核心提示：　　（國家電力公司熱工研宄院自動化所，西安710032）徐甫榮輪周速比M槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值?！　『闼俸泐l機組的風車轉(zhuǎn)速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻

　　（國家電力公司熱工研宄院自動化所，西安710032）徐甫榮輪周速比M槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值。

　　恒速恒頻機組的風車轉(zhuǎn)速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當?shù)目刂?，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。

　　2.3恒速恒頻機組的特點目前，在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應(yīng)大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機，風速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電，同時一般通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調(diào)整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風速時的風能。

　　2.4變速恒頻系統(tǒng)的實現(xiàn)可用于風力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種：如交-直-交變頻系統(tǒng)、交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)、無刷雙饋電機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)和同步異步變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變速恒頻的，有的是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統(tǒng)相結(jié)合而實現(xiàn)變速恒頻的。它們各具特點，適用場合也不同。

　　3恒速恒頻風電機組的控制3.1風電機組的軟啟動并網(wǎng)在風電機組啟動時，控制系統(tǒng)對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當10分鐘平均風速大于起動風速時，控制風電機組作好切入電網(wǎng)的一切準備工作：松開機械剎車，收回葉尖阻尼板，風輪處于迎風方向。

　　控制系統(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風速仍大于起動風速，則檢測風輪是否己開始轉(zhuǎn)動，并開啟晶閘管限流軟起動裝中國自動化黃頁》業(yè)內(nèi)首部公益性大型工具書，認刊贈書、誠邀廣告加盟！自動化博覽置快速起動風輪機，并對起動電流進行控制，使其不超過最大限定值。當發(fā)電機達到同步轉(zhuǎn)速時，電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。

　　異步風電機組也可在起動時轉(zhuǎn)速低于同步速時不并網(wǎng)，而當接近或達到同步速時再切入電網(wǎng)，既可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。

　　3.2大小發(fā)電機的切換控制在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化對大小發(fā)電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法為：小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換在小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對其輸出功率進行檢測，若1秒內(nèi)瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的20%或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時，則實現(xiàn)小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。

　　大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換檢測大發(fā)電機的輸出功率，若2分鐘內(nèi)平均功率小于某一設(shè)定值（此值應(yīng)小于小發(fā)電機的額定功率）時或50秒內(nèi)瞬時功率小于另一更小的設(shè)定值時，立即切換到小發(fā)電機運行。

　　3.3變槳距控制方式及其改進風力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，以便更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機，發(fā)電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。

　　為了減小變槳距調(diào)節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調(diào)節(jié)方式，即轉(zhuǎn)子電流控制（RotorCurrentControl，RCC）方式來配合變槳距機構(gòu)，共同完成發(fā)電機輸出功率的調(diào)節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機上，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)電機。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風速的快速變化。

　　3.4無功補償控制由于異步發(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風電機組的功率因數(shù)降低，而并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)達到0.99以上，所以必須用電容器組進行無功補償。由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補償電容，計算機根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除，保證在半功率點的功率因數(shù)達到0.99以上。

　　3.5偏航與自動解纜控制偏航控制系統(tǒng)有3個主要功能：正常運療時自動對K當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機艙開始對風，當達到允許的誤差范圍內(nèi)時，自動對風停止。

　　繞纜時自動解纜當機艙向同一方向累計偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞；若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞；若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計達3圈時，則控制停機，解繞；若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關(guān)將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。

　　失速保護時偏離風向當有特大強風發(fā)生時，停機并釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90背風，以保護風輪免受損壞。

　　3.6停車控制停機過程分為正常停機和緊急停機。

　　當控制器發(fā)出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機：①切除補償電容器；②釋放葉尖阻尼板；③發(fā)電機脫網(wǎng)；④測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值后，投入機械剎車；⑤若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機艙偏航90背風。

　　當出現(xiàn)緊急停機故障時，執(zhí)行如下停機操作：首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉(zhuǎn)速小于同步速時，發(fā)電機解列（脫網(wǎng)），若制動時間超過20s，轉(zhuǎn)速仍未降到某設(shè)定值，則收槳，機艙偏航90*背風。

　　4變速恒頻發(fā)電機組的控制4.1同步發(fā)電機交-直-交系統(tǒng)的控制這種類型的風電機組采用同步發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由交-直-交系統(tǒng)完成。

　　風輪機的起動、控制及保護功能基本上與恒速恒頻機組相似，所不同的是這類機組一般采用定槳距風自動化博覽《現(xiàn)場總線技術(shù)文集》2002年5月隆重出版丨集現(xiàn)場總線精粹，論業(yè)界關(guān)注熱點！21輪，因此省去了變槳距控制機構(gòu)。

　　發(fā)電機的輸出功率由勵磁來控制。當輸出功率小于額定功率時，以固定勵磁運行，當輸出功率超過額定功率時，則通過調(diào)整勵磁來調(diào)整發(fā)電機的輸出功率在允許的安全范圍內(nèi)運行。勵磁的調(diào)整是由控制器調(diào)整勵磁系統(tǒng)晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)的。

　　頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過微機控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。其基本原理如所示，風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電，經(jīng)二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅(qū)動電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網(wǎng)。逆變器的控制一般采用SPWM*VWF方式，即正弦波脈寬調(diào)制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統(tǒng)的變頻裝置的容量較大，一般要選發(fā)電機額定功率的120%以上。

　　4.2雙饋發(fā)電機的控制目前的風電機組多采用恒速恒頻系統(tǒng)，發(fā)電機多采用同步電機或異步感應(yīng)電機。在風電機組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調(diào)速，因為電網(wǎng)頻率將強迫控制風輪的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉(zhuǎn)速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機都可以在不同的風速下運行，其轉(zhuǎn)速可隨風速變化做相應(yīng)的調(diào)整，使風力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，機組效率提高。

　　同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調(diào)量有三個：一是與同步電機一樣，可以調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值；二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。

　　通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位，來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。而同步電機的可調(diào)量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調(diào)節(jié)同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。而雙饋電機的勵磁除了可以調(diào)節(jié)電流幅值外，還可以調(diào)節(jié)其相位，當轉(zhuǎn)子電流的相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。

　?。?）風力發(fā)電中雙饋電機的控制風力發(fā)電雙饋電機控制系統(tǒng)框圖在風力發(fā)電中，由于風速變幻莫測，利用起來存在一定的困難。所以改善風力發(fā)電技術(shù)，提高風力發(fā)電機組的效率，充分利用風能資源，有著十分重要的意義。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。是按這種控制思路設(shè)計的風力發(fā)電雙饋電機控制系統(tǒng)框圖。

　　整個控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。它們分別接受風速和轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風時，機組并網(wǎng)發(fā)電；無風時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補償裝置。

　　22《中國自動化黃頁》業(yè)內(nèi)首部公益性大型工具書，認刊贈書、誠邀廣告加盟！自動化博覽雙饋風力發(fā)電機組應(yīng)用前景廣闊綜上所述，將雙饋電機應(yīng)用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉(zhuǎn)速不可調(diào)、機組效率低等問題。同時，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。與同步機交-直-交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置容量小（一般為發(fā)電機額定容量的10%20%）、重量輕的優(yōu)點，更適合于風力發(fā)電機組使用。

　　將雙饋電機應(yīng)用于風力發(fā)電的設(shè)想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現(xiàn)有的風力發(fā)電技術(shù)相比，無論從經(jīng)濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優(yōu)勢，具有很強的競爭力，有利于風電機組國產(chǎn)化的進程，其發(fā)展前景十分廣闊。

　　風力發(fā)電技術(shù)己日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領(lǐng)域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風力發(fā)電可為當?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應(yīng)緊張的局面，值得大力推廣。