变速恒频双馈风力发电机的浅谈

变速恒频双馈风力发电机的浅谈摘要:分析了变速恒频双馈风力发电机的结构及工作原理,给出了变速恒频技术在发电机组中实现变速运行的不同方式。通过比较变速工作时的定转子状态,采用控制发电机转子电流的大小来实现双馈异步发电机输出端电压稳定。根据运行数据,总结了变速恒频双馈风力发电机的若干优势。关键词:变速恒频;双馈;发电机中国分类号:TM614文献标识码：AVariablespeedconstantfrequencydoubly-fedwindpowergeneratorAbstract：Analysisofthevariablespeedconstantfrequencydoubly-fedwindpowergeneratorstructureandworkingprincipleofvariablespeedconstantfrequencytechnologyisgiveninthegeneratingsetforvariablespeedoperationindifferentways1变速恒频双馈发电机采用双馈发电机是风力发电技术的一种主流技术，双馈发电机的结构类似绕线型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源供给三相低频励磁电流。1.1VSCF风力发电机结构双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的，低频电流起到了励磁作用,因此又称为交流励磁发电机，还有些文献称之为可变速发电机、变速恒频发电机或异步化同步发电机。双馈异步发电机主机结构特点：定子与一般三相交流发电机定子一样，转子采用三相交流绕组。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的不同类型的循环变流器作为三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-交/交-直-交变频电源供电。双馈异步发电机组成的变速恒频发电系统如图1所示。双馈风力发电机的原动机为风轮和风轮传动系统。由于风速的特殊性(随机性、时变性等)，使得双馈风力发电机区别于一般的双馈电机控制。基于变速恒频控制技术的交流励磁风力发电机系统主要由风轮、增速器、交流励磁发电机、励磁、控制检测等系统组成。图1变速恒频双馈异步发电机系统结构1.2VSCF风力发电机原理双馈异步发电机在稳态运行时,根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的关系,其数学表达式如下21nnn(1)2160fpnf(2)1211nnnnn(3)式中1n、n、2n分别为定子电流磁场旋转速度、转子旋转速度和转子电流磁场相对于转子的旋转速度，1f、2f分别为定、转子电流频率,，p为发电机极对数，s为发电机的转差率[5]。由式(1)可知,当发电机转子转速n发生变化时,调节转子电流频率2f，1f可使保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当nn1时,电机处于亚同步速运行状态，转子磁场旋转方向与转子旋转方向相同，励磁电源向转子提供交流励磁电流，定子向电网馈出电能，式(1)、式(2)、式(3)均取正号；当nn1时，电机处于超同步速运行状态,转子磁场旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能，式(1)、式(2)、式(3)均取负号；当n=n1时，f2=0，励磁电源向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。当风速变化时，VSCF系统工作过程有：(1)当风速降低时，风力机转速降低，异步发电机转子转速也降低，转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速ns，定子绕组感应电动势的频率低f于1f(50Hz),与此同时转速测量装置立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路，使转子电流的频率增高，则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速ns，这样定子绕组感应电势的频率又f恢复到额定频率1f(50Hz).(2)当风速增高时，风力机及异步电机转子转速升高，异步发电机定子绕组的感应电动势的频率将高于同步转速所对应的频率f1(50Hz)，测速装置会立即将转速和频率升高的信息反馈到控制转子电流频率的电路，使转子电流的频率降低,从而使转子旋转磁场的转速回降至同步转速ns，定子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率1f(50Hz)。必须注意，当超同步运行时,转子旋转磁场的转向应与转子自身的转向相反,因此当超同步运行时,转子绕组应能自动变换相序，以使转子旋转磁场的旋转方向倒向。(3)当异步电机转子转速达到同步转速时,此时转子电流的频率应为0，即转子电流为直流电流，这与普通同步发电机转子励磁绕组内通入直流电是相同的。实际上，在这种情况下双馈异步发电机已经和普通同步发电机一样了。双馈异步发电机输出端电压的控制是靠控制发电机转子电流的大小来实现，当发电机的负载增加时，发电机输出端电压降低，此信息由电压检测获得，并反馈到控制转子电流大小的电路，也即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角，使导通角增大，从而使发电机转子电流增加,定子绕组的感应电动势增高，发电机输出端电压恢复到额定电压。反之，当发电机负载减小时,发电机输出端电压升高，通过电压检测后获得的反馈信息将使半控或全控整流桥的晶闸管的导通角减小，从而使转子电流减小，定子绕组输出端电压降回至额定电压[6]。1.3VSCF风力发电机运行数据采用VSCF技术，1.5MW，4极(同步转速1500r/min)双馈异步发电机实验样机功率/转数运行关系如图2所示。由图2可见，风力发电机不论在亚同步运行、超同步运行，还是过负荷运行过程，VSCF系统都要起到功率调节的作用。由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速在不断变化，而且经常在同步转速上下波动[7]，这就要求转子交流励磁电源有良好的变频输入输出特性，具有能量的双向流动能力，采用IGBT器件构成的PWM整流-PWM逆变形式的交-直-交静止变频器作为其励磁电源图21.5MW4极双馈异步发电机功率/转数运行关系2VSCF风力发电机的优越性通过对VSCF双馈异步发电机实验样机的实际运行效果分析，VSCF风力发电机较传统失速型风力发电机具有下列优势：(1)VSCF发电机有能力控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化，因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节。(2)由于风力机是变速运行，其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，使风力机的功率系数Cp值得到优化，从而获得较高的系统效率[8]。(3)可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，同时减小发电机温度变化。(4)可以降低机组剧烈的转矩起伏和噪声水平，从而能够减小所有部件的机械应力。(5)可独立运行，也可并网运行，并可实现功率因数的调节。3总结能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题,对可再生能源的开发利用,特别是对风能的开发利用,已受到世界各国的高度重视,现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采用风力机变速运行的方式[1],这种运行方式可以实现优化风力发电机组内部件的机械负载及系统内的电网质量。风力机变速运行时,与其连接的发电机也作变速运行,因此必须采用在变速运转时能发出的恒频恒压电能的发电机,才能实现与电网的并网连接[2]将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用最新电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来,就能实现这一目的,也就是变速恒频发电系统。研究VSCF风力发电机结构、工作原理、运行数据和优越性。建立在VSCF发电技术基础上的双馈异步发电机确保发电机输出功率恒频、恒压，VSCF是大型并网风力发电机组的主流机型的关键技术。参考文献[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2006.[2]吴国祥.双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略[J].电工技术学报,2007,22(7):170.[3]代洪涛.变速恒频双馈风力发电机控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2003,25(6):479-481.[4]代洪涛.变速恒频双馈风力发电机控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2003,25(6):479-481.[5]王海军.变速恒频双馈风力发电变频励磁电源控制研究[D].兰州:兰州交通大学,2007.[6]王承熙,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2002.[7]顾鑫.风力发电机组控制系统研究分析[J].华东电力,2007,35(2):161-162.