论文部分内容阅读
【摘要】近年来变速恒频风力发电技术发展迅速，特别是双馈电机变速恒频发电机组已经商品化。还有很大差距。我国风力发电技术研究应着力于系统整体设计、发电机本体设计、变速恒频控制策略、风电并网的系统稳定性等方面的研究，着力于技术的实用化、市场化。本文对变速恒频风力发点自动控制系统进行系统的介绍，重点介绍该系统的工作原理和工作基本步骤，以及其自动捕风过程的实现。
【关键词】变速恒频风力发电自动控制
在当前环境问题下，能源短缺，环境污染严重，这要的环境情况不符合我国可持续发展的战略要求。在我国电力事业不断发展和人们大众的生活对电力需求不断增长的严峻形势下，对环境造成的不可逆转的影响，不断激励我们大力发展清洁能源。太阳能、风能、地热能等作为取用无穷，用之不竭的可再生能源已经被广泛用于各行各业。我国风力资源丰富，并且风力资源属于清洁能源和可再生能源，若发展风力来发电，对我国未来环境的发展具有不可磨灭的战略意义，并且风能发电已经成为全世界公共关注的话题。
风力发电已经逐步走进我们的生活，经过发展，风力发电机组容量不断增大，那么如何有效的提高发电机组运行效率迫在眉睫。通过我们的努力已经发现，变速恒频已经成为提高此项技术的重要方法。根据各种数据统计，全世界范围内已经有多个国家开始进行此项技术的电力发展。
1风力发电发展的概述
风的形成，是由于太阳光芒辐射到地球表面，给地表造成了不同的温度差，从而形成了风。石化燃料的使用和石化能源的日益减少，风能逐渐引起了人们的重视。根据研究数据统计，全球风能的总量约为三亿兆瓦，其中占总量百分之一的风能使可以加以利用的。但是，这个数字相比较于水力发电是非常巨大的储存能量。我国风力资源尤其丰富，可以利用风能资源大约在2.5亿千瓦左右。通过上文表述，不难看出风能作为清洁能源已经越来越受到国际的认可和过国家的关注，同时，建立在风能发电上的各种研究也已经相继开展。
2变速恒频风力发电
2.1 变频器-异步发电机变速恒频风力发电系统
这种系统的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，带动风力机以及转子的转速也随之变化，所以发电机发出的电能的频率也是变化的。因此，在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案实现了变速恒频，具有了变速运行范围宽的优点，适用于风速变化较大的环境，而且维护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵。
2.2 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统
由绕线式双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的。双馈电動机调速系统流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，且可以双向流动。另外风力机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响。目前这种模式的变速恒频风力发电系统已成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然发展趋势。我厂的风电机组也都采用这种模式。
2.3 无刷双馈变速恒频风力发电系统
无刷双馈发电机定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，外接变频器。转子为鼠笼型或磁阻式结构，且转子极对数为定子两个绕组极对数之和。无刷双馈变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为发电机总功率的一小部分，因此控制绕组外接变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，从而大大降低了变频器的体积和重量。
2.4 直驱型永磁同步发电机变速恒频风力发电系统
该系统采用永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机频率变化的交流电通过交直交并网变流器转变为电网同频的交流电，因此变流器容量与系统额定容量相同，可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。
3变速恒频风力发电自动控制系统的设计
变速恒频风力发电自动控制系统的设计要求主要在于变速恒频，内容如下：
（1）、变速恒频风力发电系统的优势；
（2）、变速恒频风力发电系统的设计原理以及结构；
（一）、VSCF风电技术的优势
风电技术可以分为CSCF技术和VSCF技术。也就是恒速恒频技术和变速恒频技术。两者相比较而言后者更具有良好的发展前景和优势，换言之，VSCF技术更适用于进行风力发电。其优势可以总结为以下几个方面。
（1）、VSCF风电技术可以根据风俗的大小，对风力机的转速进行适当的调节。风力具有不稳定伊苏，那么如何能够保证风力机最大效率的利用风能，可以依据VSCF风电技术实现。
（2）、VSCF风电技术更容易与电网相耦合，能够在一定程度上减少相应技术手段带来的相应麻烦。
（二）、变速恒频系统的发电原理
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。无论风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。
（三）、风力机“自动捕风”的分析及研究
风力发电系统的原动机是风力机，风力机的工作主要是能量转换，通过扇叶将风能转化机械能，然后将机械能传递给发电机，进而使得机械能转换为电能。其中一个关键问题在于风力机要能够自动适应并符合风的各种变化，风力机能够适应风的变化将针剂影响到整个电力系统的运行。根据固定公式的分析可以了解到只有相对的提高风力机的利用率才能更加有效的提高风力机的工作效率。
VSCF风电技术的根本原理在于能够自动追寻最大风能，这也是其自动控制的基本思想。不要在人或者有人干预下进行操作生产，实现完全智能自动化。同时，要实现最大风能的追踪，就要计算出交流励磁发电机的参考输出有功功率，根据各项数据以及公式的计算准则推断来实现。
4结语
我国风能资源丰富，适合进行风力发电，我国虽然各种石化资源储量丰富，但是伴随着石化能源的开采与利用，其储量也日益减少，在全世界范围来说，石化能源储量也不断降低。风能是继石化能源之后的又一能被人们广泛采用的能源之一，用其来发展电力事业，不但保护环境节约能源，更加符合我国环境可持续发展的战略方针。本文围绕风能的各项基本优势以及变速恒频风力发电技术为中心，对变速恒频风力发电自动控制系统的设计进行了系统分析。风力的使用对社会的发展和进步都具有重要现实意义。
【关键词】变速恒频风力发电自动控制
在当前环境问题下，能源短缺，环境污染严重，这要的环境情况不符合我国可持续发展的战略要求。在我国电力事业不断发展和人们大众的生活对电力需求不断增长的严峻形势下，对环境造成的不可逆转的影响，不断激励我们大力发展清洁能源。太阳能、风能、地热能等作为取用无穷，用之不竭的可再生能源已经被广泛用于各行各业。我国风力资源丰富，并且风力资源属于清洁能源和可再生能源，若发展风力来发电，对我国未来环境的发展具有不可磨灭的战略意义，并且风能发电已经成为全世界公共关注的话题。
风力发电已经逐步走进我们的生活，经过发展，风力发电机组容量不断增大，那么如何有效的提高发电机组运行效率迫在眉睫。通过我们的努力已经发现，变速恒频已经成为提高此项技术的重要方法。根据各种数据统计，全世界范围内已经有多个国家开始进行此项技术的电力发展。
1风力发电发展的概述
风的形成，是由于太阳光芒辐射到地球表面，给地表造成了不同的温度差，从而形成了风。石化燃料的使用和石化能源的日益减少，风能逐渐引起了人们的重视。根据研究数据统计，全球风能的总量约为三亿兆瓦，其中占总量百分之一的风能使可以加以利用的。但是，这个数字相比较于水力发电是非常巨大的储存能量。我国风力资源尤其丰富，可以利用风能资源大约在2.5亿千瓦左右。通过上文表述，不难看出风能作为清洁能源已经越来越受到国际的认可和过国家的关注，同时，建立在风能发电上的各种研究也已经相继开展。
2变速恒频风力发电
2.1 变频器-异步发电机变速恒频风力发电系统
这种系统的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，带动风力机以及转子的转速也随之变化，所以发电机发出的电能的频率也是变化的。因此，在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案实现了变速恒频，具有了变速运行范围宽的优点，适用于风速变化较大的环境，而且维护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵。
2.2 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统
由绕线式双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的。双馈电動机调速系统流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，且可以双向流动。另外风力机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响。目前这种模式的变速恒频风力发电系统已成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然发展趋势。我厂的风电机组也都采用这种模式。
2.3 无刷双馈变速恒频风力发电系统
无刷双馈发电机定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，外接变频器。转子为鼠笼型或磁阻式结构，且转子极对数为定子两个绕组极对数之和。无刷双馈变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为发电机总功率的一小部分，因此控制绕组外接变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，从而大大降低了变频器的体积和重量。
2.4 直驱型永磁同步发电机变速恒频风力发电系统
该系统采用永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机频率变化的交流电通过交直交并网变流器转变为电网同频的交流电，因此变流器容量与系统额定容量相同，可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。
3变速恒频风力发电自动控制系统的设计
变速恒频风力发电自动控制系统的设计要求主要在于变速恒频，内容如下：
（1）、变速恒频风力发电系统的优势；
（2）、变速恒频风力发电系统的设计原理以及结构；
（一）、VSCF风电技术的优势
风电技术可以分为CSCF技术和VSCF技术。也就是恒速恒频技术和变速恒频技术。两者相比较而言后者更具有良好的发展前景和优势，换言之，VSCF技术更适用于进行风力发电。其优势可以总结为以下几个方面。
（1）、VSCF风电技术可以根据风俗的大小，对风力机的转速进行适当的调节。风力具有不稳定伊苏，那么如何能够保证风力机最大效率的利用风能，可以依据VSCF风电技术实现。
（2）、VSCF风电技术更容易与电网相耦合，能够在一定程度上减少相应技术手段带来的相应麻烦。
（二）、变速恒频系统的发电原理
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。无论风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。
（三）、风力机“自动捕风”的分析及研究
风力发电系统的原动机是风力机，风力机的工作主要是能量转换，通过扇叶将风能转化机械能，然后将机械能传递给发电机，进而使得机械能转换为电能。其中一个关键问题在于风力机要能够自动适应并符合风的各种变化，风力机能够适应风的变化将针剂影响到整个电力系统的运行。根据固定公式的分析可以了解到只有相对的提高风力机的利用率才能更加有效的提高风力机的工作效率。
VSCF风电技术的根本原理在于能够自动追寻最大风能，这也是其自动控制的基本思想。不要在人或者有人干预下进行操作生产，实现完全智能自动化。同时，要实现最大风能的追踪，就要计算出交流励磁发电机的参考输出有功功率，根据各项数据以及公式的计算准则推断来实现。
4结语
我国风能资源丰富，适合进行风力发电，我国虽然各种石化资源储量丰富，但是伴随着石化能源的开采与利用，其储量也日益减少，在全世界范围来说，石化能源储量也不断降低。风能是继石化能源之后的又一能被人们广泛采用的能源之一，用其来发展电力事业，不但保护环境节约能源，更加符合我国环境可持续发展的战略方针。本文围绕风能的各项基本优势以及变速恒频风力发电技术为中心，对变速恒频风力发电自动控制系统的设计进行了系统分析。风力的使用对社会的发展和进步都具有重要现实意义。