交流励磁双馈电机在变速恒频风电系统中的应用

康红霞

(辽宁冶金职业技术学院 辽宁 本溪 117022)

摘要：本文介绍了变速恒频风电系统及其控制方案、交流励磁双馈电机的优点和基本原理，同时对双馈电机在变速恒频风电系统中的应用进行了实验研究。

关键词： 变速恒频风电系统 交流励磁双馈电机 实验

1.引言

随着人们对风能的重视，风力发电由单机运行逐渐发展为并网发电，同时容量也在逐渐增大。在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风力发电机组发电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。但风力发电机发出的电能，其频率、电压、波形等都是不稳定的，对这样的电能只有经过处理与控制，才能并网。为充分利用不同风速时的风能，我们对风电系统的控制方案做了深入研究，并提出了实用且适合于风力发电的变速恒频技术。

2.变速恒频风电系统

恒速恒频和变速恒频风电系统是现代并网风电机组的两种类型。恒速恒频风电系统结构简单，整机造价低、安全系数和可靠性较高，在现在的风力机市场上占有较大份额，但恒速运行对风能的利用效率不高。变速恒频风电系统是20世纪70年代中期以后发展起来的一种新型风力发电系统，风力机跟随风速的变化而变速运行，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大。与恒速恒频风电系统相比，其主要优点是：

(1)系统转换效率高。变速运行的风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率，和恒速恒频风电系统相比年发电量一般可提高10%以上。

(2)机电系统间的刚性连接变为柔性连接。当风速跃升时，吸收阵风能量以飞轮能量的形式存储在机械惯性中，减少机械应力和转矩脉动，延长风机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮能量释放出来变为电能送给电网。

(3)具有同步电机运行特点，功率因数可调。不消耗电网无功功率，还可改善电网功率因数，提高发电质量。

(4)可使变桨距调节简单化。只需采取适当的限速措施，在限速运行区允许转速有一定范围的波动，从而降低风力机机械部分的造价，并能提高运行的可靠性。

(5)便于和电力系统并网，操作简单，运行可靠，不会发生振荡和失步，减少运行噪声，可进行动态功率和转矩脉动补偿。

国内外风电专家提出了多种变速恒频风力发电的控制方案，有的是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现的，它们各有其特点，适用场合也不一样。根据当前的控制技术，在多种变速恒频风力发电方案中，交流励磁双馈电机变速恒频是目前风力发电比较合理的方案。

3.交流励磁双馈风力发电机系统

双馈型变速恒频风电系统根据变速运行风力机的转速变化与电网电压频率的要求，通过变流器给发电机转子送入相应转差频率的励磁电流，使定子绕组发出的电压频率与电网相同。系统基本构成如图1所示，其主要由风轮、双馈发电机、变频器励磁系统、控制检测系统组成。

图1 双馈型变速恒频风电系统结构图

双馈电机利用绕线式异步电机的结构特点，将定子绕组接工频电网，转子通过三相变频器接入所需低频电源，定转子同时供电，实现双馈调速。当双馈电机稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间是保持相对静止的。当定子旋转磁场在空间以ω0=2πf1的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度应当是：

(1)

式中：—转差角速度；

—定子侧电源的角速度；

—转子旋转的角速度；

s—双馈电机的转差率。

上式说明转子磁场相对于转子的转速同转差率成正比。如果双馈电机的转子转度低于同步转速，那么转子旋转磁场和转子的旋转方向相同（0<s<1），定子向电网馈送能量，转子需要馈入能量；如果转子转速高于同步转速，那么二者的旋转方向相反（s<0），此时除定子向电网馈送能量，转子也向电网馈送一部分能量。因为转子的旋转磁场相对于转子的旋转角速度，所以馈入转子绕组中的电流频率就应该是转差频率，它与转差率之间的关系是：

(2)

式中：—转子电流的频率；

—定子电流的频率。

双馈发电机的转子绕组接到变频电源上，通过调节转子的来控制转速，使转子转度n加上转子磁场的速度n2等于产生恒频的磁场旋转速度n1，整个发电系统即可变速恒频运行。当转子转速低于同步转速时，为正，维持n1=n+n2，转子从电网输入电能，定子发出电能；当转子转速高于同步转速时，为负，维持n1=n-n2来保证恒频，这时定子、转子同时发电，提高了双馈发电机的效率。

这种控制方案的优点是：(1)需要变频控制的功率仅为定子额定功率的一小部分，双向变频器的容量小，成本及控制难度大大降低。(2)发电机变速运行的范围较宽，调整装置简化。(3)可实现有功功率、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

4.变速恒频风电系统采用交流励磁双馈发电机的实验

根据变速恒频风电系统的特点，并结合交流励磁双馈电机的基本原理进行实验，实验目的是对双馈电机在风电系统中的应用进行研究。搭建实验平台所需的主要设备有：45KW变频器、37KW异步电机、变速恒频装置、主控制器、大连伯顿电机厂30KW双馈电机。

在变速恒频风电系统中，变速恒频装置采用的是ABB公司的ACS 800-67，将桨叶接在双馈异步发电机的转子上，接受大自然的风能。由于风的作用，双馈异步发电机的转子旋转，产生转矩，转矩大小随风的大小变化不定 。变速恒频风电系统实验电路系统框图如图2所示。

图2 交流励磁双馈电机变速恒频风电系统控制框图

系统根据所采集的定子电流IS、转子电流IG以及磁通角θm的大小对双馈发电机进行控制。根据计算由控制装置向双馈发电机转子输入与其参数相对应频率、幅值的电流，使发电机发出与电网同幅同频同相的电压，以满足并网条件。并网瞬间定转子电压、电流、功率波形的实验曲线如图3所示。

图3 并网瞬间定转子电压、电流、功率波形实验曲线

根据上图实验曲线分析可知，在双馈电机转速达到一定速度时，才给双馈电机转子通励磁电流和励磁电压，这时双馈电机定子侧产生电压，进行同步化过程。满足并网条件，在并网瞬间定子电压立刻跟随电网电压，电压幅值下降与电网电压同幅；同时定子侧产生冲击电流，但幅值不大，即定子侧并网时冲击电流小；此刻转子励磁电流减小，励磁电压波动不大［４］。

5.结论

通过用变速恒频装置对双馈电机进行实验，认为这种交流励磁双馈电机变速恒频系统完全满足风力发电的需求，能够保证并网电能的质量，达到满意的效果。

参 考 文 献

[1]倪受元. 风力发电讲座-第三讲 风力发电用的发电机及风力发电系统. 太阳能学报,2000(4):31～36

[2]徐甫荣. 大型风电场及风电机组的控制系统. 自动化博览，2001(6):21~26

[3] 孙浩. 风力发电机组并网冲击电流产生的原因及其控制方法的初步探讨. 风力发电, 2001(3): 6~9