风力发电技术综述
摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源， 风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统， 它直接关系到风力发电的性能与效率。它主要对风力发电的发展现状和前景、风电系统的控制技术、风力发电机及其风电系统和风力发电中的关键技术作了简单的介绍。
关键词：风力发电；控制技术；并网技术；低电压穿越
引言
在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。 风能作为一种可再生的清洁能源， 受世界各国的重视程度越来越高， 也越来越多的被应用到风力发电中。除水力发电技术外， 风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于它可以在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面有非常突出的作用， 目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。
1.国内外风力发电的现状和前景
1.1 国外风力发电发展现状
20 世纪80 ～90 年代， 风力发电技术得到了飞速的发展并且逐渐成熟。风力发电凭借它自身的优点， 已经延伸到了电网难以达到的地方，给他们带来了很多方便。据全球风能理事会(GWEC)发布的全球风电市场装机数据显示， 全球风电产业 2011 年新增风电装机容量达四万一千兆瓦。这一新增容量使全球累计风电装机达到二十三万八千兆瓦。这一数据表明全球累计装机实现了两成多的年增长， 新增装机增长达到6%。到目前为止， 全球七十多个国家有商业运营的风电装机， 其中二十二个国家的装机容量超过 1GW。据估计到 2030 年， 欧洲风电装机可达三百亿瓦， 可满足欧洲百分之二十的电力需求。
1.2国内风力发电发展现状
我国风力资源储量丰富，分布广泛。陆上可开发的储量为2.53亿kW，海上可开发的储量为7.5亿kW。“大规模、高集中开发，远距离和高电压输送”是我国风电发展的重要特征。近年来，我国风电发展迅猛，2006～2010 年风电总装机容量从260万kW增长到4 182.7万kW，2010年新增风电装机1 600万kW，累计装机容量和新增装机容量均居世界第一。预计2020年我国风电累计装机可以达到2.3亿kW。这意味着未来十年中，风电总装机容量
平均每年需新增1 800万kW。预计每年需新增机组及其配套变流器约9 000台。
2.风电系统的控制技术
风力发电系统的运行方式有三种：独立型、并网型和联合型。并网型风力发电系统由风力机控制器、风力机、传动装置、励磁调节器、发动机、变频器和变压器等组成。
风力发电机组包括风力机、发电机、变速传动装置及相应的控制器等， 用来实现风能与电能的能量转换。风力发电的关键问题是风力机和发电机的功率和速度控制。
风电机组中将风能转换成机械能的能量转换装置是风力机， 它由风轮、迎风装置和塔架等组成。按结构不同， 风力机可分为水平轴式和立轴式两种；按功率调节方式不同， 风力机可分为定桨距失速、变桨距和主动失速 3 种。
风电机组中的发电机将机械能转化为电能， 发电机在并入电网时必须输出恒定频率(一般为 50 Hz)的电能。按照发电机转速的不同， 发电机可分为恒速和变速两类， 其中变速需要通过变频器来实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术， 将发电机发出的频率变化交流电转换为与电网频率相同、能与电网柔性连接的交流电， 并且能实现最大风能跟踪控制。按照拓扑结构的不同， 变频器可分为交-交型、交-直-交型和矩阵型三种；按照变频器容量的不同可将变频器分为部分容量和全部容量(全额)两种。
变速传动装置可将风轮的低转速转换为发电机的较高转速， 按传动链类型将其分为齿轮箱驱动和直接驱动两种， 其中前者包括单级和多级两种齿轮箱驱动。
3.风力发电机及其风电系统
实现恒速或变速风力发电系统有许多种方案，所选发电机的类型主要取决于风电系统的形式。
传统的恒速/变速风电系统共有四种：基于SCIG 的恒速风电系统[1]、基于WRIG 的受限变速风电系统[2]、基于ESC- SCIG 的变速风电系统[3]和基于MMG 的变速风电系统[4]。
现代风电系统一般采用变速恒频技术，这种技术通过变流装置或改造发电机结构来实现。现代变速恒频风电系统共有六种：基于SCIG 的风电系统[5]、基于DFIG 的风电系统[6]、基于直驱式EESG 的风电系统[7]、基于直驱式PMSG 的风电系统[8]、基于半直驱PMSG 的风电系统[9]和基于PMBDCG 的风电系统[10]。
近年来， 一些具有商业化潜力的新型风力发电机及其风力发电系统不断涌现。新型变速恒频风电系统主要有以下八种：基于 SRG 的风电系统[11]、基于 BDFIG 的风电系统[12]、基于CPG 的风电系统[13]、基于HVG 的风电系统[14]、基于DWIG 的风电系统[15]、基于
TFPMG 的风电系统[16]、基于DSPMG 的风电系统[17]和基于EVT 的风电系统[18]。
4.风力发电中的关键技术
4.1并网技术的研究和最大风能的捕获
并网技术是通过对全功率电力变换器的控制算法来实现控制目的。并网控制方面，文献
[19]提出了直流侧并网的新方法。 在直流电容与 DC/AC 之间安装并网开关。并网前并网开关断开，DC/AC 通过限流电阻对电容进行充电， 此时发电机在风力机的带动下转速从 0 上升。 当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关，同步风力发电机并网。 正常情况下，发电机转速从低到高逐渐上升，并在某一转速下并入电网。当由于某种原因， 发电机在高转速下脱网需要重新并网， 由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值， 因此只要将并网开关闭合就可实现并网。
直驱式永磁同步风力发电机经电力电子变换器并入电网以后的控制目标是风速小于额定风速时实现最大风能捕获， 风速超过额定风速时使系统以额定功率输出[20]。
最大风能捕获的目的就是通过适当的控制，使风力机转速随风速变化，始终沿着最佳功率曲线运行，从而使风能转化最大化。 最大风能追踪可以有变桨距调节，也可以通过调节发电机功率来调节转速以保持最佳叶尖速比实现。 出于可行性、经济性和可靠性的考虑，当前使用的主要是通过控制发电机输出功率以调节其电磁功率，进而调节发电机转速。
具体实现时， 在发电机有功和无功功率解耦控制的基础上，根据有功功率给定的提取方法的不同，又有有速度传感器和无速度传感器的控制方法之分。有速度传感器的控制方法是根据风力机最佳功率曲线和风力机转速实时计算发电机输出功率给定。而无速度传感器的控制方法又有扰动法[21,22,23]、参数估计法、查表法和人工在智能法几类。
4.2低电压穿越的研究
电网电压跌落时， 由于受变流器通流能力的限制，网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变，造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定，则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏， 为了保护变流器不被损坏， 风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时，风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。
然而，随着风力发电规模的不断扩大，若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网， 则会增加整个系统的恢复难度，甚至使故障更加严重，最终导致系统其他机组全部解列。 目前在风力发电技术发展领先的一些国家，如丹麦、德国等已相继制定了新的电网运
行准则, 定量给出了风电系统离网的条件（如最低电压跌落深度和跌落持续时间），只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网，当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力，能方便地为电网提供无功支持。 因此必须研究低电压穿越的措施， 实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。
文献[24]通过在逆变器交流侧加装无功补偿装置和低通滤波器来应对电网电压不对称跌落对系统所造成的影响， 使逆变器只能感受到电网的正序电压，保持其对称工作状态，从而实现低电压穿越；文献[25-28]通过直流侧加卸荷负载以消除电压跌落时直流侧的功率拥堵， 避免直流侧的过电压和逆变器的过电流，实现低电压穿越。这些方法都要增加专门的元件，降低了系统的可靠性和经济性，使控制变得复杂。
结论
风电作为我国今后大力重点发展的 3 类新能源之一， 在今后将具有广阔的发展和应用前景， 风力发电在摆脱对化石能源的过度依赖、缓解中国能源紧缺、改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。本文对风力发电的发展状况，如传统的恒速/变速风电系统、现代变速恒频风电系统和新型变速恒频风电系统进行了简单介绍。随着风电技术的不断变革以及机组制造工艺的持续改进， 将来风力发电的竞争力必定逐渐提升， 其发展前景广阔。
参考文献：
［1］程明，张运乾，张建忠．风力发电机发展现状及研究进展［J］．电力科学与技术学报，2009，24(3):2 －9．
［2］李辉，薛玉石，韩力．并网风力发电机系统的发展综述［J］．微特电机，2009，37(5):55 －61． ［3］杨培宏，刘文颖．基于 DSP 实现风力发电机组并网运行［J］．可再生能源，2007， 25(4):79 －82．
［4］吴聂根，程小华．变速恒频风力发电技术综述［J］．微电机，2009，42(8):69 －72．
［5］荆龙．鼠笼异步电机风力发电系统优化控制［D］．北京:北京交通大学，2008．
［6］林成武，王凤翔，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究［J］．中国电机工程学报，2003，23(11):122 －125．
［7］周扬忠，胡育文，黄文新．基于直接转矩控制电励磁同步电机转子励磁电流控制策略［J］．南京航空航天大学学报:自然科学版，2007，39(4):429 －434．
［8］张岳，王凤翔．直驱式永磁同步风力发电机性能研究［J］．电机与控制学报，2009， 13(1):78 －
82．
［9］陈昆明，汤天浩，陈新红，等．永磁半直驱风力机控制策略仿真［J］．上海海事大学学报:自然科学版，2008，29(4):39 －44．
［10］夏长亮,张茂华，王迎发，等．永磁无刷直流电机直接转矩控制［J］．中国电机工程学报， 2008， 28(6):104 －109．
［11］胡海燕，潘再平．开关磁阻风力发电系统综述［J］．机电工程，2004，21(10):48 －52．
［12］刘伟，沈宏，高立刚，等．无刷双馈风力发电机直接转矩控制系统研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38(5):77 －81．
［13］ 桓毅， 汪至中．风力发电机及其控制系统的对比分析［J］．中小型电机， 2002， 29(4):41 －45．
［14］杜新梅，刘坚栋，李泓．新型风力发电系统［J］．高电压技术，2005，31(1):63 －65．
［15］李勇，胡育文，黄文新，等．变速运行的定子双绕组感应电机发电系统控制技术研［J］．中国电机工程学报，2008，28(20):124 －130．
［16］董萍，吴捷，陈渊睿，等．新型发电机在风力发电系统中的应用［J］．微特电机， 2004， 32(7):39 －44．
［17］张建忠，程明．新型直接驱动外转子双凸极永磁风力发电机［J］．电工技术学报，2007， 22(12):15 －21．
［18］袁永杰．开关磁阻四端口机电换能器及在风力发电中的应用研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008．
[19] 徐科,胡敏强,杜炎森,等.直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪[J].电力系统自动化，2007，31
（11）:53-58.
[20] 吴迪，张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J]大电机技术，2006（6）: 51-55
[21] 王生铁,张润和,田立欣.小型风力发电系统最大功率控制扰动法及状态平均建模与分析[J].太阳能学报，2006，27（8）:828-837.
[22] 闫耀民，范瑜，汪至中.永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报，2002，17
（6）:82-86.
[23] 房泽平,王生铁.小型风电系统变步长扰动 MPPT 控制仿真研究[J].计算机仿真，2007,24
（9）:241-244.
[24] MARIUS F, CRISTIAN L, GHEORGHE-DANIEL A, etal .Voltage Sags Ride-Through of Motion SensorleControlled PMSG for Wind Turbines[C].Industry Applications Conference, 2007.
[25] 李建林,胡书举，孔德国，等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化，2008，32（19）:92-95.
[26] 胡书举，李建林, 许洪华.直驱式 VSCF 风电系统直流侧Crowbar 电路的仿真分析[J].电力系统及其自动化学报，2008，20（3）:118-123.
[27] 李建林,胡书举，孔德国，等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化，2008，32（19）:92-95.
[28] 胡书举，李建林,许洪华.变速衡频风电系统应对电网故障的保护电路分析[J].变流技术与电力牵引，2008（1）:45-51.
