1 引言
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一種利用風(fēng)能驅(qū)動風(fēng)機漿葉。進(jìn)而帶動發(fā)電機組發(fā)電的能源技術(shù)。由于風(fēng)能儲量豐富、用之不竭、無污染等特點，被各國廣泛重視，紛紛投入大量的人力物力財力來發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。第一次世界大戰(zhàn)后，丹麥?zhǔn)组_先河，制造了仿螺旋槳高速風(fēng)力發(fā)電機組。隨后美國、法國、前西德等國先后制造出了風(fēng)力發(fā)電機組并投入運行。前西德在風(fēng)機槳葉制造上首次使用了質(zhì)地輕、強度高的復(fù)合材料。到20世紀(jì)60年代，由于石油廉價和內(nèi)燃機的廣泛運用，風(fēng)力發(fā)電成本高的問題顯得突出，和以內(nèi)燃機為動力的發(fā)電技術(shù)相比失去競爭力，發(fā)展幾近停止。但1973年全世界的石油危機以及燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重新受到重視。風(fēng)力發(fā)電又進(jìn)入迅速發(fā)展階段。先后有美國研制的1000kw大型風(fēng)力發(fā)電機、前西德的3000kw大型風(fēng)力發(fā)電機、英國加拿大的3800kw大型風(fēng)力發(fā)電機投入運行，自動控制技術(shù)日益成熟，并形成了能并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機群(見圖1)。2002年，世界各國風(fēng)電裝機總量達(dá)到近40000mw，并且每年增長率達(dá)20％，發(fā)展勢頭強勁。我國現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。2002年底，我國風(fēng)力發(fā)電裝機容量達(dá)473mw，遍布新疆、內(nèi)蒙古、廣東、遼寧、浙江等地^[1]。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機群

最近世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展取得很大進(jìn)步，主要表現(xiàn)為以下幾點：
（1）風(fēng)力發(fā)電機單機容量穩(wěn)步變大?，F(xiàn)在單機容量已達(dá)到兆瓦級；
（2）變槳距調(diào)節(jié)成為氣動功率調(diào)節(jié)的主流方式。目前，絕大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機采用這種技術(shù)；
（3）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)迅速取代恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)能利用更加有效；
（4）無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)市場份額增長迅速。這主要是由于沒有齒輪箱系統(tǒng)效率顯著提高^[2]。

2 風(fēng)力發(fā)電機的氣動功率調(diào)節(jié)方式
氣動功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機組在超過額定風(fēng)速以后，由于槳葉、塔架等的機械強度、發(fā)電機變頻器等的容量限制，必須降低風(fēng)機吸收功率，使其在接近額定功率下運行，同時減少槳葉承受的載荷沖擊，使其不致受到損壞。功率調(diào)節(jié)方式主要有三種。
（1）定槳距失速調(diào)節(jié)
這種調(diào)節(jié)方式下，槳葉與輪轂剛性聯(lián)接，槳距角度保持不變。隨著風(fēng)速增加，攻角增大，分離區(qū)形成大的渦流，流動失去翼型效應(yīng)，上下翼面壓力差減少，阻力增加，升力減少，造成失速，從而限制功率增加。整機結(jié)構(gòu)簡單、部件少、安全系數(shù)較高，但翼型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，機組額定功率增加后，葉片加長，承受推力大，對其剛度是嚴(yán)峻考驗。因此不太適合于大型機組。
（2）變槳距調(diào)節(jié)
這種調(diào)節(jié)方式下，風(fēng)機槳葉的安裝隨風(fēng)速變化。高于額定功率時，槳距角向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動適當(dāng)角度，相當(dāng)于減小功角。在陣風(fēng)時，受到的沖擊比定槳距小得多，可減少材料使用，降低總機重量，但需要有一套比較復(fù)雜的變槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，并要求對陣風(fēng)的響應(yīng)速度要快，以利于減輕由于風(fēng)速波動而引起的功率波動。
（3）主動失速調(diào)節(jié)
它是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時采用定槳距調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的起動功率；當(dāng)風(fēng)速更高時，在風(fēng)機達(dá)到額定功率后，采用變槳距調(diào)節(jié)，限制風(fēng)能吸收。二者取長補短，調(diào)節(jié)機構(gòu)不再需要很高的調(diào)節(jié)速度。

3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的幾種形式
在風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)力發(fā)電頻率與電網(wǎng)頻率一致。由于變速變頻發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電頻率隨風(fēng)速而變，不能和電網(wǎng)頻率始終保持一致，不能實用。但如果允許風(fēng)力發(fā)電機在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)做變速運行，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的?；谏鲜隹紤]，發(fā)展了變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。近年來，研究較多的交流電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有以下四種形式。
3.1 同步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)
同步電機是自勵磁電機，機電轉(zhuǎn)換效率高，容易做成多極數(shù)低轉(zhuǎn)速型，因而可以采用風(fēng)機直接驅(qū)動，省去增速齒輪箱。系統(tǒng)成本低，可靠性高。同步發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。如果能控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小，還可控制發(fā)電機的功率因數(shù)。當(dāng)采用永磁轉(zhuǎn)子時，電極極距可以很小，因而可以大大減小多極數(shù)低轉(zhuǎn)速電機的徑向尺寸，但發(fā)電機的電壓和功率因數(shù)就比較難控制了。此外，發(fā)電機的全部功率經(jīng)由變頻器輸送到電網(wǎng)，變頻器容量很大，至少要達(dá)到發(fā)電機額定功率的1.5倍，這是其不利的一面。但也有人在研究永磁發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤控制方法^[3]。

圖2 同步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 籠型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)
籠型異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于維護(hù)，適應(yīng)惡劣環(huán)境，因而在風(fēng)力發(fā)電中廣泛應(yīng)用?；\型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)如圖3所示。其定子繞組通過變頻器和電網(wǎng)相連，通過控制器控制在變化的風(fēng)速下輸出恒頻交流電。同樣由于變頻器要通過全部發(fā)電功率，容量要達(dá)到發(fā)電功率的1.3～1.5被才能安全運行。因此系統(tǒng)龐大，只適用于小容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 籠型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 雙饋電機變速恒頻系統(tǒng)
如果發(fā)電機采用轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機時，就有了雙饋電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙饋電機變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子速度隨風(fēng)速變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f_r，即f₁=f_r±f₂就可使定子頻率始終與電網(wǎng)頻率保持一致。由于變頻器在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需要一部分功率容量（發(fā)電界定功率的1/4），變頻器就能在超載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此相對于前兩種變速恒頻系統(tǒng)而言，降低了變頻器的成本和控制難度，定子直接接于電網(wǎng)，抗干擾性好，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，還可以靈活控制有功無功，十分適用于大中容量風(fēng)力發(fā)電。為了克服此系統(tǒng)無法實現(xiàn)弱磁，美國thoms.a.lipo提出雙變頻器的雙饋電機變速恒頻系統(tǒng)，雙饋電機可長期運行于超同步模式。
3.4 無刷雙饋異步電機變速恒頻系統(tǒng)
無刷雙饋電機沒有滑環(huán)和電刷，克服了雙饋電機有刷和滑環(huán)等機械部件的缺點，且能低速運行，因而受到廣泛關(guān)注。應(yīng)用無刷雙饋電機的變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無刷雙饋異步電機變速恒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該電機由兩臺繞線式異步電機背靠背而成。兩個轉(zhuǎn)子同軸連接，轉(zhuǎn)子繞組在電氣上直接相連，沒有滑環(huán)和碳刷；一個定子繞組向外輸出功率，另一個定子繞組為勵磁繞組，由變頻器供電。設(shè)功率繞組（接于電網(wǎng)）的頻率為fp，勵磁繞組頻率為fc，相應(yīng)的兩定子繞組極對數(shù)為p_p和p_c，則運行后有如下關(guān)系：
n_r=60×(f_p±f_c)/(p_p+p_c)
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr發(fā)生變化時，通過改變勵磁電流頻率f_c，即可使發(fā)電機輸出頻率f_p不變，實現(xiàn)變速恒頻控制?，F(xiàn)在已有改進(jìn)型應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中。

4 幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較及最近發(fā)展趨勢
上述幾種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，籠型異步發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)和同步發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)所采用的變頻器容量是發(fā)電界定功率的1.5倍左右，而雙饋電機變速恒頻系統(tǒng)和無刷雙饋異步電機變速恒頻系統(tǒng)所采用的變頻器的容量只需要發(fā)電界定功率的1/4，變頻器小，控制難度降低，適用于大中型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。另外還可以看出，籠型異步風(fēng)力發(fā)電和無刷雙饋異步電機變速恒頻系統(tǒng)沒有碳刷和滑環(huán)，堅固耐用，可靠性高。
變速恒頻技術(shù)覆蓋了風(fēng)力發(fā)電機的全部功率范圍，因而成為今后風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向?，F(xiàn)在應(yīng)用比較成熟的是雙饋電機變速恒頻發(fā)電技術(shù)。大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大部分采用這種技術(shù)。有眾多學(xué)者研究人員研究改善這種方式下的變頻器及系統(tǒng)控制策略，使系統(tǒng)性能發(fā)電效率逐步提高。例如有基于最大功率跟蹤控制策略^[4][5]、基于電網(wǎng)無功功率優(yōu)化控制策略^[6]；還有的控制策略力圖在低風(fēng)速時按最大功率跟蹤控制，在高風(fēng)速時按恒功率控制^[7]。
無刷雙饋電機由于沒有碳刷滑環(huán)等易磨損機械部件，能低速運行，控制勵磁繞組的變頻器容量小，成為熱點之一。但目前該型電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，效率較低。許多專家致力于該型電極的改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，提高效率。相信不久的將來，無刷雙饋電機可應(yīng)用到大中型風(fēng)力發(fā)電中去。
另外一個值得注意的研究方向是永磁同步發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)。但永磁電機在過冷過熱以及強烈震動時會退磁，尤其是在電機過載時過熱時將造成不可逆的退磁，因此在永磁同步發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)中保證發(fā)電機不過載是難點之一。為了克服這個缺陷，在文獻(xiàn)[8]中提到混合勵磁同步電機。它采用永磁和電勵磁兩種勵磁方式相結(jié)合的形式，集成了電勵磁同步電機調(diào)磁方便且調(diào)磁容量小和永磁同步電機效率高、轉(zhuǎn)矩／質(zhì)量比大等優(yōu)點，同時又克服了永磁同步電機磁場調(diào)節(jié)難的缺陷，有較大的應(yīng)用前景。但大型的混合勵磁同步電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，還有待于進(jìn)一步改進(jìn)提高。

5 結(jié)束語
近年來變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，特別是雙饋電機變速恒頻發(fā)電機組已經(jīng)商品化。nordex、vestas等公司已研制出2.5mw變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組，并投入運行。而我國在這方面還處于應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，還有很大差距。我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)著力于系統(tǒng)整體設(shè)計、發(fā)電機本體設(shè)計、變速恒頻控制策略、風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究，著力于技術(shù)的實用化、市場化。相信通過廣大科技工作者和工程技術(shù)人員的共同努力下，我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)一定能夠迎來更加美好的明天。

作者簡介
王瑞艦（1956-） 男 工程師，現(xiàn)主要從事風(fēng)力發(fā)電變流器技術(shù)以及風(fēng)電場用的高壓動態(tài)無功補償成套設(shè)備的研究。

參考文獻(xiàn)
[1] 姚興佳,王世榮,董麗萍. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[j]. 可再生能源,2006(1)．
[2] 李亞西,武鑫,趙斌等. 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢[j]. 太陽能,2004(1)．
[3] esmaili.r. xu, l. nichols.d. k.. a new control bbbbbb of permanent magnet generator for maximum power tracking in wind turbine application[j]. ieee power engineering society general meeting,2005,vol 3:2090-2095．
[4] yeh, t.h. wang, l.. selection of wind generator capacity for capturing maximum wind energy in wind power generation systems[j]. power and energy systems - iasted international conference,2005,conf 8:137-142．
[5] 劉其輝,賀益康,趙仁德. 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制[j]. 電力系統(tǒng)自動化,2003,27(20)．
[6] 李晶,李建林,許洪華. 基于配電網(wǎng)無功優(yōu)化的變速恒頻雙饋風(fēng)電機群控制策略[j]. 電網(wǎng)技術(shù),2006,30(15)．
[7] 李晶,方勇,宋家驊等. 變速恒頻雙饋風(fēng)電機組分段分層控制策略的研究[j]. 電網(wǎng)技術(shù),2005,29(09)．
[8] 趙朝會,秦海鴻,嚴(yán)仰光. 混合勵磁同步電機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[j]. 電機與控制學(xué)報,2006(2)．
[9] ch0. rabelo, b. hofmann.w. power flow optimisation and grid integration of wind turbines with the doubly-fed induction generator[j]. ieee power electronics specialists conference36,2005,vol3:2930-2936．
[10]sakamoto, r. senjyu, t. kinjo, t. urasaki, n. funabashi. t. output power leveling of wind turbine generator by pitch angle control using adaptive control bbbbbb[j]. international conference on power system technology,2004,vol1:834-839．