恒频恒速 VS 恒频变速- 风力发电的未来发展方向

近10年来，世界能源的风力发电是电力市场发展最为迅速的再生能源之一。预计到2020年，全球风力发电装机量将达到12亿kW，风力发电将占全球发电总量的12%，有可能成为未来最重要的替代能源。

风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风力发电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。

在风力发电系统中，按照风轮发电机转速是否恒定可分为定转速与变转速两种运行方式；按照发电机的结构分，有异步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。风力发电的运行方式主要有两类：一类是独立运行供电系统，一般在电网未能覆盖的偏远地区，用小型风电机组先为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端用电器供电，单机容量一般为100W～10kW；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，并网风力发电是大规模利用风能资源最经济的方式。

1）恒频恒速风力发电机系统

早期的风力发电机组主要采用以笼型异步发电机为主的恒频恒速运行方式，称为恒频恒速风力发电机系统，如图7-62所示。恒频恒速风力发电机具有结构简单、运行可靠、成本低的优点，采用直接并网方式。风力发电机一旦并网运行，其转速基本保持不变，为了限制对电网的冲击，可以采用软起动方式进行入网控制，而软起动器就是一种电力电子变换器（AC-AC）。

图7-62 恒频恒速风力发电机系统

2）恒频变速风力发电系统(www.xing528.com)

由于恒频恒速风力发电系统的发电机转速固定，因此，只能在某一特定风速下运行才能达到最佳的功率运行点，当风速改变时风力发电机就会偏离最佳功率运行点，导致发电量下降。另外，异步风力发电机的功率因数较低，一般需要电容器进行无功补偿。为了最大限度地利用风能，提高风力发电机组性能，恒频变速风力发电机组将成为风力发电的主流。在恒频变速风力发电系统中，由于风力发电机可在大范围的风速变化时保持高效运行，因此，电力电子变换装置是必不可少的。实现恒频变速风力发电的方案有异步风力发电双馈系统、异步感应发电机的全功率风力发电系统以及永磁同步直驱全功率风力发电系统等，系统结构图如图7-63～图7-65所示。由于异步双馈系统可用较小功率的电力电子器件变换器，目前已经成为恒频变速风力发电机的主流；而永磁同步直驱全功率风力发电系统由于采用高效发电机并且省略了齿轮箱，因此是变速恒频风力发电系统的发展方向。恒频变速风力发电系统中的电力电子变换器件都采用了风力发电机侧变换器与电网侧变换器背靠背的运行方式。

图7-63 异步双馈风力发电系统

图7-64 异步感应发电机的全功率风力发电系统

图7-65 永磁同步直驱全功率风力发电系统