电气控制技术的优化方案

无论是垂直轴还是水平轴风力机发电系统中，电气设备主要由发电机和电力电子设备构成，根据机型不同还包括了其他一些辅助控制系统，如制动系统、超速保护系统、电网失电保护系统等。本节主要介绍发电机和电力电子设备的一般控制技术。

风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频机组和变速恒频机组。发电机与电网并联运行时，要求风力机输出频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过其他方法来得到恒频电能，有的是靠发电机与电力电子系统相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。发电机组系统繁多，但是基本的控制方法都基于以下方法技术。

7.1.1.1　发电机调速控制技术

发电机调速控制一般通过调节发电机定子电压、改变电机的磁极对数、调节励磁输入电源频率、调节电磁转差离合器等方式，从而实现发电机转速的调节，采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高发电机系统效率，进而实现追求整机风能最大转换效率。

1.调压调速

改变电机定子电压来实现调速的方法称调压调速。其优点是可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用，效率高；装置容量与调速范围成正比，适用于70%～95%的调速。其缺点是功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。

2.变极调速

通过改变电机定子绕组的接线方式来改变电机的磁极对数，从而可以有级地改变同步转速，实现电机转速有级调速。其优点是：①无附加差基损耗，效率高；②控制电路简单，易维修，价格低；③与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。其缺点是：①有级调速，不能实现无级平滑的调速；②由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

3.变频调速

改变异步电机定子端输入电源的频率，且使之连续可调来改变它的同步转速，实现电机调速的方法称为变频调速。最节能高效的就是变频电机，只是在电源部分安装变频器成本太高。其优点是无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；对于低负载运行时间较多，或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。其缺点是技术较复杂，价格较高。

4.电磁调速(www.xing528.com)

通过电磁转差离合器实现调速的方法称电磁调速。其优点是结构简单、控制装置容量小、价值便宜、运行可靠、维修容易、无谐波干扰。其缺点是速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转运的80%～90%；调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。

7.1.1.2　电力电子变换控制技术

电力电子技术在现代电气工程领域中占有重要地位，是风力发电系统一体化达到高效和高性能的必要部分。固态的电力电子系统被用来达到风力发电机组的性能与电网连接的要求，包括频率、电压、有功和无功控制及谐波最小化等。

在恒速风力发电机系统中，直接将感应发电机并入电网将出现很大的瞬时冲击电流。晶闸管作为软启动器可以有效减小冲击。在变速风力发电机系统中，许多类型的风力机组都利用电力电子系统作为接口来实现变速运行。由于发电机的转轴与转子转轴固定在一起，如果风力机转子转速发生变化，发电机的频率也随之相应变化，从而与电网频率脱钩，电力电子变换系统可以解决这个问题。

电力电子变换系统由电力电子器件、驱动电器、保护和控制电路组成。根据拓扑和应用场合，电力电子变换器可以允许功率双向流动而且实现负载/发电机与电网之间的连接。有两种不同类型的变换系统：电网换相和自换相变换系统。

1.电网换相系统

电网换相系统主要是晶闸管转换，6个或者12个或者更多个脉冲。这种类型的变换器会产生整数个谐波，一般需要谐波滤波器。晶闸管转换也不能控制无功功率和电感的无功损耗，所以晶闸管转换器主要应用于高压和功率的应用，如传统的高压直流传递系统。

2.自换相变换系统

自换相变换系统主要是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）变换系统，该系统的功率开关器件主要采用绝缘栅极双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。这种类型的变换器可以同时控制有功功率和无功功率。这就意味着所需求的无功功率可以通过PWM变换系统来传递。PWM变换系统的高频开关信号可能会产生谐波和间谐波。一般这些谐波的频率在几千赫兹。由于谐波的频率较高，所以去除也相对容易，利用小型滤波器即可滤除。