变频系统在风力发电的应用-中国软启动网|中国软起动网

在日本、欧洲、北美乃至全世界，考虑到地球环境问题，人们对自然能源发电系统越来越关注，其中，风力发电系统由于大型化带动设置和机器的低成本化，近年来正在急速地投入应用。在中国，到2020年为止的目标是将风能的发电容量提高到20GW。在欧洲，正在努力到2020年时风力发电占到总电力的12%。而日本也以到2010年为止引进3 GW的风力发电为目标，并宣布在2005年末，已经达到了1.07GW。

风力发电系统正在朝大容量化发展，由于单机容量超过1 MW 的风力发电系统已经进入实用化，在有限的空间内可以获得更多的发电电力，但风速变动引起的发电电力的变化很大，给电力系统带来的影响正在备受关注。

1 风力发电系统

1.1 交流励磁型同步发电机系统

近年来，以风力涡轮的高效化为目的，用可变转速驱动的可变速风力发电系统成为了主流。因此，能够变化转速的交流励磁型同步发电机正在被广泛使用。

图1显示的是交流励磁型同步发电机的构成。发电机的定子、转子都有线圈。发电机的定子线圈和电力系统接续，加载固定频率的电压。同时，转子线圈通过交流—直流—交流电力变换器和电力系统接续。系统端电力变换器和固定频率的电力系统接续，发电机端电力变换器和转子线圈接续。通过发电机端电力变换器，利用可变频率（差频）对交流转子进行励磁，发电机可以以系统频率和差频的差确定的转速进行运转。发电机端电力变换器控制风力发电系统的发电电力。发电机的转速变化时，转子端供给电力随之变化，可以通过系统端电力变换器对直流电压进行一定的控制来进行调整，将发电机转子的电力再生到系统中、以及给转子供给电力。

另外，在转子中，为了在系统出现干扰发生转子过电压时保护电力变换器，设置了clover

电路。

图2 显示了风力发电系统的转速发生变化时的运转波形。其特点是在发电机转速和系

统频率的同步速度同步时成为直流励磁。

1.2 日立的发电控制（电力优先控制）

日立制作所正在将在大容量风力发电系统中被广泛应用的交流励磁式同步发电机的控制技术开发为可变速扬水发电系统。在风力发电系统中也应用了通过电力变换器的电气控制实现对有效电力进行控制的有效电力优先控制。

发电控制的概要如图3所示。在发电控制中，检出系统端电力变换器与发电机定子的总电力，同时检出发电系统的有效电力以及无效电力。电力变换器为了输出与风速相当的发电量，对有效电力进行高响应的控制，为了缓和电力系统的电压变化，对无效电力进行控制。

图4显示的是发电系统的运行特性，当风速产生变化时，风速1 的特性曲线将变化为风速2的特性曲线。在扭矩一定的运转中，随着风速的变化，如图所示，具有朝右上升的运转特性，运转点呈△变化。转速随着风速发生变化，发电电力也随之变化。对此，在有效电力控制中，即使风速产生变化，也可以对发电电力进行一定的控制，向系统输出的电力变化会变小。

并且在开始发电时，即将交流励磁型同步发电机并入电力系统，为了使发电机定子的电压振幅和相位与电力系统相一致，可以进行自动调节，这样就减少了给电力系统带来的干扰。

1.3 轴扭转振动的抑制/控制

风力涡轮因为有翼、齿轮和转轴等，有时会发生因轴扭转等所引起的机械共振。这时，由于机械的共振，发电机力矩会发生变化，可能导致发电电力出现脉动。为了抑制这种由机械引起的电力脉动，开发了通过控制电力抑制机械振动的轴扭转振动抑制/ 控制。

图5 显示的是抑制轴扭转振动的分析例子。如果模拟包括发电机在内的机械共振，将发生如图（a）所示的发电电力的脉动。通过轴扭转振动的抑制/ 控制，如图（b）所示，机械共振带来的扭矩变动被抑制，发电电力的脉动被抑制。

1.4 无位置传感器控制

风力发电系统的发电机设置在被称为塔上的纳塞尔的房间中。以前，对发电机进行控制时，为了检出发电机转子的转动位置使电压相位同步控制电力，使用了位置传感器（译码器等）。该位置传感器的信号是高周波的脉冲状的低电压信号，对噪音很敏感。

日立正在开发不使用位置传感器可以检出发电机转子位置的无位置传感器控制技术，并已经达到了实用的程度。通过它，可以提高发电系统的可靠性和可维修性。

图6 显示的是交流励磁型同步发电机的无位置传感器控制的运行试验结果。可以看出，随着转速的变化，在包括同步速度（slip０％）在内的转速变化的范围中可以稳定地运行。

1.5 系统联动控制（电压变动抑制）

将大容量的风力发电系统连接到系统末端时，由于配电线的阻抗（抵抗成分和感应成分）的电压下降，发电电力变动会引起电压变动。该电压变动将引起风力发电系统相关的配电线电压的变动，并可能给负荷带来恶劣的影响。

针对该问题，开发了使用无效电力抑制控制电压变动的技术。抑制电压变动的无效电力输出控制参数的最佳值，随着系统负荷电力的变化和风力发电电力的变化而变化。其特点是随着该系统条件的变化经常自动更新为最佳的运行控制参数（最佳的无效电力控制）。因此，可以使系统电压的变动经常保持最小化，从而解决了在系统末端设置风发电力发电时的系统电压变动的问题。

图7显示的是通过最佳的无效电力控制进行的电压变动抑制试验的例子。在没有最佳无效电力控制的状态下，随着发电电力的变动，联系点电压也产生变动。如果将最佳无效电力控制投入应用，可以看到由于发电电力变动引起的联系点电压的变动被抑制。

2 结语

今后还要继续开发减少风力发电系统给电力系统所带来负面影响的技术，通过推广在电力系统中使用风力发电系统而为环保事业做出贡献。