变速恒频风力发电技术研究

变速恒频风力发电技术研究

目录

摘要 ............................................................................ I Abstract ........................................................................ II 第一章绪论 . (1)

1.1风力发电研究的背景和意义及现状 (1)

1.2 风力发电系统组成及原理 (2)

1.2.1 风力机工作原理 (2)

1.2.2 风电系统 (3)

1.3 风力发电技术 (4)

1.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组 (4)

1.3.2 变桨距调节型风力发电机组 (5)

1.3.3 主动失速调节型风力发电机组 (5)

1.3.4 变速恒频风力发电机组 (5)

1.4变速恒频风力发电技术 (6)

1.4.1 恒速恒频风力发电技术 (6)

1.4.2 变速恒频风力发电技术 (6)

第二章变速恒频风力发电电机及其系统 (10)

2.1变速恒频风力发电机组的运行原理 (10)

2.2 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 (12)

2.3 永磁发电机变速恒频风力发电系统 (13)

2.4 交流励磁双馈型变速恒频发电系统 (13)

2.5无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 (14)

2.6磁场调制型变速恒频风力发电系统 (15)

第三章变速恒频双馈电机风力发电控制策略 (16)

3.1变速恒频双馈电机风力发电控制策略 (16)

3.2 双馈电机存在的主要问题 (16)

3.3 双馈电机的控制策略综述 (17)

3.3.1 双馈电机标量控制 (17)

3.3.2 双馈电机直接转矩控制 (18)

3.3.3 双馈电机转子磁场定向控制 (19)

3.4变速恒频双馈电机风力发电功率控制 (20)

3.5双馈电机风电场的无功功率控制技术 (22)

3.6风力发电机组的并网控制技术 (22)

3.7结论 (23)

结论 (24)

致谢 (25)

参考文献 (26)

第一章绪论

1.1风力发电研究的背景和意义及现状

风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从 20 世纪 90 年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。风力发电是解决边远农村供电的重要途径。

目前我国正在进行西部大开发。由于西部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，靠大电网去解决那里的用电问题是不够的，必须同时开发像风力发电这样的分散供电系统，才能较好地满足当地人民生产生活对电力的需求。

风电的优点包括：

(1)利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；

(2)运行成本低，风电机组的设计寿命约为 20－25 年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的 3%－5%；

(3)建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。

进入 21 世纪，全球可再生能源也在不断发展，而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年 32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达5000 万 MW。

由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快，预计 15 年之后欧洲人口的一半将会使用风电。欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。在欧洲，德国的风电发展处于领先地位。

在近期德国制定的风电发展长远规划中指出到 2025 年风电要实现占电力总用量的 25%，到 2050 年实现占总用量的 50%的目标。其中丹麦风能产业年营业额在 30 亿欧元左右，并网发电机组达 312 万千瓦，风能发电量占全国电力总量的 22%，居全球首位；而在该国的西北部地区，这个比例甚至已经达到 100%。

我国幅员辽阔，陆疆总长达 2 万多公里，还有00 多公里的海岸线，边缘海中有岛屿 5000 多个，风能资源丰富。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于 6 米/秒以上的地区，在全国围仅仅限于较少数几个地带。就陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南

澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区。

中国陆地 10 米高度层实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦，考虑到近海风能，总储量应该不止 2.53 亿千瓦。风电项目通常要求年利用小时数高过 2000小时，目前中国已经建成的风电场平均利用小时约 2300 小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。中国风电真正开始有较大规模的发展是从1996 年、1997 年开始的。

1.2 风力发电系统组成及原理

风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。

1.2.1 风力机工作原理

(1)风力发电机

风力发电机可以分为两种类型，一种是主要靠和风向方向一致的空气动力产生的力矩来驱动；另外一种是主要靠和风向方向垂直的空气动力产生的力矩来驱动。前者的功率系数很小，能量变换效率低下，所以逐渐被淘汰。后者又可包括水平轴的风力机和垂直轴的风力机，垂直轴的风力机主要缺点是转矩脉动大，在遇到强风时不易调速，在 80 年代后期各国己经停止了对这种风车的研制和开发，现在的风力机主要是水平轴螺旋桨推进器型的。

水平轴风力机主要风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为 2—3 个叶片)装在轮毅上所组成，风轮采用定桨距或变桨距两种，以定桨距居多。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速，在风速较大，达到风车的额定功率时，调节桨距可进行失速调节来限制负荷的大小，以限制负荷的大小保护风车。发电装置主要由塔楼和安装在塔顶的引擎舱组成。水平轴的风力机通常根据风力机不同的使用目的使用不同数目的叶片。风力发电主要使用 2 到 3 个桨叶的风力机，20 个

或更多桨叶的风力机主要用于水泵等机械装置的驱动。桨叶数目少的风车启动力矩小，叶片端速比大，因此可工作的风速围较大，主要应用在风力发电中。风车中还包括许多控制装置功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。

(2)风力机的功率

由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风力机的实际功率应为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能比值。

以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为 0.593 左右，这是贝兹极限，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4 就相当高了。考虑到风力机和发电机将风能转化为电能的效率，则计算公式表示为: p2 = c p Aρ v3ηtη g （W） (1-1) 式中: ηt ——风力机传动装置机械效率，η g ——发电机机械效率。

为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。

λ=2π Rn ω R=vv (1-2) 式中 n——风轮的转速，单位为 r/s；ω——风轮的角速度，单位为 rad/s；R——风轮的半径，单位为 m； v ——上游风速，单位为 m/s；

通过以上的分析我们知道，风力发电系统包括风车、发电机、电力变换及其控制系统。其中基于空气动力学设计的风车，其技术发展水平己经比较成熟，各种各样的发电机，如感应电机、同步电机、永磁电机可以满足不同情况下的需求。

风力机和发电机将风能转化为电能的效率大约为 35%。

风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节，即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。

(3)风力机的转矩一转速特性

风车就是通过其桨叶将风能转化为机械能(风车的转速及其作用于其上的转矩)的装置。风车的功率可表示为:

pt = Twωt (1-3) 其中: Tw 为风力作用在风车上的转矩；ωt 为风车的角速度。

1.2.2 风电系统

使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成直流电

向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电，供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。1KW ~ 10KW 的风力发电机组主要应用于小型风电系统。该系统适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线阴级保护站等用户。系统原理图包括:风力机、控制器、储能设备及逆变器等。

并网型风力发电机组由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制及安全等系统组成。发电机将风轮的机械能转换为电能，并入电网。

1.3 风力发电技术

风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量转换的两大主要部分，有限的机械强度和电气性能必然使其受到功率和速度的限制，因此，风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键之一。根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点，国目前装机的电机一般分为二类：

（1）异步型

①笼型异步发电机；功率为 600/125kW、750kW、800kW、1250\180kW 定子向电网输送不同功率的 50Hz 交流电；

②绕线式双馈异步发电机；功率为 1500kW 定子向电网输送 50Hz 交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。

（2）同步型

①永磁同步发电机；功率为 750kW、1200kW、1500kW 由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电

②电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电。

目前风力发电机组按照风电机的调节技术分主要有以下 4 种：①定桨距失速调节型风力发电机组；②变桨距调节型风力发电机组；③主动失速调节型风力发电机组；

④变速恒频风力发电机组。以下将分别进行讨论。

1.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组

定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大/小发电机)。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。

失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风机叶片比较)，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。

1.3.2 变桨距调节型风力发电机组

变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到 45o，当转速达到一定时，再调节到 0o直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持为 0o位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。

随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用了最优尖速比技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

1.3.3 主动失速调节型风力发电机组

将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。主动失速调节型的优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳。

1.3.4 变速恒频风力发电机组

变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以跟踪风速的变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段(AC-DC-AC 或AC-AC 变频器)来保证与电网同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要

调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功宰输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，堤高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。

变速恒频的优点是大围调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功宰的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。

1.4变速恒频风力发电技术

发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，简称 CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，简称 VSCF)风力发电技术。

1.4.1 恒速恒频风力发电技术

恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，cp值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%-5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。

1.4.2 变速恒频风力发电技术

虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。

(1)风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转