文/烽火紀史
編輯/烽火紀史
<<·——前言——·>>
感應電機在風力渦輪機發電方面的發展曆程，時間跨度從20世紀中一直延續到現在，在簡單的曆史介紹後，我們将了解不同的能量轉換概念。首先是丹麥概念，它直接将松鼠籠式電機與電網相連。接着，為了調節機器的轉速，采用了帶有集電環的繞線轉子電機來改變轉子電阻。這個概念使得風力渦輪機和感應電機能夠首次适應工作點。
另一個概念是将松鼠籠式電機的定子與全内聯電壓源變流器連接配接到電網，這樣可以獲得更靈活的旋轉速度和控制無功功率。最新的發展是雙饋感應電機，通過在轉子電路中使用雙向電壓源變流器，其額定功率僅為額定發電機功率的30%。這使得風力渦輪機能夠獨立且在廣泛範圍内調節旋轉速度和無功功率。
最後我們展示了現代雙饋感應電機（DFIG）的通用控制方案，用簡單的方式解釋了其可變性和應用範圍。如今，超過70％的風力渦輪機都采用DFIG結構。
<<·——風力發電機的發展曆史——·>>
風能的利用已有一千多年的曆史。早在公元650年左右，西藏就有了第一個有曆史記載的使用風能的例子，當時是用于宗教目的。這些早期的模型是垂直軸風力渦輪機，基于蛇形拖曳式裝置的原理，類似于現在隻用于風速計中的設計。第二個千年開始時，水準軸風車在歐洲南部和荷蘭地區變得流行，主要用于水泵抽水。
第一次使用風力發電是在1887年由查爾斯·布拉什在俄亥俄州克利夫蘭完成的。使用的直流發電機額定功率為12千瓦，專門設計用于充電電池。而感應電機是在1951年首次使用于風力發電中。
<<·——利用風能和感應電機發電有幾個基本原理——·>>
最簡單的原理是将松鼠籠式感應電機通過齒輪箱直接連接配接到電網上，這被稱為丹麥概念（見圖1）。齒輪箱的作用是将風輪的低轉速轉換為與電網頻率相容的轉速，例如歐洲50赫茲電網中的4極發電機轉速約為1500轉/分鐘。風力渦輪機的轉速取決于葉片的直徑。一個常見的額定功率為600千瓦，葉片直徑為44米的松鼠籠式電機在渦輪機上使用26轉/分鐘。葉片尖端的最大速度為60米/秒。
圖1
丹麥概念的主要優點是整個風力渦輪機的結構非常簡單，投資和維護成本非常低。不需要功率變換器或複雜的控制器。主要缺點是轉速固定。這對于幾個方面都很重要：葉片在寬風速範圍内不處于最佳工作點。發電機的電功率無法快速調節，因為唯一的影響方式是葉片的扭轉角度。
風陣和塔的背壓直接導緻功率波動。為了減少這些缺點，可以建構一個具有更高滑差比的發電機，因為滑差意味着系統的彈性。圖2顯示了标準工業機器的滑差與額定功率的圖表。總體趨勢是随着極數的增加而增加滑差。六極或八極發電機的彈性比二極發電機更高。這種彈性是減少功率波動所必需的，這減輕了傳動系統的負荷并在電網中引起功率峰值。
圖2
在圖3中，左側顯示了滑差為2%的松鼠籠式電機的功率波動圖，右側顯示了滑差為8%的松鼠籠式電機的功率波動圖。滑差為2%的發電機導緻功率波動範圍在額定功率的20%左右，而滑差為8%的發電機隻有5%。時間域内的可變性是風速的結果，這在圖3中清楚地可見。
圖3
在丹麥概念中，發電機直接耦合到電網上，是以減少傳動系統和電網的動态負荷的唯一方法是設計一個具有較多極數的發電機。這樣做的缺點是增加了發電機的體積和品質，降低了整個系統的效率。
圖4描述了直接與電網耦合的風力渦輪機的特性曲線陣列，并且通過風速參數化。額定風速為6米/秒，在這個工作點上，感應發電機的特性曲線完全比對。随着風速增加，發電機的轉速降低；随着風速減小，發電機的轉速增加。通過在幾個百分點的範圍内改變滑差，可以實作這種行為。如果風速低于4米/秒，則無法向電網供電。
圖4
為了避免這個問題，第一步是建造具有兩個發電機的風力渦輪機，一個用于弱風條件，具有較低的額定功率和轉速，另一個用于強風條件。例如，一個額定功率為600千瓦的風力渦輪機在弱風條件下使用一個200千瓦的發電機，在強風條件下使用一個600千瓦的發電機。
另一種可能性是隻使用一個發電機，并可切換不同的極數以适應不同的風速。圖5顯示了一個運作圖。該圖描述了輸出功率與轉速的特性曲線陣列。強風發電機的額定工作點在1米/秒的風速下運作，而弱風發電機在7.5米/秒的風速下運作最佳。在切換弱風和強風發電機的轉速點之間必須有滞後，以避免頻繁切換對機械和電氣元件造成不必要的動态負荷。
圖5
可調速發電機在現代風力渦輪機中非常普遍，具有以下幾個優點：
1、可以減少渦輪機所有部件的機械應力，因為風陣可以被渦輪機的慣性吸收。
2、可以減少電網中的功率波動，因為風力的影響被緩沖在機械能中，不會傳遞到電網。甚至塔的背壓也可以被補償（見圖7）。
3、通過根據風速調整轉速，可以提高系統的效率。在寬風速範圍内可以實作最大輸出功率（見圖14）。
4、在可變速情況下，葉片調整控制可以更簡單，因為時間常數可以更長。在弱風條件下，噪音排放減少，因為渦輪機以較低的速度旋轉。
圖6
圖7
要以合理的價格獲得可調速發電機的第一種方法是從松鼠籠式感應電機轉變為帶有集電環的繞線轉子電機，通過改變轉子電阻，可以調整感應電機的工作點，以獲得更好的适應性，适用于啟動弱風條件和強風條件。借助這種技術，還可以以非常動态的方式改變轉子電阻。在圖7中，繪制了轉矩、輸出功率和滑差的曲線。
當一個轉子葉片經過塔的背壓區時，轉矩曲線會急劇下降。如果使用非常動态的滑差控制，可以如圖中所示調整轉子電阻，進而在向電網耗散功率時可以補償這種效應。還有幾種方法可以建造可調速的風力渦輪機。
一種可能性是改變丹麥概念，在電氣連接配接方面采用直接聯接頻率變流器（VSC），将發電機的定子與電網連接配接（見圖8）。在這個概念中，發電機本身無需改變，但也有幾個明顯的缺點：
圖8
頻率變流器必須根據渦輪機的最大功率進行尺寸設計，是以成本較高。變流器的效率影響整個系統的功率，必須在全功率範圍内非常高，以保證高性能。選擇這種拓撲結構的原因是：
1、可以在較大範圍内控制功率因數。
2、風陣不僅可以緩沖在機械慣性中，還可以緩沖在中間電路的能量存儲中。
3、松鼠籠式感應電機非常堅固，維護成本較低。
圖9描述了一組特性曲線。通過變化定子頻率，可以調整松鼠籠式感應電機的特性曲線，功率電子可以将發電機的工作點調整到風力渦輪機的不同工作點上。
圖9
雙饋感應電機在風力發電中變得越來越普遍，如今，超過70%的風力渦輪機采用這種類型的感應電機。通常，電壓源變流器通過集電環連接配接到感應電機的轉子側，而電網側變流器和感應電機的定子則直接連接配接到電網（見圖10）。
圖10
幾年前，在變流器和電網之間需要放置一個變壓器來适應電壓。但如今不再需要，因為可以根據轉子繞組和功率電子的設計來確定即使在低轉子頻率區域（同步運作點）的轉子電壓也足夠高，隻需使用電感就能輸入電網。
在歐洲，一家公司主要使用獨立勵磁的同步發電機來建造無齒輪的風力渦輪機。其主要特點應簡要描述如下：由于取消了齒輪箱，渦輪機更加可靠，需要較少的維護。需要一個直接聯接的變流器，就像圖11中所示，具有上述優點，但成本較高。同步發電機必須具有較高的極數（100到300極），這導緻發電機直徑較大。
圖11
這種類型的風力渦輪機采用了同步發電機，并取消了齒輪箱，這使其在可靠性和維護方面都具有一定的優勢。然而，由于使用的是同步發電機，需要一個高極數的發電機，這導緻發電機的直徑較大。同時，由于需要直接聯接的變流器，成本相對較高。
其他類型的發電機，如直流發電機、永磁發電機或可變磁阻發電機，在風力發電的現狀市場中不是很重要。特殊磁體（NdFeB）的價格在過去幾年裡大幅下降。是以，使用永磁發電機建造風力發電機可能會引起人們的興趣。盡管存在處理、腐蝕、長期穩定性和系統控制方面的困難，但已經建造了第一批試點項目。
<<·——最先進風力發電短艙的部件——·>>
在圖12中示出了Nordex公司最先進的風力渦輪機的機艙的輪廓。
圖12
現代風力渦輪機由轉子毂（2）和三片轉子葉片（1）組成，每個葉片都可以獨立和備援地調整葉片的扭轉角度。主軸承（4）負責吸收所有靜态和動态負載，支撐着轉子軸（5）。在齒輪箱（6）中，将葉片的低速轉換為感應發電機（9）的額定轉速。在齒輪箱和發電機之間的傳動系統中有一個安全制動器（7）和一個聯軸器。
所有這些重型部件都安裝在艙蓋架（3）上。發電機和齒輪箱都需要一個特殊的冷卻裝置（10）來控制高風速或高溫下的溫度。控制單元（12）和液壓系統也位于艙室内。整個艙室連同艙蓋（16）安裝在塔（17）上，并通過偏航軸承（15）根據風向進行對準。
在圖14中，繪制了一台額定功率為2300千瓦的Nordex N90風力渦輪機的特性輸出功率曲線。該裝置在風速為3.5米/秒時開始發電，具有最佳的葉片扭轉角度和非常低的10轉/分鐘轉速。直至風速達到12.5米/秒時，變速控制模式都可以進行。在該工作點上，實作了額定功率并達到最大轉速17轉/分鐘。
圖14
從這個風速開始，一直到最大可能的運作風速25米/秒，将采用葉片扭轉角度變化的控制模式。如果風速超過25米/秒，風力渦輪機必須關閉，以避免損壞。當風速降低時，風力渦輪機可以重新啟動。
<<·——控制——·>>
風力發電機的控制可以分為兩個主要部分：機器控制和系統控制。系統控制負責将艙室對準風向，機器控制取決于發電機類型。圖13展示了雙饋感應發電機的通用控制方式。電壓源變流器大約負責整個發電機功率的30％，被分為兩個獨立的結構，分别控制電動機和電網側。變流器的電網側負責中間電路電壓，并控制從電網流入或流出的功率。
圖13
這是通過控制電網變流器的有功功率軸，根據直流中間電路電壓的方向，來實作的。在現代裝置中，可以單獨控制無功功率，以便根據電網需求在廣泛範圍内調整系統的總功率因數。在這種情況下，電網變流器的控制方案也采用矢量控制，以上述方式調節中間電路電壓中的有功功率和向電網的無功功率，通過進階無功功率控制政策來實作。
在早期的渦輪機中，可以省略此控制，将變流器的無功功率設定為零。在這種情況下，系統的總無功功率隻能通過轉子側的d軸間接設定。機器側變流器通常通過d-q坐标系的矢量控制方案進行控制，可以獨立控制磁通和轉矩。d軸包含電流的PID控制器和機器的無功功率的功率控制器。該控制器的設定點由上述無功功率控制政策給出，以設定系統的總功率因數。
轉子側變流器的q軸由電流控制器在内環控制，該控制器從轉矩控制器獲得參考值。至少在轉子側的兩相中測量電流回報，并轉換成d-q系統。
在大多數情況下，測量所有三相電流以提供備援。在所示的控制方案中，忽略了定子的電阻，這在實際渦輪機中可以輕松添加進去。實際的機械轉矩是通過計算d軸和q軸電流得出，并與速度控制器的輸出進行比較。
參考渦輪速度由有功功率控制設定，通過查找表和測量的風速生成最佳轉速。這是為了控制渦輪機的旋轉速度（見圖9）。風速可以獨立測量，例如使用風速計。實際的有功功率和無功功率值是通過電網電壓和電流計算得出的，這裡簡化了描述。還計算了相位角Pg，這是将電壓和電流轉換為d-q坐标的必要步驟。
在發電機由于斷路器故障或短路等突然脫離電網時，轉子電路中可能會出現高壓脈沖。為了保護轉子側變流器，通常會使用所謂的“crowbar”（短路器），将發電機的轉子短路。過了一段時間後，控制系統通過普通斷路器将定子與電網斷開。
然而，這種保護措施的問題在于電網規範通常要求實作故障暫停運作（fault ride through）。而短路器的激活會導緻整個風力渦輪機必須重新啟動，這使得故障暫停運作無法實作。
<<·——結論——·>>
從松鼠籠式感應電機到雙饋感應電機在風力發電技術中的發展展現了這類電動發電機的巨大潛力。最早采用松鼠籠式電機的風力渦輪機是在1980年代末建造的，額定功率不到100千瓦。
而如今，采用雙饋感應電機的現代風力渦輪機的額定功率已經達到5.0兆瓦。這些渦輪機的構造旨在實作極高的效率、性能和極低的維護成本，以便為下一代海上風力渦輪機做準備。
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