一种2 MW双馈调速系统

刘 宁，袁轶彦

(1. 国电联合动力技术有限公司，北京 100039； 2. 北京三一电机系统有限责任公司，北京 102206)



一种2 MW双馈调速系统

刘 宁1，袁轶彦2

(1. 国电联合动力技术有限公司，北京 100039； 2. 北京三一电机系统有限责任公司，北京 102206)

双馈调速系统主要由绕线式异步电机和四象限变流器构成，具有以小功率变流器实现控制大功率输出的能力。以三一电机的2 MW双馈调速系统为例，介绍了双馈调速系统的特点、运行原理和实现方案，并对其转矩特性进行了分析。

双馈调速；绕线式异步电机；四象限变流器

0 引言

大功率双馈异步发电机由于其特殊的优点在风力发电领域得到了广泛的应用，通过转子侧四象限变流器的有功、无功解耦控制可获得比较好的发电质量[1]。如果使双馈异步发电系统不是工作在发电运行状态，而是工作在电动运行状态，则其将变为一种双馈调速系统。双馈电机本身是一种绕线式异步电机，而大功率绕线式异步电机目前在矿山提升设备、风机、水泵等负载调速场合仍普遍使用，因此基于大功率绕线式异步电机的双馈调速系统具有广阔的市场前景。

与其它传统调速系统相比，双馈调速系统主要具有以下优点：

1) 可实现全速度范围内无级调速；

2) 双馈变频器容量仅为传统大功率异步变频调速系统的1/3左右，系统成本低；

3) 变频器统一采用低压功率器件，技术成熟，可靠性高；

4) 采用四象限变流器，可实现转差功率回馈，且有功电流和无功电流单独解耦控制，可实现单位功率因数控制；

5) 系统效率较传统异步变频调速系统高。

1 双馈调速系统实现方案

1.1 系统结构

双馈调速系统主要由绕线式异步电机和四象限变流器构成，其它辅助设备包括变压器、进线电抗器、熔断器、高压开关、传感器(电压、电流、位置)、上电预充电路等[2]。四象限变流器具有CANOpen接口，可以由外部控制台通过CAN总线进行系统运行方式设定、转速指令设定、系统参数修改等，同时也可通过CAN总线对系统运行状态进行实时监控。双馈调速系统结构框图如图1所示。

此系统中，绕线式异步电机的定子绕组通过高压开关直接接工频电网，定子绕组的额定电压随电网电压等级而变；转子绕组直接接四象限变流器的转子侧输出端，转子绕组的额定电压为常用的690 V。因此，此双馈调速系统方案中，绕线式异步电机可根据需要设计为定子侧高压、转子侧低压的特殊电机，由于用于转子侧变频馈电的四象限变流器的电压等级固定不变，因此连接电网和四象限变流器的变压器需要根据电网电压等级单独设计。

1.2 控制策略

双馈调速系统的控制策略本质上是指四象限变流器的控制策略。四象限变流器从结构和控制上可分为两个独立的部分：网侧变流器和转子侧变流器[3]。网侧变流器为三相电压源型可控整流器，它的主要作用是为转子侧变流器提供稳定的直流母线电压，同时实现绕线式异步电机的转差功率回馈，因此，其控制对象为直流母线电压，控制策略与双馈发电系统中网侧变流器的控制策略完全一样。转子侧变流器为三相电压源型逆变器，它的主要作用是实现绕线式异步电机的转速调节和控制， 因此其控制对象为电机转速，控制策略与双馈发电系统中转子侧变流器的控制策略类似，所不同的是这里采用电动运行模式而非发电运行模式。由上述分析可知，若将双馈发电系统整改为相同功率的双馈调速系统是比较简单的，只需将转子侧变流器的发电运行控制策略改为电动运行控制策略即可。这里，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制策略，而转子侧变流器采用定子磁链定向矢量控制策略。

图1 双馈调速系统结构框图

1.3 起动方式

与发电运行模式相比，双馈电动运行时，起动是一个比较大的问题，这是因为在起动时，电机的滑差频率很高，因而在转子绕组感应出较高的电压，而受变流器电压容量限制，若按双馈模式运行，系统是无法正常起动的。因此需要采用其它方式使电机转速升高到双馈运行模式的可控速度范围，然后再切换至双馈运行模式正常调速。

这里，系统起动时采用转子异步变频控制方式，待转速达到设定值之后再切换到双馈调速控制方式。两种控制方式之间的切换需要高压开关K1和K2配合。起动时，K1断开、K2闭合(定子绕组短接)，转子异步变频起动；待转速达到设定值之后，K2断开(定子绕组开路)，然后切换到双馈励磁控制方式，待定子电压与电网电压同步后，闭合K1，此时便可以按双馈调速方式在同步转速上下一定范围内进行连续的速度调节。

2 双馈调速系统转矩性能分析

由于双馈调速系统在起动时采用转子侧异步变频控制方式，因此，受网侧变流器功率容量和转子侧变流器电压容量限制，双馈调速系统的起动转矩小于额定转矩。以北京三一电机系统有限责任公司开发的2 MW双馈发电机为例，分析由其构建的双馈调速系统的转矩性能。

1) 转子异步变频运行模式

转子变频运行模式下，在弱磁点之前采用恒转矩控制，弱磁点之后采用恒功率控制。因此，计算弱磁点的转矩可以得到转子异步变频运行时的额定转矩。

弱磁点的频率fc主要由转子堵转开路电压uro、转子侧变流器最大输出电压ucmax和转子额定频率fn决定：

=0.84×104N·m

(1)

2) 双馈调速运行模式

双馈调速运行模式下的额定转矩为TN=9 550·PN/nN=1.06×104N·m。

3) 两种模式切换时的转矩

由转子侧变流器的最大输出电压Ucmax可求出两种运行模式切换点的转差率ssw=Ucmax/Uro=0.395，切换转速为nsw=(1-ssw)n0=908r/min，定子绕组并网时的轴功率为：

Psw=P2·(1-ssw)/ssw=735.2kW

因此可得切换点的转矩：

Tsw=9 550·psw/nsw=0.773×104N·m

为可靠起见，切换转速一般要高于计算值。

4) 双馈运行模式下的恒转矩区域

根据网侧变流器功率容量限制，可求出双馈运行模式下的恒转矩范围。由于双馈运行模式下转矩可表示为T=9 550·P2/(s·n0)，当T=TN时，可求出恒转矩区域的最大滑差s=0.288。同时可根据上述转矩公式求出最高转速(nmax=2 000r/min)下的转矩为0.917×104N·m。

5) 双馈调速系统转矩特性曲线

根据转子异步变频运行模式额定转矩、双馈调速运行模式额定转矩、双馈调速运行模式恒转矩区域、切换点转矩、切换点转速等，可得双馈调速系统的全速度范围转矩特性曲线。

图2 双馈调速系统转矩特性曲线

3 结语

与传统的大功率异步电机变频调速系统相比，大功率双馈调速系统的变流器容量比较小，可完全使用低压功率器件实现，技术成熟、可靠性高、成本低，且由于采用四象限变流器，系统不仅可实现转差功率回馈电网，而且可实现单位功率因数控制[4]。根据起动方式及全速度范围转矩特性分析，本文构建的双馈调速系统适用于风机、水泵类负载调速场合。

[1]郑艳文，柴建云，李永东.一种宽转速范围的双馈电机调速系统[J]，电机与控制应用， 2009， 36(9): 8-12.

[2]郑艳文，苑国锋，柴建云，等.大容量对拖式双馈电机试验系统[J]，清华大学学报(自然科学版)， 2010，50(1): 27-30.

[3]叶宗彬. 大功率提升机三电平双馈调速关键技术研究[D]，中国矿业大学博士学位论文，2010: 58-73.

[4]杨强.兆瓦级双馈风力发电机的设计研究[D]，湖南大学硕士学位论文，2007:10-27.