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摘要：在全球能源消耗不断增长和环境污染日趋严重的今天，风能作为一种绿色清洁的可再生能源，受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。变速恒频风力发电机组电气控制系统是整个风电系统的重要组成部分，对风力发电机组平稳可靠运行、高效利用风能起到非常作用。
关键词：变速恒频风力发电机组；电气控制系统；
风力发电的过程就是通过叶轮的旋转将自然风能通过发电机转换成可利用电能的过程，而风机及其控制系统是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率的控制系统和供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。
一、变速恒频发电技术的研究
恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，转动速度由发电机极数和齿轮箱决定。不论风速如何变化，保持风力机转速不变（通常为同步速），从而实现发电频率恒定。恒速恒频系统的主要缺点是：叶尖速比不能保持在最佳值，风能利用率和转换效率低，系统为刚性机电耦合，当风速发生突变时，风机的叶片将承受较大的扭应力和风力摩擦，为保持机械转速恒定，风能将通过叶片在风机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力，增加了这些部件的疲劳损坏程度，缩短了使用寿命，输出功率波动较大，难以保证恒功率输出。变速恒频发电是20世纪末逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入到发电控制技术中，成为一种全新的、高质量的电能获取方式。主要特点是：①风轮以变速运行，可以通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，进而实现风能最大转换效率；②可采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率；③当风速增加，使发电机的输出功率增加到额定功率附近时，变桨距系统将增大桨叶节距角，使发电机的输出功率维持在额定功率：④采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整机的受力状况大为改善。调速环节和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。变速系统与恒速系统相比，虽风电转换装置部分比较复杂和昂贵，但其成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。
二、变速恒频风力发电机组电气控制系统
1.无刷双馈型变速恒频系统。无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，其结构和运行原理与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三组绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁阻型的结构，取消了电刷和滑环，通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕组的连接方式及外加电源的频率、幅值和相位，可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。定子上装有两套不同的三相对称绕组，一套接至工频电源，称为功率绕组；一套接至变频电源，称为控制绕组；转子采用自行闭合的环路结构。无刷双馈电机与普通感应电机的区别在于无刷双馈电机在定子上有一套控制绕组，可以通过调节控制绕组的电流频率来改变转子的转速。与同步电机相比，无刷双馈电机励磁可调量有三个：一是与同步电机一样，可调节励磁电流的幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变电流的相位。通过人为地改变励磁频率，可调节无刷双馈电机的转速，达到调速的目的。
这样，在负荷变化时，迅速改变电机转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机轻，另外，通过改变转子电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。同步电机励磁的可调量只有一个，即电流的幅值，所以同步电机励磁一般只能对无功功率进行调节。与之不同的是，无刷双馈电机励磁除了可以调节电流幅值，亦可调节电流的相位，所以，无刷双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般说来，当电机吸收无功功率时，往往功率角变大，使电机稳定度下降。但无刷双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定度提高，从而多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，感应发电机却因从电网吸收无功的励磁电流，与电网并行运行后，造成电网的功率因数变坏。所以无刷双馈电机较同步电机和感应电机都有着更优越的运行性能。
2.永磁同步发电系统。永磁同步发电机通过全功率并网变换器（电机侧变换器和电网侧变换器）接入电网，不同的并网变换器拓扑结构使永磁同步风力发电机组具有不同的控制策略。有以下几种：极管不控整流接晶闸管逆变器。在这种并网拓扑结构下，永磁同步发电机输出频率和电压变化的交流电，经二极管整流至直流，再由晶闸管逆变器把直流电逆变为和电网匹配的交流电。这种并网拓扑方式的优点是并网变换器成本低，适合大容量风力发电机组应用，因此早期的风电机组并网多采用这种方式。二极管不控整流接PWM电压源型变换器。与晶闸管逆变器相比，PWM电压源型变换器开关频率的提高，使电网侧变换器对电网的谐波污染大大减少，并且PWM电压源型变换器具有灵活的有功功率和无功功率调节能力。同样是因为电机侧采用二极管不控整流，因此直流侧电压会随着发电机运行工况的不同而变化，过高或过低的直流侧电压对电网侧PWM电压源型变换器的控制不利。电机侧变换器两级结构接PWM电压源型变换器，直流侧加入升压环节，这样将变化的直流侧电压稳定在合理的范围，以解决PWM电压源型变换器直流侧电压较低时运行特性差的问题。由于电机侧变换器依然采用二极管不控整流，因此上述永磁同步发电机定子谐波、转矩脉动等问题依然存在。由于永磁同步发电机的电磁转矩电机侧的控制缺乏灵活性，机组整体运行特性受到一定限制。
三、控制技术
当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持恒定。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小。滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平面，实现误差跟踪和风能最大捕获；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。
结语
变速恒频发电系统可有效的利用能源，特别是在风能和潮汐能等变速场合。
文章在研究了风力发电系统相关理论与变速恒频风电机组运行原理的前提下，进行了电控系统基本功能与机组控制设计。
参考文献：
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