变速恒频双馈式异步风力发电机分析

孙 伟

（中广核新能源辽宁分公司，辽宁 营口 115203）

1 双馈式异步发电机的构成和原理

1.1 构 成

变速恒频双馈式异步风力发电机的结构与异步式发电机的结构基本一致，都包括转子、电刷及滑环。异步式发电机中，转子可通过侧入方式进入电机内部，并进行电流传输。此传输方式不仅提高了电能传输的效率，而且可稳定异步式发电机的交流定频。双馈式异步发电机是由一台带电环的定子、变流器及异步电机共同组成。变流器主要通过交换电流输出电流，在整体变流中的工作路程是不可逆的。变流器与集成电环相连，保证转子在交流电路中以直流电的形式输送电能，然后在交换机中进行交流转化，经平波电抗系统过滤后，对干扰因素和可逆电流进行回流，最终返回到电网。这一过程就是双馈式异步发电机向电网输送功率的具体过程[1]。

1.2 基本原理

由于双馈式异步发电机的转子和定子在进行发电时，相较于空间内的磁场，其相对位置是静止的，因此当电机频率不变时，定子频率发生改变，与转子之间的相对关系仍成立。发电机的转速与定、转子的电流频率关系公式为：

其中，f1为定子的电流频率，单位为Hz；f2为转子的电流频率，单位为Hz；N为转子转速，单位为r·min-1；P为发电机的磁极对数；N1为同步转速。由式（1）可知，若发电机的转速发生改变，需调节转子的频率，以保证定子的频率不变。为保证与电网相同的频率进行电力输送，恒频的控制需以调节转子的电流频率实现。

由于转子的运动速度与发电机的转速不同，可将双馈式发电机的运行状态简单分成同步运行状态、低速同步状态和超速同步状态。

第一，同步运行状态。当N=N1，转差率等于0时，式（1）为双馈式发电机转子的转速与同步转2速相同。此时，双馈式发电机所发的电为直流电。

第二，低速同步运行状态。当N＜N1，转差率大于0时，式（1）为，转子的运行速度小于发电机的运行速度，因而在相同条件下产生的磁场方向相互吸引，导致转子的运动方向与磁场方向一致，可平衡发电机内部的磁场关系。

第三，超同步运行状态。当N＞N1，转差率小于0时，式（1）为转子的运行速度大于发电机的运行速度，因而在相同条件下产生的磁场方向相互排斥，导致转子的运动方向与磁场方向相反，可平衡发电机内部的磁场关系。

双馈异步发电机与电网之间的连接采用柔性连接。在发电机内部，定子与外部发电网络直接相连，利用环状磁场抵消内部的磁场力量，并通过控制转子的相应流速、位置以及频率等物理特征控制发电机的相应参数，最终实现变速恒频控制。双馈式异步发电机的并网过程：先启动风力发电机组，由于初始速度较低需进行物理辅助；当转子在回路中产生的电能足够推动自身运转时，实现与电网内部的电压同步，最终实现风力发电机快速与无电流冲击并网。

双馈式风力发电机由电力磁场的相互作用实现发电，可变性较高，在相位、相序、频率及增幅方面均可实现动态调节，但在频率调节方面需精准控制。由于风力发电的转数随风变化，可进行双馈式发电，以保障所产电能频率稳定。改变电流的增幅和相位关系，可改变电网中的电压和发电机中定子和转子之间的关系。两者之间的相位角随发电机发电功率的改变而改变，最终实现发电机有用功和无用功的动态调节。

1.3 双馈式异步风电机与永磁同步风电机的对比

1.3.1 双馈式异步风电机对比永磁同步风电机的优点

目前，国内外的双馈式发电机技术比较成熟，多数兆瓦级风电机组均采用双馈式发电机。大型直驱机组技术仍处于研发阶段，产业链尚不完善。变速恒频发电机中，变速恒频是通过转子在电路中运动实现的。运动过程中，转子由于运动产生的电功功率即转子的实际功率，也称为转差功率，一般是普通发电机额定功率的0.25～0.33倍。对比的永磁同步机采用全功率变频。双馈式风电机的变流器的容量不缩减，可间接降低变流器的成本。同时，双馈式异步风电机的制作结构相对简单，体积和重量相比同步机大大减小，故双馈式风电机的整体成本比同步机低。

1.3.2 双馈式异步风电机对比永磁同步风电机的缺点

双馈式异步风电机向电网传输有功的同时，吸收电网中滞后的无功，导致系统功率因数降低，增加了电网负担，降低了电力系统的稳定性。此外，双馈式异步风电机需在变流器中增加某个模块，以解决低电压穿越功能弱的问题。

1.4 变流器的构成及工作原理

变流器是实现电流调解的仪器，主要包括主电路系统、智能控制系统、集成电路以及配电系统。各个系统又包括很多模块，大致分为定子开关模块、整流稳流模块、输入输出模块、滤波器模块、防逆变模块、电流传感模块、散热风机模块、有线监控模块及中控模块等。变流器的主电流系统包含转子侧逆变单元、电网侧整流单元及直流母线单元。变流器的基本工作原理是将双馈式异步风电机中的定子产生的电能通过变流的方式接入到电网中，实现电力的输送。电力输送过程中，需确保定子是围绕其中一个变频的交流三相电源进行相关作业，从而带动另外几个转子运动。此发电方式可最大限度实现交流的励磁效应，促进额定功率的增长。当负载产生的变化导致转子的转动频率发生改变时，可改变励磁电流的运动频率，促使整体输出电流的频率仍满足额定需求。风力发电机所发电能需与电网的输送频率相同，以实现恒频发电。

当风电机处于超同步工作状态时，网侧变流器处于逆变状态，转子侧变流器则处于整流状态，转子回路通过变流器向电网输送工频电能。当风电机处于亚同步工作状态时，网侧变流器处于整流状态，转子侧变流器则处于逆变状态，电网通过变流器向转子回路输送电能。

2 双馈式风力发电机的控制系统

双馈式风电机采用微机进行控制。它是将风轮转速、风速、风向、频率、发电机电压、电机电流、齿轮箱温升、发电机温升、塔架振动频率、电机舱振动频率以及电网电压、电流、频率等信号，经A/D转换输送至单片机，单片机再按设计程序给出各种指令，实现自动启动、自动调向、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、过振动停机以及过大风停机等自动控制。

双馈式风力发电系统中的控制技术是核心技术。自然界中，由于风速和风力随时间的变化而变化，且风向和风速的变化无迹可循。因此，为保证风力发电机组的切入和切出都达到输出要求，需加强发电过程中的动态监测。风力发电机组的控制系统的要求很高，即分布分散的发电机组可进行远程监控和无人值班运行。风力发电系统中的控制系统与一般工业控制系统不同。它要求监视风况、电网和机组运行参数，并对机组进行脱网和并网控制，以确保运行的可靠性和安全性。同时，它可根据风向和风速的变化，实时优化控制机组，提高机组发电量和运行效率。

双馈式风电机的控制系统在并网运行中应具备7项功能。

（1）根据风向信号，自动偏航对风。

（2）风机超速或转轴超速，可紧急停机。依靠风力发电机内的两套保护系统，实现风机停机。其中，气动刹车通过叶片顺桨或叶尖刹车使风对叶片的升力为零，风机在阻力下停止运行；机械刹车是在高速轴或低速轴刹车盘上施加机械制动，使风机停机。

（3）根据风速信号自动进入启动模式或脱离电网。切入风速是指风机开始并网发电的最低风速；切出风速是指高风速下风机脱网，停止运转的风速。大多数风机的切入、切出风速分别为3 m/s、25 m/s。

（4）根据风速和功率，可自动进行转速和功率控制。

（5）当电网发生故障时，风电机脱网，可确保整个机组安全停机。通过风机自动控制系统和安全链，以实现风机脱网、顺桨等动作，并最终实现风机停机。

（6）当扭曲到一定程度时，电缆具有自动解揽功能。通过风机的扭缆传感器，实时在线监测电缆位置。当扭缆超过警戒值时，强制解缆。

（7）运行的风电机组还应具备远程监控和通信的功能。

3 结 论

风力发电机组是一项集电机学、机械震动、电力电子、流体力学及通信等多学科技术于一身的现代科学技术产物。在可再生能源领域，双馈式风力发电机因独特的结构、成熟的技术以及优越的控制性能得到了广泛应用。