变速恒频风力发电系统3.3.5优化方案

采用变速恒频风力发电技术可以克服上述恒速恒频风力发电技术的缺点。当风力发电机采取变速运行时，风速改变时风力机的转速随之变化，风力机实现变速运行，可以在很宽风速范围内保持最佳叶尖速比，实现风能最大效率转换，提高了风能利用率。而风速跃变产生的巨大风能波动，小部分通过风力机的加速或减速以动能的形式存储于风轮中，大部分为电网所吸收，使风力发电机组内部能量传输部件应力变化平稳，从而避免了主轴及传动机构承受过大的转矩及应力，使风力发电机组运行更加平稳和安全。此外，通过变流器调控输出电压还可以实现无冲击电流的软并网，也使风力发电机组的运行更加平稳和安全。由于变速恒频风力发电技术较恒速恒频风力发电技术有以上优势，因此，它是目前风力发电技术应用和发展的热点。

在变速恒频风力发电机系统中由于采用了电力电子变流器或变频器，无论采用哪种类型的发电机，风力发电机都能够在变速恒频下运行。通过电力电子变换装置使发电机和电网实现了柔性“软连接”，发电机转子的转速和电网频率解耦，使得风力发电机组的变速恒频运行成为可能。虽然应用电力电子变换装置增加了风力发电系统的成本，控制技术也较为复杂，但变速恒频风力发电系统具有较宽的转速运行范围，提高了风能利用率，从风力发电机组整个使用期的成本来看还是经济的。

根据在变速恒频风力发电系统中使用的电力电子变换器容量大小，可以将变速恒频风力发电系统分为两类：一类是全额功率变换型，即电力电子变换器容量和发电机容量相当；另一类是转差功率变换型，即电力电子变换器容量仅为发电机容量的一部分（与转差成比例的一部分）。

1.全额功率变换型变速恒频风力发电系统

全额功率变换型变速恒频风力发电系统根据齿轮箱的有无，又分为带齿轮箱的全额功率变换型变速恒频风力发电系统和直驱式变速恒频风力发电系统。

（1）带齿轮箱的全额功率变换器变速恒频风力发电系统

风力机转速一般都较低，如大型风力机的转速低至每分钟几十转甚至十几转。由于在相同功率下发电机的体积与其转速成反比，为了减小发电机的体积，发电机都设计成750rad/min、1000rad/min或1500rad/min高速旋转，在风力机和发电机之间通过升速齿轮箱连接，使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机高转速相匹配。

图3-19所示是带齿轮箱、采用直流励磁的同步发电机和全额功率变换器的风力发电机组。

当风速变化时，风力机以及发电机转子的转速变化，发电机的电压频率f=NN_p/60也随之变化。通过全额功率的电力电子变换装置（AC-AC直接变频或AC-DC-AC间接变频）向电网输出恒压、恒频交流电能。

（2）直驱式全额功率变换器变速恒频风力发电系统

齿轮箱增加了系统损耗，并且在大容量风电机组中齿轮箱造价昂贵，容易过早损坏，且维护保养工作量也大。为了提高风力发电系统的效率和可靠性，从20世纪90年代起开始人们研究取消升速齿轮箱，由风力机直接驱动发电机，即直驱式变速恒频风力发电系统。

图3-19 齿轮箱升速的直流励磁同步电机变速恒频风力发电系统

直驱式变速恒频风力发电系统中发电机的类型有多极永磁同步发电机（见图3-20）、多极笼型（无刷）异步发电机和开关磁阻发电机等。

采用图3-20所示永磁发电机，其定子与普通交流电机相同，转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因此易于做成多极电机，又不存在励磁损耗，提高了效率，而且转子上没有集电环，运行更安全可靠，不足之处是使用磁性材料而成本较高。图3-20所示的兆瓦级的直驱型多极式永磁同步发电机型风力发电系统也已得到广泛应用。多极永磁同步发电机制造不太困难，其输出频率f=NN_p/60，由于磁极对数数值N_p较大，在较低的风力机转速N时，其输出电压的频率f也可为50Hz，不必采用升速齿轮箱，也能输出恒频（频率为f_s=50Hz）恒压交流电，但也必须采用全额功率的电力电子变换器。

图3-20 直驱多极永磁同步发电机—PWM变流器风力发电系统

笼型异步电机的转子易于制成多极。图3-21为直驱多极笼型异步发电机型风力发电系统结构。这种结构适用于大容量风力发电系统。由异步电机运行原理得知，当异步电机连接到电网上并由原动机驱动（如风力机）驱动时，只要原动机的转速N略超过由电网频率f_s和电机磁极对数N_p所决定的同步转速N_s，则异步电机就处于发电运行状态，向电网输出有功功率。直驱式风力发电时，原动机转速N不高，要求转速N>N_s=60f_s/N_p，则必需的电机磁极对数N_p很多。笼型异步发电机运行中其定子绕组必须从电网输入其额定容量30%左右的感性无功功率使转子“励磁”，通常在其定子侧加接大量的电容器。图3-21中采用笼转子异步发电机实现变速恒频风力发电也必需引入全额功率电力电子变换器。图中异步发电机转速N随风力机速度变化时，异步发电机定子输出电压的频率也随之改变，在异步发电的稳定工作区转差S的绝对值仅0.02～0.05，其定子电压的频率f近似与转速N成正比的变化，图中整流—逆变器将频率f的交流电变为电网频f_s=50Hz的交流电。变频器的容量必须与发电机的容量相等，使系统成本也较高，但笼型异步电机结构简单工作可靠，维护也很简便。

图3-21 直驱多极笼型异步发电机型风力发电系统

直驱开关磁阻发电机型风力发电系统结构如图3-22所示，一般应用于输出功率小于30kW的小型风力发电系统。开关磁阻发电机为双凸极电机，靠磁阻转矩运行，转子由硅钢片叠压而成，因此机械结构简单、成本低廉、转动惯量小、起动转矩低、动态性能好。开关磁阻发电机的励磁绕组与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电。该发电机各相在物理和电磁上相互独立，相绕组间无电耦合，即使在断相的情况下，仍可维持工作，具有很强的容错能力。此外，这种发电机耐高温特性也很好。开关磁阻电机的缺点是功率密度不高。

以上介绍的变速恒频风力发电系统中定子侧电力电子变换器，需要将发电机输出的全部电功率进行电力电子变换，变换器的容量与发电机额定容量相当，这也增加了系统运行损耗。

图3-22 直驱开关磁阻发电机型风力发电系统

2.转差功率变换型变速恒频风力发电系统

（1）绕线转子（有刷）双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

在图3-23a所示绕线转子（有刷）双馈异步发电机变速恒频风力发电系统中，电力电子变换器的功率仅为异步电机运行时的转差功率，故称之为转差功率变换型变速恒频风力发电系统。当风速变化引起发电机转速变化时，通过控制三相转子励磁绕组电流的频率f_r，可使定子侧输出频率恒定为f_s=50Hz。由于转差功率仅为发电机输出功率的一部分，所以功率变换装置（变频器）的容量较小。另一个显著的优点是双馈感应发电机励磁控制有三个可调量：一个是与同步电机一样，可调节转子励磁电流的幅值；二是可改变转子励磁电流的频率f_r；三是可调节转子励磁电流的相位和相序。因此，转子励磁的双馈异步发电机可以实现有功、无功功率的灵活控制，同时可使电机在一定的转速下，既可作变速电动机运行，又可作变速发电机运行。由于风力机转速可以随着风速发生改变，提高了风能利用率和机组运行效率，且风况突变时能减少风电系统内部机械应力，实现了发电机和电网“软连接”。由于以上优势，这种双馈异步发电机的转差功率变换型变速恒频风力发电系统是目前风力发电系统应用和发展的主要类型之一。双馈异步发电机不仅应用在风力发电领域，在所有原动机转速变化的发电系统都可以采用双馈异步发电机，例如潮汐电站和水力发电站（希望转速随着水头改变时变化），船舶与航空用变速恒频发电机（其转速随推进器速度改变）。

图3-23 双馈异步发电机变速恒频型风力发电系统

（2）笼型转子（无刷）双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

图3-23b中定子有两套三相绕组。第一套为定子功率绕组W_sp，磁极对数为N_pp，接频率为f_s的电网，输出功率为P_s。第二套为定子控制绕组W_sc，磁极对数为N_pc，经变频器接电网，变频器向定子控制绕组W_sc输出频率为f_c的三相电流，f_c的相序可控。f_c为正值，表示f_c的旋转磁场与定子功率绕组频率f_s的旋转磁场方向相同；f_c为负值表示f_c的旋转磁场与定子功率绕组频率f_s的旋转磁场方向相反。变频器功率为P_c。忽略变频器损耗，图3.23b中P_c=P₁。电机转子上由特殊笼型导电铜条构成磁极对数为N_pp和N_pc的两套转子绕组，第一个为磁极对数N_pp的三相转子功率绕组W_rp，第二个为磁极对数N_pc的三相转子控制绕组W_rc，所以该电机可视为两个三相异步电机。第一个异步机定子、转子绕组为功率绕组W_sp、W_rp，输出功率为P_s；第二个异步机定子、转子绕组为控制绕组W_sc、W_rc，传输控制功率P_c。这两个异步电机的转子在机械上同轴，两个转子绕组W_rp、W_rc设计成反相序串联，其电流在转子上形成两个旋转方向相反的旋转磁场，两个转子绕组随转子一道以转速N旋转。变频器输出频率为f_c的电流所形成的旋转磁场使转子绕组中感应电流的频率为f_r。当转子速度N小于定子功率绕组频率f_s对应的同步转速N_so时，即N<N_so时，图3-23b中转子三相功率绕组W_rp频率为f_r的电流在转子上形成的旋转磁场的机械速度N_rp=60f_r/N_pp与转子速度N旋转方向相同，使定子功率绕组W_sp感应电势的频率为f_s，则N+N_rp=N+60f_r/N_pp=60f_s/N_pp，由此得到(www.xing528.com)

N=60（f_s-f_r）/N_pp （3-7A）

由于转子控制绕组W_rc的相序与转子功率绕组的W_rp相序相反，这时（N<N_so）转子W_rc三相控制绕组W_rc（电流频率为f_r）在转子上形成的旋转磁场的机械旋转速度N_rc=60f_r/N_pc与转子速度N的旋转方向相反，定子控制绕组W_sc电流频率为f_c，则有

N-N_rc=N-60f_r/N_pc=60f_c/N_pc，由此得到

N=60（f_c+f_r）/N_pc （3-7B）

式（3-7A）、式（3-7B）相加可得到：

式中，N_so=60f_s/（N_pp+N_pc）是磁极对数为（N_pp+N_pc）、频率为f_s的同步转速。ΔN=N-N_so=60f_c/（N_pp+N_pc），定义转差率为s=（N_so-N）/N_so，则有

N=N_so-SN_so （3-8）

由式（3-7A）、式（3-7B）相减得到

f_r=N_pcf_s/（N_pp+N_pc）-N_ppf_c/（N_pp+N_pc） （3-9A）

将式（3-7D）中的f_c代入上式，得到

f_r=f_s-N_ppN/60 （3-9B）

当图3-23b中风力机转速N改变时，只要按式（3-7D）调控变频器输出的电流频率f_c，即可保持发电机定子功率绕组输出电压频率f_s恒定不变，实现变速恒频发电。

当频率f_c=0，N=N_so时，由式（3-7C）和式（3-9）得

发电机转速 N=60f_s/（N_pp+N_pc）=N_so （3-10）

转子电流频率 f_r=N_pcf_s/（N_pp+N_pc）=f_ro （3-11）

这时定子控制绕组W_sc电流为直流，形成一个静止的磁场，在转速N=N_so的转子绕组中产生频率为f_ro的交流电流，转子功率绕组电流形成的旋转磁场速度为60f_ro/N_pp，转子速度为N=N_so，转子功率绕组电流f_ro旋转磁场在定子功率绕组W_sp中产生的电势频率正是f_s，即（60f_ro/N_pp+N_so）N_pp/60=f_s。

图3-23b中，当N>N_so，s<0，sP_s<0时，由式（3-7C）可知f_c应为正值，即变流器输出给定子控制绕组W_sc的电流相序与定子绕组W_sp定子电流相序相同，同时转子功率绕组W_rp中频率f_r的电流产生的旋转磁场（速度N_rp=60f_r/N_pp）与转速N方向相反，使N>N_so超同步运行时定子功率绕组W_sp电压频率仍保持为f_s。

当N<N_s转差率s>0，转差功率sP_s>0时，由式（3-7C）可知f_c应为负值，即变流器输出给定子控制绕组W_sc的交流电压、电流相序应变为与定子功率绕组W_sp的电流相序相反。N<N_so时，f_c变负，转子功率绕组中f_r电流旋转磁场的旋转方向随之改变，这时转子功率绕组W_rp中频率为f_r的三相电流产生的旋转磁场（速度N_rp=60f_r/N_pp）方向变为与转子速度N方向相同，使N<N_so，次同步运行时定子功率绕组W_sp电压频率仍保持为f_s。

当f_c=0时，N为同步转速N_so[60f_s/（N_pp+N_pc）]，变频器输出直流电流，变频器功率P_c=P₁=0，忽略发电系统中的功率损耗，风力机输入的机械功率P_m等于定子功率绕组W_sp输出的电功率P_s，P_s全部输出给电网即P_F=P_s。当f_c≠0时，变流器传输的功率P_c=P₁≠0。电机中功率等于机械线速度与转矩的乘积，电机恒速稳态运行时风力机的驱动转矩T_o等于发电机的电磁阻力转矩T_e，即T_o=T_e。由（3-8）式可得到

T_oN=T_e（N_so-sN_so）=T_eN_so-sT_eN_s

式中，T_oN对应风力机输入的机械功率P_m电磁转矩T_e与定子同步速度N_so的乘积T_eN_so对应定子功率绕组输出的电功率P_s；ST_eN_so=sP_s对应N≠N_so时转差功率，sP_s也就是变流器的功率P_c。当N<N_so时，s=（N_so-N）/N_so为正值，转差功率sP_s为正值，图3-23b中P_s=sP_s为正值。P_s=P_m+sP_s，发电机向电网输出的功率P_F=P_s-P_C=P_m+sP_s-sP_s=P_m；当N>N_so时，S为负值，P_c为负值，即变流器从电网输入|P_c|=|sP_s|传送给转子，P_s=P_m+sPs=P_m-|P_c|，发电机向电网输出的功率仍然是P_F=P_s+|P_c|=P_m-|sP_s|+|sP_s|=P_m。因此当N≠N_so时无论N大于还是小于N_so，变流器传输的功率P_c都仅是转差功率sP_s，且|sP_s|<P_s。

华中科技大学王雪帆教授等2010年成功研制了类似图3-23b所示的，但由船舶螺旋桨推进轴带动的变速恒频无刷双馈异步发电机（64kW），其三相定子功率绕组频率f_s=50Hz，N_pp=2，N_pc=4。由式（3-10）可知，N_so=500。发电机转速若N在250～500～800之间改变，由式（3-7C）、式（3-9）可得

当N=250时，f_c=-25Hz，f_r=125/3Hz=41.67Hz，转差率s=（N_so-N）/N_so=0.5；

当N=500时，f_c=0，f_r=100/3Hz=33.33Hz，转差率s=0；

当N=800时，f_c=30Hz，f_r=70/3=23.33Hz，转差率s=-0.6。

改变频器输出的电压（电流）幅值、相位和频率f_c，即可调控电机的运行工况或独立地调控变速恒频发电机输出的电压、有功和无功功率。

无刷双馈异步发电机易维护、可靠性高。采用特殊笼型转子结构（或采用磁阻式转子），易于制成多极且有可能省去升速齿轮箱，特别适用于风力发电系统。但这种电机结构较复杂，至今设计和运行经验还不十分成熟，在大功率变速恒频发电系统中广泛应用还有待时日。

转差功率变换型变速恒频风力发电系统仅需要对发电机输出的部分电能（变速范围所对应的转差能量）进行电力电子功率变换，变换器容量较小，减少了系统损耗，降低了发电系统的成本。