摘 要：直驱式风力发电是当前风力发电技术的一种极具潜能的发展方向。本文首先回顾国内外风力发电的发展情况，在此基础上，分析了风力发电机组技术尤其是直驱式风力发电机组技术，对直驱式风力发电技术中使用的功率调节方式进行了探讨。对直驱式永磁同步风力发电系统的结构与控制进行了分析，并展望变速风力发电的发展趋势。

　　关键词：直驱、变速恒频、风力发电、永磁同步电机

　　中图分类号: TM614;TM351

　　Abstract：The direct-driven wind power is a sort of wind power generation technology which possess a great potential for utilization and development currently. After reviewing the progress of internal and overseas wind power system, wind power generation technology, especially direct-driven wind power generation technology is analyzed, and tis power regulation methods are discussed. The structure and control of direct-driven permanent magnet synchronous wind power generation system are analyzed, and the development direction of variable speed wind power generation is introduced.

　　Keywords：Direct-Driven、Variable Speed Constant Frequence、Wind Power Generation、Permanent Magnet Synchronous Maehines

　　1、国内外风力发电技术的发展概况及其特点

　　随着各国基于生存及战略因素的考虑、全球化石燃料价格的持续上涨以及温室效应的凸现，世界各国越来越关注对可再生能源的研究和开发。风能作为一种可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球新能源和可再生能源行业中创造了增速最快的奇迹。据世界风能委员会统计，2006年全球风力发电能力比上年增长25.6%，达到74.2GW。预计到2010年，全球风能发电将翻一番，达到149.5GW。因此，风力发电将成为解决世界能源问题的重要途径。

　　中国的风力发电研究始于20世纪70年代，通过自主研发，小型风力发电机组(100W～10KW)已经批量生产，得到广泛应用，取得了明显的经济效益。并网风电机组起步于90年代，其崛起依赖于国家实施的“乘风”计划。进入21 世纪，国内已经实现了600KW风电机组的工业化生产、以及750KW风电机组的国产化，目前正在研究1.5MW、3MW的风电机组国产化。05年，国家发改委在高技术产业化专项公告中，将1.5MW变速恒频风电机组和1.2MW直驱式风电机组的产业化列为研究重点，大大推动了风电技术的快速发展。但是，在风电并网技术领域，我国与风电强国之间还存在着较大的差距，兆瓦级风电变流机组仍主要依赖进口。如何打破国外技术垄断，在变流器设计及控制技术上拥有自主知识产权，已成为我国风电产业急待解决的问题。根据规划，我国近期的能源战略目标是：到2015年新能源和可再生能源年开发量达到4300万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2%。因此，伴随着我国能源战略的实现，风电将成为支撑国民经济的新兴行业，必将拉动机械、电子、化工、材料等行业的发展，风力发电的前景十分广阔。

　　当前，随着我国经济的快速发展，能源将是制约我国社会、经济发展的瓶颈。而风能作为一种可再生的清洁能源，凭借其对环境保护的突出贡献及其在自然界的巨大能量储备，积极加以开发利用，将对我国的社会发展、经济建设、国防建设具有十分重要的意义。充分利用风力、光伏等绿色发电技术可以大大减少煤和石油等化石燃料的消耗，减轻人类活动对环境侵害。所有可再生能源中，相对而言，风力发电的技术比较成熟，应用成本相对较低，开发应用前景广阔。此外，风力发电既可以并网运行，也可以离网独立运行，还可以与其它能源组成互补发电系统，应用十分灵活。并网运行的风力发电系统可以为公共电网输送电力，小型的风力发电机组可为多风的海岛和偏僻的乡村提供生产、生活用电，其发电成本比内燃机的发电成本低得多。

　　2、风力发电的技术水平及发展

　　2.1国内外风力发电技术基本现状

　　自全球风电投入应用以来，经过了几十年的研究与发展，逐渐形成水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。近年来，风力发电技术在电机技术、电力电子技术、现代控制技术、测试技术、计算机技术等相关技术的推动下快速发展。当今，风能的开发应用及其发展主要表现在：

　　①单机容量不断上升，从数十千瓦发展到兆瓦级机组;②变浆距功率调节迅速取代定浆距功率调节;③变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式;④无齿轮箱的直驱方式逐步增多，同步发电逐步替代异步发电;⑤风力发电从陆地向海面拓展;⑥新方案、新技术不断应用于风电系统的功率调节。

　　目前业已应用的风电系统如图1所示，表1列出这些结构风电系统的功率控制思想。

　　图a是20世纪80年代被风机制造商广泛采用的传统结构，常用笼型转子异步发电机构成，该结构90年代被扩展，为补偿无功并联了电容器，为避免发电系统对电网冲击，使用了电机软启动器。

　　图b是运行于全程范围或低风速区域的变换器代替图a中的电容器和电机软启动器。运行于低风速的变换器功率为发电机额定功率20～30%，运行于全程范围的变换器功率大约为发电机额定功率的120%，但它能使风力发电机在所有风速下变速运行。

　　图c是90年代中期一种风力机结构。其基本思想是利用电力电子变换器改变转子电阻，使转差率变化10%，通过控制转差率控制系统的输出功率。

　　图d结构使用双馈异步发电机，用变频器控制转子绕组电流，变频器功率是发电机额定功率20～30%。这种结构比图c有更宽的调速范围，变换器所需功率小，经济性好。

　　图e为全功率控制结构。通过风力机与永磁发电机直接相联，可应用于家庭风电系统或混合风电系统。ABB公司2000年采用这种结构用3.5MW多极永磁电机发电后并入电网。

　　图f结构的风力机应用不多，它通过整流器从电机外部励磁。这种结构存在问题是：①需要励磁电路;②需要滑环;③风力机需要很复杂的保护策略。

　　图g这种结构风力机也不被广泛使用。与前几种结构相比，如果接于电网的电力变换器为四象限变换器，那么这种结构可以实现变速。

　　图h使用多极绕线式同步发电机，与图g结构同，因使用多极发电机，系统不需要齿轮箱。

　　图1 目前采用的风力发电系统原理图

　　表1 图1中结构在风力发电应用中的控制思想 图号 功率变换器 多极或齿轮箱 功率控制特点 注释 a 软启动器 齿轮箱 自动失速或失速调节 单速或双速电机 b 变频器 齿轮箱 自动失速或失速调节 变速 c 电力电子变换器或无源元件 齿轮箱 变浆距 有限制的变速 d 变频器 齿轮箱 变浆距 双馈发电机变速 e 变频器 多极 自动失速、失速调节或变浆距 变速 f 变频器 齿轮箱 自动失速或变浆距 变速 g 整流器和变频器 齿轮箱 变浆距 带齿轮箱变速 h 整流器和变频器 多极 变浆距 无齿轮箱变速 从前面所述风力发电系统的结构特点及目前风电设备技术发展趋势来看，d和e结构比较简单，可适应风力变化的随机性，能够满足宽风速范围内利用风能实施发电。实际运行过程中，风力发电机组对系统运行的可靠性、发电质量以及风能利用效率等提出比较高的要求，相应的变流机组速度控制技术和功率控制技术亦不断进步，经历了由恒速到变速、由定桨到变桨的发展过程。

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