1 引言
風力發電技術是一種利用風能驅動風機漿葉。進而帶動發電機組發電的能源技術。由于風能儲量豐富、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展風力發電技術。第一次世界大戰后，丹麥首開先河，制造了仿螺旋槳高速風力發電機組。隨后美國、法國、前西德等國先后制造出了風力發電機組并投入運行。前西德在風機槳葉制造上首次使用了質地輕、強度高的復合材料。到20世紀60年代，由于石油廉價和內燃機的廣泛運用，風力發電成本高的問題顯得突出，和以內燃機為動力的發電技術相比失去競爭力，發展幾近停止。但1973年全世界的石油危機以及燃料發電帶來的環境污染問題，使得風力發電技術重新受到重視。風力發電又進入迅速發展階段。先后有美國研制的1000kw大型風力發電機、前西德的3000kw大型風力發電機、英國加拿大的3800kw大型風力發電機投入運行，自動控制技術日益成熟，并形成了能并網運行的風力發電機群(見圖1)。2002年，世界各國風電裝機總量達到近40000mw，并且每年增長率達20％，發展勢頭強勁。我國現代風力發電技術始于20世紀70年代。2002年底，我國風力發電裝機容量達473mw，遍布新疆、內蒙古、廣東、遼寧、浙江等地[1]。
圖1 風力發電機群
最近世界風力發電技術的發展取得很大進步，主要表現為以下幾點：
（1）風力發電機單機容量穩步變大?，F在單機容量已達到兆瓦級；
（2）變槳距調節成為氣動功率調節的主流方式。目前，絕大多數的風力發電機采用這種技術；
（3）變速恒頻發電系統迅速取代恒速恒頻發電系統，風能利用更加有效；
（4）無齒輪箱風力發電系統市場份額增長迅速。這主要是由于沒有齒輪箱系統效率顯著提高[2]。
2 風力發電機的氣動功率調節方式
氣動功率調節是風力發電的關鍵技術之一。風力發電機組在超過額定風速以后，由于槳葉、塔架等的機械強度、發電機變頻器等的容量限制，必須降低風機吸收功率，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。功率調節方式主要有三種。
（1）定槳距失速調節
這種調節方式下，槳葉與輪轂剛性聯接，槳距角度保持不變。隨著風速增加，攻角增大，分離區形成大的渦流，流動失去翼型效應，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。整機結構簡單、部件少、安全系數較高，但翼型結構復雜，制造困難，機組額定功率增加后，葉片加長，承受推力大，對其剛度是嚴峻考驗。因此不太適合于大型機組。
（2）變槳距調節
這種調節方式下，風機槳葉的安裝隨風速變化。高于額定功率時，槳距角向迎風面積減少的方向轉動適當角度，相當于減小功角。在陣風時，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雜的變槳距調節機構，并要求對陣風的響應速度要快，以利于減輕由于風速波動而引起的功率波動。
（3）主動失速調節
它是前兩種功率調節方式的組合。在低風速時采用定槳距調節，可達到更高的起動功率；當風速更高時，在風機達到額定功率后，采用變槳距調節，限制風能吸收。二者取長補短，調節機構不再需要很高的調節速度。
3 變速恒頻風力發電系統的幾種形式
在風力發電機與電網并網時，要求風力發電頻率與電網頻率一致。由于變速變頻發電系統中風力發電頻率隨風速而變，不能和電網頻率始終保持一致，不能實用。但如果允許風力發電機在一定的風速范圍內做變速運行，則能達到更好利用風能的目的。基于上述考慮，發展了變速恒頻發電系統。近年來，研究較多的交流電機變速恒頻風力發電系統主要有以下四種形式。
3.1 同步發電機變速恒頻系統
同步電機是自勵磁電機，機電轉換效率高，容易做成多極數低轉速型，因而可以采用風機直接驅動，省去增速齒輪箱。系統成本低，可靠性高。同步發電機變速恒頻發電系統如圖2所示。如果能控制轉子勵磁電流的大小，還可控制發電機的功率因數。當采用永磁轉子時，電極極距可以很小，因而可以大大減小多極數低轉速電機的徑向尺寸，但發電機的電壓和功率因數就比較難控制了。此外，發電機的全部功率經由變頻器輸送到電網，變頻器容量很大，至少要達到發電機額定功率的1.5倍，這是其不利的一面。但也有人在研究永磁發電機在風力發電的最大功率跟蹤控制方法[3]。
圖2 同步發電機變速恒頻系統結構圖
3.2 籠型異步發電機變速恒頻系統
籠型異步發電機結構簡單，成本低，易于維護，適應惡劣環境，因而在風力發電中廣泛應用。籠型異步發電機變速恒頻系統如圖3所示。其定子繞組通過變頻器和電網相連，通過控制器控制在變化的風速下輸出恒頻交流電。同樣由于變頻器要通過全部發電功率，容量要達到發電功率的1.3～1.5被才能安全運行。因此系統龐大，只適用于小容量風力發電系統。
圖3 籠型異步發電機變速恒頻系統結構圖
3.3 雙饋電機變速恒頻系統
如果發電機采用轉子交流勵磁雙饋發電機時，就有了雙饋電機變速恒頻發電系統。系統結構如圖4所示。
圖4 雙饋電機變速恒頻系統結構圖
當轉子速度隨風速變化時，控制轉子電流的頻率fr，即f1=fr±f2就可使定子頻率始終與電網頻率保持一致。由于變頻器在轉子側，只需要一部分功率容量（發電界定功率的1/4），變頻器就能在超載范圍內調節系統。因此相對于前兩種變速恒頻系統而言，降低了變頻器的成本和控制難度，定子直接接于電網，抗干擾性好，系統穩定性強，還可以靈活控制有功無功，十分適用于大中容量風力發電。為了克服此系統無法實現弱磁，美國thoms.a.lipo提出雙變頻器的雙饋電機變速恒頻系統，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
無刷雙饋電機沒有滑環和電刷，克服了雙饋電機有刷和滑環等機械部件的缺點，且能低速運行，因而受到廣泛關注。應用無刷雙饋電機的變速恒頻系統結構如圖5所示。
圖5 無刷雙饋異步電機變速恒頻系統結構圖
該電機由兩臺繞線式異步電機背靠背而成。兩個轉子同軸連接，轉子繞組在電氣上直接相連，沒有滑環和碳刷；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。設功率繞組（接于電網）的頻率為fp，勵磁繞組頻率為fc，相應的兩定子繞組極對數為pp和pc，則運行后有如下關系：
nr=60×(fp±fc)/(pp+pc)
當轉子轉速nr發生變化時，通過改變勵磁電流頻率fc，即可使發電機輸出頻率fp不變，實現變速恒頻控制?，F在已有改進型應用于風力發電中。
4 幾種變速恒頻風力發電系統比較及最近發展趨勢
上述幾種變速恒頻發電系統中，籠型異步發電變速恒頻系統和同步發電變速恒頻系統所采用的變頻器容量是發電界定功率的1.5倍左右，而雙饋電機變速恒頻系統和無刷雙饋異步電機變速恒頻系統所采用的變頻器的容量只需要發電界定功率的1/4，變頻器小，控制難度降低，適用于大中型風力發電系統。另外還可以看出，籠型異步風力發電和無刷雙饋異步電機變速恒頻系統沒有碳刷和滑環，堅固耐用，可靠性高。
變速恒頻技術覆蓋了風力發電機的全部功率范圍，因而成為今后風力發電的主要發展方向?，F在應用比較成熟的是雙饋電機變速恒頻發電技術。大型風力發電系統大部分采用這種技術。有眾多學者研究人員研究改善這種方式下的變頻器及系統控制策略，使系統性能發電效率逐步提高。例如有基于最大功率跟蹤控制策略[4][5]、基于電網無功功率優化控制策略[6]；還有的控制策略力圖在低風速時按最大功率跟蹤控制，在高風速時按恒功率控制[7]。
無刷雙饋電機由于沒有碳刷滑環等易磨損機械部件，能低速運行，控制勵磁繞組的變頻器容量小，成為熱點之一。但目前該型電機結構復雜，成本高，效率較低。許多專家致力于該型電極的改進，使其結構簡單，成本降低，提高效率。相信不久的將來，無刷雙饋電機可應用到大中型風力發電中去。
另外一個值得注意的研究方向是永磁同步發電變速恒頻系統。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，因此在永磁同步發電變速恒頻系統中保證發電機不過載是難點之一。為了克服這個缺陷，在文獻[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合的形式，集成了電勵磁同步電機調磁方便且調磁容量小和永磁同步電機效率高、轉矩／質量比大等優點，同時又克服了永磁同步電機磁場調節難的缺陷，有較大的應用前景。但大型的混合勵磁同步電機結構復雜，制造困難，還有待于進一步改進提高。
5 結束語
近年來變速恒頻風力發電技術發展迅速，特別是雙饋電機變速恒頻發電機組已經商品化。nordex、vestas等公司已研制出2.5mw變速恒頻風力發電機組，并投入運行。而我國在這方面還處于應用基礎研究階段，還有很大差距。我國風力發電技術研究應著力于系統整體設計、發電機本體設計、變速恒頻控制策略、風電并網的系統穩定性等方面的研究，著力于技術的實用化、市場化。相信通過廣大科技工作者和工程技術人員的共同努力下，我國的風力發電事業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，現主要從事風力發電變流器技術以及風電場用的高壓動態無功補償成套設備的研究。
參考文獻
[1] 姚興佳,王世榮,董麗萍. 風力發電技術的發展與現狀[j]. 可再生能源,2006(1)．
[2] 李亞西,武鑫,趙斌等. 世界風力發電現狀及趨勢[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. 變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制[j]. 電力系統自動化,2003,27(20)．
[6] 李晶,李建林,許洪華. 基于配電網無功優化的變速恒頻雙饋風電機群控制策略[j]. 電網技術,2006,30(15)．
[7] 李晶,方勇,宋家驊等. 變速恒頻雙饋風電機組分段分層控制策略的研究[j]. 電網技術,2005,29(09)．
[8] 趙朝會,秦海鴻,嚴仰光. 混合勵磁同步電機發展現狀及應用前景[j]. 電機與控制學報,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．
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
