变速/恒频发电系统的优化

变速／恒频发电系统是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳化的最好方法之一，虽然与恒速／恒频系统相比，也可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速／恒频风力发电机组受到很多国家的重视。

9.3.2.1 控制方案

风力机变速／恒频控制方案一般有四种：鼠笼型异步发电机变速／恒频风力发电系统；交流励磁双馈发电机变速／恒频风力发电系统；无刷双馈发电机变速／恒频风力发电系统和永磁发电机变速／恒频风力发电系统。

（1）鼠笼型异步发电机变速／恒频风力发电系统。采用的发电机为鼠笼型转子，其变速／恒频控制策略是在定子电路实现的。由于风速的不断变化，导致风力机以及发电机的转速也在变化，所以实际运行中鼠笼型风力发电机发出频率变化的电流，即为变频的电能。通过定子绕组与电网之间的变频器，把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量需要与发电机的容量相同。使得整个系统的成本、体积和种类显著增加，尤其对于大型风力发电机组，增加幅度更大。

（2）交流励磁双馈发电机变速／恒频风力发电系统。双馈发电机变速／恒频风力发电系统常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，结构与绕线式异步电机类似。由于这种变速／恒频控制方案是在转子电路中实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率。该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，故所需的双向变频器容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本以及控制难度大大降低。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了变速／恒频控制、减少变频器的容量外，还可实现对有功、无功功率的灵活控制，对电网可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍需要滑环和电刷。

（3）无刷双馈发电机变速／恒频风力发电系统。目前，商用的有齿轮箱的变速／恒频系统大部分采用绕线型异步电机作为发电机。由于绕线型异步发电机有滑环和电刷，这种摩擦接触式在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。而无刷双馈电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环和电刷，可靠性高。这些优点都使得无刷双馈电机成为当前研究的热点，但目前此类电机在设计和制造上仍然存在着一些难题。

（4）永磁发电机变速／恒频风力发电系统。近几年来，直驱发电技术在风电领域得到了重视。这种风力发电系统采用多级发电机，与叶轮直接连接进行驱动，从而免去了齿轮箱。由于有很多技术方面的优点，特别是采用永磁发电机技术，可靠性和效率更高，在今后风力发电机组发展中将有很大的发展空间，德国安装的风力机中有40.9%采用无齿轮箱直驱型系统。直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机，转子为永磁式结构，无须外部提供励磁电源，提高了效率。变速／恒频控制是在定子电路实现的，把永磁发电机发出的变频交流电，通过变频器转变为电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

采用永磁发电机系统风力机与发电机直接耦合，省去了齿轮箱结构，可大大减少系统运行噪声，提高机组可靠性。由于是直接耦合，永磁发电机的转速与风力机转速相同，发电机转速很低，发电机体积就很大，发电机成本较高。由于省去了价格更高的齿轮箱，所以整个风力发电系统的成本大大降低。

电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择方案。在大功率发电机组中，它直径大，轴向长度小。为了能放置励磁绕组和极靴，极距必须足够大。它输出的交流电频率通常低于50Hz，必须配备整流逆变器。

直驱式永磁发电机的效率高、极距小，且随着永磁材料的性价比正在不断提升，应用前景十分广阔。

还有一种为混合式变速／恒频风力发电系统。直驱式风力发电系统不仅需要低速、大转矩发电机，而且需要全功率变频器。为了降低电机设计难度，带有低变速比齿轮箱的混合式变速／恒频风力发电系统得到实际应用。这种系统可以看成是全直驱传动系统和传统传动系统方案的一个折中方案，发电机是多级的，和直驱设计本质上一样，但更紧凑，有相对较高的转速和更小的转矩。

9.3.2.2 变速运行的风力机

变速运行的风力机分为不连续变速和连续变速两大类，下面分别作概要介绍。

1.不连续变速系统

一般说来，利用不连续变速发电机可以获得连续变速运行的某些益处，但不是全部益处。主要效果是与以单一转速运行的风力发电机组相比有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。但它面对风速的快速变化（湍流）实际上只是一台单速风力机，因此不能期望它像连续变速系统那样有效地获取变化的风能。更重要的是，不能利用转子惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力机的疲劳寿命。下面介绍不连续变速运行方式常用的几种方法。

（1）采用多台不同转速的发电机。通常是采用两台转速、功率不同的感应发电机，在某一时间内只有一台被连接到电网，传动机构的设计使发电机在两种风轮转速下运行在稍高于各自的同步转速。

（2）双绕组双速感应发电机。这种电机有两个定子绕组，嵌在相同的定子铁芯槽内，在某一时间内仅有一个绕组在工作，转子仍是通常的鼠笼型。电机有两种转速，分别决定于两个绕组的极数。比起单速机来，这种发电机要重一些，效率也稍低一些，因为总有一个绕组未被利用，导致损耗相对增大。价格当然也比通常的单速电机贵。

（3）双速极幅调制感应发电机这种感应发电机只有一个定子绕组，转子同前，但可以有两种不同的运行速度，只是绕组的设计不同于普通单速发电机。它的每相绕组由匝数相同的两部分组成，对于一种转速是并联，另一种转速是串联，从而使磁场在两种情况下有不同的极数，导致两种不同的运行速度。这种电机定子绕组有六个接线端子，通过开关控制不同的接法，即可得到不同的转速。双速单绕组极幅调制感应发电机可以得到与双绕组双速发电机基本相同的性能，但重量轻、体积小，因而造价也较低，它的效率与单速发电机大致相同。缺点是电机的旋转磁场不是理想的正弦形，因此产生的电流中有不需要的谐波分量。

2.连续变速系统

连续变速系统可以通过多种方法来得到，包括机械方法、电／机械方法、电气方法及电力电子学方法等。机械方法如采用变速比液压传动或可变传动比机械传动，电／机械方法如采用定子可旋转的感应发电机，电气式变速系统如采用高滑差感应发电机或双定子感应发电机等。这些方法虽然可以得到连续的变速运行，但都存在一些不足，在实际应用中难以推广。目前，最有前景的为电力电子学方法，这种变速发电系统主要由两部分组成，即发电机和电力电子变换装置。发电机可以是通常的电机如同步发电机、鼠笼型感应发电机、绕线型感应发电机等，也有近来研制的新型发电机如磁场调制发电机、无刷双馈发电机等；电力电子变换装置有AC／DC／AC变换器和AC／AC变换器等。下面结合发电机和电力电子变换装置介绍三种连续变速的发电系统。(www.xing528.com)

（1）同步发电机AC／DC／AC系统其中同步发电机可随风轮变速旋转，产生频率变化的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流来进行控制。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。

变换器中所用的电力电子器件可以是二极管、晶闸管（Silicon Controlled Rectifier，SCR）、功率晶体管（Giant Transistor，GTR）、可关断晶闸管（Gate Turn-off Thyristor，GTO）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等。除二极管只能用于整流电路外，其他器件都能用于双向变换，即由交流变换成直流时，它们起整流器作用；而由直流变换成交流时，它们起逆变器作用。在设计变换器时，最重要的考虑是换向，换向是一组功率半导体器件从导通状态关断，而另一组器件从关断状态导通。

在变速系统中，可以有两种换向：自然换向和强迫换向。自然换向又称线路换向。当变换器与交流电网相连，在换向时刻，利用电网电压反向加在导通的半导体器件两端使其关断，这种换向称为自然换向或线路换向。而强迫换向则需要附加换向器件，如电容器等，利用电容器上的充电电荷按极性反向加在半导体器件上强迫其关断。这种强迫换向逆变器常用于独立运行系统，而线路换向逆变器则用于与电网或其他发电设备并联运行的系统。一般说来，采用线路换向的逆变器比较简单、便宜。

开关这些变换器中的半导体器件，通常有两种方式：矩形波方式和脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM）方式。在矩形波变换器中，开关器件的导通时间为所需频率的半个周期或不到半个周期，由此产生的交流电压波形呈阶梯形而不是正弦形，含有较大的谐波分量，必须滤掉。脉宽调制法是利用高频三角波和基准正弦波的交点来控制半导体器件的开关时刻，如图9-13所示。这种开关方法的优点是得到的输出波形中谐波含量小且处于较高的频率，比较容易滤掉，因而能使谐波的影响降到很小。已成为越来越常见的半导体器件开关控制方法。

这种由同步发电机和AC／DC／AC变换器组成的变速恒频发电系统的缺点是电力电子变换器处于系统的主回路，因此容量较大，价格也较贵。

图9-13　脉宽调制原理

（2）磁场调制发电机系统。这种变速／恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成，图9-14所示为磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图及各部分的输出电压波形。

图9-14　磁场调制发电机单相输出系统方框图及各部分输出电压波形

发电机本身具有较高的旋转频率fr，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为fm的低频交流电励磁，fm即为所要求的输出频率一般为50Hz。当频率fm远低于频率fr时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为（fr+fm）和（frfm）的两个分量组成的调幅波（图中波形b，这个调幅波的包络线的频率是fm，包络线所包含的高频波的频率是fr）。

将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到如图9-14中波形c所示的基本频率为fm（带有频率为6fr的若干纹波）的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图中的波形d。最后经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为fm的恒频正弦波输出（波形e）。

与前面的交流／直流／交流系统相比，磁场调制发电机系统的优点是：①由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向，因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高；②晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，可以得到相当好的正弦输出波形；③磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与AC／DC／AC系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。

（3）双馈发电机系统。双馈发电机的结构类似绕线型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交／交循环变流器供给三相低频励磁电流），图9-15所示为这种系统的原理方框图。

当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度（n2）与转子的机械转速（nr）相叠加，使其等于定子的同步转速（n1），即

图9-15　双馈发电机系统

从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速nr随之而变化。在nr变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。

系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成另一种较低频率的电力变换装置，半导体开关器件采用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1／3。由于电力变换装置处在发电机的转子回路（励磁回路），其容量一般不超过发电机额定功率的1／3，这种系统中的发电机可以超同步运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负），也可以次同步速运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正）。在前一种情况下，除定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力；在后一种情况下，则在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。

上述系统由于其发电机与传统的绕线式感应电机类似，一般具有电刷和滑环，需要一定的维护和检修。目前正在研究一种新型的无刷双馈发电机，它采用双极定子和嵌套耦合的笼型转子。这种电机转子类似鼠笼型转子，定子类似单绕组双速感应电机的定子，有6个出线端，其中3个直接与三相电网相连，其余3个则通过电力变换装置与电网相联。前3个端子输出的电力，其频率与电网频率一样，后3个端子输入或输出的电力其频率相当于转差频率，必须通过电力变换装置（交／交循环变流器）变换成与电网相同的频率和电压后再联入电网。这种发电机系统除具有普通双馈发电机系统的优点外，还有一个很大的优点就是电机结构简单可靠，由于没有电刷和滑环，基本上不需要维护。双馈发电机系统由于电力电子变换装置容量较小，很适合用于大型变速恒频风电系统。