淺析變頻器在雙饋異步風力發電機的應用

肖世華

華電(福清)風電有限公司

淺析變頻器在雙饋異步風力發電機的應用

肖世華

華電(福清)風電有限公司

當前，隨著經濟的發展，對于節能的要求也逐漸提高。變頻器調速技術在發電機中的節能應用也同樣被關注，要想使得變頻器調速技術能夠發揮其重要的作用，需要對變頻器調速原理及特點進行了解。為此，針對雙饋異步風力發電機組的變頻器的原理進行分析，同時要保證發電機組能跟上風速的頻繁變化，從而有效降低對電網的沖擊，這才是研究的重點。基于此，文章就變頻器在雙饋異步風力發電機的應用進行簡要的分析，希望可以提供一個有效的借鑒。

變頻器；雙饋異步；風力發電機；應用

1.變頻器

變頻器是通過電力半導體器件的通斷將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。目前使用的變頻器主要采用交-直-交方式(VVF變頻或矢量控制變頻)，先將工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再將直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源，以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、逆變、中間直流環節和控制4個部分組成，其中，整流部分為三相橋式不可控整流器；逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形；中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

2.雙饋異步風力發電機的運行原理

雙饋異步發電機實質上是一種繞線式轉子電機，由于其定、轉子都能向電網饋電，故簡稱雙饋電機。雙饋電機雖然屬于異步機的范疇，但是由于其具有獨立的勵磁繞組，可以象同步電機一樣施加勵磁，調節功率因數，所以又稱為交流勵磁電機。

交流勵磁電機的可調量有三個：一是可調節的勵磁電流幅值；二是可改變勵磁頻率；三是可改變相位。這說明交流勵磁電機比同步電機多了兩個可調量。改變轉子勵磁的相位時，由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位臵上有一個位移，這就改變了發電機電勢與電網電壓相量的相對位移，也就改變了電機的功率角。這說明電機的功率角也可以進行調節。所以交流勵磁不僅可調節無功功率，還可以調節有功功率。

在異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入轉差頻率(即f1S)的電流，則在雙饋電機的定子繞組中就能產生50Hz的恒頻電勢。所以根據上述原理，只要控制好轉子電流的頻率就可以實現變速恒頻發電了。

根據雙饋電機轉子轉速的變化，雙饋發電機可有以下三種運行狀態：1)亞同步運行狀態：在此種狀態下n＜n1，由轉差頻率為f2的電流產生的旋轉磁場轉速；

n2與轉子的轉速方向相同，變流器向發電機轉子提供交流勵磁，定子輸出電能給電網，轉子從電網吸收能量；

2)超同步運行狀態：在此種狀態下n＞n1，改變通入轉子繞組的頻率為f2的電流相序，則其所產生的旋轉磁場的轉速n2與轉子的轉速方向相反，發電機定、轉子同時向電網輸出能量；3)同步運行狀態：在此種狀態下n=n1，這表明此時通入轉子繞組的電流頻率為0，也即直流電流，變流器向轉子提供直流勵磁，與普通的同步電機一樣。

3.帶變頻器的變速恒頻風力發電機

3.1 變速恒頻風力發電機的結構和工作原理

在風力發電過程中讓風車的轉速隨風速的變化而變化，通過其他控制方法來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻發電。變速恒頻風力發電系統在并網時可以定子直接上網，通過改變轉子電流的相位和幅值來調節有功功率和無功功率，它采用雙向變頻器通過對發電機的轉子側進行勵磁，定子側直接輸出與電網電壓頻率和相位相同的電能，無需在接入電網之前加變頻轉換裝置。另一種并網方式是發電機的定子繞組通過變頻器與電網相連接，當風速變化時，風力機和發電機的轉速隨著變化，發電機發出的為變頻交流電，必須通過變頻器的轉換后才能與電網相連，交一直一交變頻器可以用來進行頻率轉換，以直接驅動的風力同步發電機為例，在變頻恒速風力發電系統中，風力機直接與發電機相連，不需要通過齒輪機升速，同步發電機的定子繞組通過變頻器與電網相連。交一直一交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來自交流發電機的交流電變成直流，經電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉換為交流電送給電網，其基本結構如圖1所示。

圖1

3.2 脈沖寬度調制技術

PWM技術是通過控制半導體開關器件的導通與關斷，把直流電壓變為一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，按一定的規則對各脈沖的寬度和脈沖序列周期進行調制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率。

由于電力電子技術的不斷發展和電力電子器件制作水平的不斷成熟，變頻器在風電并網中的應用也越來越廣泛。

3.3 變速恒頻風力發電機的特點

在變速恒頻的風力發電系統中，當風速變化時，可以實現最大風能捕捉，發電機的轉速隨風速的變化而變化，發電機發出的交流電為變頻交流電，通過變頻器變頻后獲得可以與電網直接相連的恒頻交流電，需要變頻器作為一個轉換裝置接入系統，由于同步發電機通過變頻器與電網相連，并網時不會產生較大的電流沖擊，由于發電機的頻率和電網的頻率是相互獨立的，因此并網過程比較平坦，不會對電網的穩態運行造成太大影響，但是由于變頻器的接入，就會向電網注入高次諧波，這會對電網的電能質量產生一定影響，另外，電力電子裝置的價格一般較高，控制較為復雜，這就需要電力電子技術的更加進步和電力電子器件制作水平的不斷提高來完善。

4.雙饋變頻系統的性能分析

4.1 轉矩

啟動、低速運行時，可以最大程度吸收風輪機械功率。由于可無級調節電壓和頻率，發電機低速運行功率利用率高。

4.2 諧波

通過失量控制算法，將功率變換裝置和發電機作為整體，在實現高性能調速的前提下，可對網側功率因數、網側諧波、發電機定子側功率因數等系統關鍵指標進行調控，所以幾乎不存在諧波污染，無功補償、諧波治理等投資成本較低。

4.3 功率因數

雙饋控制所具有的一個突出優點是發電機在調速的同時能夠獨立調節定子側無功功率，改善系統的功率因數，功率因數調節范圍大，提高了設備對電網容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

4.4 擴展能力

電控系統采用DSP控制器，能靈活實現原系統中所有控制功能，留有各種通信接口，可隨時提高其控制性能指標，加強保護功能。

5.針對雙饋異步風力發電機組的變頻器的應用

5.1 調節轉速

為了制止發生風力發電的偏差出現，我們要從研究轉速開始，逐步將具體操作規劃好。我們在預測風速低于額定風速時，就得將變頻器的轉速設定在可控的范圍內，從而有利于風力發電變頻器的使用過程嚴格依照規劃進行運作。一定的運作時間，可以有效的保障發電機的借助風力進行運作。如果出現了風速過高或者風速過低，都會影響到發電機輸出功率的大小，通常在具體的調整過程中，會依據額定功率，這樣做的目的是為了降低風力發電的消耗，解決好發電機運行的合理狀態。這也是我們容易發生忽略的地方，往往會使得電網輸出功率減少。為了將機組的額定功率調整在合理狀態，我們必須依靠發電機輸出功率來控制好電阻。這對于變槳距機構的動作滯后有一定的阻止作用，其實，為了使得發電機轉速下降，我們必須將變頻器調整在輸出功率不大的區間內，這是做好在風速瞬時下降過程中采取的有力措施。從而實現有效的保障發電機正常的運作的目的。

5.2 機組并網控制

為了將風力發電機組并網的程序做好，就得依據頻率與電網頻率進行分析，通過對電壓與電網電壓等具有相同性的分析后，產生一定的效率會有效的調節機組并網的發生，我們在做好機組并網過程時，要緊緊抓住風力發電的能量不放松，有效的結合電勢差的情況，通過結合轉子接觸器形成瞬間過電流的情況來處理好風力機轉速大小，從而使得變頻器在電機轉動時產生誤差，這對于頻率和相位是否相同有重要的作用。

5.3 調節無功、濾波和過電壓保護

為了減少勵磁電流的幅值，我們要依據發電機和電網電壓大小來有效的控制，從而利用好無功功率的調節來限制大小。這往往會在發生風力動能時，發生電機變頻器在利用整流、濾波、逆變、再濾波等這些情況的發生。只有將電壓控制在一定的范圍內，再利用好電網的諧波干擾，這樣可以促進風力發電機組的工作效率。我們在研究變頻器中的Crowbar電路調整時，發現電網電壓跌落產生的電阻是有效抑制定子電流的交流暫態分量，達到有效的促進直流母線電容器進行運轉的有力措施。

結束語

雙饋異步風力發電機組的變頻器在其應用中發揮著重要的作用。在發電機設備中應用變頻器調速技術進行節能改造后，用電量大幅度下降，節能效果非常顯著因此，在實際中，要結合具體情況，合理采取相應的節能方式。

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