2.2风力发电并网变流机组的发展

　　风力发电系统的并网变流机组由风力机、发电机、塔架、变流器及其控制系统、输变电装置和其他机械装置组成。发电系统的速度控制和功率控制技术发展情况如下。

　　2.2.1风机的功率特性风机速度、功率控制方法

风机输入功率满足贝兹原理，贝兹极限证明桨叶最大风能利用效率Cmax=16/27≈0.593，考虑到阻力、叶尖损失等因素，实际系统中CP最大值一般只达到0.47。桨距角、攻角α和叶尖速比是风机运行的重要参数。在桨距角一定时，随着风速和风机转速的变化，存在一个最优的叶尖速比opt，使得功率系数取最大值;当叶尖速比一定时，随着桨距角的增大，桨叶攻角减小，所对应的功率系数呈下降趋势。如图2所示。

　　因此，要实现最大功率跟踪风能，必须根据风速调节发电机转速，以维持最优叶尖速比。按照发电机速度控制方式的不同，并网变流机组分为恒速恒频机组(CSCF)和变速恒频机组(VSCF) 两类。

　　在最大功率跟踪阶段，为实现最大风能利用，桨距角通常保持不变。而当风速超过额定值后，限于机组机械强度、电机及变流器容量，必须降低风轮的能量捕获，使输出功率保持在额定值，避免风机损坏。这需要通过机组功率调节实现，常见功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种方式。

　　(a)桨距角和攻角的定义 (b)功率系数曲线

　　图2风机功率特性

　　2.2.2速度控制技术与发展

　　(1)恒速恒频机组

　　早期的风力发电多为基于笼型感应电机的恒速恒频机组。因电网频率恒定，发电机转差变化范围很小，电机转速近似不变。而因风机的转速很低(≤50r/min)，为实现风力发电机与恒频电网之间的联结，风机必须配备增速齿轮箱。考虑到感应电机的起动电流大、功率因数低，网侧需配备软起动装置和无功补偿电容，恒速恒频机组拓扑如图3。

　　图3基于笼型感应电机恒速恒频机组

　　恒速恒频机组的优点是控制简单，电机结实可靠，电气部分成本低，但缺点较多。首先，发电机无法调节转速，机组只在一个风速下实现最大风能捕获，即便采用双绕组电机，也无法在宽风速范围内保证风能的利用率。其次，因转速恒定，风速的脉动将反映到风力机的机械转矩上，增大机组机械应力，造成并网功率脉动，影响电网稳定。此外，变流机组不能对网侧无功连续调节，并网电能质量较低。

　　(2)变速恒频机组

　　变速恒频机组是通过变流器控制发电机的转速随风速变化，可使风能利用率大幅提高。与恒速恒频机组相比，尽管在变流装置上增加了成本，控制也比较复杂，但其优点明显：一是发电机调速运行，能实现风能的最大功率跟踪;二是风速脉动由电机转子吸收，减小轴承和齿轮箱等刚性元件的机械应力，有效抑制噪声;三是电力电子技术使变流机组控制更加灵活，能满足电网对风电机组高性能的要求，如网侧有功和无功控制、快速动态响应、高质量电能并网等。按照使用发电机型式的不同，变速恒频机组分为基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组和基于永磁同步发电机的直驱型机组两类，拓扑结构如图4(a)、(b)所示。

　　(a)双馈型风电机组 (b)直驱型风电机组

　　图4变速恒频风力发电机组

　　双馈型变速恒频机组中，变流器容量为机组容量的1/3～1/2，系统成本控制上具有竞争力，在风电市场中获得广泛应用。2001年起，其市场占有率超过恒速恒频机组，成为大功率并网发电系统的主流机型。但它实际应用中暴露出许多问题，一是齿轮箱造价昂贵，漏油问题很难妥善解决，影响风能转换效率和系统运行的可靠性;二是双馈电机的滑环和电刷必须定期检修，后期维护工作量大，机组可靠性低。

　　相比之下，直驱型风电机组具有巨大的发展潜力。在直驱型机组中，多极永磁同步电机的转速低，可与风力机直接相连，无需升速，机组噪声低，能量转换效率高;其次，发电机运行效率高，不存在滑环和电刷，可显著提高机组的运行可靠性;再者，发电机通过全功率变流装置接入电网，可适应电网的波动，网侧功率控制灵活。当然，直驱型机组也存在着因为电机的极数多、发电机的体积大、造价高，全功率变流装置的成本高等问题，但由于省去了齿轮箱、滑环和电刷等薄弱环节，系统的整体效率、并网功率控制的灵活性和可靠性显著提高。因此，直驱型风电机组得到科技人员广泛关注，成为风力发电技术最具潜力的重要发展方向。

　　2.2.3功率控制技术与发展

　　(1)定桨距失速调节

　　定桨失速是风电机组最简单的功率控制方式。当风速增大到一定值时，风轮桨叶受力变化，阻力增加、升力减小，造成叶片失速，从而限制了机组功率的增加。该调节方式无需功率反馈和变桨机构，整机结构简单、成本低，鲁棒性较强。同时，机组的失速条件随风速增加由桨叶的根部逐渐形成，和快速调桨动作相比，能够减轻系统的功率冲击。但定桨失速调节会影响到低风速时风能的利用率，不能辅助起动机组，随着机组功率等级的提高，叶片增长，其失速特性不易控制，因此，该功率控制方式很少应用在大型风电机组中。

　　(2)变桨距调节

　　变桨距型风电机组能使桨距角随风速而变化。风速低于额定值时，桨距角维持最优值以保证最大风能捕获。风速高于额定值后，桨距角增大，限制风力机输入功率的增加。和定桨失速风电机组相比，其机组功率控制性能明显提高，风机起动性能和功率输出特性都得到显著改善。缺点是需要复杂的变桨机构，并且要求发电系统对阵风的响应速度快，以减轻功率脉动对机组并网稳定性的影响。

　　(3)主动失速调节

　　主动失速调节是前两种调节方式的组合。风速较低时，桨距角维持最优值以保证风能利用率(最大风能捕获)。机组输入功率达到额定功率后，桨距角反向调节，叶片失速效应加深，可以限制机组输入功率的增长。主动失速调节结合了前两种调节控制的优点，既利用失速特性对功率进行平滑限制，又保留变桨调节在最大功率跟踪、辅助机组起动等方面的优势。系统不需要高灵敏地调节速度，执行机构的功率也小。

　　2.3直驱型风电机组全功率并网变流技术

　　近年来，科研人员对直驱型风力发电机的选型与设计、变流器的建模与控制、系统的运行优化和接入电网技术等课题展开了深入地研究。在诸多研究内容中，全功率并网变流技术倍受关注，不断向前推进，取得了显著的研究成果。

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