變速恒頻雙饋式異步風力發電機分析

孫 偉

（中廣核新能源遼寧分公司，遼寧 營口 115203）

1 雙饋式異步發電機的構成和原理

1.1 構 成

變速恒頻雙饋式異步風力發電機的結構與異步式發電機的結構基本一致，都包括轉子、電刷及滑環。異步式發電機中，轉子可通過側入方式進入電機內部，并進行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸的效率，而且可穩定異步式發電機的交流定頻。雙饋式異步發電機是由一臺帶電環的定子、變流器及異步電機共同組成。變流器主要通過交換電流輸出電流，在整體變流中的工作路程是不可逆的。變流器與集成電環相連，保證轉子在交流電路中以直流電的形式輸送電能，然后在交換機中進行交流轉化，經平波電抗系統過濾后，對干擾因素和可逆電流進行回流，最終返回到電網。這一過程就是雙饋式異步發電機向電網輸送功率的具體過程[1]。

1.2 基本原理

由于雙饋式異步發電機的轉子和定子在進行發電時，相較于空間內的磁場，其相對位置是靜止的，因此當電機頻率不變時，定子頻率發生改變，與轉子之間的相對關系仍成立。發電機的轉速與定、轉子的電流頻率關系公式為：

其中，f1為定子的電流頻率，單位為Hz；f2為轉子的電流頻率，單位為Hz；N為轉子轉速，單位為r·min-1；P為發電機的磁極對數；N1為同步轉速。由式（1）可知，若發電機的轉速發生改變，需調節轉子的頻率，以保證定子的頻率不變。為保證與電網相同的頻率進行電力輸送，恒頻的控制需以調節轉子的電流頻率實現。

由于轉子的運動速度與發電機的轉速不同，可將雙饋式發電機的運行狀態簡單分成同步運行狀態、低速同步狀態和超速同步狀態。

第一，同步運行狀態。當N=N1，轉差率等于0時，式（1）為雙饋式發電機轉子的轉速與同步轉2速相同。此時，雙饋式發電機所發的電為直流電。

第二，低速同步運行狀態。當N＜N1，轉差率大于0時，式（1）為，轉子的運行速度小于發電機的運行速度，因而在相同條件下產生的磁場方向相互吸引，導致轉子的運動方向與磁場方向一致，可平衡發電機內部的磁場關系。

第三，超同步運行狀態。當N＞N1，轉差率小于0時，式（1）為轉子的運行速度大于發電機的運行速度，因而在相同條件下產生的磁場方向相互排斥，導致轉子的運動方向與磁場方向相反，可平衡發電機內部的磁場關系。

雙饋異步發電機與電網之間的連接采用柔性連接。在發電機內部，定子與外部發電網絡直接相連，利用環狀磁場抵消內部的磁場力量，并通過控制轉子的相應流速、位置以及頻率等物理特征控制發電機的相應參數，最終實現變速恒頻控制。雙饋式異步發電機的并網過程：先啟動風力發電機組，由于初始速度較低需進行物理輔助；當轉子在回路中產生的電能足夠推動自身運轉時，實現與電網內部的電壓同步，最終實現風力發電機快速與無電流沖擊并網。

雙饋式風力發電機由電力磁場的相互作用實現發電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實現動態調節，但在頻率調節方面需精準控制。由于風力發電的轉數隨風變化，可進行雙饋式發電，以保障所產電能頻率穩定。改變電流的增幅和相位關系，可改變電網中的電壓和發電機中定子和轉子之間的關系。兩者之間的相位角隨發電機發電功率的改變而改變，最終實現發電機有用功和無用功的動態調節。

1.3 雙饋式異步風電機與永磁同步風電機的對比

1.3.1 雙饋式異步風電機對比永磁同步風電機的優點

目前，國內外的雙饋式發電機技術比較成熟，多數兆瓦級風電機組均采用雙饋式發電機。大型直驅機組技術仍處于研發階段，產業鏈尚不完善。變速恒頻發電機中，變速恒頻是通過轉子在電路中運動實現的。運動過程中，轉子由于運動產生的電功功率即轉子的實際功率，也稱為轉差功率，一般是普通發電機額定功率的0.25～0.33倍。對比的永磁同步機采用全功率變頻。雙饋式風電機的變流器的容量不縮減，可間接降低變流器的成本。同時，雙饋式異步風電機的制作結構相對簡單，體積和重量相比同步機大大減小，故雙饋式風電機的整體成本比同步機低。

1.3.2 雙饋式異步風電機對比永磁同步風電機的缺點

雙饋式異步風電機向電網傳輸有功的同時，吸收電網中滯后的無功，導致系統功率因數降低，增加了電網負擔，降低了電力系統的穩定性。此外，雙饋式異步風電機需在變流器中增加某個模塊，以解決低電壓穿越功能弱的問題。

1.4 變流器的構成及工作原理

變流器是實現電流調解的儀器，主要包括主電路系統、智能控制系統、集成電路以及配電系統。各個系統又包括很多模塊，大致分為定子開關模塊、整流穩流模塊、輸入輸出模塊、濾波器模塊、防逆變模塊、電流傳感模塊、散熱風機模塊、有線監控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統包含轉子側逆變單元、電網側整流單元及直流母線單元。變流器的基本工作原理是將雙饋式異步風電機中的定子產生的電能通過變流的方式接入到電網中，實現電力的輸送。電力輸送過程中，需確保定子是圍繞其中一個變頻的交流三相電源進行相關作業，從而帶動另外幾個轉子運動。此發電方式可最大限度實現交流的勵磁效應，促進額定功率的增長。當負載產生的變化導致轉子的轉動頻率發生改變時，可改變勵磁電流的運動頻率，促使整體輸出電流的頻率仍滿足額定需求。風力發電機所發電能需與電網的輸送頻率相同，以實現恒頻發電。

當風電機處于超同步工作狀態時，網側變流器處于逆變狀態，轉子側變流器則處于整流狀態，轉子回路通過變流器向電網輸送工頻電能。當風電機處于亞同步工作狀態時，網側變流器處于整流狀態，轉子側變流器則處于逆變狀態，電網通過變流器向轉子回路輸送電能。

2 雙饋式風力發電機的控制系統

雙饋式風電機采用微機進行控制。它是將風輪轉速、風速、風向、頻率、發電機電壓、電機電流、齒輪箱溫升、發電機溫升、塔架振動頻率、電機艙振動頻率以及電網電壓、電流、頻率等信號，經A/D轉換輸送至單片機，單片機再按設計程序給出各種指令，實現自動啟動、自動調向、自動并網、自動解列、運行中機組故障的自動停機、過振動停機以及過大風停機等自動控制。

雙饋式風力發電系統中的控制技術是核心技術。自然界中，由于風速和風力隨時間的變化而變化，且風向和風速的變化無跡可循。因此，為保證風力發電機組的切入和切出都達到輸出要求，需加強發電過程中的動態監測。風力發電機組的控制系統的要求很高，即分布分散的發電機組可進行遠程監控和無人值班運行。風力發電系統中的控制系統與一般工業控制系統不同。它要求監視風況、電網和機組運行參數，并對機組進行脫網和并網控制，以確保運行的可靠性和安全性。同時，它可根據風向和風速的變化，實時優化控制機組，提高機組發電量和運行效率。

雙饋式風電機的控制系統在并網運行中應具備7項功能。

（1）根據風向信號，自動偏航對風。

（2）風機超速或轉軸超速，可緊急停機。依靠風力發電機內的兩套保護系統，實現風機停機。其中，氣動剎車通過葉片順槳或葉尖剎車使風對葉片的升力為零，風機在阻力下停止運行；機械剎車是在高速軸或低速軸剎車盤上施加機械制動，使風機停機。

（3）根據風速信號自動進入啟動模式或脫離電網。切入風速是指風機開始并網發電的最低風速；切出風速是指高風速下風機脫網，停止運轉的風速。大多數風機的切入、切出風速分別為3 m/s、25 m/s。

（4）根據風速和功率，可自動進行轉速和功率控制。

（5）當電網發生故障時，風電機脫網，可確保整個機組安全停機。通過風機自動控制系統和安全鏈，以實現風機脫網、順槳等動作，并最終實現風機停機。

（6）當扭曲到一定程度時，電纜具有自動解攬功能。通過風機的扭纜傳感器，實時在線監測電纜位置。當扭纜超過警戒值時，強制解纜。

（7）運行的風電機組還應具備遠程監控和通信的功能。

3 結 論

風力發電機組是一項集電機學、機械震動、電力電子、流體力學及通信等多學科技術于一身的現代科學技術產物。在可再生能源領域，雙饋式風力發電機因獨特的結構、成熟的技術以及優越的控制性能得到了廣泛應用。