文/烽火纪史编辑/烽火纪史<<·——前言——·>>感应电机在风力涡轮机发电方面的发展历程，时间跨度从20世纪中一直延续到现在，在简单的历史介绍后，我们将了解不同的能量转换概念。
首先是丹麦概念，它直接将松鼠笼式电机与电网相连。
接着，为了调节机器的转速，采用了带有集电环的绕线转子电机来改变转子电阻。
这个概念使得风力涡轮机和感应电机能够首次适应工作点。
另一个概念是将松鼠笼式电机的定子与全内联电压源变流器连接到电网，这样可以获得更灵活的旋转速度和控制无功功率。
最新的发展是双馈感应电机，通过在转子电路中使用双向电压源变流器，其额定功率仅为额定发电机功率的30%。
这使得风力涡轮机能够独立且在广泛范围内调节旋转速度和无功功率。
最后我们展示了现代双馈感应电机（DFIG）的通用控制方案，用简单的方式解释了其可变性和应用范围。
如今，超过70％的风力涡轮机都采用DFIG结构。
<<·——风力发电机的发展历史——·>>风能的利用已有一千多年的历史。
早在公元650年左右，西藏就有了第一个有历史记载的使用风能的例子，当时是用于宗教目的。
这些早期的模型是垂直轴风力涡轮机，基于蛇形拖曳式设备的原理，类似于现在只用于风速计中的设计。
第二个千年开始时，水平轴风车在欧洲南部和荷兰地区变得流行，主要用于水泵抽水。
第一次使用风力发电是在1887年由查尔斯·布拉什在俄亥俄州克利夫兰完成的。
使用的直流发电机额定功率为12千瓦，专门设计用于充电电池。
而感应电机是在1951年首次使用于风力发电中。
<<·——利用风能和感应电机发电有几个基本原理——·>>最简单的原理是将松鼠笼式感应电机通过齿轮箱直接连接到电网上，这被称为丹麦概念（见图1）。
齿轮箱的作用是将风轮的低转速转换为与电网频率兼容的转速，例如欧洲50赫兹电网中的4极发电机转速约为1500转/分钟。
风力涡轮机的转速取决于叶片的直径。
一个常见的额定功率为600千瓦，叶片直径为44米的松鼠笼式电机在涡轮机上使用26转/分钟。
叶片尖端的最大速度为60米/秒。
图1丹麦概念的主要优点是整个风力涡轮机的结构非常简单，投资和维护成本非常低。
不需要功率变换器或复杂的控制器。
主要缺点是转速固定。
这对于几个方面都很重要：叶片在宽风速范围内不处于最佳工作点。
发电机的电功率无法快速调节，因为唯一的影响方式是叶片的扭转角度。
风阵和塔的背压直接导致功率波动。
为了减少这些缺点，可以构建一个具有更高滑差比的发电机，因为滑差意味着系统的弹性。
图2显示了标准工业机器的滑差与额定功率的图表。
总体趋势是随着极数的增加而增加滑差。
六极或八极发电机的弹性比二极发电机更高。
这种弹性是减少功率波动所必需的，这减轻了传动系统的负荷并在电网中引起功率峰值。
图2在图3中，左侧显示了滑差为2%的松鼠笼式电机的功率波动图，右侧显示了滑差为8%的松鼠笼式电机的功率波动图。
滑差为2%的发电机导致功率波动范围在额定功率的20%左右，而滑差为8%的发电机只有5%。
时间域内的可变性是风速的结果，这在图3中清楚地可见。
图3在丹麦概念中，发电机直接耦合到电网上，因此减少传动系统和电网的动态负荷的唯一方法是设计一个具有较多极数的发电机。
这样做的缺点是增加了发电机的体积和质量，降低了整个系统的效率。
图4描述了直接与电网耦合的风力涡轮机的特性曲线阵列，并且通过风速参数化。
额定风速为6米/秒，在这个工作点上，感应发电机的特性曲线完全匹配。
随着风速增加，发电机的转速降低；随着风速减小，发电机的转速增加。
通过在几个百分点的范围内改变滑差，可以实现这种行为。
如果风速低于4米/秒，则无法向电网供电。
图4为了避免这个问题，第一步是建造具有两个发电机的风力涡轮机，一个用于弱风条件，具有较低的额定功率和转速，另一个用于强风条件。
例如，一个额定功率为600千瓦的风力涡轮机在弱风条件下使用一个200千瓦的发电机，在强风条件下使用一个600千瓦的发电机。
另一种可能性是只使用一个发电机，并可切换不同的极数以适应不同的风速。
图5显示了一个运行图。
该图描述了输出功率与转速的特性曲线阵列。
强风发电机的额定工作点在1米/秒的风速下运行，而弱风发电机在7.5米/秒的风速下运行最佳。
在切换弱风和强风发电机的转速点之间必须有滞后，以避免频繁切换对机械和电气元件造成不必要的动态负荷。
图5可调速发电机在现代风力涡轮机中非常普遍，具有以下几个优点：1、可以减少涡轮机所有部件的机械应力，因为风阵可以被涡轮机的惯性吸收。
2、可以减少电网中的功率波动，因为风力的影响被缓冲在机械能中，不会传递到电网。
甚至塔的背压也可以被补偿（见图7）。
3、通过根据风速调整转速，可以提高系统的效率。
在宽风速范围内可以实现最大输出功率（见图14）。
4、在可变速情况下，叶片调整控制可以更简单，因为时间常数可以更长。
在弱风条件下，噪音排放减少，因为涡轮机以较低的速度旋转。
图6图7要以合理的价格获得可调速发电机的第一种方法是从松鼠笼式感应电机转变为带有集电环的绕线转子电机，通过改变转子电阻，可以调整感应电机的工作点，以获得更好的适应性，适用于启动弱风条件和强风条件。
借助这种技术，还可以以非常动态的方式改变转子电阻。
在图7中，绘制了转矩、输出功率和滑差的曲线。
当一个转子叶片经过塔的背压区时，转矩曲线会急剧下降。
如果使用非常动态的滑差控制，可以如图中所示调整转子电阻，从而在向电网耗散功率时可以补偿这种效应。
还有几种方法可以建造可调速的风力涡轮机。
一种可能性是改变丹麦概念，在电气连接方面采用直接联接频率变流器（VSC），将发电机的定子与电网连接（见图8）。
在这个概念中，发电机本身无需改变，但也有几个明显的缺点：图8频率变流器必须根据涡轮机的最大功率进行尺寸设计，因此成本较高。
变流器的效率影响整个系统的功率，必须在全功率范围内非常高，以保证高性能。
选择这种拓扑结构的原因是：1、可以在较大范围内控制功率因数。
2、风阵不仅可以缓冲在机械惯性中，还可以缓冲在中间电路的能量存储中。
3、松鼠笼式感应电机非常坚固，维护成本较低。
图9描述了一组特性曲线。
通过变化定子频率，可以调整松鼠笼式感应电机的特性曲线，功率电子可以将发电机的工作点调整到风力涡轮机的不同工作点上。
图9双馈感应电机在风力发电中变得越来越普遍，如今，超过70%的风力涡轮机采用这种类型的感应电机。
通常，电压源变流器通过集电环连接到感应电机的转子侧，而电网侧变流器和感应电机的定子则直接连接到电网（见图10）。
图10几年前，在变流器和电网之间需要放置一个变压器来适应电压。
但如今不再需要，因为可以根据转子绕组和功率电子的设计来确保即使在低转子频率区域（同步运行点）的转子电压也足够高，只需使用电感就能输入电网。
在欧洲，一家公司主要使用独立励磁的同步发电机来建造无齿轮的风力涡轮机。
其主要特点应简要描述如下：由于取消了齿轮箱，涡轮机更加可靠，需要较少的维护。
需要一个直接联接的变流器，就像图11中所示，具有上述优点，但成本较高。
同步发电机必须具有较高的极数（100到300极），这导致发电机直径较大。
图11这种类型的风力涡轮机采用了同步发电机，并取消了齿轮箱，这使其在可靠性和维护方面都具有一定的优势。
然而，由于使用的是同步发电机，需要一个高极数的发电机，这导致发电机的直径较大。
同时，由于需要直接联接的变流器，成本相对较高。
其他类型的发电机，如直流发电机、永磁发电机或可变磁阻发电机，在风力发电的现状市场中不是很重要。
特殊磁体（NdFeB）的价格在过去几年里大幅下降。
因此，使用永磁发电机建造风力发电机可能会引起人们的兴趣。
尽管存在处理、腐蚀、长期稳定性和系统控制方面的困难，但已经建造了第一批试点项目。
<<·——最先进风力发电短舱的部件——·>>在图12中示出了Nordex公司最先进的风力涡轮机的机舱的轮廓。
图12现代风力涡轮机由转子毂（2）和三片转子叶片（1）组成，每个叶片都可以独立和冗余地调整叶片的扭转角度。
主轴承（4）负责吸收所有静态和动态负载，支撑着转子轴（5）。
在齿轮箱（6）中，将叶片的低速转换为感应发电机（9）的额定转速。
在齿轮箱和发电机之间的传动系统中有一个安全制动器（7）和一个联轴器。
所有这些重型部件都安装在舱盖架（3）上。
发电机和齿轮箱都需要一个特殊的冷却装置（10）来控制高风速或高温下的温度。
控制单元（12）和液压系统也位于舱室内。
整个舱室连同舱盖（16）安装在塔（17）上，并通过偏航轴承（15）根据风向进行对准。
在图14中，绘制了一台额定功率为2300千瓦的Nordex N90风力涡轮机的特性输出功率曲线。
该设备在风速为3.5米/秒时开始发电，具有最佳的叶片扭转角度和非常低的10转/分钟转速。
直至风速达到12.5米/秒时，变速控制模式都可以进行。
在该工作点上，实现了额定功率并达到最大转速17转/分钟。
图14从这个风速开始，一直到最大可能的运行风速25米/秒，将采用叶片扭转角度变化的控制模式。
如果风速超过25米/秒，风力涡轮机必须关闭，以避免损坏。
当风速降低时，风力涡轮机可以重新启动。
<<·——控制——·>>风力发电机的控制可以分为两个主要部分：机器控制和系统控制。
系统控制负责将舱室对准风向，机器控制取决于发电机类型。
图13展示了双馈感应发电机的通用控制方式。
电压源变流器大约负责整个发电机功率的30％，被分为两个独立的结构，分别控制电动机和电网侧。
变流器的电网侧负责中间电路电压，并控制从电网流入或流出的功率。
图13这是通过控制电网变流器的有功功率轴，根据直流中间电路电压的方向，来实现的。
在现代设备中，可以单独控制无功功率，以便根据电网需求在广泛范围内调整系统的总功率因数。
在这种情况下，电网变流器的控制方案也采用矢量控制，以上述方式调节中间电路电压中的有功功率和向电网的无功功率，通过高级无功功率控制策略来实现。
在早期的涡轮机中，可以省略此控制，将变流器的无功功率设置为零。
在这种情况下，系统的总无功功率只能通过转子侧的d轴间接设置。
机器侧变流器通常通过d-q坐标系的矢量控制方案进行控制，可以独立控制磁通和转矩。
d轴包含电流的PID控制器和机器的无功功率的功率控制器。
该控制器的设定点由上述无功功率控制策略给出，以设置系统的总功率因数。
转子侧变流器的q轴由电流控制器在内环控制，该控制器从转矩控制器获得参考值。
至少在转子侧的两相中测量电流反馈，并转换成d-q系统。
在大多数情况下，测量所有三相电流以提供冗余。
在所示的控制方案中，忽略了定子的电阻，这在实际涡轮机中可以轻松添加进去。
实际的机械转矩是通过计算d轴和q轴电流得出，并与速度控制器的输出进行比较。
参考涡轮速度由有功功率控制设定，通过查找表和测量的风速生成最佳转速。
这是为了控制涡轮机的旋转速度（见图9）。
风速可以独立测量，例如使用风速计。
实际的有功功率和无功功率值是通过电网电压和电流计算得出的，这里简化了描述。
还计算了相位角Pg，这是将电压和电流转换为d-q坐标的必要步骤。
在发电机由于断路器故障或短路等突然脱离电网时，转子电路中可能会出现高压脉冲。
为了保护转子侧变流器，通常会使用所谓的“crowbar”（短路器），将发电机的转子短路。
过了一段时间后，控制系统通过普通断路器将定子与电网断开。
然而，这种保护措施的问题在于电网规范通常要求实现故障暂停运行（fault ride through）。
而短路器的激活会导致整个风力涡轮机必须重新启动，这使得故障暂停运行无法实现。
<<·——结论——·>>从松鼠笼式感应电机到双馈感应电机在风力发电技术中的发展展现了这类电动发电机的巨大潜力。
最早采用松鼠笼式电机的风力涡轮机是在1980年代末建造的，额定功率不到100千瓦。
而如今，采用双馈感应电机的现代风力涡轮机的额定功率已经达到5.0兆瓦。
这些涡轮机的构造旨在实现极高的效率、性能和极低的维护成本，以便为下一代海上风力涡轮机做准备。
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