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变速恒频风力发电系统应用技术研究温海龙

发表时间：2020/10/13 来源：《基层建设》2020年第19期作者：温海龙

[导读] 摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风力发电系统有了很大进展。

        国电东北新能源发展有限公司
        摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风力发电系统有了很大进展。对风力发电关键应用技术的研究成为国内外风力发电研究的热点。首先，通过对恒速恒频和变速恒频两种系统技术对比，确定了变速恒频系统在风力发电中的优势地位，然后对变速恒频系统的应用控制技术进行了全面的分析和研究，主要包含交流励磁双馈电机、永磁同步发电机技术和相应的控制策略等。研究结果表明，变速恒频风力发电技术无论是在输出功率方面，还是在运行效率方面都有着巨大的优势。
        关键词：风力发电；控制技术；变速恒频
        引言
        随着社会的不断发展，对于电能需求量是越来越更多，为了更好的满足人们对于电能需求，加大了对风力发电开发。风力发电具有无污染和使用周期长的特点，可以更好的对环境进行保护。在风力发电中，电力发电机组安全运行在不断扩大，对于电能使用容量也是越来越大，通过变速恒频风力发电技术应用，可以更好的保证风力发电系统安全稳定运行，从而更好的促进我国风力发电的发展。
        1风力发电技术的发展现状
        随着社会的不断发展，对于风力发电越来越重视。风力发电很好的体现了人们对于自然资源有效利用，可以很好的通过机械能转化为电能。在全球范围内风能源有很大潜力，但是我国对于风能利用还处于发展阶段。级数比较大的风会对人们生活造成很大影响，如果通过先进技术可以对风能进行合理利用，可以更好的促进经济的发展。在我国风能的利用中，在改革开放之前就开始了对风能利用的研究，在现阶段我国西北地区在风能利用已经取得了很大进步。
        2变速恒频风力发电技术
        风能发电就是通过对风能合理地开发和最优化利用，进而实现发电目的。它的发电过程主要由两个能量转换过程构成：一是风能与机械能两者之间的转换过程；二是机械能与电能之间进行转换的过程。整个过程中，发电机占据主要地位，也是其核心部分。它的稳定和可靠对整个系统的性能起决定性作用，影响整体发电效率及输出的电能质量。变速恒频发电能够被大规模利用在风力、风力等清洁能源方面，结合风能的特点，即随机性、不确定性和不稳定性等。恒速恒频发电方式存在受限，因为其转速保持不变，但会随着风速的变化而受到影响。风速发生微弱变化就会使风能的利用效率下降，导致风能资源浪费。然而，通过变速恒频发电就能很好地避开这种缺陷，最大限度地利用风能，通过实时调节转速，始终保持在最佳转速，进而提高发电效率。在该发电系统中，由于随着风速的忽大忽小所产生的多余能量，都会被存储在机械运动的惯性过程中。这样有利于降低和缓解疲劳损坏及机械应力，能够有效地保护机组，降低对机组的损害。这样，不仅能达到对机组有功功率和无功功率的解耦控制的目的，还能有效促进机组的动静态性能；同时，还适用于机组和电网的柔性连接。这种运行方式，常常被应用在国外大型风力发电系统中，尤其是超过MW级的风电系统，应用的比较多。
        3变速恒频技术的难点与重点
        3.1故障检测与容错运行技术
        变速恒频发电机组控制系统复杂、过电流环节与电气设备较多，导致系统的故障因数比传统恒速发电系统更高。当机组部分环节出现故障时，及时的故障检测能够有效防止故障的进一步扩大，降低机组损失。此外，容错运行技术能使机组在故障状态继续运行，避免因为故障停机而影响到用户的电能需求以及电站的经济收益。因此，系统的故障检测与容错运行技术对于机组稳定运行十分重要。
        3.2交流励磁式变速恒频发电系统
        主要由3部分构成：控制电路、双向变换器和双馈感应发电机。

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其工作原理是将发电机的定子并到电网上，进而转子经过励磁变换器和进线电抗器连接到电网；再利用风能转化为机械能来驱动机械旋转，所生产的机械能可以转换到发动机的转子上，以此来驱动发动机的转子，最终将机械能转换为电能，利用定子绕组将电力传送到电网，完成发电过程。发电机转速随风速改变而改变。如果是由于风速引起的变化，则可通过调节转子进而达到对电流频率的改变，最终实现保持定子频率不发生改变。
        3.3机组优化调度技术
        风电站通常搭配多套发电机组以提高风能利用率，传统恒速机组往往通过调整导叶阀开度来调节输入功率，而高速低开度可能使得机组运行工况严重偏移最佳工况点，造成能源的严重损失。机组的优化调度技术使得变速机组能够通过合理配置众多变量（如开机数量、时间及顺序、导叶阀开度、机组转速等），从而实现电站效能的多目标优化（节约耗风、提高效率、调峰填谷等）。
        3.4变速恒频风力发电机系统
        在风力发电发展中，恒速恒频的发电系统的应用已经不能很好适应当前电力发展需要。在风力发电中，通过变速恒频风力发电系统应用，可以自动化对发电机转速进行调整，从而更好的保证风力发电系统高效运行。在现阶段，变速恒频风力发电系统有无刷双馈发电系统和交流励磁双馈发电系统。其中无刷双馈发电系统的定子有两套不同的绕组，其中一种绕组可以直接接通电网系统，另外一组是可以通过双向变频器连接电网系统。无刷双馈发电系统的转子是笼形结构，不用使用电刷和滑环，在系统运行中，可以利用磁场电流，根据转速变化而发生相应变化，从而实现变速恒频效果，保证风力发电系高效运行，满足人们的用电需要。
        4技术发展趋势及展望
        为进一步提高风力发电效率，不断降低成本，进一步改善电能质量，减少噪声，最终达到稳定可靠运行的效果，风力发电会逐步向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展，主要包括以下几方面：1）风力发电机逐步大型化。这样可以减少占地面积，实现并网成本费用降低，能够提高风能的利用效率。2）采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术能够为大型风力发电机控制提供相关技术保障，且能够减小风力发电机的体积、重量和成本，进而提高发电量，使风能利用率提高及电能质量改善。3）实现风力发电机直接驱动。直接驱动能够代替齿轮箱，可减少能量损失、降低发电成本和减小噪声，进而提高效率和可靠性。4）实现对风力发电机进行无刷化。选用无刷化，不仅可提高系统的运行可靠性，还能够达到免维护和提高发电效率的效果。5）实现智能化控制。通过采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，能够有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。6）实现磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。
        结语
        综上所述，在风力发电中，通过变速恒频技术应用，可以实现计算机自动化控制，能够根据风速变化来进行调节。从而更好的保证风力发电系统安全稳定运行。
        参考文献
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