线性控制、鲁棒控制技术，使得风力机组得到更好的特性。（2）针对机组和系统的多种特殊情况采取有效的控制应对措施。能够适应复杂恶劣环境的要求。（3）在控制策略的设计上采取自诊断，冗余等技术尽可能提高系统可靠性。
2.2 风电场的控制与保护装置
风电场相应的顺序控制、安全联锁保护等机构，作为风电场的控制与保护，大致可以分为以下几个功能模块：（1）连续调节控制。（2）顺序控制（SCS）。（3）数据采集（DAS）。（4）联锁保护。（5）管理和信息处理。从现场控制的结构来看，风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集自然参数，机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的起动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时，集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能，下位机（机组控制机）控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过风机监控系统与中央控制室的上位计算机通信，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能
结束语
风力发电在我国是新兴行业，对改善环境，优化资源配置有着不可或缺的作用。大力发展风电是我国改善能源结构的战略举措。电力设计院应在技术上和工程设计实践上积极探索，熟悉风力发电场电气设备结构以及特殊的运行情况，对风力发电的动态特性具备更多的分析手段，在集散控制系统设计和网架构建、通信方式等方面随时跟踪最新技术动态，在设计上有新的突破，不断提高风力发电的工程设计水平。
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论文作者:赵斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/11
标签：发电机论文; 功率论文; 机组论文; 电网论文; 风力发电论文; 转速论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第36期论文;