基于感應發電機的風電機組研究

康會西 辛國權

（1.甘肅電投河西水電開發公司，甘肅 張掖734000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州，450045）

隨著能源結構過渡性轉變的步伐加快，各種新型能源不斷涌現在人們面前，與其他新能源相比，風電具有很多優勢，與常規發電相比更具有競爭力，如風電的效率最高，可以高達50%左右。隨著風電數量的急劇增加，常規發電為支持風力發電而逐漸減少發電量，但風電在對電網規劃、運行和控制方面存在的相關問題以待解決。風電并網的相關問題已經成為首要解決問題。風電具有以下兩大特點：一是風能固有的波動性與隨機性，二是風電機組中采用的感應發電機與常規的同步發電機相差甚遠。感應發電機組是造成風電機組不同的核心因素之一，因此分析感應發電機在風力發電中的應用對電網規劃、運行和控制具有重要意義。

1 基于感應發電機的風電機組概述

1.1現如今，風電機組概念的主要組成部分是基于感應發電機的相關概括性術語?；诟袘l電機的風電機組是指使用感應發電機將風輪的機械能轉換為電能供給電網。起初基于感應發電機的風電機組使用的是定速、裝設轉子電路短路的常規感應發電機。

在20世紀70年代，丹麥首先將裝有常規感應發電機的定速風電機組投入到商業性生產，當時的商業風電機組的額定功率僅能達到20KW左右，隨著世界各國對風電的大力開采與推廣，20世紀90年代，風電機組的額定功率已經可以超過1MW。風電機組的生產正在成為一項包含先進風力技術、機械制造技術及電力電子變頻技術的大規模產業。

1.2常規定速

最早的商業風電機組使用的是轉子回路短路的感應發電機，發電機轉子通過軸系與風電機組相連、發電機定子回路與電網之間用交流連接，這一概念被稱為定速概念。常規定速風電機組在額定運行時速度只能在很小的范圍內波動，通常情況下不超過2%，因此這一速度范圍又被稱為感應發電機的電磁滑差。

1.3動態轉子電阻

裝有動態轉子電阻的感應發電機中轉子回路與電力電子變頻器相連接，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）開關控制電力電子變頻器的運行。發電機轉子滑差能連續運行的前提是外部轉子電阻的動態控制，轉差范圍在轉子回路短路的常規感應發電機滑差值到10%之間。

2 穩定性研究用的感應發電機模型

2.1 電網故障類型

短時電壓穩定地研究對象通常是指發生持續一段時間的某類短路故障的電網。研究的目標是了解不同短路故障導致電壓跌落的數值，比如三相短路、兩相接地短路、單相接地短路和相間短路故障。表1列出了不同短路故障下故障點的正序殘留電壓典型值，此信息對應用于用電網正序等值量的仿真工具研究短路時電壓的穩定情況，如PSS/ETM就會用到。

表1 各類短路故障時零阻抗故障節點的正序殘留電壓表

2.2 電流暫態量

通常情況下，研究短路電壓穩定時，感應發電機采用三階簡化模型來表示，依據是在這類研究中同步發電機表達方式的經驗及同步發電機轉子角度與動態穩定地關系。轉子角度是發電子轉子的積分，就動態穩定及轉子角度的關系而論，常態性能比轉速的瞬時性能更重要。發電機電流幅值的準確預測對發電機繼電保護相當重要。當風電機組因發電機電流暫態值過大而存在保護性切機風險時，三階簡化模型并不一定總是正確地［1］。

2.3 發電機轉子慣量

感應發電機在短路故障期間的電壓變化與發電機轉速動態性能有密切關系。感應發電機三階簡化模型預測的該類發電機加速度將偏大，因為故障發生后發電機轉速立即增加。而對于五階暫態模型，發電機轉速進入短路故障時帶一個感應發電機定子磁通制動轉矩會產生凹陷，導致感應發電機的加速度隨之減小。發電機轉速動態性能運動方程：

由上式可以看出，制動轉矩的影響會產生作用于發電機轉速wG的電氣轉矩TE的第一個暫態尖峰，而發電機轉速wG與發電機轉子慣性常數HG有關［1］。

3 基于轉子動態電阻的感應發電機

基于轉子動態電阻是指感應發電機的轉子電路與外部轉子電阻REXT的串聯。此外部轉子電阻數值由電力電子變換器控制在給定范圍內，由于它的動態變化使風電機組的轉子可以在一定范圍內實現部分變速運行。

3.1 最優滑差

要使傳動系統轉矩及電力輸出的波動最小，就要使用最優滑差控制的感應發電機運行于最優滑差的條件。所謂的變滑差發電機就是用這種方法控制的感應發電機。

3.2 功率和轉速

槳距角會智能的根據風速進行控制，當并入電網的變滑差發電機輸出功率低于額定值時，槳距角會根據實時風速加以控制。在此運行方式下，根據風速通過設置槳距控制可以使輸出的機械功率達到最大。通過改變功率基準值來控制變滑差發電機的功率，其中功率基準值取決于實際滑差。

風速的波動性導致發電子轉子轉速發生變化，轉子電流快速控制器把轉子電流和有功功率維持在恒定值。當實時風速低于額定風速時，發電機轉子滑差會低于2%，根據變滑差發電機的功率基準線可以確定功率基準值。當實時風速高于額定風速時，發電機轉子滑差高于2%，功率基準值維持在額定功率水平線附近。

3.3 一般表示方法

在裝有雙停運感應發電機和DRR控制的槳距控制風電機組，一般表示方法受該風電機組如何對網內短路事故的響應方式影響。一般表示方法包括以下幾種：①感應發電機模型，包括基頻暫態表達式和轉子電路。②軸系兩質塊模型。③通用槳距控制模型。④DRR通用控制模型。⑤含有閉鎖變頻器和風電機組從電網解列的保護系統模型。⑥閉鎖和重啟變頻器而無須切除風電機組功能的保護系統模型［1］。

3.4 無功補償

由于DRR控制不能控制無功功率，只能根據發電機滑差來調節相應的有功功率，因此帶DRR控制的雙停運感應發電機需要從電網獲得勵磁，即從電網吸收無功功率以進行無功補償。為改善此風電機組的短時電壓穩定性和故障穿越能力，筆者建議使用SVC單元的動態無功補償裝置。

4 基于雙饋感應發電機的風電機組

4.1基于雙饋感應發電機（doubly fed inductiongenerator，DFIG）的變速風電機組由于具有變速運行的特性，能提高風電機組的風能轉換效率，實現最大風能捕獲并減小風電機組機械部件所受應力［2-3］。將電力電子變頻器控制的雙饋感應發電機運用到風電機組中可以實現變速運行。將發電機轉子回路饋入轉子變換器后使之運行，相當于在轉子回路中串接一個外部電壓相量，可以通過控制該電壓相量使轉子回路的電氣頻率達到預期轉速。在電網正常運行狀態下，為了使輸出功率更加優良，轉速通過轉子側變換器的控制進行相應的調節，這就是為何要用電子回路變頻的原因。文獻［3-6］研究了基于雙饋感應發電機的變速恒頻風電機組動態數學模型及勵磁控制策略，實現了發電機有功功率和無功功率的解耦控制。

4.2磁路飽和

磁路飽和說明磁通與繞組電流之間的關系為非線性關系，繞組產生過電流時會導致磁路飽和。繞組暫態過電流的情況可以引起磁路飽和效應，之后產生高次諧波，而電網的頻率是基頻，產生的高次諧波有可能會影響到變頻器的IGBT開關。當電壓大幅度跌落且殘壓為20%時，高次諧波會使暫態電流增加到4%左右。當轉子回路的電壓和基頻暫態過電流嚴重跌落直至觸發變頻器保護動作時，磁路飽和效應會在發電機電流中表現出來。

4.3機械系統模型

基于DFIG的變速風電機組的機械部分包含氣動風輪、軸系和槳距角控制，其中風輪的最優輸出是通過變速運行及使用槳距角控制來實現的。目前，大多數變速風電機組的槳距角控制通常采用的是離散控制（也叫數字控制），處理采樣保持時間約為幾十毫秒的采樣值。在研究電力系統穩定運行的時候，通常用適當的連續控制系統來模擬這種離散控制系統，最常見的系統為含拉普拉斯傳遞函數的控制系統。軸系扭震會導致發電機轉速不穩定而發生波動，但是只要保證變頻器控制處于運行狀態就不會影響到電網電壓特性。有功功率和轉子電流幅值都會隨發電機轉速發生一定的波動，這種隨發電機轉速的波動可能導致變頻器電流接近其極限值，從而進一步限制變頻器在電網發生嚴重故障時保持其他的控制能力［1］。當電網發生短路故障使變頻器閉鎖時，其控制能力也就相應的消失了，同時投入轉子短路棒進行保護，比如轉子回路通過短路棒短接。在這種情況下，發電機的特性與常規發電機一樣，發電機轉速與電網電壓波動之間存在耦合關系。因此，變速風電機組與基于常規感應發電機的風電機組無差別，都應使用兩質塊模型。

［1］弗拉基斯拉夫.阿赫瑪托夫（Akhmatov，V.）.風力發電用感應發電機［M］.中國電力出版社，2009.

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