變頻技術在風力發電機組及風機電氣系統中的運用實踐

國華能源投資有限公司遼寧分公司 王 剛

近年來，風力發電作為一種清潔、可持續的能源形式獲得了廣泛關注。在風力發電系統中，風機作為關鍵設備，其電氣系統的性能和效率對整個系統的運行穩定性和發電效率起著至關重要的作用。為了提高風機的運行效率，有效地降低能源損耗，變頻技術逐漸成為風力發電領域的研究熱點。本文首先介紹了高壓變頻技術的基本原理，包括高壓變頻調速結構及其原理、變頻器功率單元結構等。其次，詳細討論了風機變頻控制應用的設計，包括變頻器控制電源設計和設備選型的方法和原則。再次，分析了風機能源損耗的現狀，探討了變頻技術在節能方面的運作原理。最后，通過數據分析和實驗驗證評估了變頻技術在風力發電機組及風機電氣系統中的應用效果，并提出了未來研究的展望。

1 高壓變頻技術在風力發電機組中的應用設計

1.1 高壓變頻技術基本原理

高壓變頻技術作為一種重要的能源節約技術，在工業生產過程中得到廣泛應用。傳統的生產機械設計通常會設置一定的驅動力富余量以確保生產的可靠性，但這將導致設備在正常運行中承擔不必要的負荷，造成能源浪費。而高壓變頻技術的提出旨在通過調節設備的運行頻率來減少能源損耗，提高能效。

以風機為例，通常在滿負荷下工作，但實際上在大部分時間內并未充分利用其效益。通過應用變頻調節技術，可以將風機的轉速控制在額定轉速的80%左右，這理論上可以節約51.2%的功耗。除了節能的效果，滿負荷操作還會對風機的壽命造成不利影響，縮短軸承和電機繞組的使用壽命，并增加故障的可能性。變頻調節技術通過改變電機的轉速來實現功率調節。

基于以上分析，高壓變頻技術作為一種重要的能源節約方案，可以實現對風機轉速的精確控制，從而提高能效和降低能耗。在風力發電機組及風機電氣系統中的應用將極大地推廣可再生能源的利用。

1.1.1 高壓變頻調速結構及其原理

高壓變頻調速系統是將交流電變換為直流電，再通過逆變器進行電壓調節的裝置。其主要由控制電源、變壓器、逆變器，以及保護電路等構成。其中，變壓器對輸入電流進行升壓，從而提高輸出電壓；逆變器則負責將高壓直流信號轉換回低壓交流信號，并經過功率電子器件進行整流。而高壓變頻調速系統使用不同等級電壓的變頻器結構不同，以6kV 和10kV 為例[1]。其變頻器的結構如圖1所示，圖2為變頻器典型外形圖。

圖1 6kV、10kV 系列變頻器的典型結構圖

圖2 變頻器典型外形圖

高壓變頻調速系統是一種將多級串聯的功率單元的PWM（脈寬調制）信號進行移相和疊加的技術，以解決電子器件在高壓環境下的耐壓問題。在傳統的變頻調速系統中，由于電力電子器件的電壓等級受限，難以滿足高壓環境下的要求。而高壓變頻調速系統通過創新的結構設計和工作原理，克服了傳統系統的限制，實現了在風力發電機組中的應用。高壓變頻調速系統中的多級串聯功率單元可以將PWM 信號進行移相和疊加，實現對電壓和頻率的精確控制。移相和疊加技術是多級串聯功率單元實現高壓變頻調速的核心。通過適當地移相和疊加，可以保證每個功率單元在同一時刻都處于合適的工作狀態，從而充分利用各個功率單元的能力，并確保系統的穩定性和可靠性。這種設計方案使高壓變頻調速系統能夠同時滿足高電壓環境下的要求和風力發電機組的變頻調速需求，提高了系統的運行效率和性能。

高壓變頻調速技術應用到電機中加強對其的精確控制，提高了運行效率和能源利用率。通過對電機轉速的調節，能夠適應不同的工況需求，從而達到了節能減排的目的。隨著對高壓變頻調速技術的不斷研究和改進，其在工業生產和能源部門中的應用前景將更加廣闊，推動能源的可持續發展。

1.1.2 變頻器功率單元結構

頻器作為一種高效率的電力電子器件，其主要功能是將交流電源電壓轉換為直流輸出。其中，變頻器的主要組成部分就是功率模塊和控制電路。功率模塊是指由多個開關管組成的電流互感器串聯而成的電容—電阻網絡，其能夠通過改變開關管的工作狀態來實現對輸入信號的變換。而控制電路則是指由一些數字邏輯電路構成的芯片，用于控制開關管的工作狀態及信號處理。其變頻器工作原理如圖3所示。

圖3 變頻器工作原理

1.2 風機變頻控制應用設計

1.2.1 變頻器控制電源設計

變頻器是風電機組的控制核心，其控制電源的設計直接影響著變頻器的工作性能和可靠性。因此，選擇合適的控制電源是非常重要的。目前常用的變頻器控制電源主要有直流電壓源、交流電壓源，以及混合型電壓源等。其中，直流電壓源是最常見的一種，其具有穩定性好、功率密度高、體積小等優點，適用于較小容量的變頻器。而對于較大容量的變頻器，由于需要承受較大的電流和電壓波動，所以采用交流電壓源更為合適。此外，混合型電壓源也是一種不錯的選擇，它可以同時提供直流和交流兩種類型的電壓，能夠滿足不同場合的需求。在實際工程中，為了保證變頻器穩定運行，還需要考慮一些其他的因素，如供電線路的選擇、負載匹配等。例如，在安裝變頻器時，應該選用符合標準的電纜線，并確保電纜長度不超過規定的限制值；同時還要對負載進行合理匹配，以避免過大或過小的負載對變頻器的影響[2]。

1.2.2 變頻器設備選型

變頻器是一種能夠將交流電源變換成直流電或改變頻率輸出的電子器件。目前，變頻器主要分為三類：整流變頻器、半導體變頻器和晶閘管變頻器。其中，半導體變頻器是最常用的一種，具有體積小、功率大、效率高的特點。此外，半導體變頻器還具有可調節特性，可以對電壓和電流進行調節。因此，本文主要選擇了半導體變頻器作為變頻器設備。

2 風機的能源損耗現狀

從目前我國機械設備的使用情況來看，風機作為主要動力設備之一，其對電能的消耗約占全國發電總量的三分之一[3]。這表明風機在電能消耗方面起到了重要作用。然而，在實際使用過程中大部分風機的能耗與效益很難成正比。因此，許多單位不得不通過增加阻力的方式來滿足工藝或工況對氣體的需求，從而浪費了大量電能和金錢。然而，這種浪費電能的方式存在著調節精度差、負面效應高等問題，對能源的浪費程度較大。為了提高風機的能效，降低能源損耗，我們需要采取科學有效的措施。第一，應借鑒先進的節能技術，選用高效的電機和先進的變頻器控制系統，從根源上提高風機的能效。第二，要加強對風機的維護保養工作，定期檢查和清潔風機設備，確保其正常運行，減少能源的浪費。

3 風機變頻節能的運作

利用變頻節能的方式可以有效控制風機，減少空氣動力消耗，相比常用的節電方式，其效果有較大的差異[4]。風機的特征曲線如圖4所示。

圖4 風機的特征曲線

在圖4中，曲線1表示風機在恒定轉速下其風壓與風量的特性曲線；曲線2表示管網風阻的特性曲線；曲線3表示變頻運行時的特性曲線；圖4中顯示，風壓會略微增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比，似乎沒有明顯降低效率的跡象。而將風機的轉速由n1變成n2，可以得到曲線4，其是轉速n2下的風量特性曲線。通過對比這些曲線，可以清楚地看出，使用變頻調速的方式來實現節能的效果較好[5]。

在實際應用過程中，變頻技術還需要結合其他控制手段，如智能控制、預測控制等，以實現更加高效、可靠的風電系統管理。例如，利用風流模擬模型，可以提前預估風場的瞬時特性，并據此制定相應的控制策略；而基于模糊控制理論的方法也可以有效地解決風電系統不穩定的問題。總之，變頻技術是風機變頻節能的重要組成部分之一，其能夠有效提升風電系統的穩定性和效率，為風電行業的發展提供有力的支持。

4 結語

綜上所述，本文深入研究了變頻技術在風力發電機組及風機電氣系統中的應用實踐。通過介紹高壓變頻技術的基本原理及風機變頻控制的設計和選擇，我們了解了該技術在提高系統效率和降低能源損耗方面的重要作用。同時，通過分析風機能源損耗的現狀并探討變頻節能的原理，我們發現變頻技術在風力發電系統中具有顯著的節能潛力。本文的研究結果表明，通過合理應用變頻技術，可以提高風機電氣系統的運行效率，減少能源消耗，進而推動可持續能源的發展。