变速恒频风力发电系统控制方案分析

时间：2025-07-04

变速恒频风力发电系统控制方案分析

《》２００７年第２

期工程科技

变速恒频风力发电系统控制方案分析

倪

琳

２３０００９）

（合肥工业大学，安徽合肥

摘

要：为了最大限度地利用风能，风力发电系统应采用变速恒频控制策略，本文分别对鼠笼异步发电系统、双馈发电系统、

无刷双馈发电等系统的性能进行了分析和总结。

关键词：风力发电；变速恒频；控制策略中图分类号：ＴＫ８３：Ｘ９１３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－０５４７（２００７）０２－００６６－

０３

一、引言

随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大，不可再生能源（如石油、天然气、煤等）储藏量不断减少，电力资源紧张及常规能源对环境污染严重等原因，使洁净的可风能等）的开发得到世界各国的高度再生能源（如太阳能、

重视，其中风能是目前最具有大规模开发利用前景的能源。风力发电是风能的主要利用形式，风力发电对电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。

根据风力发电过程中发电机的运行特征和控制技术，风力发电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。风力发电机运行方式主要有两种：一种是独立运行的供电系统；另一种是作为常规电网的电源，与电网并联运行。并网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。当风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电机的频率与电网频率保持一致，即恒频。恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒定的频率；变速恒频是指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，通过其他控制方式来得到恒定的频率。

风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围内变化时，若允许风力机作变速运行，那么可以更好地利用风能。这是因为风力机的风能利用系数ＣＰ在某一确定的风轮叶尖速比λ下达到最大值，如图１所示。恒速恒频发电系统的风力机由于只能固定在某一转速上，而风能又具有随机性、爆发性和不稳定性，风速会经常变化，当风速发生变化时风力机必定偏离最佳速度，显然ＣＰ不可能保持在最佳值。这样将导致风力资源浪费、发电效率大大下降。

为了在各种风速下能实现最大风能捕获，需要根据风速来调节风力机的转速，采用变速恒频方式，在风速变化的情况下适时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速，

Ｃｐ达到或者接近最佳值，从而提高了机组的发电效率，优

化了风力机的运行条件。

二、变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，国外新建的大型风力发电系统大多数采用变速恒频方式，目前成为风力发电的发展方向。近年来世界上研究较多的变速恒频风力发电技术主要有以下几种：

１．鼠笼异步发电系统

系统如图２所示，采用的发电机为笼型转子，风力机通过变速箱拖动发电机的转子，而电机的定子绕组通过变频器和电网相连接。由于风速的不断变化，风力机及发电机的采用转子磁转速也随之变化，既电机发出来的电是变频的。

链定向的矢量控制以及网侧ＰＷＭ整流的方法把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，这样就实现变速恒频。由于其控制策略在定子侧实现，变频器的容量和发电机的容量之比大于１００％，使整个系统的成本、

图２

笼型异步发电机变速恒频系统

体积和重量显著增加（尤其对于大型风力发电系统）；而且由于变频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用，特别是在离网型风力发电系统中，目前多用于

１００ＫＷ以下的风力发电系统。