风力发电系统的研究

袁 婷 广东科技学院 广东东莞 523083

【文章摘要】

风能因其洁净、无污染、可再生的优点，受到越来越多的关注。对比分析了几种常见的风力发电系统的类型，阐述了各风力发电系统的优缺点。将常见的电力电子变换器应用在风力发电系统中，实现风能转换为电能。

【关键词】

风力发电; 直驱式风力发电系统; 电能

随着科学技术的快速发展，化石燃料等能源的消耗量日益增加，需开发新型能源替代燃料能源。风能因其洁净、无污染、可再生的优点，受到越来越多的关注。风力发电作为一种可再生能源发电技术，其发展和应用已遍布全球，受到越来越多国家的重视。

1 风力发电系统类型

在风力发电系统中，电气部件主要由发电机和变流器构成，两者不同的组合和设计可以产生多种不同的风力发电系统， 大致可以分为三类：①不带变流器的定速风力发电系统；②部分功率变流器的风力发电系统；③全功率变流器的风力发电系统。

不带变流器的定速风机结构，其中发电机使用的是笼型异步发电机，定子绕组级数和电网频率决定发电机的转速。在风速不同的情况下，发电机的转速变化很小，在额定转速的1％之内。因为转速变化很小，所以称之为定速风力发电系统。系统启动时，需要用晶闸管软启动器将SCIG 连接到电网来抑制浪涌电流，并限制电网或驱动链所引起的扰动。系统采用三相电容器来补偿SCIG 所消耗的无功功率。该系统结构紧凑、价格便宜、制造和维护起来相对比较简单。但是采用该系统产生的电压不稳定，会对电网产生冲击，且只有低于额定风速时才能产生相应的额定功率，其他风速情况下的利用率很低。

带可变电阻的部分功率变换器异步风力发电系统。在异步发电机的转子回路安装一个变流器控制的可变电阻，可变电阻的大小影响风力发电系统转速和转矩的大小，从而可以实现变速运行。该系统的变速调节范围基本上在同步速的10％ 左右。风力发电系统跟随风速变化而变速运行，其中会有部分能量的损失，所以需要加无功功率补偿环节和软启动器。发电机须使用转子绕组式异步发电机，部分功率变流器连接在转子部分。IG 输送超过额定功率的电能时不会过热，而且变流器的功率只需达到总功率的25％左右。IG 适合兆瓦级的大功率发电系统中。

全功率变流器可以采用齿轮箱，也可不采用齿轮箱，所用的发电机有很多种，如绕线同步发电机、感应发电机或永磁同步发电机。发电机组的功率都通过功率变流器，所以发电机的动态特性与电网进行有效隔离。发电机的电气频率跟随风速变化而变化，但是电网频率是不变的，从而发电机组可以实现变速运行。

功率变流器可以根据多种方式布置。其中发电机侧变流器可采用二极管整流器或者PWM 电压源变流器，电网侧一般采用的是PWM 电压源变流器。发电机运行的控制方案与所采用的变流器布置紧密相连。可以通过机侧变流器控制施加在发电机上的转矩，网侧变流器维持直流母线电压的恒定。该控制方案也可反过来，有功功率通过变流器传输，并且只有很小一部分能量储存在直流侧电容器上。因此，也可以通过网侧变流器来控制施加在发电机上的转矩。每个功率变流器都可以独立地吸收或者发出无功功率。

采用直驱式永磁同步发电机的全功率变流器风力发电系统。采用该系统不需要加齿轮箱和相关部件，减小了风机的体积，使系统结构得到了简化，维护和检修起来更加方便。直驱式永磁同步发电机的发电机轴直接连接到风力机上，转子的转速和交流电的频率随风速的变化而变化，经过全功率变换器将频率不定的交流电变成电网所需的三相交流电输出。该系统中全功率变流器与电网相连，可以实现有功、无功功率的解耦控制，进行无功功率补偿，经变流器产生的电压滤波后能平稳的接入电网。绕组转子同步发电机、笼型异步发电机和永磁同步发电机均可以采用这样的方式并网，其额定功率可以达到数兆瓦。全功率变流器可以省去齿轮箱，可以将输入功率直接变换为电网频率下的功率输出。采用全功率变流器结构，可以更好的解决无功功率控制、对电网支撑的可能、风电场作为常规电场运行等问题。

2 直驱式风力发电系统类型

直驱式风力发电系统中常见的电力电子变换器大致可以分为两类：①不可控整流+Boost 升压电路+ 逆变器结构；② 双PWM 变流器结构。

永磁同步发电机输出的三相交流电经不控整流器后变为直流电，经过Boost 升压电路后接入逆变器，形成满足电网需求的三相交流电，然后并网。整流器后加一个滤波器，可以减少直流中的脉动电流和风力发电系统对直流母线电压的影响，防止电网对电路的高频瞬态冲击。发电机运行在低风速段时，输出电压比较低，不能将能量回馈到电网，所以需要在直流侧加一个Boost 升压电路，升高直流电压后再逆变为需要的交流电。Boost 升压电路可以改善谐波失真和功率因数，调节发电机输出端的电流波形。可以通过中间的电力电子变换器对有功功率和无功功率进行控制，按照给定的最大风能跟踪算法，实现最大功率输出。但采用的是二极管不控整流器，能量不能双向流动，机侧功率因数不可调；且发电机的转矩脉动比较大，对发电机的使用寿命有很大的影响。因此，不可控整流器在实际系统中应用很少。

双PWM 变流器直驱式风力发电系统结构图，双PWM 变流器由发电机侧可控整流器和电网侧电压源型逆变器构成。永磁同步发电机的定子连接双PWM 变流器后接入电网。双PWM 变流器可以实现对发电机侧和电网侧的有效控制。发电机侧PWM 变流器控制发电机的运行。当发电机运行在额定风速以下时，设置电流参考值为0，就可通过控制轴上的定子电流参考值，实现对发电机电磁转矩的控制。电网侧PWM 变流器通过调节网侧的、轴电流，保持直流侧电压稳定，可以实现有功功率、无功功率的解耦控制。通常运行在单位功率因数状态，还要提高输入电网的电能质量。双PWM 变流器拓扑结构的通用性比较强，两侧变流器均能使用DSP 的数字化控制，控制简单、方便。对于双PWM 变流器拓扑结构，与并网相关的问题都比较容易解决。但双PWM 变流器的中间需使用电容做电压支撑，当系统发生故障时，可能会使电容击穿；电容的取值受纹波大小和动态响应等因素的影响，较难实现对直流侧电压的精准控制。

【参考文献】

[1]S.M.Muyeen, 樊生文, 译．风力发电系统——技术与趋势[M]．机械工业出版社，2013.

[2]Bin Wu, 卫三民, 译．风力发电系统的功率变换与控制[M]．机械工业出版社，2012.