1 引言
可再生的绿色新能源开发是世界和我国最重要和急需解决的任务之一，风力发电是其中最接近实用和推广的一种，己引起人们极大关注。风力发电涉及空气动力力学、机械、电机和控制诸多技术领域，本文简单介绍它的电气控制部分。
本文在介绍控制之前，先简单说明控制对象的特性—风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系，作为控制策略制定的基础。随后介绍现有的两大类发电方法:恒速发电(刚性发电)和变速发电(弹性发电)的特点及应用场合。变速发电又有两类:基于同步发电机的“直接在线”发电和基于绕线异步机(双馈电机)的“双馈”发电，它们的主电路及控制系统在第4节中讨论。除电机控制系统外，还需要一套桨叶倾角控制，它将在第5节介绍。最后介绍一种新型风力发电机组—锥形转子机组(柔性发电)的设想，据估计可以节省约30%投资。
2 风力涡轮机特性
风力发电机组输出给电网的是电功率，在制定控制策略前，需要知道原动机功率与什么有关。风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。
在桨叶倾角β固定为最小值条件下，输出功率p/pn与涡轮机转速n/nn的关系示于图1。从图1中看中，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应的转速越高。如果能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
图1 p/pn=f(n/nn)
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角β有关，关系曲线示于图2，图中横坐标为桨叶尖速度比λ，纵坐标为输出功率系数c p。
λ＝ωm r／v (1)
式中:ωm是涡轮机角速度，r是桨叶半径，ωmr是桨叶尖线速度，v是风速。
图2 c p=f(λ)
在图2中，每个倾角对应一条c p=f(λ)曲线，倾角β越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段(若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，λ加大，c p减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点)，它是工作区段。在工作区段中，倾角β越大，λ和c p越小。
3 恒速发电和变速发电
现在使用的风力发电技术有两大类:恒速发电和变速发电。
(1) 恒速发电
恒速发电采用笼形异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于图3。
图3 恒速发电系统和笼形电机的机械特性
发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率s和转矩te变负，电机工作于发电状态。由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小(s<5%)，风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。随风速变化，通过调整桨叶倾角(pitch angle)β来控制输出功率和转速。
恒速发电的特点:
电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作。
由图1知，由于转速不变，涡轮机只能在某一风速下工作于最大出力点，风速变化时，将偏离最大点，降低发电效率。
转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏。
强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。
综合上述特点，恒速发电适合用于小功率，通常不大于600kw。
(2) 变速发电
变速发电采用同步发电机或双馈发电机(绕线异步机)，风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频(50hz)、恒压电网发电。通常转速在±33%范围内变化，风速小时调转速，强风来时调桨叶倾角β。
由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得如下好处:
在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力10%。
强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中(风力发电机组机械惯量很大)，减小电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，所以又称“弹性”风力发电。
由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量。
风速小时调转速，倾角维持最小值不变，倾角控制器不工作。在强风来时倾角控制器才工作，且响应可以减缓，动作次数减少，机构寿命延长。
综合上述特点，变速发电适合用于大功率，通常大于1000kw。
4 两种变速发电系统
有两种变速发电系统:采用同步发电机的直接在线系统和采用双馈电机(绕线异步机)的双馈系统。
(1) 同步发电机的直接在线系统
直接在线系统示于图4，同步电动机输出的频率和电压随转速变化的交流电，经一台单象限igbt电压型交-直-交变频器接至恒压、恒频(50hz)电网。
本文关键字：发电机组 设计参考，变频技术 - 设计参考
