風力發電機的功率解耦計算

內蒙古龍源蒙東新能源有限公司 于重陽

雙饋發電機為當前風力發電機組的大部件之一，變流器經過矢量計算調節發電機轉子電流，使得機組能夠變速恒頻運行。雙饋變流器僅參與整機的20%功率控制即可實現整機的有功、無功平滑調節，其主要原理源于雙饋發電機的解耦計算。本文主要對雙饋發電機的功率解耦計算進行闡述，講述雙饋發電機定子有功、定子無功與轉子dq 軸電流之間的關系。

1 雙饋發電機單相穩態等效電路圖

在雙饋發電機單相穩態等效電路圖中，Is為定子電流，Rs為定子電阻，jωsLos為定子漏抗，Us為定子相電壓，Es為定子的感應電動勢，Im為虛擬勵磁電流。Ir為折算到定子側的轉子電流，Rr/s 為折算到定子側的轉子電阻，jωsLσγ為折算到定子側的轉子漏抗，Ur/s 為折算到定子側的轉子相電壓。

2 計算過程

可以通過機組的總輸出功率求得機組的機械功率：Pmec=P/η，式中Pmec為機械功率，P 為機組輸出功率，η 為機組效率。

圖1 單相穩態等效電路

根據機組發電機轉速，可通過機械功率求得定子功率指令值（假設機組未主動限制功率或轉矩）：式中Ps為定子有功功率，s 為轉差率；可求得：Isd=Ps/3Us，Isq=Qs/3Us，式中Isd為定子d 軸電流，Isq為定子q 軸電流，Us為定子電壓，Qs為定子無功功率（一般只要抵消掉機組其他輸出無功即可，整機輸出無功為0）。

根據d 軸電流和磁鏈關系可得[1]：Isd(Los+Lm)=Ird×Lm，式中Los為發電機定子漏感，Lm為發電機互感電感。即式中Xos為發電機定子漏抗，Xm為發電機互感電抗。

根據q 軸電流和磁鏈關系可得：Isq(Los+Lm)=Irq×Lm=ψs≈Im×Lm，式中ψs為定子磁鏈，Im為互感電流。即。

綜上可得：

因此轉子dq 軸電流與定子有功、無功之間存在上述等式關系。在雙饋變流器中輸入發電機參數Xm、Xσs等，變流器即可根據上述等式，通過控制轉子dq 軸電流達到控制定子有功無功的目的。

3 實驗數據及計算結果對比

根據轉子Ird及Irq可以求得轉子模型電流轉子實際電流為Ir’=Ir×u ≈Ir×(Ns/Nr)，式中Ns為發電機定子繞組匝數，Nr為發電機轉子繞組匝數，u 為發電機靜態變比。

已知某發電機型號為永濟1.5MW-YJ93A，電機參數：Xm=1.5642Ω,Xσs=0.02754Ω。對該發電機進行工作特性實驗，實驗數據如表1。通過上述推導公式，計算結果如表2。由表1及表2可知，計算結果與實驗測試結果基本一致。

表1 工作特性實驗數據

表2 推導計算結果

4 拓展應用

目前雙饋風力發電機組廣泛用于風力發電領域，但是雙饋風力發電機組在實際使用時，發電機和變流器會經常發生故障，兩者故障率較高。又由于發電機和變流器緊密聯系在一起，兩者的故障現象一致，因此雙饋風力發電機組會發出同一個故障信號來表示發電機和變流器故障。但是在后期的維修過程中，維修工人無法判斷是發電機出現故障還是變流器出現故障，故障原因很難劃分。

對上述發電機還是變流器出現故障，目前主要是在靜態環境下（即在停機狀態下）通過絕緣搖表或者直阻測試儀對發電機進行電阻檢測，但是此種檢測在靜態的時候檢測是正常的，但是當發電機轉動起來雙饋風力發電機組還是會發出故障信號，此種靜態的檢測對發電機還是變流器出現故障容易判斷錯誤，實際錯誤故障不容易暴露，因此無法準確判斷是發電機故障還是變流器故障。

通過該計算方法，現場人員可以通過粗略計算來判斷風電機組雙饋發電機或雙饋變流器的故障。工作過程中，若變流器檢測轉子電流值與計算值出現明顯偏差，說明雙饋發電機勵磁特性出現變化，從某種角度上指明發電機已經出現了內部故障，故障形式通常為繞組匝間短路、絕緣擊穿等。