變速恒頻雙饋式異步風力發(fā)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(fā)電機的構(gòu)成和原理

1.1 構(gòu) 成

變速恒頻雙饋式異步風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與異步式發(fā)電機的結(jié)構(gòu)基本一致，都包括轉(zhuǎn)子、電刷及滑環(huán)。異步式發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子可通過側(cè)入方式進入電機內(nèi)部，并進行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸?shù)男剩铱煞€(wěn)定異步式發(fā)電機的交流定頻。雙饋式異步發(fā)電機是由一臺帶電環(huán)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(huán)相連，保證轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化，經(jīng)平波電抗系統(tǒng)過濾后，對干擾因素和可逆電流進行回流，最終返回到電網(wǎng)。這一過程就是雙饋式異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率的具體過程[1]。

1.2 基本原理

由于雙饋式異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子在進行發(fā)電時，相較于空間內(nèi)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(fā)生改變，與轉(zhuǎn)子之間的相對關(guān)系仍成立。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子的電流頻率關(guān)系公式為：

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

由于轉(zhuǎn)子的運動速度與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同，可將雙饋式發(fā)電機的運行狀態(tài)簡單分成同步運行狀態(tài)、低速同步狀態(tài)和超速同步狀態(tài)。

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

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

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

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

雙饋式風力發(fā)電機由電力磁場的相互作用實現(xiàn)發(fā)電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，但在頻率調(diào)節(jié)方面需精準控制。由于風力發(fā)電的轉(zhuǎn)數(shù)隨風變化，可進行雙饋式發(fā)電，以保障所產(chǎn)電能頻率穩(wěn)定。改變電流的增幅和相位關(guān)系，可改變電網(wǎng)中的電壓和發(fā)電機中定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系。兩者之間的相位角隨發(fā)電機發(fā)電功率的改變而改變，最終實現(xiàn)發(fā)電機有用功和無用功的動態(tài)調(diào)節(jié)。

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(yōu)點

目前，國內(nèi)外的雙饋式發(fā)電機技術(shù)比較成熟，多數(shù)兆瓦級風電機組均采用雙饋式發(fā)電機。大型直驅(qū)機組技術(shù)仍處于研發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善。變速恒頻發(fā)電機中，變速恒頻是通過轉(zhuǎn)子在電路中運動實現(xiàn)的。運動過程中，轉(zhuǎn)子由于運動產(chǎn)生的電功功率即轉(zhuǎn)子的實際功率，也稱為轉(zhuǎn)差功率，一般是普通發(fā)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(jié)構(gòu)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(wǎng)傳輸有功的同時，吸收電網(wǎng)中滯后的無功，導致系統(tǒng)功率因數(shù)降低，增加了電網(wǎng)負擔，降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(gòu)成及工作原理

變流器是實現(xiàn)電流調(diào)解的儀器，主要包括主電路系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、集成電路以及配電系統(tǒng)。各個系統(tǒng)又包括很多模塊，大致分為定子開關(guān)模塊、整流穩(wěn)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(jiān)控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)子側(cè)逆變單元、電網(wǎng)側(cè)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(chǎn)生的電能通過變流的方式接入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)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(guān)作業(yè)，從而帶動另外幾個轉(zhuǎn)子運動。此發(fā)電方式可最大限度實現(xiàn)交流的勵磁效應，促進額定功率的增長。當負載產(chǎn)生的變化導致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率發(fā)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(fā)電機所發(fā)電能需與電網(wǎng)的輸送頻率相同，以實現(xiàn)恒頻發(fā)電。

當風電機處于超同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸送工頻電能。當風電機處于亞同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于逆變狀態(tài)，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路輸送電能。

2 雙饋式風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)

雙饋式風電機采用微機進行控制。它是將風輪轉(zhuǎn)速、風速、風向、頻率、發(fā)電機電壓、電機電流、齒輪箱溫升、發(fā)電機溫升、塔架振動頻率、電機艙振動頻率以及電網(wǎng)電壓、電流、頻率等信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸送至單片機，單片機再按設計程序給出各種指令，實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動并網(wǎng)、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(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)是核心技術(shù)。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(fā)電機組的切入和切出都達到輸出要求，需加強發(fā)電過程中的動態(tài)監(jiān)測。風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的要求很高，即分布分散的發(fā)電機組可進行遠程監(jiān)控和無人值班運行。風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同。它要求監(jiān)視風況、電網(wǎng)和機組運行參數(shù)，并對機組進行脫網(wǎng)和并網(wǎng)控制，以確保運行的可靠性和安全性。同時，它可根據(jù)風向和風速的變化，實時優(yōu)化控制機組，提高機組發(fā)電量和運行效率。

雙饋式風電機的控制系統(tǒng)在并網(wǎng)運行中應具備7項功能。

（1）根據(jù)風向信號，自動偏航對風。

（2）風機超速或轉(zhuǎn)軸超速，可緊急停機。依靠風力發(fā)電機內(nèi)的兩套保護系統(tǒng)，實現(xiàn)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(jù)風速信號自動進入啟動模式或脫離電網(wǎng)。切入風速是指風機開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風速；切出風速是指高風速下風機脫網(wǎng)，停止運轉(zhuǎn)的風速。大多數(shù)風機的切入、切出風速分別為3 m/s、25 m/s。

（4）根據(jù)風速和功率，可自動進行轉(zhuǎn)速和功率控制。

（5）當電網(wǎng)發(fā)生故障時，風電機脫網(wǎng)，可確保整個機組安全停機。通過風機自動控制系統(tǒng)和安全鏈，以實現(xiàn)風機脫網(wǎng)、順槳等動作，并最終實現(xiàn)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(jiān)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(jiān)控和通信的功能。

3 結(jié) 論

風力發(fā)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(shù)于一身的現(xiàn)代科學技術(shù)產(chǎn)物。在可再生能源領域，雙饋式風力發(fā)電機因獨特的結(jié)構(gòu)、成熟的技術(shù)以及優(yōu)越的控制性能得到了廣泛應用。