變速恒頻風力發電關鍵技術研究

[摘 要]本文以變速恒頻風力發電技術為研究對象，著眼于風力發電的關鍵實現技術，從交流—直流—交流風力發電技術分析、磁場調制發電機技術分析以及交流勵磁雙饋發電機技術分析這幾個方面入手，圍繞變速恒頻風力發電機關鍵技術這一中心問題展開了較為詳細的分析與闡述，并據此論證了變速恒頻風力發電技術作為風力發電最關鍵技術，其在緩解能源危機以及推動“綠色能源”可持續發展過程中所發揮的至關重要的作用與意義。

[關鍵詞]變速恒頻 風力發電技術 發電機 勵磁 定子 轉子 分析

為緩解能源危機問題，各方工作人員開始針對一種全新的“綠色能源”展開詳細分析與研究。一種將電力電子技術、微機信息處理技術及矢量變化控制技術充分融于發電機控制過程當中的發電技術——變速恒頻風力發電技術更是以其特殊的應用優勢而備受關注。本文是針對變速恒頻風力風力發電關鍵技術這一中心問題做詳細分析與說明。

一、交流—直流—交流風力發電技術分析

該技術運作系統結構示意圖如下圖所示（見圖1）。受到風速持續變化因素的影響，整個系統當中的風力機裝置及發電機裝置也會產生與風速變化存在一定關系的變速旋轉作用，進而導致電功率的產生。由圖1我們不難看出：由發電機裝置所發出的交流電電流首先借助于整理器裝置轉換為直流電形式，在此基礎之上借助于逆變器發生有源逆變反應形成適宜于電網恒定頻率的交流電電源。為確保整個交流—直流—交流反應的穩定性與有效性，風力發電過程當中應當確保發電機裝置反應容量基本與變頻器裝置反應容量保持一致。此類風力發電技術在實踐應用過程當中最為突出的優勢在于且并網過程當中基本無電流沖擊作用力，并網對整個風力發電系統的影響程度較低。但是，考慮到系統運行中采取靜態自勵式逆變器裝置完成頻率變化作業，盡管發電過程當中可以針對系統所產生的無功功率予以調節，但電網所接受電流當中仍然存在部分高頻電流。

圖1 交流—直流—交流風力發電技術運作系統結構示意圖

二、磁場調制發電機技術分析

該技術運作系統結構示意圖如下圖所示（見圖2）。其主要依賴于專門設計的高頻交流發電機裝置于電力電子變化電路裝置完成整個風力發電作業。很明顯，該運行系統當中的發電機裝置具備較高的旋轉頻率參數。同傳統意義上的同步電機裝置不同，這種高頻交流發電機裝置并不使用直流電勵磁，而是選取頻率較低的交流電勵磁進行系統運行。換句話來說，在運行系統要求輸出頻率參數（一般情況下以50Hz為恒定值）低于高頻交流發電機裝置自身運行頻率的情況下，該發電機裝置三相繞組所生成的電壓波形多表現為調幅波形式，將其連接至整理器裝置當中即能夠獲取與高頻交流發電機裝置單位時間轉速無關的正弦波信號。這也就意味著：勵磁電流的頻率及相位參數直接決定著整個運行系統輸出電壓的頻率及相位參數，而這與現階段并網運行式風力發電系統的要求是完全一致的，應用價值較高。

圖2 磁場調制發電機技術運作系統結構示意圖

三、交流勵磁雙饋發電機技術分析

該技術運作系統結構示意圖如下圖所示（見圖3）。在發電機裝置單位時間轉動速度受到風速變化而發生改變的情況下，控制轉子電流頻率的方式能夠確保定子頻率始終處于恒定狀態當中，與之相對應的關系式為：定子電流頻率參數（即電網系統頻率參數）=電機極對數×轉子機械頻率參數（一般情況下按照發電機單位時間轉動速度/60的方式予以計算）＋轉子電流頻率參數。對該式進行分析可分為三種情況：首先，在發電機單位時間轉動速度低于定子旋轉磁場單位時間轉動速度的情況下，整個風力發電系統運行處于亞同步狀態。換句話來說，此時由變頻器裝置向發電機轉子部分提供交流勵磁信號，電網所接受電能來自于發電機定子所發出電能，整個關系式取值為“﹢”；其次，在發電機單位時間轉動速度高于定子旋轉磁場單位時間轉動速度的情況下，整個風力發電系統運行處理超同步狀態，電網所接收電能來自于發電機裝置定子及轉子同時發出的電能，整個關系式取值為“﹣”；最后，在發電機單位時間轉動速度等同于定子旋轉磁場單位時間轉動速度的情況下，整個風力發電系統運行處理同步狀態，此時的發電機裝置充當同步電機職能，變頻器裝置將直接向轉子位置提供相應的直流勵磁信號。換句話來說，基于交流勵磁雙饋發電機技術的變速恒頻控制方案以轉子電流為載體，這使得圖3中所變頻器裝置的容量僅僅為發電機裝置總容量的極小部分，由此使得變速恒頻風力發電過程中變頻器運行成本得到了有效控制。

圖3 交流勵磁雙饋發電機技術運作系統結構示意圖

四、結束語

無論是交流—直流—交流風力發電技術分析、磁場調制發電機技術分析還是交流勵磁雙饋發電機技術，基于以上風力發電技術所形成的變速恒頻風力發電作業均表現出了如下幾個方面的應用優勢：①較高的風能轉化工作效率；②傳統意義上的機電動力系統剛性連接轉變為柔性連接方式，在合理控制發電機裝置轉子脈動的同時有效延長風力機使用壽命；③勵磁裝置運行動作能夠借助于矢量調節與控制，并網運行后發生失步問題的可能性極低；④基于PWM技術支持實現了交寬的轉速運行范圍，其深入研究與應用的重要性也由此得以凸顯。本文針對有關變速恒頻風力發電關鍵技術相關問題做出了簡要分析與說明，希望能夠為今后相關研究與實踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

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