大型风电场及风电机组的控制系统

    摘要：随着煤碳、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。而风力发电是可再生能源中最廉价、最有希望的能源，并且是一种不污染环境的“绿色能源”。目前国外数百千瓦级的大型风电机组已经商品化，兆瓦级的风力发电机组也即将商品化。
    
    1 前言 
    随着煤碳、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。而风力发电是可再生能源中最廉价、最有希望的能源，并且是一种不污染环境的“绿色能源”。目前国外数百千瓦级的大型风电机组已经商品化，兆瓦级的风力发电机组也即将商品化。全世界风电装机总容量已超过1000万千瓦，单位千瓦造价为1000美元，发电成本为5美分/千瓦时，已经具有与火力发电相竞争的能力。
    我国的风能资源丰富，理论储量为16亿kW，实际可利用2.5亿kW，有巨大的发展潜力。1995年初，国家计委、科委、经贸委联合发表了《中国新能源和可再生能源发展纲要（1996～2010）》。1996年3月，国家计委又制定了以国产化带动产业化的风电发展计划，即有名的“乘风计划”，为我国风力发电技术国产化指明了方向，创造了条件。同时，我国也是利用风能资源进行风力发电、风力提水较早的国家，到1996年底，我国小型风力发电机组保有量达15万台，年生产能力为3万台，均居世界首位。 
    2 风力发电机组的类型 
    2.1 恒速恒频与变速恒频
    在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速（也即发电机的转速）不变，从而得到恒频的电能。在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。
    2.2 两种类型机组的性能比较
    由于风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果允许风车做变速运动，则能达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机械能的效率可用输出功率系数CP来表示，CP在某一确定的风轮周速比λ（桨叶尖速度与风速之比）下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不变，而风速又经常在变化，显然CP不可能保持在最佳值。变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风车的转速可变，可以通过适当的控制，使风车的周速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能发电。
    2.3 恒速恒频机组的特点
    目前，在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机组。为了适应大小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电，同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能。
    2.4 变速恒频系统的实现
    可用于风力发电的变速恒频系统有多种:如交一直一交变频系统，交流励磁发电机系统，无刷双馈电机系统，开关磁阻发电机系统，磁场调制发电机系统，同步异步变速恒频发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的;有的则是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各有其特点，适用场合也不一样。为了充分利用不同风速时的风能，应该对各种变速恒频技术做深入的研究，尽快开发出实用的，适合于风力发电的变速恒频技术。 
    3　恒速恒频风电机组的控制