几种典型的风力发电系统对比分析

几种典型的风力发电系统对比分析

摘要：随着环境和能源问题的日益严峻，可再生能源的开发，尤其是风力发电技术已被越来越多的国家所重视，而对应用在风力发电系统中的逆变器和调制方法的研究尤为重要。重点阐述了我国的风能资源情况和我国目前的发展状况，指出了存在的主要问题，分析了产生这些问题的原因，明确了我国风力发电事业发展的主要措施和途径，并进一步阐述了风力发电在未来的发展趋势及风力发电的优势。

引言

能源与环境问题已经成为全球可持续发展面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注，并寻求积极的对策。风能是一种可再生、无污染的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的，而且储量十分丰富。据估计，全球可利用的风能总量在53000TWh/年。风能的大规模开发利用，将会有效减少化石能源的使用、减少温室气体排放、保护环境。大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。

在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率和电网频率保持一致，即风电频率保持恒定，因此，风力发电系统分为恒速恒频发电机系统（CSCF系统）和变速恒频发电机系统（VSCF系统）。恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频系统（CSCF系统）一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者运行于电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度运行。变速恒频发电机系统（VSCF），是指在风力发电过程中发电机的转速，并以随风速变化而通过其它的控制方式来得到和电网1恒速恒频发电系统

目前，单机容量为600kW～750kW的风电机组多采用恒速运行方式，这种机组控制简单，可靠性好，大多采用制造简单，并网容易，励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机。恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，功率调节由风轮叶片来完成，对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速变化范围很小，转差率一般为3%~5%，属于恒速恒频风力发电机。

1.1定桨距失速控制

定桨距风力发电机组的主要特点是桨叶与轮毅固定连接，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。利用桨叶翼型本身的失速特性，在高于额定风速下，气流的功角增大到失速条件，使桨叶的表面产生紊流，效率降低，达到限制功率的目的。采用这种方式的风力发电系统控制调节简单可靠，但为了产生失速效应，导致叶片重，结构复杂，机组的整体效率较低，当风速达到一定值时必须停机。

1.2变距调节方式

在目前应用较多的恒速恒频风力发电系统中，一般情况要维持风力机转速的稳定，这在风速处于正常范围之中时可以通过电气控制而保证，而在风速过大时，输出功率继续增大可能导致电气系统和机械系统不能承受，因此需要限制输出功率并保持输出功率恒定。这时就要通过调节叶片的桨距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩。由于变桨距调节型风机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风机有更好的能量输出，因此，比较适合于平均风速较低的地区安装。变桨距调节的另外一个优点是在风速超速时可以逐步变化到无负载的全翼展模式位置，避免停机，增加风机发电量。对变桨距

调节的一个要求是其对阵风的反应灵敏性。

1.3主动失速调节

主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合，吸取了被动失速和变桨距调节的优点。系统中桨叶设计采用失速特性，调节系统采用变桨距调节，从而优化机组功率的输出。系统遭受强风达到额定功率后，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，桨叶仅需微调即可维持失速状态。另外，调节桨叶还可实现气动刹车。这种系统的优点是既有失速特性，又可变桨距调节，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。系统控制容易，输出功率平稳，执行机构的功率相对较小。

1.4主要缺点

恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点：一是风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率；二是当风速突变时，巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力;三是并网时可能产生较大的电流冲击。

目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率（通常是安装电容器，以补偿大部分消耗的无功功率）。而现代变速风电机组却能十分精确地控制功率因数，甚至向电网输送无功功率，改善系统的功率因数。由于以上原因，变速风电机组越来越受到风电界的重视，特别是在进一步发展的大型机组中将更为引人注目。

当然，决定变速机组设计是否成功的一个关键是变速恒频发电系统及其控制装置的设计。

2变速恒频发电系统

利用变速恒频发电方式，风力机就可以改恒绎技术交流速运行为变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也部分被风轮吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风力机组运行更加平稳和安全。

风力发电机变速恒频控制方案一般有4种：

（1）鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统；

（2）交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统；

（3）无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统；

（4）永磁发电机变速恒频风力发电系统。

2.1鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统

采用的发电机为鼠笼式转子，其变速恒频控制策略是在定子电路实现的。由于风速是不断变化的，导致风力机以及发电机的转速也是变化的，所以，实际上鼠笼式风力发电机发出的电是频率变化的，即为变频的，通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量需要与发电机的容量相同，使得整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其对于大容量的风力发电系统。

2.2双馈式变速恒频风力发电系统

双馈式变速恒频风力发电系统常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一