变频技术在风力发电机组及风机电气系统中的运用实践

国华能源投资有限公司辽宁分公司 王 刚

近年来，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式获得了广泛关注。在风力发电系统中，风机作为关键设备，其电气系统的性能和效率对整个系统的运行稳定性和发电效率起着至关重要的作用。为了提高风机的运行效率，有效地降低能源损耗，变频技术逐渐成为风力发电领域的研究热点。本文首先介绍了高压变频技术的基本原理，包括高压变频调速结构及其原理、变频器功率单元结构等。其次，详细讨论了风机变频控制应用的设计，包括变频器控制电源设计和设备选型的方法和原则。再次，分析了风机能源损耗的现状，探讨了变频技术在节能方面的运作原理。最后，通过数据分析和实验验证评估了变频技术在风力发电机组及风机电气系统中的应用效果，并提出了未来研究的展望。

1 高压变频技术在风力发电机组中的应用设计

1.1 高压变频技术基本原理

高压变频技术作为一种重要的能源节约技术，在工业生产过程中得到广泛应用。传统的生产机械设计通常会设置一定的驱动力富余量以确保生产的可靠性，但这将导致设备在正常运行中承担不必要的负荷，造成能源浪费。而高压变频技术的提出旨在通过调节设备的运行频率来减少能源损耗，提高能效。

以风机为例，通常在满负荷下工作，但实际上在大部分时间内并未充分利用其效益。通过应用变频调节技术，可以将风机的转速控制在额定转速的80%左右，这理论上可以节约51.2%的功耗。除了节能的效果，满负荷操作还会对风机的寿命造成不利影响，缩短轴承和电机绕组的使用寿命，并增加故障的可能性。变频调节技术通过改变电机的转速来实现功率调节。

基于以上分析，高压变频技术作为一种重要的能源节约方案，可以实现对风机转速的精确控制，从而提高能效和降低能耗。在风力发电机组及风机电气系统中的应用将极大地推广可再生能源的利用。

1.1.1 高压变频调速结构及其原理

高压变频调速系统是将交流电变换为直流电，再通过逆变器进行电压调节的装置。其主要由控制电源、变压器、逆变器，以及保护电路等构成。其中，变压器对输入电流进行升压，从而提高输出电压；逆变器则负责将高压直流信号转换回低压交流信号，并经过功率电子器件进行整流。而高压变频调速系统使用不同等级电压的变频器结构不同，以6kV 和10kV 为例[1]。其变频器的结构如图1所示，图2为变频器典型外形图。

图1 6kV、10kV 系列变频器的典型结构图

图2 变频器典型外形图

高压变频调速系统是一种将多级串联的功率单元的PWM（脉宽调制）信号进行移相和叠加的技术，以解决电子器件在高压环境下的耐压问题。在传统的变频调速系统中，由于电力电子器件的电压等级受限，难以满足高压环境下的要求。而高压变频调速系统通过创新的结构设计和工作原理，克服了传统系统的限制，实现了在风力发电机组中的应用。高压变频调速系统中的多级串联功率单元可以将PWM 信号进行移相和叠加，实现对电压和频率的精确控制。移相和叠加技术是多级串联功率单元实现高压变频调速的核心。通过适当地移相和叠加，可以保证每个功率单元在同一时刻都处于合适的工作状态，从而充分利用各个功率单元的能力，并确保系统的稳定性和可靠性。这种设计方案使高压变频调速系统能够同时满足高电压环境下的要求和风力发电机组的变频调速需求，提高了系统的运行效率和性能。

高压变频调速技术应用到电机中加强对其的精确控制，提高了运行效率和能源利用率。通过对电机转速的调节，能够适应不同的工况需求，从而达到了节能减排的目的。随着对高压变频调速技术的不断研究和改进，其在工业生产和能源部门中的应用前景将更加广阔，推动能源的可持续发展。

1.1.2 变频器功率单元结构

频器作为一种高效率的电力电子器件，其主要功能是将交流电源电压转换为直流输出。其中，变频器的主要组成部分就是功率模块和控制电路。功率模块是指由多个开关管组成的电流互感器串联而成的电容—电阻网络，其能够通过改变开关管的工作状态来实现对输入信号的变换。而控制电路则是指由一些数字逻辑电路构成的芯片，用于控制开关管的工作状态及信号处理。其变频器工作原理如图3所示。

图3 变频器工作原理

1.2 风机变频控制应用设计

1.2.1 变频器控制电源设计

变频器是风电机组的控制核心，其控制电源的设计直接影响着变频器的工作性能和可靠性。因此，选择合适的控制电源是非常重要的。目前常用的变频器控制电源主要有直流电压源、交流电压源，以及混合型电压源等。其中，直流电压源是最常见的一种，其具有稳定性好、功率密度高、体积小等优点，适用于较小容量的变频器。而对于较大容量的变频器，由于需要承受较大的电流和电压波动，所以采用交流电压源更为合适。此外，混合型电压源也是一种不错的选择，它可以同时提供直流和交流两种类型的电压，能够满足不同场合的需求。在实际工程中，为了保证变频器稳定运行，还需要考虑一些其他的因素，如供电线路的选择、负载匹配等。例如，在安装变频器时，应该选用符合标准的电缆线，并确保电缆长度不超过规定的限制值；同时还要对负载进行合理匹配，以避免过大或过小的负载对变频器的影响[2]。

1.2.2 变频器设备选型

变频器是一种能够将交流电源变换成直流电或改变频率输出的电子器件。目前，变频器主要分为三类：整流变频器、半导体变频器和晶闸管变频器。其中，半导体变频器是最常用的一种，具有体积小、功率大、效率高的特点。此外，半导体变频器还具有可调节特性，可以对电压和电流进行调节。因此，本文主要选择了半导体变频器作为变频器设备。

2 风机的能源损耗现状

从目前我国机械设备的使用情况来看，风机作为主要动力设备之一，其对电能的消耗约占全国发电总量的三分之一[3]。这表明风机在电能消耗方面起到了重要作用。然而，在实际使用过程中大部分风机的能耗与效益很难成正比。因此，许多单位不得不通过增加阻力的方式来满足工艺或工况对气体的需求，从而浪费了大量电能和金钱。然而，这种浪费电能的方式存在着调节精度差、负面效应高等问题，对能源的浪费程度较大。为了提高风机的能效，降低能源损耗，我们需要采取科学有效的措施。第一，应借鉴先进的节能技术，选用高效的电机和先进的变频器控制系统，从根源上提高风机的能效。第二，要加强对风机的维护保养工作，定期检查和清洁风机设备，确保其正常运行，减少能源的浪费。

3 风机变频节能的运作

利用变频节能的方式可以有效控制风机，减少空气动力消耗，相比常用的节电方式，其效果有较大的差异[4]。风机的特征曲线如图4所示。

图4 风机的特征曲线

在图4中，曲线1表示风机在恒定转速下其风压与风量的特性曲线；曲线2表示管网风阻的特性曲线；曲线3表示变频运行时的特性曲线；图4中显示，风压会略微增加，轴功率与面积BH1OQ2成正比，似乎没有明显降低效率的迹象。而将风机的转速由n1变成n2，可以得到曲线4，其是转速n2下的风量特性曲线。通过对比这些曲线，可以清楚地看出，使用变频调速的方式来实现节能的效果较好[5]。

在实际应用过程中，变频技术还需要结合其他控制手段，如智能控制、预测控制等，以实现更加高效、可靠的风电系统管理。例如，利用风流模拟模型，可以提前预估风场的瞬时特性，并据此制定相应的控制策略；而基于模糊控制理论的方法也可以有效地解决风电系统不稳定的问题。总之，变频技术是风机变频节能的重要组成部分之一，其能够有效提升风电系统的稳定性和效率，为风电行业的发展提供有力的支持。

4 结语

综上所述，本文深入研究了变频技术在风力发电机组及风机电气系统中的应用实践。通过介绍高压变频技术的基本原理及风机变频控制的设计和选择，我们了解了该技术在提高系统效率和降低能源损耗方面的重要作用。同时，通过分析风机能源损耗的现状并探讨变频节能的原理，我们发现变频技术在风力发电系统中具有显著的节能潜力。本文的研究结果表明，通过合理应用变频技术，可以提高风机电气系统的运行效率，减少能源消耗，进而推动可持续能源的发展。