基于感应发电机的风电机组研究

康会西 辛国权

（1.甘肃电投河西水电开发公司，甘肃 张掖734000；2.华北水利水电大学，河南 郑州，450045）

随着能源结构过渡性转变的步伐加快，各种新型能源不断涌现在人们面前，与其他新能源相比，风电具有很多优势，与常规发电相比更具有竞争力，如风电的效率最高，可以高达50%左右。随着风电数量的急剧增加，常规发电为支持风力发电而逐渐减少发电量，但风电在对电网规划、运行和控制方面存在的相关问题以待解决。风电并网的相关问题已经成为首要解决问题。风电具有以下两大特点：一是风能固有的波动性与随机性，二是风电机组中采用的感应发电机与常规的同步发电机相差甚远。感应发电机组是造成风电机组不同的核心因素之一，因此分析感应发电机在风力发电中的应用对电网规划、运行和控制具有重要意义。

1 基于感应发电机的风电机组概述

1.1现如今，风电机组概念的主要组成部分是基于感应发电机的相关概括性术语。基于感应发电机的风电机组是指使用感应发电机将风轮的机械能转换为电能供给电网。起初基于感应发电机的风电机组使用的是定速、装设转子电路短路的常规感应发电机。

在20世纪70年代，丹麦首先将装有常规感应发电机的定速风电机组投入到商业性生产，当时的商业风电机组的额定功率仅能达到20KW左右，随着世界各国对风电的大力开采与推广，20世纪90年代，风电机组的额定功率已经可以超过1MW。风电机组的生产正在成为一项包含先进风力技术、机械制造技术及电力电子变频技术的大规模产业。

1.2常规定速

最早的商业风电机组使用的是转子回路短路的感应发电机，发电机转子通过轴系与风电机组相连、发电机定子回路与电网之间用交流连接，这一概念被称为定速概念。常规定速风电机组在额定运行时速度只能在很小的范围内波动，通常情况下不超过2%，因此这一速度范围又被称为感应发电机的电磁滑差。

1.3动态转子电阻

装有动态转子电阻的感应发电机中转子回路与电力电子变频器相连接，绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关控制电力电子变频器的运行。发电机转子滑差能连续运行的前提是外部转子电阻的动态控制，转差范围在转子回路短路的常规感应发电机滑差值到10%之间。

2 稳定性研究用的感应发电机模型

2.1 电网故障类型

短时电压稳定地研究对象通常是指发生持续一段时间的某类短路故障的电网。研究的目标是了解不同短路故障导致电压跌落的数值，比如三相短路、两相接地短路、单相接地短路和相间短路故障。表1列出了不同短路故障下故障点的正序残留电压典型值，此信息对应用于用电网正序等值量的仿真工具研究短路时电压的稳定情况，如PSS/ETM就会用到。

表1 各类短路故障时零阻抗故障节点的正序残留电压表

2.2 电流暂态量

通常情况下，研究短路电压稳定时，感应发电机采用三阶简化模型来表示，依据是在这类研究中同步发电机表达方式的经验及同步发电机转子角度与动态稳定地关系。转子角度是发电子转子的积分，就动态稳定及转子角度的关系而论，常态性能比转速的瞬时性能更重要。发电机电流幅值的准确预测对发电机继电保护相当重要。当风电机组因发电机电流暂态值过大而存在保护性切机风险时，三阶简化模型并不一定总是正确地［1］。

2.3 发电机转子惯量

感应发电机在短路故障期间的电压变化与发电机转速动态性能有密切关系。感应发电机三阶简化模型预测的该类发电机加速度将偏大，因为故障发生后发电机转速立即增加。而对于五阶暂态模型，发电机转速进入短路故障时带一个感应发电机定子磁通制动转矩会产生凹陷，导致感应发电机的加速度随之减小。发电机转速动态性能运动方程：

由上式可以看出，制动转矩的影响会产生作用于发电机转速wG的电气转矩TE的第一个暂态尖峰，而发电机转速wG与发电机转子惯性常数HG有关［1］。

3 基于转子动态电阻的感应发电机

基于转子动态电阻是指感应发电机的转子电路与外部转子电阻REXT的串联。此外部转子电阻数值由电力电子变换器控制在给定范围内，由于它的动态变化使风电机组的转子可以在一定范围内实现部分变速运行。

3.1 最优滑差

要使传动系统转矩及电力输出的波动最小，就要使用最优滑差控制的感应发电机运行于最优滑差的条件。所谓的变滑差发电机就是用这种方法控制的感应发电机。

3.2 功率和转速

桨距角会智能的根据风速进行控制，当并入电网的变滑差发电机输出功率低于额定值时，桨距角会根据实时风速加以控制。在此运行方式下，根据风速通过设置桨距控制可以使输出的机械功率达到最大。通过改变功率基准值来控制变滑差发电机的功率，其中功率基准值取决于实际滑差。

风速的波动性导致发电子转子转速发生变化，转子电流快速控制器把转子电流和有功功率维持在恒定值。当实时风速低于额定风速时，发电机转子滑差会低于2%，根据变滑差发电机的功率基准线可以确定功率基准值。当实时风速高于额定风速时，发电机转子滑差高于2%，功率基准值维持在额定功率水平线附近。

3.3 一般表示方法

在装有双停运感应发电机和DRR控制的桨距控制风电机组，一般表示方法受该风电机组如何对网内短路事故的响应方式影响。一般表示方法包括以下几种：①感应发电机模型，包括基频暂态表达式和转子电路。②轴系两质块模型。③通用桨距控制模型。④DRR通用控制模型。⑤含有闭锁变频器和风电机组从电网解列的保护系统模型。⑥闭锁和重启变频器而无须切除风电机组功能的保护系统模型［1］。

3.4 无功补偿

由于DRR控制不能控制无功功率，只能根据发电机滑差来调节相应的有功功率，因此带DRR控制的双停运感应发电机需要从电网获得励磁，即从电网吸收无功功率以进行无功补偿。为改善此风电机组的短时电压稳定性和故障穿越能力，笔者建议使用SVC单元的动态无功补偿装置。

4 基于双馈感应发电机的风电机组

4.1基于双馈感应发电机（doubly fed inductiongenerator，DFIG）的变速风电机组由于具有变速运行的特性，能提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力［2-3］。将电力电子变频器控制的双馈感应发电机运用到风电机组中可以实现变速运行。将发电机转子回路馈入转子变换器后使之运行，相当于在转子回路中串接一个外部电压相量，可以通过控制该电压相量使转子回路的电气频率达到预期转速。在电网正常运行状态下，为了使输出功率更加优良，转速通过转子侧变换器的控制进行相应的调节，这就是为何要用电子回路变频的原因。文献［3-6］研究了基于双馈感应发电机的变速恒频风电机组动态数学模型及励磁控制策略，实现了发电机有功功率和无功功率的解耦控制。

4.2磁路饱和

磁路饱和说明磁通与绕组电流之间的关系为非线性关系，绕组产生过电流时会导致磁路饱和。绕组暂态过电流的情况可以引起磁路饱和效应，之后产生高次谐波，而电网的频率是基频，产生的高次谐波有可能会影响到变频器的IGBT开关。当电压大幅度跌落且残压为20%时，高次谐波会使暂态电流增加到4%左右。当转子回路的电压和基频暂态过电流严重跌落直至触发变频器保护动作时，磁路饱和效应会在发电机电流中表现出来。

4.3机械系统模型

基于DFIG的变速风电机组的机械部分包含气动风轮、轴系和桨距角控制，其中风轮的最优输出是通过变速运行及使用桨距角控制来实现的。目前，大多数变速风电机组的桨距角控制通常采用的是离散控制（也叫数字控制），处理采样保持时间约为几十毫秒的采样值。在研究电力系统稳定运行的时候，通常用适当的连续控制系统来模拟这种离散控制系统，最常见的系统为含拉普拉斯传递函数的控制系统。轴系扭震会导致发电机转速不稳定而发生波动，但是只要保证变频器控制处于运行状态就不会影响到电网电压特性。有功功率和转子电流幅值都会随发电机转速发生一定的波动，这种随发电机转速的波动可能导致变频器电流接近其极限值，从而进一步限制变频器在电网发生严重故障时保持其他的控制能力［1］。当电网发生短路故障使变频器闭锁时，其控制能力也就相应的消失了，同时投入转子短路棒进行保护，比如转子回路通过短路棒短接。在这种情况下，发电机的特性与常规发电机一样，发电机转速与电网电压波动之间存在耦合关系。因此，变速风电机组与基于常规感应发电机的风电机组无差别，都应使用两质块模型。

［1］弗拉基斯拉夫.阿赫玛托夫（Akhmatov，V.）.风力发电用感应发电机［M］.中国电力出版社，2009.

［2］Zinger D S，Muljadi E.Annualized wind energy improvement using variable speeds［J］.IEEE Trans on Industry Applications，1997，33（6）：1444-1447.

［3］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.

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［5］卞松江，吕晓美，相会杰，等.交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（16）：57-62.

［6］李晶，王伟胜，宋家骅.变速恒频风力发电机组建模与仿真［J］.电网技术，2003，27（9）：14-17.