1前言

　　隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風電裝機總容量已超過1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時，已經具有與火力發(fā)電相競爭的能力。

　　我國的風能資源豐富，理論儲量為16億kW，實際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初，國家計委、科委、經貿委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又制定了以國產化帶動產業(yè)化的風電發(fā)展計劃，即有名的“乘風計劃”，為我國風力發(fā)電技術國產化指明了方向，創(chuàng)造了條件。同時，我國也是利用風能資源進行風力發(fā)電、風力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風力發(fā)電機組保有量達15萬臺，年生產能力為3萬臺，均居世界首位。

　　2風力發(fā)電機組的類型

　　2.1恒速恒頻與變速恒頻

　　在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速（也即發(fā)電機的轉速）不變，從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。

　　2.2兩種類型機組的性能比較

　　由于風能與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ（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速保持不變，而風速又經常在變化，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)電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，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:如交一直一交變頻系統(tǒng)，交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)，無刷雙饋電機系統(tǒng)，開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)，磁場調制發(fā)電機系統(tǒng)，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)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統(tǒng)相結合而實現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點，適用場合也不一樣。為了充分利用不同風速時的風能，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發(fā)出實用的，適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術。

　　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?？刂葡到y(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，則檢測風輪是否已開始轉動，并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風輪機，并對起動電流進行控制，使其不超過最大限定值。異步風力發(fā)電機在起動時，由于其轉速很小，切入電網(wǎng)時其轉差率很大，因而會產生相當于發(fā)電機額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個電流不僅對電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會影響風電機組的壽命。因此在風電機組并網(wǎng)過程中采取限流軟起動技術，以控制起動電流。當發(fā)電機達到同步轉速時電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路后，限流軟起動控制器自動復位，等待下一次起動信號。這個起動過程約40S左右，若超過這個時間，被認為是起動失敗，發(fā)電機將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測信號，確定機組是否重新起動。

　　異步風電機組也可在起動時轉速低于同步速時不并網(wǎng)，等接近或達到同步速時再切入電網(wǎng)，則可避免沖擊電流，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秒鐘內瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的20%，或2分鐘內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。切換過程為:首先切除補償電容，然后小發(fā)電機脫網(wǎng)，等風輪自由轉動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機的軟并網(wǎng);若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉速反而降低的情況下，應再將小發(fā)電機軟并網(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網(wǎng)運行。

　　（2）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分鐘內平均功率小于某一設定值（此值應小于小發(fā)電機的額定功率）時，或50S瞬時功率小于另一更小的設定值時，立即切換到小發(fā)電機運行。切換過程為:切除大發(fā)電機的補償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，計時20S，測量小發(fā)電機的轉速，若20S后未達到小發(fā)電機的同步轉速，則停機，控制系統(tǒng)復位，重新起動。若20S內轉速已達到小發(fā)電機旁路轉速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補償電容器。

　　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，通過槳距調節(jié)機構，改變槳葉攻角以調整輸出電功率，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，變槳距機構發(fā)揮作用，調整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內。但是，由于自然界的風力變幻莫測。風速總是處在不斷地變化之中，而風能與風速之間成三次方的關系，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導致風力發(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風力發(fā)電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構為了限制發(fā)電機輸出功率，將調節(jié)槳距，以調節(jié)輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構頻繁大幅度動作，使變槳距機構容易損壞;同時，變槳距機構控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。

　　為了減小變槳距調節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節(jié)方式-RCC（RotorCurrentControl轉子電流控制）方式來配合變槳距機構，共同完成發(fā)電機輸出功率的調節(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。采用了RCC控制的變槳距風力發(fā)電機，變槳距機構主要用于風速緩慢上升或下降的情況，通過調整葉片攻角，調節(jié)輸出功率；RCC控制單元則應用于風速變化較快的情況，當風速突然發(fā)生變化時，RCC單元調節(jié)發(fā)電機的滑差，使發(fā)電機的轉速可在一定范圍內變化，同時保持轉子電流不變，發(fā)電機的輸出功率也就保持不變。

　　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。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)有三個主要功能:（1）正常運行時自動對風。當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調向的指令，機艙開始對風，直到達到允許的誤差范圍內，自動對風停止。（2）繞纜時自動解纜。當機艙向同一方向累計偏轉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，扭纜機械開關將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。（3）失速保護時偏離風向。當有特大強風發(fā)生時，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調到最大，偏航90o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。

　?。?）正常停機

　　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)電機轉速下降到設定值后，投入機械剎車;⑤若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機艙偏航900背風。

　　（2）緊急故障停機

　　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，轉速仍未降到某設定值，則收槳，機艙偏航900背風。停機如果是由于外部原因，例如風速過小或過大，或因電網(wǎng)故障，風電機組停機后將自動處于待機狀態(tài);如果是由于機組內部故障，控制器需要得到已修復指令，才能進入待機狀態(tài)。

　　4變速恒頻發(fā)電機組的控制

　　4.1同步發(fā)電機交一直一交系統(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)的任務則由交一直一交系統(tǒng)完成。

　?。?）風輪機的控制

　　風輪機的起動、控制、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輪，因此省去了變槳距控制機構。

　?。?）發(fā)電機的控制

　　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，則通過調整勵磁來調整發(fā)電機的輸出功率在允許的安全范圍內運行。勵磁的調整是由控制器調整勵磁系統(tǒng)晶閘管的導通角來實現(xiàn)的。

　?。?）交-直-交變頻系統(tǒng)的控制

　　這里的變頻器的概念與普通變頻器的概念是不一樣的。普通變頻器是將電壓和頻率固定的市電（220/380V，50Hz），變成頻率和電壓都可變的電源，以適應各種用電器的需要，如果用于變頻調速系統(tǒng)，則電壓和頻率根據(jù)負載的要求不斷地改變。相反，這里的變頻器則是將風力發(fā)電機發(fā)出的電壓和頻率都在不斷改變的電能，變成頻率和電壓都穩(wěn)定（220/380V，50Hz）的電能，以便與電網(wǎng)的電壓及頻率相匹配，而使風電機組能并網(wǎng)運行。

　　所謂的“交-直-交”變頻，是變頻方式的一種，是將一種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。

　　風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電，經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-VVVF方式，即正弦波脈寬調制式變壓變頻方式。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電機。在風電機組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調速，因為電網(wǎng)頻率將強迫控制風輪的轉速。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，其轉速可隨風速變化做相應的調整，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，既可以調節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　（1）雙饋電機的工作特性

　　雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節(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

　　。

　　當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率為f1（f1=P.n1/60）的三相電源供電時，由于電機轉子的轉速n＝（l-s）n1（s為轉差率，n1為氣隙中基波旋轉磁場的同步速率）。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的機電能量轉換，定子磁場與轉子磁場應保持相對靜止，即應滿足:ωR＝ω1-ω2，其中:ωR是轉子旋轉角頻率;ω1是定子電流形成的旋轉磁場的角頻率;ω2是轉子電流形成的旋轉磁場的角頻率。由此可得轉子供電頻率f2＝S.f1，此時定轉子旋轉磁場均以同步速n1旋轉，兩者保持相對靜止。

　　與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調量有三個:一是與同步電機一樣，可以調節(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，可調節(jié)轉速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調節(jié)轉子勵磁電流的幅值和相位，可達到調節(jié)有功功率和無功功率的目的。而同步電機的可調量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調節(jié)同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調節(jié)電流幅值外，亦可以調節(jié)其相位，當轉子電流的相位改變時，由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位置就產生一個位移，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節(jié)無功功率，也可調節(jié)有功功率。一般來說，當電機吸收電網(wǎng)的無功功率時，往往功率角變大，使電機的穩(wěn)定性下降。而雙饋電機卻可通過調節(jié)勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩(wěn)定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負荷下降，電網(wǎng)電壓過高的困難。與之相比，異步發(fā)電機卻因需從電網(wǎng)吸收無功的勵磁電流，與電網(wǎng)并列運行后，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優(yōu)越的運行性能。

　?。?）風力發(fā)電中雙饋電機的控制

　　在風力發(fā)電中，由于風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風力發(fā)電技術，提高風力發(fā)電機組的效率，最充分地利用風能資源，有著十分重要的意義。任何一個風力發(fā)電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機。其中，作為原動機的風力機，其效率在很大程度上決定了整個風力發(fā)電機組的效率，而風力機的效率又在很大程度上取決于其負荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個風力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過載或久載的狀態(tài)下，都會損失其效率。從風力機的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比λ，對應一個最佳的效率。所以風力發(fā)電機的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網(wǎng)對有功功率和無功功率的要求，所以風力機最佳工況時的轉速應由其氣動曲線及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說，風力發(fā)電機的轉速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調整，依靠轉子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節(jié)其轉速、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。

　　整個控制系統(tǒng)可分為三個單元:轉速調整單元、有功功率調整單元、電壓調整單元（無功功率調整）。它們分別接受風速和轉速、有功功率、無功功率指令，并產生一個綜合信號，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節(jié)有功功率，又可調節(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。

　?。?）雙饋風力發(fā)電機組應用前景廣闊

　　綜上所述，將雙饋電機應用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉速不可調、機組效率低等問題。另外，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高發(fā)電質量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，還有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l(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，同時也降低了造價。

　　將雙饋電機應用于風力發(fā)電的設想，不僅在理論上成立，在技術上也是可行的。與現(xiàn)有的風力發(fā)電技術相比，無論從經濟性，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化的進程，其發(fā)展前景十分廣闊。