风力发电双馈异步发电机励磁控制变频器综述

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1、风力发电双馈异步发电机励磁控制变频器综述禹华军上海输配电股份有限公司技术中心1．变速恒频风电系统结构风力发电机组通常由风力机、传动系统、发电机、偏航系统、变桨距系统和控制系统等部分组成。风力机的作用是将风能转换为机械能，通过传动系统，由齿轮箱增速，将机械能传递给发电机。发电机采用绕线式异步发电机，通过交流励磁控制，实现机械能向电能的转换，同时能实现风力机系统的变速恒频控制。机舱与塔架之间安装有偏航系统，使机舱对准来风的方向。变桨距系统通常在风速超过额定值时，对风力机转速和输出功率进行控制，保证系统机械和电气安全。控制系统是风力发电

2、机组的“大脑”，由它自动完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。对恒速风机来说，当风速跃升时巨大的风能将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力。如果上述过程频繁出现，会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，其中部分被加速旋转的风轮所吸收，并以动能的形式存储于高速运转的风轮中，从而避免主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。当风速下降后，在相关电力电子装置调控下，将高速风轮

3、所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网，通过风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机组内部能量传输部件应力变化平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力机组运行更加平稳和安全。图1风力发电系统结构示意图常用的变速恒频控制方法有：鼠笼型异步发电机变速恒频（包括定子侧串变频器），绕线型异步发电机变速恒频（改变转子外接电阻），同步发电机变速恒频（电磁式与永磁式），双馈感应异步发电机（Doubly-FedInductionGenerator-DFIG）变速恒频（包括无刷型），16上海输配电股份有限公司技术中心磁场调制型变速

4、恒频，开关磁阻发电机变速恒频等。新型的商业化MW级变速恒频风电机组的发电机大多采用双馈感应电机，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。额定风速以下，风力机按优化桨距角定桨运行，由发电机控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定转速以上风力机变桨距运行，由风力机控制系统通过调节浆距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限运行而引起事故。因此,额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，变速恒频的目标是追踪与捕获最大

5、风能。通过控制发电机输出有功功率，来控制其电磁阻转矩，从而实现机械速度调节。变速恒频双馈发电系统结构示意图如图1所示[1]。1．双馈异步发电机励磁控制变频器的功能图2风力机典型运行过程曲线在研究双馈异步发电机励磁控制变频器之前，首先需要了解风力机三种典型的运行状态，其过程用图2表示[2]。图中，为风力机输出功率，为风力机转速，为风能转换效率，为风力机切入风速，为允许转子最大转速时的风速，为额定风速，为风力机切出风速。1)低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的Cp值(尽可能大，最好达到Betz极限值)，根据风速变化控制风力机转速，使

6、叶尖速比λ不变，直到转速达到极限。这一过程通常称为最大风能跟踪运行区域，既可以由风力机调速实现，也可以由发电机调速实现。2)风速进一步加大时，风力机转速达到极限，为保证风力机旋转部分机械安全，此时风力机旋转速度不再增加，按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风力机功率系数Cp不一定是最大值。3)超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力机。2．1变速恒频控制功能一般来说，当风力机运行在额定风速以下时，由双馈异步发电机对风力机进行调速，同时实现最大风能跟踪。而在额定风速以上时，由变桨距系统对风力机进行调速。事

7、实上，在商用风电系统中，变桨距调速和发电机调速常常相互配合，变桨距调速相当于粗调，发电机调速相当于微调。由于变桨距调节响应较慢，在发电机额定功率和变频器容量允许的前提下，遇到风速变化较快的情况时，由发电机来进行速度调节。由于发电机定子侧与电网相连，其电压频率需与电网一致，通常电网电压频率变化较小，可视为恒定。因此双馈异步发电机不仅要实现变速运行，同时要保证定子侧频率不因转子转速变化而变化。通过转子侧变频器励磁控制，可以实现这一变速恒频功能。2．2最大风能跟踪功能16上海输配电股份有限公司技术中心风力机组最大风能跟踪的原理是，通过双

8、馈异步发电机对风力机进行调速，使得风力机运行在功率－风速曲线的峰值点。在同一风速下，不同的风力机转速对应不同的功率输出，其中存在一个最优转速使得风力机输出功率最大。不同的风速对应不同的功率－风速曲线，每条曲线都有各自的最大功率点，最大风能跟踪的目的