基于小型雙饋異步發電機風電并網調頻系統的研究

趙小平

（神木職業技術學院，陜西 神木 719300）

1 我國風力資源利用現狀

我國的風能資源豐富，發展風力發電的市場發展潛力巨大。我國可開發利用的風能總儲量約10億kW，其中可開發的陸地風能儲量達2.53億kW，可開發的水上風能儲量達7.5億kW［1］。而偏遠山區地帶、沿海地區海島等的土地資源較多，人口數量較少，一些地區的交通不夠便利，但這些地區通常擁有充足的風力發電資源。小型民用風力發電系統的投資成本低且使用靈活，特別適合解決風力資源豐富的偏遠地區的缺電居民的基本生活用電問題和一些小規模生產用電問題。

2 傳統民用風力發電系統分析

2.1 傳統民用風力發電的并網過程

風力發電系統主要由風力發電機、發電機組、變流器、儲能技術裝置（蓄電池組）、逆變器和操控系統構成。系統的構造圖如圖1所示。

圖1 系統結構

圖1中的關鍵控制模塊中，儲能蓄電池組是風能發電應用推廣的核心部件。因為風能發電和太陽能發電過程受自然條件的影響很大，風力大小的變化難以精準地預測分析，造成電流起伏較大，有可能會對電器的正常運行造成影響甚至損壞電器，所以必須給風力發電系統配置一定容積的鋰電池組作為發電系統的儲能部分。風力發電機傳出的電能將充入儲能設備，逆變裝置將電池中的電能逆變為所需的交流電流向負荷供電，確保供電品質和用電設施的安全運行。因此，逆變器是系統設計中十分重要的裝置。風力發電系統中采用的風力發電逆變器大部分接受電池組的直流電電能，并將其轉化為達到連接負荷規定的工頻正弦波電流，向當地負荷電器供電。

2.2 傳統民用小型風力發電系統的缺陷

傳統的小型民用風力發電系統存在如下缺陷。

（1）離網型小型風力發電機組目前只能儲存電力，當有剩余電能時，必須經過逆變器轉化成50 Hz交流電后才能并網。

（2）離網型小型風力發電機組在并網時要進行兩次交—直流轉換，電能利用效率低下。

（3）系統必須使用電瓶，成本較高，而且電瓶的使用壽命有限，一般為3年左右。

3 風力發電機的種類及選用

3.1 異步發電機

（1）籠鼠式異步發電機，用于初期的風力發電機、離網型小型發電機，其構造簡易，特性平穩，成本較低。

（2）繞線轉子異步發電機，轉子繞阻聯接電阻器，當風速變化時，通過更改外接電阻器的大小操縱功率。當風速較高時，不必要的動能將耗費在轉子摩擦阻力上。

（3）雙饋異步發電機，其轉子不但會輸入機械功率，而且會與附加電源進行能量交換。伴隨著轉子轉速的變化，更改交流勵磁交流電流的工作頻率、幅度值、相序及相位差，使電機定子導出的電流幅度值和電流量工作頻率保持一致，同時可向電力網導出感性或容性的無功負荷。

3.2 同步發電機

（1）永磁同步發電機，其轉子選用永磁材料制成，構造簡單，不容易毀壞，檢修便捷，容積較大。一般適用于航空航天高速發電機。

（2）直流勵磁同步發電機，現階段的水力發電和火力發電機組的轉子選用直流勵磁，通過更改勵磁電流量可以調整功率和因數。

4 雙饋異步發電機的工作原理

4.1 雙饋發電機的3種工作狀態

根據發電機轉子轉速與同步轉速的關聯性，雙饋發電機有3種不同的運行狀態。雙饋發電機組的這一特性可以在較寬的風速范圍內獲得平穩的發電量，這正是它優于傳統式異步發電機之處。

（1）亞同步狀態。轉子的機械轉速小于發電機的同步轉速（0＜S＜1）。雙饋逆變電源對雙饋異步發電機轉子開展勵磁調節的終極目標是在轉子繞阻中造成一個電磁振蕩，這一電磁場的轉速和轉子的機械設備轉速生成轉子的實際轉速，達到電動機的同步轉速，讓異步發電機像同步電動機一樣運作。

（2）同步狀態。轉子的機械轉速等于發電機的同步轉速（S=0）。雙饋逆變電源選用直流勵磁調節轉子，雙饋異步電動機為同步電動機。除了轉子繞阻的一些耗損，轉子可不損耗動能用于勵磁調節器發電，機械動能都轉換為電磁能，從電機定子導出到電網。

（3）超同步狀態。轉子的機械轉速大于發電機的同步轉速（S＜0）。這時，發電機組的電機定子和轉子處于發電狀態，轉子側變流器處于整流狀態，網側變流器處于逆變電源狀態，轉子造成的電磁能反饋到電網。

4.2 雙饋異步發電機的工作原理

“雙饋”是指電網與轉子間能量的雙向流動。能量流動的第一種方式是電網向逆變電源器供電，逆變電源器對轉子繞阻開展勵磁調節和饋電；能量流動的方向是從電網到轉子。能量流動的第二種方式是發電機轉子處于發電狀態時，轉子向雙饋逆變電路輸出能量，這時轉子側逆變電路處于整流狀態，電網側逆變電路處于逆變電源狀態。中間直流母線的工作電壓逆變為與電網工作電壓同幅同頻的交流電，能量傳遞給電網；能量的流動方向是從轉子到電網。

5 基于小型雙饋異步發電機風電并網調頻系統的構建

本文采用小型雙饋異步發電機，發電機的定子和轉子繞組均可與電網進行能量交換。

5.1 系統的構建

本文提出一種基于雙饋異步風力發電機的風電并網調頻技術，所述風力發電機連接能很好地控制輸出頻率的采樣系統和調頻系統。采樣系統對風車轉速進行采樣，并將采樣結果送往調頻系統，由調頻系統對輸出電壓頻率進行調整，保證輸出電壓頻率穩定在50 Hz，不依賴硬件儲能設備。該系統結構圖如圖2所示［2］。

圖2 基于小型雙饋異步發電機風電并網調頻系統的研究

該系統可以保證輸出電壓穩定在50 Hz。當風車轉速大于額定轉速時，采用一次調頻法，向轉子繞組中通入三相交流電，產生反向的旋轉磁場進行抵消；當風車轉速小于額定轉速時，采用慣量響應法，向轉子繞組中通入三相交流電，產生同向的旋轉磁場進行疊加。

該調頻系統的工作步驟如下：判斷風力發電機的轉子是否已經達到額定轉速。若未達到，則采用慣量響應調頻方法；若達到，則采用一次調頻方法。保證輸出電壓頻率的穩定［2］。

5.2 雙饋異步發電機的控制策略

從以上分析可以更好地展示雙饋風力發電系統的總體構架。為了保證系統的良好運行，做好信息反饋，確保電力工程的可靠性，必須完善現有技術，更好地對雙饋風力發電系統開展控制［3］。

（1）帶儲能的雙饋風力發電系統（GSC）控制對策。向具備持續起伏的雙饋感應發電機電機定子導出有功功率是GSC控制的目的之一，可以確保電網的功率達到期望值，根據控制電網的電流方向突出解耦控制的優勢。

（2） 被動保護系統（RSC）控制策略。RSC是雙饋風力發電系統中最重要的一部分，其控制總目標是根據追蹤控制對策精確測量較大的風力，在風能的利用上做好轉換，進而根據獲得電機定子端口號命令明確有功功率。這部分控制系統選用電磁場定向的雙饋感應發電機矢量控制方法，它最大的特點是可以將電機定子端口號的有功功率和無功負荷結合，完成解耦控制，最后使脈沖寬度調制信號綜合控制RSC。

（3） 故障穿越控制。伴隨著風能發電經營規模的不斷擴大，地區電網間的相互影響也會越來越大。一旦電網工作電壓降低，離心風機便會大規模脫網，造成電網工作電壓奔潰，甚至造成安全事故。因而，控制常見故障穿越，可以穩定電網運作、處理測算剖析后的不對稱問題及減少震動力度。

5.3 系統的優點

（1）不使用電瓶等電能儲存裝置，節省了成本。

（2）不用通過兩次交—直流轉換，可將風力發電產生的電力直接并網，結構簡單，大大提高了電能的利用效率。

（3）該系統不使用電瓶且可以實現風電的直接并網，延長了發電系統的使用壽命。

6 并網型風力發電技術的發展趨勢

（1）并網技術和最大風能捕獲技術的研究。并網風力發電系統的研究包含風能發電的并網技術和并網后發電機組的轉速操縱。為了增強風電系統的穩定性和系統常見故障穿越工作能力，必須根據全輸出功率變流器完成控制系統，根據合閉并網電源開關來調整并網操縱。現階段，可以利用調整小型風力發電的槳距、輸出功率和轉速追蹤最大風能，進而捕獲最大風能［4］。

（2）發展變槳距調整方法和調速運作方法。變槳距調整方式可以根據操作系統的最佳運作參數平穩運作，在額定值風力之下最大限度地消化吸收風能高效率，在額定值風力以上調整全部系統的承受力以導出穩定輸出功率，將進一步替代現階段的固定不動槳距調整方式。這項技術的發展終將變成并網風能發電技術發展的一個主要方向［5］。

（3）海上風電場技術。海上風速資源比較豐富，核心風向平穩，離心風電機對周圍環境影響小，因此可以組裝更高裝機量的風力發電機。將來，海上風電場發電量將獲得較大的發展，但海上風電場發展中的一些技術問題需盡早處理，如風電可靠性指標設計、水上風電場輸配電技術科學研究、風電場維護保養技術、風電場集中控制技術等問題。只有這些問題得到科學、合理、高效的處理，并網風能發電技術才能得到持續且迅速的發展。

7 結語

本文選用雙饋異步發電機，并基于雙饋異步發電機構建了風電并網調頻系統，該系統具有以下特點：不需要使用電瓶等電能儲存裝置，大大節省了成本；不用通過兩次交—直流轉換，可將風力發電產生的電力直接并網，結構簡單，大大提高了電能的利用效率；不使用電瓶且可以實現風電的直接并網，延長了發電系統的使用壽命。

本文還探討了并網型風電技術的發展前景：并網技術和最大風能捕獲技術的研究將是未來風力發電的重要方向；發展變槳距調整方法和調速運作方法將是并網風能發電技術的一個主要研究方向。