孫浩然

（連云港供電公司，江蘇連云港 222004）

1 風(fēng)力發(fā)電概述

地球表面各處接受太陽照射受熱不同而產(chǎn)生溫差，引起大氣對流運動形成風(fēng)。地球上風(fēng)能蘊藏量巨大，而且取之不盡，用之不竭，是一種重要的可再生能源。據(jù)世界氣象組織于1954年估計，地球上可為人們利用的風(fēng)能有107 MW，這相當(dāng)于10 000個100萬kW的利用燃料發(fā)電的發(fā)電廠的容量，是地球上可供利用的水力的100倍。這是一個非?？捎^的數(shù)量[1]。在中國，根據(jù)2004～2005年中國氣象局進(jìn)行的第三次全國風(fēng)能資源普查，僅陸上10 m高空處的實際可開發(fā)的風(fēng)能就有2.97億kW。我國陸上加海上可開發(fā)風(fēng)能總量有7～12億kW[2]。

人類利用風(fēng)能的歷史已經(jīng)有數(shù)千年，然而利用風(fēng)能發(fā)電的歷史卻始于1891年，但之后的較長時間發(fā)展緩慢。直到1973年石油危機后，風(fēng)力發(fā)電作為新能源越來越受到重視。特別是20世紀(jì)90年代以來，風(fēng)力發(fā)電加速發(fā)展[2，3]，總裝機容量以年均25%以上的速度增長，每年新增容量的增長率也超過了30%。2007年，全球新增風(fēng)電裝機容量20 073 MW，累計風(fēng)電裝機容量94 112 MW。歐洲2007年新增電源中風(fēng)電首次超過天然氣發(fā)電，成為第一大增長電源。

中國發(fā)展風(fēng)力發(fā)電始于1990年，2000年總裝機容量為350 MW，到2006年增長為2 600 MW，年增長率近40%。2007年更是翻了一番，新增3 449 MW，居世界第三，總裝機達(dá)到6 050 MW，居世界第五。圖1給出了世界風(fēng)電總裝機前10位的情況。2008年8月12日，中國風(fēng)電發(fā)電裝機總量已經(jīng)達(dá)到7 000 MW，占我國發(fā)電總裝機容量的1%，這也意味著我國已進(jìn)入可再生能源大國行列。

風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展和各國支持風(fēng)電發(fā)展的政策緊密相關(guān)。為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，世界各國政府出臺了許多優(yōu)惠政策，主要包括有：投資補貼、低利率貸款、規(guī)定新能源必須在電源中占有一定比例、規(guī)定最低風(fēng)電電價、從電費中征收附加基金用于發(fā)展風(fēng)電、減排CO2獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發(fā)展本國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)；美國通過金融支持，由聯(lián)邦和州政府提供信貸資助來扶持風(fēng)力發(fā)電事業(yè)；印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流發(fā)展風(fēng)力發(fā)電；日本采取的措施則是優(yōu)先采購風(fēng)電。多種多樣的優(yōu)惠政策促進(jìn)了各國風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展。中國為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，先后實施了“乘風(fēng)計劃”、“光明工程”和“雙加工程”，推行風(fēng)電特許權(quán)項目，給予風(fēng)電在資金、電價等方面的政策支持。2006年正式實施了《可再生能源法》及其一系列實施細(xì)則，大大促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。根據(jù)全球風(fēng)能理事會以中等發(fā)展水平的預(yù)測，中國風(fēng)力發(fā)電裝機容量2010年將達(dá)到10 000 MW，2020年將達(dá)到70 000 MW，2050年將達(dá)到450 000 MW。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本形式

從機組結(jié)構(gòu)上來看，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過多年的發(fā)展，曾出現(xiàn)過多種類型。圖2是幾種典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋄4]，這些拓?fù)涞膮^(qū)別在于使用的發(fā)電機和電力電子變換器以及有無齒輪箱。

圖2（a）是20世紀(jì)80年代到90年代被廣泛采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它的風(fēng)力機采用失速調(diào)節(jié)，機組轉(zhuǎn)速可以認(rèn)為是不可調(diào)的。為了補償感應(yīng)發(fā)電機的無功功率使用了電容器組，為了平滑并網(wǎng)使用了軟啟動器進(jìn)行軟并網(wǎng)。

圖2（b）中，用電力電子變換器代替了軟啟動器和電容器組，把電網(wǎng)和感應(yīng)發(fā)電機隔開，實現(xiàn)了機組在全風(fēng)速下的變速運行。

圖2（c）中使用了繞線轉(zhuǎn)子的感應(yīng)發(fā)電機，并采用電力電子變換器外部改變轉(zhuǎn)子電阻，從而獲得轉(zhuǎn)差率可控的10%可調(diào)范圍，并通過控制轉(zhuǎn)差率控制機組輸出的功率。

圖2（d）結(jié)構(gòu)使用了雙饋型感應(yīng)發(fā)電機，用變頻器控制轉(zhuǎn)子繞組的電流。變頻器功率僅為發(fā)電機額定功率的20%～30%就可控制發(fā)電機的全功率輸出。這種結(jié)構(gòu)比圖（c）的結(jié)構(gòu)有更寬的調(diào)速范圍，變換器所需功率較小，經(jīng)濟(jì)性好。我國東汽集團(tuán)生產(chǎn)的1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組就屬于這種結(jié)構(gòu)。

圖2（e）引入了繞線式同步發(fā)電機，經(jīng)電力電子變換器連接電網(wǎng)。由于它需要勵磁用整流電路、電刷和滑環(huán)，即使其可以實現(xiàn)變速恒頻也不被看好。

圖 2（f）與圖 2（e）結(jié)構(gòu)相同，也使用繞線式同步發(fā)電機。但由于它使用的是多極發(fā)電機，所以它不需要齒輪箱。Enercon和Lgaerwey是典型應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機制造公司。

圖2（g）所示結(jié)構(gòu)有風(fēng)力機直接驅(qū)動多級永磁同步發(fā)電機，省去了齒輪箱、電刷和滑環(huán)，提高了機組的運行可靠性，減少了維護(hù)費用。電力電子變換器可以使機組實現(xiàn)變速恒頻運行。早期由于成本的原因只用于小型風(fēng)力發(fā)電機，典型應(yīng)用是作為船舶電源。近年來隨著永磁體價格的降低這種結(jié)構(gòu)被更廣泛的應(yīng)用，目前單機容量國內(nèi)已經(jīng)達(dá)到2 MW。ABB公司在2000年利用這種結(jié)構(gòu)提出一個新的設(shè)想：用多極3.5 MW永磁發(fā)電機發(fā)出電能后經(jīng)二極管整流器產(chǎn)生21 kV直流電，然后經(jīng)高壓直流輸電并入電網(wǎng)。

從技術(shù)發(fā)展上看，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從定槳距到變槳距、從恒速恒頻（CSCF）到變速恒頻（VSCF）的技術(shù)升級。節(jié)距角就是槳葉半徑R處回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長之間的夾角。變槳距控制就是通過改變槳葉節(jié)距角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機功率，使得在額定風(fēng)速以下控制風(fēng)力機運行于特定轉(zhuǎn)速使其風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率保持最大直到功率達(dá)到額定值；在風(fēng)速超過額定時降低轉(zhuǎn)換效率保持額定功率直到切出風(fēng)速，這是定槳距很難實現(xiàn)的。變速恒頻發(fā)電是另一種新型的發(fā)電技術(shù)，尤其適合于風(fēng)力發(fā)電。它適應(yīng)了風(fēng)能的隨機、不穩(wěn)定的特性，根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從而最大的輸出能量，實現(xiàn)和電網(wǎng)的柔性連接，提高機組的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，減少風(fēng)力機的應(yīng)力和磨損，優(yōu)化了機組運行條件。20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方式將得到更多重視，應(yīng)用范圍不斷擴大[5]。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電有多種機型，除了目前已經(jīng)有較大市場份額的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組以外，還有無刷雙饋、爪極式、和開關(guān)磁阻等風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量只是系統(tǒng)額定容量的30%左右，成本較低，因此也成為當(dāng)前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流機型。直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低速永磁同步發(fā)電機（PMSG0），取消了變速齒輪箱，不需要電刷，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，使用壽命長。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，輸出功率可以增加20%以上，維護(hù)費用則可降低50%，這些足以抵消它采用全功率變換器所增加的成本；同時它具有可靠性更高，噪音更低等優(yōu)點，因而代表著未來的發(fā)展方向[6]。

從2002年全球各類風(fēng)力發(fā)電機的市場份額統(tǒng)計可以看出，在風(fēng)力發(fā)電市場中，采用籠型感應(yīng)電機的恒速風(fēng)力發(fā)電機、采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機的變速風(fēng)力發(fā)電機和采用永磁同步發(fā)電機的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機占有絕對的優(yōu)勢[7]。

隨著新材料的應(yīng)用、設(shè)計水平的提高以及控制系統(tǒng)的改進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展將會呈現(xiàn)出以下幾個趨勢[7]：

（1）單機容量不斷增大，兆瓦級的大機組的比重會不斷增長。在歐洲，5 MW的風(fēng)力發(fā)電機組已經(jīng)商業(yè)化，在國內(nèi)，2 MW和1.5 MW的機組技術(shù)已經(jīng)成熟，在總裝機容量中的比重分別從2006年的1%和9%增長到2007年的2%和18%。

（2）變槳距調(diào)節(jié)方式將會逐步取代定槳距失速調(diào)節(jié)方式。變槳距調(diào)節(jié)能夠按最佳參數(shù)運行，額定風(fēng)速以下能最多的吸收風(fēng)能，額定風(fēng)速以上能輸出恒定功率，避免發(fā)電機超負(fù)荷，并且可以改善整機受力狀況。

（3）變速運行方式將會取代恒速運行方式。變速運行可以控制風(fēng)機運行于最佳葉尖速比以獲取最大風(fēng)能，同時使功率輸出更穩(wěn)定。

（4）直驅(qū)式的市場份額會越來越大。直接驅(qū)動省去齒輪箱，減少能量損失、停機時間、發(fā)電成本和噪聲，降低了維護(hù)費用，提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和可靠性。

（5）海上風(fēng)力發(fā)電將會得到更大的發(fā)展。海上風(fēng)能較陸上大且具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，允許安裝單機容量更大的風(fēng)機。

（6）風(fēng)力發(fā)電機無刷化。無刷化可提高系統(tǒng)的運行可靠性,實現(xiàn)免維護(hù)提高發(fā)電效率。

3 風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 并網(wǎng)技術(shù)的研究和最大風(fēng)能的捕獲

對直驅(qū)式永磁發(fā)電系統(tǒng)研究的內(nèi)容主要有并網(wǎng)及并網(wǎng)后的發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的研究、提高系統(tǒng)可靠性的控制的研究以及提高系統(tǒng)故障穿越能力的研究等幾方面。這些研究幾乎都是通過對全功率電力變換器的控制算法來實現(xiàn)相應(yīng)的控制目的的。

并網(wǎng)控制方面，文獻(xiàn)[8]提出了直流側(cè)并網(wǎng)的新方法。在直流電容與DC/AC之間安裝并網(wǎng)開關(guān)。并網(wǎng)前并網(wǎng)開關(guān)斷開，DC/AC通過限流電阻對電容進(jìn)行充電，此時發(fā)電機在風(fēng)力機的帶動下轉(zhuǎn)速從0上升。當(dāng)電容充電達(dá)到交流電網(wǎng)線電壓幅值時閉合并網(wǎng)開關(guān)，同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)。正常情況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速從低到高逐漸上升，并在某一轉(zhuǎn)速下并入電網(wǎng)。當(dāng)由于某種原因，發(fā)電機在高轉(zhuǎn)速下脫網(wǎng)需要重新并網(wǎng)，由于此時電容已經(jīng)充電且直流母線電壓高于網(wǎng)側(cè)交流線電壓幅值，因此只要將并網(wǎng)開關(guān)閉合就可實現(xiàn)并網(wǎng)。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)電力電子變換器并入電網(wǎng)以后的控制目標(biāo)是風(fēng)速小于額定風(fēng)速時實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)速超過額定風(fēng)速時使系統(tǒng)以額定功率輸出[9]。

最大風(fēng)能捕獲的目的就是通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，始終沿著最佳功率曲線運行，從而使風(fēng)能轉(zhuǎn)化最大化。最大風(fēng)能追蹤可以有變槳距調(diào)節(jié)，也可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機功率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保持最佳葉尖速比實現(xiàn)。出于可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的考慮，當(dāng)前使用的主要是通過控制發(fā)電機輸出功率以調(diào)節(jié)其電磁功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

具體實現(xiàn)時，在發(fā)電機有功和無功功率解耦控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)有功功率給定的提取方法的不同，又有有速度傳感器和無速度傳感器的控制方法之分。有速度傳感器的控制方法是根據(jù)風(fēng)力機最佳功率曲線和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速實時計算發(fā)電機輸出功率給定。而無速度傳感器的控制方法又有擾動法、參數(shù)估計法、查表法和人工在智能法幾類。

文獻(xiàn)[10-12]介紹了最大風(fēng)能跟蹤的擾動法，主要有爬山法、正弦波小擾動法和最佳轉(zhuǎn)矩曲線法等。擾動法的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和直流電壓之間的關(guān)系，先對直流電壓的擾動，然后測量有功功率的變化，如果輸出功率變化為正，則以擾動后位置為新工作點繼續(xù)擾動，如果輸出有功功率變化為負(fù)，則在原來工作點改變擾動，直到找到最佳工作點。根據(jù)改變擾動的策略又有2個思路，一個是功率變化為負(fù)時，改變擾動方向，如果向大向小2個方向的擾動都使得有功功率變化為負(fù)，則認(rèn)為達(dá)到了最佳點；另一個叫變步長法，當(dāng)有功功率變化為負(fù)時，不改變擾動方向，而是把擾動減半在原來工作點上再次擾動，直到功率變化小于一個很小的正數(shù)，認(rèn)為達(dá)到最佳工作點。文獻(xiàn)[13]用發(fā)電機電動勢的積分得到磁通鏈，而這個磁通鏈包含有轉(zhuǎn)子的位置信息，進(jìn)而估計出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[14]根據(jù)直流電壓和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過測量直流電壓，通過查表得到轉(zhuǎn)速。然后據(jù)此計算逆變器的有功給定，實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。文獻(xiàn)[15]針對雙PWM變換器研究了發(fā)電機的單位功率因數(shù)控制，通過增加約束方程的方法，解決了電機定子超過極限值而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。文獻(xiàn)[16]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法估算風(fēng)速，在根據(jù)估算的風(fēng)速計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速給定并據(jù)此控制最大風(fēng)能追蹤。

目前對減小直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變換器的直流環(huán)節(jié)電容，以提高系統(tǒng)的可靠性的研究比較少。文獻(xiàn)[17]建立了在主從控制方式下應(yīng)用功率平衡聯(lián)合控制策略的雙PWM控制模型，使得整流部分充分利用了逆變部分的信息，提高了直流母線電壓的動態(tài)控制性，減少了對變換器中電解電容容量的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性和性能；文獻(xiàn)[18]對用于海浪發(fā)電永磁同步機的變換器做了類似研究，通過在整流器和逆變器之間加入功率反饋環(huán)，達(dá)到電容充放電電流減小的目的，使得在電容量一定時，直流電壓范圍變小，為逆變創(chuàng)造了更好的條件。

文獻(xiàn)[19]對風(fēng)力發(fā)電用大功率逆變器進(jìn)行了研究，提出了一種新的電路拓?fù)?；文獻(xiàn)[20]則對大型風(fēng)電場接入系統(tǒng)方式進(jìn)行了比較；而文獻(xiàn)[21]則從槳距角控制、發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制、電力變換器功率解耦控制等方面對直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的控制策略進(jìn)行了全面的研究，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

3.2 低電壓穿越的研究

電網(wǎng)電壓跌落時，由于受變流器通流能力的限制，網(wǎng)側(cè)逆變器注入電網(wǎng)功率減小。而此刻機側(cè)整流器的功率并沒有改變，造成直流側(cè)的過電壓。如果維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導(dǎo)致電力電子器件的損壞，為了保護(hù)變流器不被損壞，風(fēng)力發(fā)電機組將在電壓跌落時退出運行。電網(wǎng)穿透率小時，風(fēng)力發(fā)電機組在電壓跌落時退出運行還是可以接受的。

然而，隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，若風(fēng)電機組在電壓跌落時仍然采取被動保護(hù)式脫網(wǎng)，則會增加整個系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至使故障更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其他機組全部解列。目前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的一些國家，如丹麥、德國等已相繼制定了新的電網(wǎng)運行準(zhǔn)則,定量給出了風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件（如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間），只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力機脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時,發(fā)電機應(yīng)提供無功功率。這就要求風(fēng)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越能力，能方便地為電網(wǎng)提供無功支持。因此必須研究低電壓穿越的措施，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時風(fēng)力發(fā)電機不脫網(wǎng)運行。

文獻(xiàn)[22]通過在逆變器交流側(cè)加裝無功補償裝置和低通濾波器來應(yīng)對電網(wǎng)電壓不對稱跌落對系統(tǒng)所造成的影響，使逆變器只能感受到電網(wǎng)的正序電壓，保持其對稱工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)低電壓穿越；文獻(xiàn)[23-26]通過直流側(cè)加卸荷負(fù)載以消除電壓跌落時直流側(cè)的功率擁堵，避免直流側(cè)的過電壓和逆變器的過電流，實現(xiàn)低電壓穿越。這些方法都要增加專門的元件，降低了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使控制變得復(fù)雜。

4 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源，未來的應(yīng)用前景很好。目前風(fēng)電的控制、并網(wǎng)等技術(shù)已經(jīng)相對成熟。隨著風(fēng)電的發(fā)展，當(dāng)風(fēng)電場遠(yuǎn)離電網(wǎng)時的遠(yuǎn)距離并網(wǎng)方式的選擇待進(jìn)一步研究。另外，隨著風(fēng)電容量的增大，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響、對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響是電力運行人員亟需面對和處理的問題。

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