变速恒频风力发电系统应用技术研究

第27卷 第2期

2020年2月仪器仪表用户INSTRUMENTATION Vol.272020 No.2

变速恒频风力发电系统应用技术研究

叶洪海1，罗 宾2，包 宇1

（1.佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；

2.西南石油大学 机电工程学院，成都 610000）

摘 要：随着人类对能源可持续发展问题的日益重视，风能的利用正变得越来越重要。因此，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

中图分类号：TM61 文献标志码：A

Research on Application Technology of Variable Speed Constant

Frequency Wind Power Generation System

Ye Honghai1，Luo Bin2，Bao Yu1

（1. College of Information Science & Electronic Technique JIAMUSI UNIVERSITY,Heilongjiang,Jiamusi,154007,China；2.School of Mechanical Engineering Southwest Petroleum University,Chengdu,610000,China）

Abstract：With the increasing attention of the sustainable development of energy, the utilization of wind energy is becoming more and more important. Therefore, the research on the key application technology of wind power generation has become the focus of wind power generation research at home and abroad. Based on the contrast between the constant speed constant frequency system and variable speed constant frequency system, the paper concludes that the variable speed constant frequency earns the advantage in the wind power system. Furthermore, the research on the application of variable speed constant frequency system control technology is carried out , which consists of ac excitation doubly-fed motor, permanent magnet synchronous generator technology and the corresponding control strategy and so on. The results show that variable speed and constant frequency wind power generation technology has great advantages in both output power and operating efficiency.

Key words：wind power；control technology；variable speed constant frequency

收稿日期：2019-12-06基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521558）。作者简介：叶洪海（1977-），男，黑龙江集贤县人，硕士，讲师，研究方向：测控技术与仪器、电工电路。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2020.02.018

文章编号：1671-1041(2020)02-0067-03

随着科技不断进步，工业生产规模的不断扩大，人类

面临的能源枯竭问题日益严重，尤其是不可再生能源，如

石油、煤炭、天然气等存储量逐渐减少所导致的电力资源紧张和普通能源对环境污染影响巨大等原因。清洁、高效、

绿色环保的可再生能源开发就显得格外重要，如：太阳能、

风能等，已被世界各国高度重视，重点开发。其中，风能第27卷68 仪器仪表用户INSTRUMENTATION

图1 风能利用系数与叶尖速比的关系曲线Fig.1 Relationship between wind energy utilization coefficient and blade tip speed ratio图2 鼠笼型异步发电机变速恒频发电系统Fig.2 Squirrel-cage asynchronous generator variable-speed constant-frequency power generation system

是当前最具有大规模开发可能性和发展利用前景的可再生

能源[1]。风能主要的开发利用形式是风力发电，由于其优

势明显，利用其发电将会对电力结构的调整以及环境保护

产生明显的效果，缓解能源危机。

1 发电技术概况

目前，风力发电系统中应用最广泛的，常见的主要为

恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。结合风力发电过

程中发电机所体现的运行特征与相关控制技术，其发电机

运行方式主要分为两种：一种为独立运行的供电系统；另一

种为常规电网与风力电网并联并行，该种运行方式是大规

模利用风能发电最经济的一种方式[2]。

风力发电机电网并网运行时，需满足一定条件才可实

现恒频，即风力发电机的频率要时刻与电网运行时的频率

相同，不能发生误差，保持步调一致[3]。恒速恒频是指，

发电过程中发电机的转子转速要保持不变，即达到恒频。

而变速恒频与之相反，发电机的转速要随风速发生变化，

再通过其他的控制手段来达到恒定频率。风能与风速成一

定的比例关系即风能与风速三次方成正比[4]。当风速开始

变化时，如果风力机能够作变速运行，这样将大大提高风

能的利用效果。主要是风力机的风能利用系数CP，在某一

确定的风轮叶尖速比λ下将达到最大值，如图1所示。

然而恒速恒频发电系统效果将大打折扣，主要是因为

其风力机的转速始终保持在一个固定值上，风速不确定性

较大且不稳定、变化较大。此时，随着风速在不断改变，

风力机会偏离最合适的速度，导致CP不能达到最优值，造

成风力资源严重浪费，发电效率下降。

因此，为了能够在任何风速上都可以实现最大程度地

利用风能，需要按照风速来调节电机转速，即采用变速恒

频方式就可以避免这种情况发生。当风速发生变化时，实

时地调节发电机转速，使其始终保持在最佳的转速，让CP值保持或徘徊在最佳值附近，这样就能够最优地利用风

能，提高发电机组发电效率，进而优化和调节风力机的运

行条件。

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、水力等清洁

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[5]。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 变速恒频风力发电控制技术

随着科技进步，国内外关于变速恒频发电系统的研究

朝着多元化发展。其主要由变速恒频的发电机组来决定，

起到最重要作用的就是发电机和电力电子交流装置。基于

此，常见的两种系统如下：一种是交流转直流再转交流式

发电系统，另一种是交流励磁式变速恒频发电系统。

1）交流转直流再转交流式发电系统叶洪海·变速恒频风力发电系统应用技术研究第2期69

图3 交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统Fig.3 Variable-speed constant-frequency power generation system of AC excited doubly-fed generator

其结构如图2所示。该风力发电系统中，发电机和电

网之间经过变频器与变压器处理转换后，在此运行过程中

发电机的转速也会根据风速的变化而随之发生变化，产生

的交流电经过整流器，将交流电经过处理后变为直流电，

然后逆变器再次将直流电转换成固定频率的交流电，最后

将产生的电能传输到电网。该系统选用的电动机比较常见

的为鼠笼式异步发电机。

2）交流励磁式变速恒频发电系统

该系统结构如图3所示。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。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。满足以下关系式：

f1=pn fm+f2

其中，电网频率是f1；转子机械频率是fm；其中，fm=nm/60表达式表示发电机的机械转速；pn代表发电机的极

对数；f2代表转子电流频率。

如果发电机的转速nm产生变化时，即是pn*fm值改变

时，如果调整f2值，则可以达到f1保持不变的效果，进而

达到变速恒频控制。

3）变速恒频风力发电关键技术的优点

通过对上述两种发电机分析，变速恒频对风能的转化

利用率较高，且变速恒频风力发电机能够实现最大功率运

行。相较传统的恒速恒频风力发电机而言，年发电量将提

高20%，运行效率大幅提升，且使风力发电机运行时间延长，最终达到输出功率大、运行效率高的效果。变机电动