0引言

能源與環境問題已經成為全球可持續發展面臨的主要問題，日益引起國際社會的廣泛關注，并尋求積極的對策。風能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲量十分豐富。據估計，全球可利用的風能總量在53000TWh/年。風能的大規模開發利用，將會有效減少化石能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環境。大力發展風能已經成為各國政府的重要選擇。

在風力發電中，當風力發電機與電網并聯運行時，要求風電頻率和電網頻率保持一致，即風電頻率保持恒定，因此，風力發電系統分為恒速恒頻發電機系統（CSCF系統）和變速恒頻發電機系統（VSCF系統）。恒速恒頻發電機系統是指在風力發電過程中保持發電機的轉速不變從而得到和電網頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統（CSCF系統）一般來說比較簡單，所采用的發電機主要是同步發電機和鼠籠型感應發電機，前者運行于電機極數和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步轉速的速度運行。變速恒頻發電機系統（VSCF），是指在風力發電過程中發電機的轉速，并以隨風速變化而通過其它的控制方式來得到和電網頻率一致的恒頻電能。

1恒速恒頻發電系統

目前，單機容量為600kW～750kW的風電機組多采用恒速運行方式，這種機組控制簡單，可靠性好，大多采用制造簡單，并網容易，勵磁功率可直接從電網中獲得的籠型異步發電機。恒速風電機組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風力機。定槳距失速型風力機利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能，功率調節由風輪葉片來完成，對發電機的控制要求比較簡單。這種風力機的葉片結構復雜，成型工藝難度較大。而變槳距風力機則是通過風輪葉片的變槳距調節機構控制風力機的輸出功率。由于采用的是籠型異步發電機，無論是定槳距還是變槳距風力發電機，并網后發電機磁場旋轉速度由電網頻率所固定，異步發電機轉子的轉速變化范圍很小，轉差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風力發電機。

1.1定槳距失速控制

定槳距風力發電機組的主要特點是槳葉與輪毅固定連接，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產生紊流，效率降低，達到限制功率的目的。采用這種方式的風力發電系統控制調節簡單可靠，但為了產生失速效應，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，當風速達到一定值時必須停機。

1.2變距調節方式

在目前應用較多的恒速恒頻風力發電系統中，一般情況要維持風力機轉速的穩定，這在風速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證，而在風速過大時，輸出功率繼續增大可能導致電氣系統和機械系統不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時就要通過調節葉片的槳距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩。由于變槳距調節型風機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調節型風機有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風速較低的地區安裝。變槳距調節的另外一個優點是在風速超速時可以逐步變化到無負載的全翼展模式位置，避免停機，增加風機發電量。對變槳距調節的一個要求是其對陣風的反應靈敏性。

1.3主動失速調節

主動失速調節方式是前兩種功率調節方式的組合，吸取了被動失速和變槳距調節的優點。系統中槳葉設計采用失速特性，調節系統采用變槳距調節，從而優化機組功率的輸出。系統遭受強風達到額定功率后，槳葉節距主動向失速方向調節，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出。

隨著風速的不斷變化，槳葉僅需微調即可維持失速狀態。另外，調節槳葉還可實現氣動剎車。這種系統的優點是既有失速特性，又可變槳距調節，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統的沖擊。系統控制容易，輸出功率平穩，執行機構的功率相對較小。

1.4主要缺點

恒速恒頻風力發電機的主要缺點有以下幾點：一是風力機轉速不能隨風速而變，從而降低了對風能的利用率；二是當風速突變時，巨大的風能變化將通過風力機傳遞給主軸、齒輪箱和發電機等部件，在這些部件上產生很大的機械應力;三是并網時可能產生較大的電流沖擊。

目前的恒速機組，大部分使用異步發電機，在發出有功功率的同時，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補償大部分消耗的無功功率）。而現代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數，甚至向電網輸送無功功率，改善系統的功率因數。由于以上原因，變速風電機組越來越受到風電界的重視，特別是在進一步發展的大型機組中將更為引人注目。

當然，決定變速機組設計是否成功的一個關鍵是變速恒頻發電系統及其控制裝置的設計。

2變速恒頻發電系統

利用變速恒頻發電方式，風力機就可以改恒繹技術交流速運行為變速運行，這樣就可能使風輪的轉速隨風速的變化而變化，使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比，使風力機的風能利用系數在額定風速以下的整個運行范圍內都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。尤其是這種變速機組可適應不同的風速區，大大拓寬了風力發電的地域范圍。即使風速躍升時，所產生的風能也部分被風輪吸收，以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力，在電力電子裝置的調控下，將高速風輪所釋放的能量轉變為電能，送入電網，從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩，風力機組運行更加平穩和安全。

風力發電機變速恒頻控制方案一般有4種：

（1）鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統；

（2）交流勵磁雙饋發電機變速恒頻風力發電系統；

（3）無刷雙饋發電機變速恒頻風力發電系統；

（4）永磁發電機變速恒頻風力發電系統。

2.1鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統

采用的發電機為鼠籠式轉子，其變速恒頻控制策略是在定子電路實現的。由于風速是不斷變化的，導致風力機以及發電機的轉速也是變化的，所以，實際上鼠籠式風力發電機發出的電是頻率變化的，即為變頻的，通過定子繞組與電網之間的變頻器把變頻的電能轉化為與電網頻率相同的恒頻電能。盡管實現了變速恒頻控制，具有變速恒頻的一系列優點，但由于變頻器在定子側，變頻器的容量需要與發電機的容量相同，使得整個系統的成本、體積和重量顯著增加，尤其對于大容量的風力發電系統。

2.2雙饋式變速恒頻風力發電系統

雙饋式變速恒頻風力發電系統常采用的發電機為轉子交流勵磁雙饋發電機，其結構與繞線式異步電機類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，所需的雙向變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。

這種采用交流勵磁雙饋發電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實現有功、無功功率的靈活控制，對電網而言可起到無功補償的作用。缺點是交流勵磁發電機仍然有滑環和電刷。

目前已經商用的有齒輪箱的變速恒頻系統，大部分采用繞線式異步電機作為發電機，由于繞線式異步發電機有滑環和電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發電惡劣的運行環境中較易出現故障。而無刷雙饋電機定子有兩套級數不同繞組，轉子為籠型結構，無須滑環和電機，可靠性高。這此優點都使得無刷雙饋電機成為當前研究的熱點。但在目前，這種電機在設計和制造上仍然存在著一些難題。