雙饋式風力發電機運行機理及發展前景

曾勝

（五凌電力有限公司，湖南長沙，410000）

雙饋式風力發電機運行機理及發展前景

曾勝

（五凌電力有限公司，湖南長沙，410000）

雙饋式風力發電機是整個風力發電技術的重點研究方向。基于雙饋式風力發電機的運行機理，對其發展前景提出了展望。在雙饋式風力發電機中，轉子、定子電流頻率與電網頻率的步調一致，以及變頻器對勵磁電流進行的幅度、頻率及相位的合理控制，實現了發電機的變速、恒頻需求；網側變流器和轉子側變流器的模式轉換，實現了發電機亞同步、超同步等工作運行狀態的切換。雙饋式風力發電機前景被看好。

風力發電；雙饋式風力發電機；電流頻率；變流器；變頻器；發電技術

引言

全球能源危機及環境污染使得人們開始重視各種可再生清潔能源，隨著科技水平的提升，風力發電發電技術不僅受到關注，而且其發電量在整個電力系統中占據的比重越來越大。風力發電借助于風力來推動葉輪的轉動，為風力發電機提供能量，從而將其捕獲的風能先轉化為機械能，再進一步轉化為電能，最后經變流器、變壓器等將其并入電網。但是，現今風力發電的過程中依舊存在著諸多技術問題，并制約了全球風力發電技術的進一步發展[1-5]。

1 雙饋式風力發電機運行機理

雙饋式風力發電機一般由轉子、定子與氣隙三部分構成。在發電機的鐵心上也分布著同種形狀的凹槽，主要作用在于嵌入定子繞組，并使得通過定子的電流有效產生旋轉磁場。轉子中同樣嵌入了由絕緣導體構成的三相繞組，并將其連接到轉軸上的集電環，再借助于電刷將其引出。在一般的工作情況下，直接將轉子用變換器連接到電網中，從而借助轉子供于交流磁場。圖1所示為雙饋式風力發電系統結構圖。

圖1 雙饋式風力發電系統結構圖

1.1 機體工作原理

雙饋式風力發電機在實際工作過程中，通過不同構件間的相互作用實現了能量轉化，為發電機正常工作提供了可靠保障。其主要工作原理是：通過葉輪的實際作用，將風能轉變為風輪轉動慣量，并在主軸傳動鏈的作用下，逐漸提高齒輪箱運行速度，直到其滿足發電機正常工作速度。此時，通過勵磁變流器的勵磁作用，將發電機定子電能在一定時間內全部并入電網。當風力發電機實際轉速超過發電機同步轉速時，轉子將處于發電狀態，利用變流器向電網饋電。同時，通過齒輪作用實現齒輪箱速度的動態變化，在保持電機高速運轉的同時，結合變頻器的作用輸出穩定的正弦波，促使轉子側可以發出電流，保持風能高效利用。

定子與轉子中電流所產生的磁場是相對靜止的一種狀態，而在發電機轉子變化頻率不變時，發電機轉速與轉子電流頻率之間的關系為

其中，f1為定子電流頻率，Hz；f2為轉子電流頻率，Hz；p為發電機自身的磁極對數；n為發電機工作過程中的轉子轉速。分析式（1）可以得知，在發電機轉速發生變化時，可以通過轉子電流頻率的調節來保證定子電流頻率的穩定，從而確保整個定子的電流頻率能夠與電網頻率保持一致，并進一步實現變速恒頻控制。

根據轉子轉速的區別，一般也將雙饋式發電機分為三種運行狀態，即亞同步狀態、超同步狀態與同步狀態。在研究過程中，用P2表示發電機發電軸上的機械公路，用Pem表示從轉子傳遞到定子上的電磁功率，用sPem表示其轉子輸入輸出的所有功率。具體如圖2所示。

圖2 雙饋式風力發電機運行原理表示圖

1.2 變流器工作原理

雙饋式異步電機定子繞組需要連接在電網中，而為了充分產生交流勵磁，就需要將電子繞組連接在一個具有可調頻率的三相電源上。當負載變化引起了轉子電流頻率進一步變化時，就能夠有效改變勵磁電流頻率，并且使得定子輸出頻率不會隨著轉子的變化而改變，有效保證定子輸出頻率的穩定性，并充分保證其頻率與電網頻率保持一致。而在此過程中，借助于變流器的種種功能，在能夠很好地保證風力發電機在變速的同時，輸出頻率也保持不變。目前我國在風力發電過程中，經常用到背恒壓源PWM進行電路調制，從而發揮變流器的角色。在實際應用過程中，通常會用到兩組PWM進行電路調制，并且將其靠近電網的部分稱為網側變流器，而靠近轉子側的則稱為轉子側變流器。

在電機工作與亞同步運行狀態中，電網通常會借助變流的方式向轉子回路進行供電，這時網側變流器就會處于整流狀態中，而轉子側變流器則工作在逆變狀態中。在電流經過變流器后，就能夠有效控制其幅度、相位及頻率，并使得定子電流達到恒定狀態。而當電機處于超同步工作狀態時，網側變流器處于逆變工作狀態，并且轉子側變流器處于整流狀態。轉子回路則借助于變流器的變流作用，向電網合理回饋工頻電能。

1.3 控制方式

雙饋式風力發電機與繞線式感應發電機的工作原理非常相似，都是將電子繞組連接到對稱的三相電源上，并且電源頻率相對固定。但這兩者之間還是存在較大區別：雙饋式風力發電機轉子繞組還需連接到一個可以調節頻率的三相交流電源上，并且借助于變頻器提供一個頻率相對較低的電流。

一般情況下，電網對電能的要求在于上網電壓的變化率與其頻率的變化率，其大小都與發電器的輸出電壓有著很大關系，這也就要求對發電機的輸出電壓進行有效控制。在雙饋式風力發電機中進行電壓控制的主要方式在于借助變頻器對勵磁電流進行幅度、頻率以及相位三者的合理控制，并且有效調整勵磁控制器的給定值，從而達到變速、恒頻的目的。一般情況下，轉子側的勵磁控制器需要進行下述幾方面的控制：① 轉子轉速快慢往往直接影響整個轉子電壓的頻率，因此應當確保轉子轉速能夠保持在一定范圍之內；② 利用定子輸出有功功率的調節，能夠很好地改變整個轉子電壓所在相位，這就需要保證定子有功功率達到勵磁控制器所能夠控制的有功功率；③ 通過對定子上無功功率的調節，能夠有效進行轉子電壓幅值調節，因此在勵磁控制器工作過程中，應當保證定子輸出電壓能夠快速跟蹤到勵磁控制所給定的電壓值。

2 前景展望

隨著我國制造工藝及復合材料的不斷發展，風力發電機的單機容量得到了迅速提高，有效降低了整個風力發電的成本。20世紀80年代，商品化的風力發電機組容量僅有55 kW，而現階段有些廠家甚至已經研制出容量達10 MW的風力發電機，且必將繼續增大。

發電機容量、變頻器容量、發電機機械強度等都可能會影響或限制風力發電機正常工作，具體工作過程中經常會出現實際風速大于額定風速的情況。為保證風力發電機正常工作，應采取合理的功率調節手段調整其風能捕捉效率。一般情況下，功率調節主要有變槳距失速調節、主動失速調節、定漿距失速調節等方式，能夠更好地將風力發電機接收的風能始終控制在一定負荷范圍之內，保證設備正常工作。

就運行方式而言，電網運行頻率是恒定的，這也就要求發電機能夠保持輸出頻率恒定。在早期的恒速、恒頻狀況下，通常會采用主動失速調節等方式的風力發電機進行頻率的恒定保持。而在現階段中，通常會采用雙饋電機，借助于風速的反饋信號來對控制變頻器進行有效控制，從而調整整個繞組電流的變速能力，并且使得系統能夠進一步保持恒頻運行狀態。未來雙饋式風力發電機將會進一步向著變速運行的方式轉變。

風力發電機主要有兩種驅動方式，即雙饋式和直驅式。雙饋式指通過齒輪箱的多級變速進行雙饋異步發電機的驅動，是目前我國風力發電過程中最為常用的一種驅動形式，其缺點是由于葉輪與風力發電機兩者之間變速齒輪箱的存在，導致噪音較大、磨損嚴重等，降低了風電轉換效率。為了減少機械磨損，需要定期潤滑、清洗、維護。隨著齒輪箱技術的不斷發展，齒輪箱效率的增加也使得雙饋式風力發電效率進一步提升，同時由于整機可靠性、環境適應能力及價格成本等方面的優勢，技術日益趨于成熟，使得現在全世界風力發電機組中雙饋式風力發電超越直驅式，成為優先采用的技術方案。未來，隨著相關技術的進一步提高與成熟，雙饋式風力發電必將綻放更大的光彩。

3 結束語

隨著技術創新步伐加快，雙饋式風力發電機技術研發在發電機容量、變頻器容量、發電機機械強度、運行方式、驅動方式等方面持續得到了改進，將使得風力發電——這種清潔可再生能源的制造方式所占據的比例越來越高。

但現階段所采用的雙饋式風力發電機技術中依舊存在著許多不足，阻礙了其進一步發展。本文就雙饋式風力發電的相關運行機理進行了分析，并就其未來發展趨勢展開了簡要闡述，希望為我國的風力發電工作提供理論幫助。

[1]王世龍. 雙饋式風力發電機組的并網控制研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2013.

[2]潘彥年. 雙饋式風力發電機組建模與最大功率控制研究[D].北京: 華北電力大學, 2012.

[3]鄭景文, 秦亮, 劉開培. 雙饋式風力發電機運行與控制的數字仿真研究[J]. 微特電機, 2016, 44(1): 27-33.

[4]鄒麗, 熊曉燕, 姚愛英. 雙饋式風力發電機齒輪箱的動態特性分析[J]. 太原理工大學學報, 2016, 47(2): 165-169.

[5]吳金波, 張文朝. 兆瓦級雙饋式風力發電機組的低電壓穿越改造及實現[J]. 重工與起重技術, 2016(1): 5-6.

Operation Mechanism and Development Prospect of Doubly Fed Wind Generator

ZENG Sheng
(Wuling Power Corporation Ltd., Changsha, Hunan,410000, China)

Doubly fed wind generator is the core research direction of all the wind power generation technologies. Based on the operation mechanism of the doubly fed wind generator, its development is prospected. In the double fed wind generator, through consensus on current frequency of rotor and stator and frequency of grid power, as well as reasonable control on amplitude, frequency and phase of excitation current from frequency transformer, demands of speed variance and frequency constancy are realized. Also, through mode conversion of current converters on the grid side and the rotor side, the operation switching between sub synchronous and super synchronous are realized. It is expected that the doubly fed wind generator will continue to develop in the generator capacity, the frequency converter capacity, the mechanical strength of the generator, the operation mode, the driving mode and so on, blooming a more brilliant future for power generation technology.

Wind Power Generation; Doubly Fed Wind Generator; Current Frequency; Current Converter; Frequency Converter; Power Generation Technology

TM315

A

2095-8412 (2016) 06-1101-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.011

曾勝(1980-)，男，湖南長沙人，工程師，就職于五凌電力有限公司。研究方向：風力發電等新能源的開發建設。