摘要：研究了现阶段恒变速发电的特点，分析了风力发电机组的电气控制原理以及不同情况下对发电机规格的选择。以变速发电为重点研究内容，介绍了基于同步发电机的“直接在线”发电和基于绕线异步机的双馈发电系统，研究风力涡轮机特性以及风力发电机组的电气控制原理。为解决传统变速发电机成本较高，发电效率较低的问题，设计新型风力发电机组——锥形转子风力发电机组，能够在节约投资的基础上保证供电系统的需求。
关键词：风力发电恒速发电直接在线锥形转子
引言
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。
1、风力发电机组结构
（1）风轮风轮是风力发电机组的能量转换装置，它的作用是将风朗转换为机械能，利用风轮的转动，带动发电机发电。风轮是风力机的重要构件，主要由叶片、叶柄、轮级三部分组成。（2）传动装量介于风轮与发电机之间的变速机构。其作用是改变传动方向和变速之用。对于百瓦级微小型风力发电机组来说，由于发电机均采用低速发电机，所以，一般省去了传动装置，风轮与发电机之间采用直接连接。（3）限速机构和调速机构风力机工作环境比较恶劣，受自然风况影响较大，有时要受到突发性阵风或强风的吹袭。为了保证风力机安全可靠地运转，并使风轮在一个限定的转速范围内工作，就需要设置必要的调速和限速机构。常见的调速机构有离心变矩、风轮侧偏、机头侧仰、气动阻尼、风轮偏心、配重尾翼等形式。（4）机座回转体机座回转体结构非常简单，但却是风力机的重要构件之一，其作用是文撑整个机头（风轮与发电机等），并使其在塔架上端自由回转。（5）调向机构其作用是使风轮叶面总保持与来风处于垂直状态，从而使风帆获得最大的风能，以实现最大的功率输出。高速螺旋桨式风力机按风轮与来风所处的空间位置分为上风式（亦称迎风式）、下风式（亦称背风式）两种。（6）塔架一般分为悬架式、简式和独杆拉索式。百瓦级小型风力发电机大都采用独杆拉索式。（7）发电机发电机是整个风力发电系统的做功装置。它的作用是将机能转换成电能。常用的发电机有直流发电机、硅整流发电机。硅整流发电机又有永磁式与激磁式之分。硅整流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速充电性能好等特点。（8）配电盒或控制器配电盒或控制器是风力发电机组维持向外正常供电不可缺少的部件。对风力发电机组来说，由于自然风时大时小，成时有时无，不能用发电机直接向用电设备供电，而必须与蓄电池共同使用才能保证输出电压稳定。对蓄电池来说，过充电或过放电都会降低其使用寿命。因此，配电盒中必须具有必要的保护装置，以保证发电机组的正常使用。（9）蓄电池蓄电池在风力发电机组中，既是储能装置，又起稳定输出电压的双重作用。按电解质的不同，可分为酸性蓄电他、碱性蓄电池两类。常用的有铅酸蓄电池、铁镍电池、锡镍电池。（10）逆变器逆变器是一种将直流电转换成交流电的装置。微小型风力发电机组输出电压一般有12v、24V、36v，只能供相应电压的直流用电器使用，而目前大多的家用电器如：电视机、洗衣机、电冰箱、电动机等都使用220V交流电。因此，必须使用逆变器将直流电 变换成交流电，以 供家电使用。
2、两种变速发电系统
2.1变速发电分类
变速发电系统分为采用同步发电机的直接在线系统和采用双馈电机（绕线异步机）的双馈系统。
2.1.1直接在线系统的特点
直接在线系统如图1所示，同步电动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，变频器容量较大，投资和损耗也相对较大，谐波吸收困难。2）通过节约机械结构的投资用于补偿变频器增加的投资，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。
2.3变速发电的控制原理
为确保电机发电时的平稳运行以及发电效率，变速发电运用转速信号控制原理，解决了根据风速信号控制功率和转速时扰动较大的问题，变速控制要求较高。
2.3.1三段控制要求
1）低风速段，根据输出最大功率要求进行变速控制。绘制不同风速下涡轮机功率—转速曲线，连接各曲线的最大值点，计算风力发电实际输出功率。分析可知，低风速时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率。2）中风速段。此阶段为过渡区段，电机转速己达额定值，而功率尚未达到额定值。随着风速的增加，倾角控制器开始工作，使功率也随之增大。3）高风速段。高风速时，电机功率和转速均受到约束，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制。
2.3.2双馈系统的变频器控制
双馈系统变频器由电机侧PWM变换器和电网侧PWM变换器两部分组成。对双馈系统电机侧变换器的输入给定量进行设定，计算定子电流和转子电流的有功和无功分量给定值，通过基于矢量变换的电流控制，使定、转子电流的有功和无功分量实际值分别等于其给定值。电网侧PWM变换器控制的输入给定量为直流桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现。当风速增加时，调节桨叶倾角控制转速不变，分析涡轮机功率与转速的关系，采用非线性控制器调节两者的关系。
2.3.3试验结果
将1500kW双馈式变速风力发电机组试验运行，记录运行数据，绘制发电机组运行波形图。分析波形图，可知：1）当转速达到1800r/min时，桨叶倾角控制系统开启，维持输出功率在1500kW和转速在1800r/min左右，基本不变，波形中微小的波动是由于倾角控制响应滞后造成的。2）当风速达到2000r/min时，变速发电开始产生“弹性”效果，部分风能贮存在机组转子的惯量中，输出功率和转矩仅很小波动。
结束语
1）对于1000kW以上的变速发电机组应用范围较广。2）采用变速发电时，有同步发电机和双馈异步发电机两个方案。3）变速发电时，对变流器以及桨叶倾角的控制是保证发电机高效运行的关键技术。当风速较高时，对倾角进行控制；当风速较低时，控制变流器功率—转速是重要步骤。4）锥形转子风力发电机组在节约成本的基础上可满足供电系统的需求，是未来新能源发电的潮流。
参考文献：
[1]李兴国.风电机组系统分析关键技术研究及应用[D].重庆大学，2009.
[2]宋文娟.基于PAC的风力发电机组控制系统的研究与开发[D].湖南大学，2008.
[3]张新房.大型风力发电机组的智能控制研究[D].华北电力大学（北京），2005.
论文作者:孟慧梁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/14
标签：发电机论文; 风轮论文; 风速论文; 转速论文; 倾角论文; 变换器论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第35期论文;