浅析变频器在双馈异步风力发电机的应用

肖世华

华电(福清)风电有限公司

浅析变频器在双馈异步风力发电机的应用

肖世华

华电(福清)风电有限公司

当前，随着经济的发展，对于节能的要求也逐渐提高。变频器调速技术在发电机中的节能应用也同样被关注，要想使得变频器调速技术能够发挥其重要的作用，需要对变频器调速原理及特点进行了解。为此，针对双馈异步风力发电机组的变频器的原理进行分析，同时要保证发电机组能跟上风速的频繁变化，从而有效降低对电网的冲击，这才是研究的重点。基于此，文章就变频器在双馈异步风力发电机的应用进行简要的分析，希望可以提供一个有效的借鉴。

变频器；双馈异步；风力发电机；应用

1.变频器

变频器是通过电力半导体器件的通断将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。目前使用的变频器主要采用交-直-交方式(VVF变频或矢量控制变频)，先将工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源，以供给电动机。变频器的电路一般由整流、逆变、中间直流环节和控制4个部分组成，其中，整流部分为三相桥式不可控整流器；逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形；中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

2.双馈异步风力发电机的运行原理

双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机。

交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位臵上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。

在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率(即f1S)的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。

根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：1)亚同步运行状态：在此种状态下n＜n1，由转差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速；

n2与转子的转速方向相同，变流器向发电机转子提供交流励磁，定子输出电能给电网，转子从电网吸收能量；

2)超同步运行状态：在此种状态下n＞n1，改变通入转子绕组的频率为f2的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速n2与转子的转速方向相反，发电机定、转子同时向电网输出能量；3)同步运行状态：在此种状态下n=n1，这表明此时通入转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，变流器向转子提供直流励磁，与普通的同步电机一样。

3.带变频器的变速恒频风力发电机

3.1 变速恒频风力发电机的结构和工作原理

在风力发电过程中让风车的转速随风速的变化而变化，通过其他控制方法来得到恒频电能的方法称为变速恒频发电。变速恒频风力发电系统在并网时可以定子直接上网，通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率，它采用双向变频器通过对发电机的转子侧进行励磁，定子侧直接输出与电网电压频率和相位相同的电能，无需在接入电网之前加变频转换装置。另一种并网方式是发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，当风速变化时，风力机和发电机的转速随着变化，发电机发出的为变频交流电，必须通过变频器的转换后才能与电网相连，交一直一交变频器可以用来进行频率转换，以直接驱动的风力同步发电机为例，在变频恒速风力发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要通过齿轮机升速，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连。交一直一交变频器的主电路包括整流和逆变两部分。整流电路把来自交流发电机的交流电变成直流，经电容或电感滤波，再由逆变电路将直流电转换为交流电送给电网，其基本结构如图1所示。

图1

3.2 脉冲宽度调制技术

PWM技术是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变为一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，按一定的规则对各脉冲的宽度和脉冲序列周期进行调制，从而控制逆变器的输出电压和频率。

由于电力电子技术的不断发展和电力电子器件制作水平的不断成熟，变频器在风电并网中的应用也越来越广泛。

3.3 变速恒频风力发电机的特点

在变速恒频的风力发电系统中，当风速变化时，可以实现最大风能捕捉，发电机的转速随风速的变化而变化，发电机发出的交流电为变频交流电，通过变频器变频后获得可以与电网直接相连的恒频交流电，需要变频器作为一个转换装置接入系统，由于同步发电机通过变频器与电网相连，并网时不会产生较大的电流冲击，由于发电机的频率和电网的频率是相互独立的，因此并网过程比较平坦，不会对电网的稳态运行造成太大影响，但是由于变频器的接入，就会向电网注入高次谐波，这会对电网的电能质量产生一定影响，另外，电力电子装置的价格一般较高，控制较为复杂，这就需要电力电子技术的更加进步和电力电子器件制作水平的不断提高来完善。

4.双馈变频系统的性能分析

4.1 转矩

启动、低速运行时，可以最大程度吸收风轮机械功率。由于可无级调节电压和频率，发电机低速运行功率利用率高。

4.2 谐波

通过失量控制算法，将功率变换装置和发电机作为整体，在实现高性能调速的前提下，可对网侧功率因数、网侧谐波、发电机定子侧功率因数等系统关键指标进行调控，所以几乎不存在谐波污染，无功补偿、谐波治理等投资成本较低。

4.3 功率因数

双馈控制所具有的一个突出优点是发电机在调速的同时能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数，功率因数调节范围大，提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。

4.4 扩展能力

电控系统采用DSP控制器，能灵活实现原系统中所有控制功能，留有各种通信接口，可随时提高其控制性能指标，加强保护功能。

5.针对双馈异步风力发电机组的变频器的应用

5.1 调节转速

为了制止发生风力发电的偏差出现，我们要从研究转速开始，逐步将具体操作规划好。我们在预测风速低于额定风速时，就得将变频器的转速设定在可控的范围内，从而有利于风力发电变频器的使用过程严格依照规划进行运作。一定的运作时间，可以有效的保障发电机的借助风力进行运作。如果出现了风速过高或者风速过低，都会影响到发电机输出功率的大小，通常在具体的调整过程中，会依据额定功率，这样做的目的是为了降低风力发电的消耗，解决好发电机运行的合理状态。这也是我们容易发生忽略的地方，往往会使得电网输出功率减少。为了将机组的额定功率调整在合理状态，我们必须依靠发电机输出功率来控制好电阻。这对于变桨距机构的动作滞后有一定的阻止作用，其实，为了使得发电机转速下降，我们必须将变频器调整在输出功率不大的区间内，这是做好在风速瞬时下降过程中采取的有力措施。从而实现有效的保障发电机正常的运作的目的。

5.2 机组并网控制

为了将风力发电机组并网的程序做好，就得依据频率与电网频率进行分析，通过对电压与电网电压等具有相同性的分析后，产生一定的效率会有效的调节机组并网的发生，我们在做好机组并网过程时，要紧紧抓住风力发电的能量不放松，有效的结合电势差的情况，通过结合转子接触器形成瞬间过电流的情况来处理好风力机转速大小，从而使得变频器在电机转动时产生误差，这对于频率和相位是否相同有重要的作用。

5.3 调节无功、滤波和过电压保护

为了减少励磁电流的幅值，我们要依据发电机和电网电压大小来有效的控制，从而利用好无功功率的调节来限制大小。这往往会在发生风力动能时，发生电机变频器在利用整流、滤波、逆变、再滤波等这些情况的发生。只有将电压控制在一定的范围内，再利用好电网的谐波干扰，这样可以促进风力发电机组的工作效率。我们在研究变频器中的Crowbar电路调整时，发现电网电压跌落产生的电阻是有效抑制定子电流的交流暂态分量，达到有效的促进直流母线电容器进行运转的有力措施。

结束语

双馈异步风力发电机组的变频器在其应用中发挥着重要的作用。在发电机设备中应用变频器调速技术进行节能改造后，用电量大幅度下降，节能效果非常显著因此，在实际中，要结合具体情况，合理采取相应的节能方式。

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