浅谈变速恒频双馈风力发电技术徐威

浅谈变速恒频双馈风力发电技术徐威

徐威

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院）国电南瑞科技股份有限公司江苏省南京市210000）

摘要：文章重点分析了变速恒频风力发电技术的特点、系统结构、发电系统，为风力风电技术的提高奠定基础。

关键词：变速恒频；风力发电；技术

1变速恒频双馈风力发电系统概述

小型独立风力发电系统主要是由数字逆变器、充电器和风力发电机构成。其发电系统一般不使用并网发电，而是独立使用，它的装机容量在100瓦到5千瓦左右，不会超过10千瓦。风力发电机主要由转体、尾翼、机头和叶片构成，其中叶片将接受的风力利用机头转化为电能；尾翼能使叶片一直对着来风方向进而获得最大风能；转体可以使机头灵活转动，达到调整尾翼方向的作用；机头转子利用永磁体，通过定子绕组切割磁力线，从而产生电能。受到风力不稳的影响，使小型风力发电机输出的交流电在13V到25v之间变化，因此需要通过充电器进行整流，再对蓄电瓶充电，将风力发电机产生的电能转化为化学能，之后再使用具有保护电力功能的逆变电源，将化学能变为交流220v市电，确保电能使用的稳定性。

市场上大型风力发电机组多数是水平轴风力发电机，主要有塔架、控制系统、偏航装置、发电机、增速齿轮箱、风轮等多个部分组成。风轮主要由具有良好气动性能的叶片装置在轮毂上组成，转动速度较慢的风轮利用增速齿轮箱加快速度，将动力传输给发电机，实现风能与机械能的转化。大型风力发电机组的构成部件安装在平面机舱上，由塔架将机舱举起，由于风向变化的随机性，为了实现风能的高效利用，需要安装迎风设备。迎风设备是通过风向传感器获取风向信号，并凭借控制器对偏航电机进行控制，从而驱动塔架上与大齿轮相咬合的小齿轮转动，使机舱总是朝向来风方向。它的工作原理是：当风通过叶片时，通过空气动力带动叶轮转动，叶轮通过主轴与齿轮箱连接，在齿轮箱加速之后带动发电机发电。

2变速恒频双馈风力发电机的结构特点

由交流励磁构成的双馈式发电机所具有的结构特点：变速恒频双馈发电机的定子同普通三相交流发电机的定子同样使用分布式交流绕组；双馈发电机转子不采用与发电机同步的直流集中绕组，采用的是三相分布对称式的交流绕组，它与三相绕线型感应电机的转子机构类似，只是在转子绕组上增加了电刷与滑环，使电子侧实现电能的输入与输出。交流励磁双馈式发电机在正常运行时，将定子绕组与工频电网相连结，转子绕组中的相位、幅值、频率都可调节，即实现三相变频供电。

3变速恒频双馈风力发电技术

3.1变速恒频双馈风力发电系统结构

在变速恒频双馈风力发电运行系统中，需要功率转换装置将风力发电机输出的电能控制转变为恒频。变速恒频双馈风力发电系统包括风力机、增速齿轮箱、发电机、发电机侧变流器、网测变流器、变压器、高压电网等部分组成。

各个部分的作用：风力机实现风能与动能的转化；变速齿轮箱可以变换速度，将风力机低速运转转为高速运转；发电机侧变流器利用特定方法将发电机的变频交流转为直流；网测变流器通过使用某种方法实现直流电与三相正弦交流电的转换，同时还对电网功率因数进行补偿；变压器可以将电能转变为高压交流电。

3.2变速恒频双馈风力发电机及发电系统

3.2.1同步发电机

同步发电机主要包括定子与转子，定子通过外接负载，实现三套绕组；转子通过直流电源和永磁体实现绕线圈励磁。

电励磁同步电机的电机风力发电系统，其定子绕组是利用四象限驱动变流器与电网连接的，定子侧变流器通过调整电磁转矩，将电网侧变流器中的电能通过风力发电系统传送至电网中，变为无功或有功功率。电励磁同步电机的优势：通过利用整体定子电流，提高运行效率；可以直接控制电机功率因数，进而实现定子电流的最小化；同感应电机相比，极距更小。

永磁同步机主要基于电机参数的理解，电机参数随温度与频率的变化而变化。使用永磁同步机的缺点是会增加电机成本。

3.2.2异步电机

风力发电机最常使用的就是异步电机，它分为绕线转子型与鼠笼型。双馈异步电机的定子绕组可以直接与电网相连，转子侧变流器利用四象限运行使变流器与电网相连，同时还可以使用晶闸管变流器，但是其具有一定的限制。转子侧变流器在调节电磁转矩的同时，还提供小部分无功功率，用以维持电机磁场。与同步电机相比，双馈电机具有的优势为：它可以减轻逆变器损失，减小电磁与逆变器噪声滤波造成的损失；在受到外部因素干扰时，双馈电机具有比同步电机更好的可靠性与鲁棒性。

此外，还有一些双馈电机并网方法，例如矩阵变换器、循环交流器等。但是由于其线路功率因数较低，在使用矩阵变换器与循环交流器的过程中，电机与电网的谐波畸变相对较高。

鼠笼型异步发电系统，也是利用定子绕组，通过运用四象限运行背靠背变流器与电网相连的。定子侧变流器对电磁转矩进行控制，同时提供无功功率，用以维持电机磁场。鼠笼型异步电机具有的优点为：结实可靠，且经济无电刷；整流器可以产生可调励磁；可以实现快速瞬态响应；在还有剩余容量时，可以将逆变器作为谐波或无功补偿器使用。

4结语

风力发电技术在发展中不断趋于成熟，但是仍然具有较大的发展潜力。风力发电是当前使用风能效率最高、成本最低的方式。随着先进技术在风力发电领域的逐渐渗透、能源危机与环保压力的增大，风力发电将会成为可再生能源利用的主要方面。对变速恒频双馈风力发电技术的研究，有利于风力发电技术水平的提高，并为风力发电技术的发展提供动力支持。

参考文献

[1]史晓斌.变速恒频双馈风力发电技术研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.

[2]李龙文.变速恒频双馈风力发电技术研究[D].长沙:湖南大学,2006.