双馈式风力发电机运行原理及发电控制技术研究

刁帅

摘要：随着全球各国的工业发展速度加快，化石燃料储存量随之减少，因此风能发电技术愈加重要。因为电力企业的风能发电需求，风力发电机得到广泛运用。现阶段，我国在风力发电机的发展速率、技术运用和推广力度方面和国外相比存在一定差距。为推动风力发电机快速发展、运用，文章从双馈式风力发电机角度分析了其运行原理及发电控制技术。

关键词：双馈式风力发电机；运行原理；发电控制技术；矢量控制；模糊控制 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）20-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.069

根据相关调查显示，在全球各国中，因风力发电项目，每年投入1000亿元资金总额，约有100个国家开始研究、运用风力发电技术。因此，随着化石燃料逐渐减少，社会生产需要太阳能技术、发电技术和水利技术，这些技术也有可能代替火力发电技术。对于风力发电技术，加强风力发电机研究和运用具有十分重要的现实意义，大多数选择双馈式设计方式。笔者结合自身多年的风电企业的从业经验，立足双馈式风力发电机角度，分析其运行原理、发电控制技术。

1 双馈式风力发电机的结构、特点

双馈式风力发电机是由英国学者的设想而来，在自级联导发电机研发基础上，逐渐研发而来，双馈式发电机与绕线异步电机有着结构类似性，因定子、转子两部分均可以馈出、馈入电能，所以称之为双馈。另外，因双馈式发电机利用转子形成交流，因此，双馈式发电机又叫做交流励磁发电机。

双馈式风力发电机，双馈主要指电机定子、转子，都能完成电力供应。通常而言，双馈式发电机是由接线盒、转子、定子、冷却系统、滑环系统和传动结构构成。转子结构一般为散嵌绕组、半线圈与成型绕组构成。滑环系统包含滑环座、维护罩、碳刷、风扇等构成，滑环环氧浇注式、热套式类型，冷却系统包含水冷式和风冷式方式。

从某种性质来看，双馈式发电机属于异步式发电机范围，这类发电机具有同步式发电机的励磁绕组，一般用于功率因素、励磁过程的调控，所以双馈式发电机具有异步、同步两种优点。

针对双馈式发电机定子贴心，有相同形状凹槽的均匀分布，主要是用于嵌入定子绕组，通过定子三相电流，产生一定旋转磁场。在转子中，利用嵌入绝缘导线，可组成三相绕组。在转子上引出三相线，再连接转轴的集电环，通过电刷引出。通常而言，定子和工频电网能够直接连接，转子通过变换器与电网连接，以便于转子的交流励磁。

同时，双馈式发电机的成本较低、体积较小，调节方式为无功率调节，且抗电磁的干扰能力强，具有简便易行的特点。发电机励磁过程和供电网络没有直接联系，由转子即可直接完成所处电路。所以双馈式发电机的输出能量较为稳定，在工作过程中，电网通常不会发生较大的波动幅度。双馈式发电机系统利用电机励磁过程的控制，能够准确和快速地调节运转状态、功率因素。此外，对于风力变化影响，双馈式发电机适应能力较强，可保持稳定的输出能力。

2 双馈式风力发电机的运行原理分析

对于双馈式发电机，定子连接供电网络后，转子连接双脉冲调制变流器，接着介入到相应网络。所以在双馈式风力发电机的定子端，如果电力参数没有发生变化，利用双脉冲变流器，即可调节转子端电流。此外，在双馈式发电机的运行流程中，转子部分利用交流，即可完成励磁过程，确保发电机具有较强适应能力、足够稳定性，对降低发电成本十分重要。按照定子和转子的磁场转动速率，双馈式发电机主要包含以下三种运转模式：

2.1 超同步模式

如果定子磁场处于一种转动状态且低于转子磁场的转动效率，转轴输出功率，则高于定子磁场功率。对于转子所处电路，就无需直流励磁电流。借助双脉冲调制变流器，即可为供电网络供电，所以处于该种模式状态，发电机通过定子与转子，向所处电路传输电能，即双馈式发电机的正常工作模式。

2.2 同步模式

处于定子磁场转动状态下，如果和转子磁场转动速率相等，则转轴出功率和电子功率也基本相同。双馈式发电机就只能运用定子所处电路，为供电网络输送电能，转子所处电路无法参与其中，主要接受直流励磁电流。处于这种状态中，三者的转动速率基本相同，所以双馈式发电机能够实现同步模式工作。

2.3 亚同步模式

如果定子磁场处于一种转动状态，且低于转子磁场速率，转轴输出功率低于定子磁场功率。因此，在该种模式状态下，必须依靠双脉冲变流器，方可实现转子供电网络的电能供给。电能输出需依靠定子电路承担，又称之为补偿发电。在发电机实际过程中，环境因素决定了发电机工作模式。若风力变化较小，则双馈式发电机处于亚同步模式。如果风力充足，则双馈式发电机处于正常工作模式。

2.4 模式分析

对于上述三种工作模式，笔者以变速恒频风力发电系统为例，处于该系统中，发电机定子与电网直接连接，转子通过两个背靠背连接，通过PWM变换器，交直交变换器连接电网。对于双馈电机工作，主要分为超同步、同步阶段，加上转子侧转差功率传递方向存在一定区别。双馈式发电机功率主要分为4个不同状态，次同步电动、次同步发电、超同步电动、超同步发电。假设将定子侧功率设定为P1，转子侧设定为P2，电机机械功率设定为PJ，按照规定，如果定子为电网输送电能，P1值就为正值，由电网吸收电能，则P1值为负值。如果转子通过电网馈送电能，P2值为正值，由电网吸收电能，P2值为负值。如果电机吸收机械功率，PJ值为正值，电机输出机械功率，PJ值为负值。

3 双馈式风力发电机控制技术

近些年来，随着人们日益渴望再生能源，重视科学技术进步，风电能源受到了社会各界关注，在整个电力系统的重要性也日益凸显。风力产生是风力推动桨叶转动后，推动发电机转动，使风能转化为电能。但风速处于恒定不变状态，进而增加了桨叶转速的不稳定性，使得发电机电能频率、电能波动，所以如何保证风力发电机稳定性，控制好风力发电机的输出电能，是风电系统的重要研究问题。在风力作用下，桨叶处于转动状态，所产生，动能能够推动发电机转子运转。按照定子、转子转动的速率，通过转子磁场的转动对转子电流频率、转动速率进行调节，即可完成双馈式发电机的基本控制。一般而言，双馈式发电机主要包含以下控制技术：

3.1 矢量控制

矢量控制技术的核心在于，按照定子相位值、电流频率值构建电流矢量参数，通过控制算法，能够将直流量转化成交流量。进而控制发电机的工作状态与功率因素，提高能量转化效率，保证电能输入稳定性、可靠性。一般来说，矢量控制技术适用于风力较小地区。

3.2 模糊控制

模糊控制技术是一种智能化控制技术，通常利用软件对人类思维方式进行模拟，借助相关经验、处理办法，根据风向变化和风力变化，做出相应动作反应。处于各种情况下，所获得控制数据，能够保证系统顺利运转，与系统最优值最为接近。因此，该类控制技术运用状况对预设控制、开发人员经验具有显著依赖性。该种控制技术在风力较大区域适用。

3.3 直接转矩控制

直接转矩控制技术关键是通过输入转矩的调控，根据相关分析理论，对发电机运转状态进行控制，通过各种技术，在简单矢量建模、不复杂运算基础上，能够直接计算出转矩参数，对输出电能稳定性、参数具有控制作用。同时，双馈式风力发电机的控制技术有着多种类型，如滑膜变结构等。

3.4 变速恒频控制

对于风力发电系统，因风速呈现时变性质，因此利用风能发电具有一定难度，所以提升风力发电技术可有效提升风机效率，实现风能资源优化利用。通常而言，供电网络对于电能质量，主要是有上网电压频率变化量、变化率的要求，这两个量和上网有功、无功相关。因此。针对发电机输出电压控制十分重要。双馈式发电机控制，是通过变频器控制励磁相位与幅值，再控制电流频率，通过三个量的控制调节，对励磁控制器给定值进行控制，以满足变速恒频控制的目的。

4 结语

综上所述，双馈式风力发电机具备了异步式、同步式的优点，为供电网络能够提供可靠、高效和稳定的电能供应，运用、推广前景十分广泛。近些年来，随着发电机制造工艺、控制技术的不断发展、优化，在风力发电领域，双馈式风力发电机得到了广泛运用。同时，对于风力发电机的研究人员来说，还需加强进一步产品研发，提高发电机的控制性能，为我国工业生产、社会发展创造更多的能源。

参考文献

[1] 赵阳.风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术研究[D].华中科技大学，2008.

[2] 王大伟.双馈风力发电机运行控制技术研究[D].华北电力大学（北京），2011.

[3] 刁统山.新型永磁双馈发电机及其控制策略研究[D].山东大学，2013.

[4] 郝欣.双馈式风力发电系统无速度传感器控制策略研究[D].合肥工业大学，2013.

[5] 邓友汉.双馈风力发电机最大风能捕捉及低电压运行技术研究[D].武汉大学，2014.

[6] 房若民.双馈风力发电系统运行控制技术研究及其监控系统设计[D].浙江工业大学，2009.