两种主流变速恒频风电机组技术发展综述

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【摘 要】通过对目前大型风电机组技术研究，分别对双馈异步、永磁同步直驱两种主流变速恒频机组从典型接线方式，各种控制技术研究热点等多方面进行分析比较，认为新型永磁半驱风电机组是大型机组发展的新方向。文章最后对我国风电发展提出了几点建议。

【关键词】变速恒频；双馈异步发电机；技术发展

1 变速恒频风电机组的运行原理及分类

变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。相应的控制策略就是低风速时捕获最大风能和高风速时保持额定功率。变速风力发电机组大体上包含了3种运行状态。

（1）低于额定风速时，桨距角保持最佳设计角度，一般为0度左右，以获得最大风能利用系数。通过控制发电机电磁扭矩来调节发电机转速，在风速变动情况下保持恒定的最佳叶尖速比，从而实时追踪最佳功率曲线。

（2）当风速超过额定风速且低于切出风速时，发电机和变流器通过桨距角调节，限制风能吸收保持功率输出为额定。

（3）当风速超过切出风速时，风电机组立即进入顺桨空气制动程序，停止运转后输出功率为零。

目前，单机容量1～3MW机组是国际主流风电机组，5MW风电机组已投入试运行；MW级机组中普遍采用变速、变桨距技术，从风轮到发电机的驱动形式主要分为三种：采用三级齿轮驱动的变桨距双馈式变速恒频风电机组、无齿轮箱直驱永磁风电机组和单级齿轮驱动的永磁半直驱风电机组。

2 两类变速恒频风电机组典型接线方式

按照风电机组传动链的结构的区分，可以分为具有齿轮箱驱动和无齿轮箱的直接驱动传动两种基本方式。

2.1 双馈异步全驱式机组

该方案采用的发电机为转子双馈发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过变频器供以频率、幅值相位和相序都可改变的三相低频励磁电流。交流励磁变速恒频发电是在DFIG的转子中施加转差频率的电流进行励磁，调节励磁电流的幅值、频率、相位，实现定子与电网电压同期并网输出的。

2.2 无齿轮箱型永磁直驱式机组

图1永磁直驱风电机组主要包括变桨距式风力机、永磁同步发电机、背靠背式全功率变流器以及控制系统四部分。其中，变流器系统硬件部分又分为发电机机侧变流器、直流环节和电网侧变流器。PSMG经过背靠背式全功率变流器系统接入电网，通过对变流器的控制来实现风电机组的变速运行，并且可以调节机组的功率因数。

图1永磁直驱同步风力发电系统原理图

3 两类变速恒频风电机组控制策略研究热点

3.1 变桨距控制技术

目前变桨距机构有两种：一种是液压变桨距执行机构；另一种是电动变桨距执行机构。最常用的方法是用PID控制来调节发电机转速。但是，采用PID控制有时会出现超调现象，使得变桨距机构往复动作，加大了变桨距机构的疲劳度。多变量控制策略相对与转速控制、功率控制，多变量控制系统避免了风速高频波动和风速测量误差对系统的影响。而模糊自适应整定PID控制理论，把发电机的转速测量值作为输入信号，与发电机的最大转速比较后得出误差信号输入模糊自适应PID控制器，根据模糊规则产生桨距角参考值，再与实际的桨距角比较，桨距角误差信号输入到桨距角控制系统的伺服机构。

3.2 电力电子变频技术

现在成熟机组中，双馈型风电机组变流器2个PWM变流器的功能各不相同：网侧PWM变流器的作用是保证变频电源良好的输入特性和确保直流母线电压稳定，以构成2个PWM变流器解耦工作条件。转子侧PWM变流器主要实现对DFIG的有功、无功功率独立调节，以利于发电机侧实施最大风能追踪所需的机组转速控制。通过分析，风速低时PWM逆变器输入电压低，须提高调制深度，将导致逆变器运行效率低，开关利用率低，峰值电流高，损耗大等缺点。而不可控整流后接直流侧电压变化PWM电压源型逆变，通过增加一级升压电路将直流输入电压等级提高，具有逆变效果好，谐波含量低，经济性好等优点，适合于大功率直驱系统。

3.3 低电压穿越技术

针对我国风电在电网中的比重不断提高，国家电网公司于2009年2月颁发的《国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）》中明确规定：

（1）风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；

（2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。

当发电机连接的电力系统发生三相对地短路故障时，电机的定、转子中会出现暂态浪涌电流，其幅值可达到额定电流值的2～3倍。基于全功率背靠背PWM变流器的永磁直驱风电机组在电网故障前后的控制策略为：故障前，网侧变流器实现交流侧正弦电流输出，直流侧电压稳定；转子侧变流器实现有功、无功解耦控制；故障后，网侧变流器运行在STATCOM模式，依据电网电压跌落的深度来判断变流器发出无功电流的量值，提供动态电压控制，帮助电网电压恢复正常。

3.4 谐波分析及控制技术

目前由于三相PWM变流器采用的开关频率较低，导致输出电流含有较大的电流谐波。所以需要在网侧变流器串入滤波器以阻止开关频率纹波电流流入电网。常规的滤波器主要是T型滤波器。试验结果表明简化T型滤波器的双馈风电机组母线电压在控制平稳，减小了主接触器闭合时受到的电流冲击，有效阻止变流器的纹波电流流入电网，且成本低。

为了抑制电流不平衡问题，通过选用独立的六脉波电路串联，同时在网侧变流器中采用以电流错位原理为基础的电流谐波注入技术。研究表明，谐波注入电路功率仅为整个电路功率的2%，此外，机侧通过六相不可控整流，有效抑制电机侧的谐波转矩脉动；采用多重化并联技术，提高了系统容量，减少了谐波输出；中间斩波升压采用三重斩波升压，起到了稳压和升压作用；逆变部分采用两重逆变策略，有效减少输出谐波。

3.5 新型风电机组制造技术

早期单级齿轮型混合驱动式机组是定桨距失速调节型异步发电机，是目前国产成熟的机型之一，这种机型桨叶与轮毂的连接是固定的，特点是结构简单，可靠性高。功率峰值和动态载荷在高风速时较小。

新近发展的直驱永磁同步电机，属于无齿轮箱传动系统。与双馈风电机组比较，由于省去了齿轮箱传动链，采用永磁、无附加电励磁，提高了机组效率，获得高可靠性等优越性。随着直驱永磁风电机组的体积愈来愈大，价格愈来愈昂贵，同时在安装和运输上，愈来愈困难。所以，结合行星齿轮的发展，出现采用单级行星齿轮传动与中低速永磁发电机的结合，即出现半驱风电机组。

4 我国变速恒频风电机组技术发展展望

（1）针对风能波动性大，随机性强的特点，风电场电压波动受到严格控制。由于电力电子变流器的应用，抑制谐波污染也是目前的研究热点。

（2）相对永磁直驱机组控制技术基本实现国产化，为实现双馈式变速恒频机型控制技术自主知识产权，需要加大力度对其进行理论研究，以及先进技术的消化吸收。

（3）目前一些研究院所和高校的研究水平已远远走到国产制造业的前面，亟待采取措施加快研究成果产业化的转化步伐。