變速恆頻風電機組

交流勵磁變速恆頻發電是 20 世紀末發展起來的一種全新高效發電方式，適用於風力﹑水力等可再生能源開發利用，尤其在風力發電中得到了廣泛的應用。 變速恆頻風力發電技術與恆速恆頻發電技術相比具有顯著的優越性，首先大大提高了風能轉換效率，顯著降低了由風施加到風力機上的機械應力；其次通過對發電機轉子交流勵磁電流幅值﹑頻率和相位可調的控制，實現了變速下的恆頻運行，通過矢量變換控制還能實現輸出有功和無功功率的解耦控制，提高電力系統調節的靈活性和動﹑靜態穩定性。

交流勵磁變速恆頻發電機採用雙饋型異步發電機，與傳統的直流勵磁同步發電機以及通常的異步發電機相比其併網過程有所不同。同步發電機和電力系統之間為 “剛性連接”， 發電機輸出頻率完全取決於原動機的速度，與其勵磁無關。併網之前發電機必須經過嚴格的整步和（準）同步，併網後也須嚴格保持轉速恆定。異步發電機的併網對機組的調速精度要求低，併網後不會震盪失步，其併網的方式也較多，如直接併網、準同期併網和降壓並

網，但它們都要求在轉速接近同步速（ 90%~ 100%）時進行併網操作，對轉速仍有一定的限制。採用交流勵磁後，雙饋發電機和電力系統之間構成了“柔性連接”，即可根據電網電壓和發電機轉速來調節勵磁電流，進而調節發電機輸出電壓來滿足併網條件，因而可在變速條件下實現併網 ^[1]  。隨着風力發電機組容量的不斷擴大，變速恆頻技術應用與日俱增。如何安全、順利地併網已經成為這種先進發電方式應用與控制中必須探討的一個重要課題。

評價風電機組優劣的主要指標為一定時間內的實際發電量和平均無故障時間。因此，機組控制策略的設計，既要考慮到儘可能提高機組的發電能力，又要為機組各部件留有充分的安全餘量，同時兼顧到良好的供電質量。

對於變速恆頻風電機組而言，在額定風速以下運行時，風電機組應該儘可能的提高能量轉換效率，這主要通過發電機轉矩的控制，使機組變速運行來實現。所以這時候沒有必要改變槳距角，此時的空氣動力載荷通常比額定風速時小，因此也沒有必要通過變槳來調節載荷。

在額定風速之上運行時，變槳控制可以有效地調節風電機組所吸收的能量，同時控制葉輪上的載荷，使之限定在安全設計值以內。由於葉輪的巨大慣量，變槳作用對機組的影響通常需要數秒的時間才能表現出來，這很容易引起功率的大幅波動，因此必須以發電機轉矩控制來實現快速的調節作用，通過變槳調節與變速調節的協同控制來保證穩定的能量輸出 ^[2]  。

風電機組的控制技術是一項綜合技術，它涉及空氣動力學、結構動力學、機械傳動學、電工電子學、材料力學、自動化等多個學科。而且，風電機組具有不同於通常機械系統的特性：風電機組的動力源是具有很強隨機性和不連續性的自然風能，使傳動系統的輸入極不規則，疲勞負載高於通常旋轉機械的幾十倍。為此，在控制過程中，要求系統對隨機的動態負荷有很強的適應能力，並且能有效地降低結構的疲勞載荷。

空氣動力學模型是風電機組控制系統設計的基礎。對於風電機組這樣的特殊設備，實際的風況將直接影響控制效果。因此即使是成熟的機型也應該根據各個風場的自然條件來調整控制參數，在弦長經過驗證後才能進入商業化運行。 ^[3] 

結構動力學分析是風電機組進行優化控制的關鍵。現代大型風電機組由於葉片的長度和塔架高度大大增加，結構趨於柔性，這有利於減小極限載荷，但結構柔性增強後，葉片除了揮舞和顫振外，還可能發生扭轉振動。當葉片揮舞、擺動和扭轉振動相互耦合時，會出現氣彈失穩，導致葉片破壞。在變槳機構動作與葉輪不均衡載荷的影響下，塔架會出現前後和左右方向的振動，如果該振動激勵源與塔架的自然頻率產生共振時就有可能導致機組傾覆。因此，大型風電機組結構動力學是一個複雜的多體動力學問題 ^[1]  。

由於在實施控制的過程中會對結構性負載及振動產生影響，這種影響嚴重時足以對機組產生破壞作用，所以設計控制算法時必須考慮這些影響。一個理想的風電機組控制系統除了能實現基本控制目標外，還應儘可能實現以下控制目標：

（1）減小傳動鏈的轉矩峯值；

（2）通過動態阻尼來抑制傳動鏈振動；

（3）避免過量的變槳動作和發電機轉矩調節；

（4）通過控制風電機組塔架的振動儘量減小塔架基礎的負載；

（5）避免輪轂和葉片的突變負載。

這些目標有些相互間存在衝突，所以控制的設計過程需要進行相互權衡，實現最優化設計。