试谈并网双馈风力发电机组自动化并网运转

摘要：随着风电机组装机容量在电网中所占比例越来越大，其对电网的影响将不容忽视，所以研究风电机组的并网运行具有非常重要的意义。本文以目前最具发展潜力的双馈风力发电机组为研究对象，在对其结构和工作原理进行分析的基础上，对其并网运行做了详细的分析，提出了双馈风力发电机组与电网并联运行的电压和频率控制策略。
关键词：双馈风力发电机组 双向变流器 运行状态 并网运行
1007-9416（2013）01-0206-02
风力发电的常见的运行方式有独立运行和并网运行两种，其中并网运行方式是高效、大规模利用风能最为经济的方式。目前商品化的并网型风力发电机组已朝向大容量化发展，因此不同容量等级的风力发电机组可并接至适当的电压层级。如，个别风力发电机组或小型风电场可接至配电系统；大型风电场可接至输电系统等。由于风能具有随机性和间歇性的特点，大容量风力发电机组的并网运行将对电能品质和系统安全造成一定程度的冲击。例如，若采用非同步风力发电机，运行时将从电网吸收无效功率，进而对电网的稳定性、电压等产生不利影响。如何合理地在理论分析的基础上解决这些不利因素，从而保证风力发电并网运行的安全可靠，是目前研究的重要课题。

1 风电机组技术的发展

目前，按照发电机运行的方式来分，风力发电系统主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般采用鼠笼异步发电机或同步发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机始终维持在高于同步转速附近作恒速运行，以保证发电机端电压的频率恒定。由于该系统机械结构简单、不易出故障、维护方便，因此一直以来得到了广泛应用。其缺点是运行范围比较窄；不能实现最大风能捕获，风能转换效率低；叶片复杂，重量大，不宜制造大风机；风速变化引起功率变化乃至电网电压的变化，这些对电网的电能质量将产生不利影响。
变速恒频风力发电系统是20世纪末兴起的一种新型风力发电系统，它将矢量控制技术、电力电子技术等引入发电机的控制系统中，从而能够获得高质量的电能。该技术是指在风力发电的过程中，发电机的转速随风速变化而变化，然后通过合适的控制使其发出的电能频率保持不变。变速恒频风力发电系统一般采用同步发电机或双馈发电机，而双馈发电机是目前最具发展潜力的变速恒频风力发电机。

2 双馈风力发电机组的结构

双馈风力发电机是三相异步发电机中的一种，是变速恒频风力发电系统的核心组成部分，也是风力发电机组国产化的主要部件之一。其结构类似于绕线式异步发电机，其定子和转子上都有三相对称绕组。所谓双馈风力发电机就是指它的定子和转子两侧都能够馈送电能。它的定子绕组和电网直接相连，转子绕组通过双向变流器和电网相连，双向变流器根据运行要求自动调节转子绕组电源的电压幅值、相位及频率，使得风力发电机组能够实现变速恒频发电，满足并网和用电负荷的要求。双向变流器由网侧变流器和机侧变流器两部分组成，它们是彼此独立控制的。其采用双PWM可逆整流控制系统，中间由电容器相连接，直流侧电容两端的电压要保持恒定。双PWM可逆整流控制系统在任一时刻，一部分起PWM整流器的作用，另一部分起PWM逆变器的作用。

3 双馈风力发电机的基本原理

当三相对称转子绕组中通过三相对称低频交流电时，在转子中产生一个低速的旋转磁场，这个磁场的转速n2和转子的机械转速nr相互叠加，和定子的同步转速n1相等，即
（式1）
从而在发电机的定子绕组中感应出相当于同步转速n1的工频电压。当转子的机械转速nr变化的时候，通过调节转子电流的频率来改变旋转磁场的转速n2，进而补偿电机转速的变化，最终保证输出恒定的频率。
异步电机的转差率为s=（n1-nr）/n1，则双馈风力发电机三相转子绕组中通入的电流频率应为：
（式2）
（式2）表明，当双馈风力发电机的转子转速变化时，只要在三相对称转子绕组内通入转差频率（f1s）的电流，就能够保证双馈风力发电机的定子绕组输出工频电能。
双馈风力发电机在转子转速小于同步转速的时候也能够运行在发电状态；定子端并

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网以后始终发出电功率；但转子端电功率的流向由转差率的大小决定。
（1）当s=0时，双馈风力发电机处于同步运行状态，双向变流器供给转子回路直流电，与普通同步发电机一样。
（2）当0（3）当s<0时，双馈风力发电机处于超同步运行状态，除定子端向电网输出电力外，转子端也向电网输出一部分电力。

4 双馈风力发电机组的并网运行

4.1 双馈风力发电机组并网运行的特点

（1）风力机启动以后通过增速箱带动双馈发电机，使其转速接近同步转速时，通过双向变流器的调节使得发电机的电压幅值、相位和频率与待并系统的电压幅值、相位和频率一致时即可并网，并网时冲击电流很小。
（2）风力发电机的转速可随风负载的变化及时作出相应的调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。
（3）双馈异步发电机有励磁电流的幅值、相位及频率3个励磁可调量。双馈异步发电机输出的无功功率和有功功率是通过调节励磁电流的幅值及相位实现的；发电机的变速恒频运行是通过调节励磁电流的频率实现的。

4.2 双馈风力发电机组与电网并联运行的自动控制策略

双馈风力发电机组与电网的连接图如图1所示。
（1）电压的自动控制策略：当双馈发电机的负载减小时，发电机的端电压增加，此信息由电压检测电路获得，并反馈给转子电流大小的控制电路，调节发电机的转子电流，使其减小，定子绕组的感应电动势也将减小，发电机的端电压恢复至额定电压。同理，当双馈发电机的负载增加时，发电机的端电压减小，相应调节发电机的转子电流，使其增加，使得发电机的端电压增大至额定电压。
（2）频率的自动控制策略：当风速增大时，风力机的转速随之升高，双馈发电机转子的转速也随之升高，转子绕组电流产生的旋转磁场的转速将高于双馈发电机的同步转速n1，定子绕组感应电动势的频率f将高于电网频率f1，同时测速装置立即将转速升高的信息反馈给转子电流频率的控制电路，调节转子电流的频率，使其降低，则转子旋转磁场的转速又降低至同步转速n1，使定子绕组感应电动势的频率f降低至电网频率f1。
同理，当风速减小时，风力机的转速随之减小，双馈发电机转子的转速也随之减小，相应调节转子电流的频率，使其增加，使得定子绕组的感应电动势频率增加至频率f1。当双馈发电机转子的转速和同步转速一致时，转子电流的频率为零，也就是说转子绕组中的电流为直流电，此时双馈发电机与普通同步发电机一样。
图1 双馈风力发电机组与电网的连接图

4.3 双馈风力发电机组并网运行的优越性

（1）允许原动机在一定的范围内做变速运行，使调整装置简化，减小了调速时所有机械部件所受的应力。同时也使得机组的控制更加方便、灵活，使机组的运行效率得到了提高。（2）双馈发电机的转速能够随风速的变化做出相应的调整，使风力机始终处于最佳的运状态，提高风能的利用率。（3）通过调节馈入转子绕组中的电流参数，不仅能够使定子绕组的输出电压及频率保持不变，还能够使输入到电网的功率因素得到调节，从而提高了系统的稳定性。（4）双馈发电机与电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流及发电机的转速来实时调节励磁电流，从而可

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以精确的调节发电机的端电压，使其满足并网运行的要求。（5）系统中双向变流器的容量只由发电机运行时的最大转差功率决定，一般发电机的最大转差功率是25%到35%，因此双向变流器的最大容量只是发电机额定容量的1/4到1/3，具有成本较低的优点。
5 结语
综上所述，将双馈发电机用于风力发电系统中，可以解决风能利用效率低、风力机转速不可调、机组运行效率低等诸多问题。另外，由于双馈发电机对有功功率和无功功率都可以调节，对电网起到了稳频和稳压的作用，提高了系统的稳定性和安全性。可见，双馈风力发电机组的并网运行无论从可靠性，还是经济性来看，都具有不可取代的优势，竞争力强，其发展前景十分广阔。
参考文献
宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2009.
张艳.双馈风力发电机组的并网特性研究[D].华北电力大学（北京），2008.
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