风力发电机的功率解耦计算

内蒙古龙源蒙东新能源有限公司 于重阳

双馈发电机为当前风力发电机组的大部件之一，变流器经过矢量计算调节发电机转子电流，使得机组能够变速恒频运行。双馈变流器仅参与整机的20%功率控制即可实现整机的有功、无功平滑调节，其主要原理源于双馈发电机的解耦计算。本文主要对双馈发电机的功率解耦计算进行阐述，讲述双馈发电机定子有功、定子无功与转子dq 轴电流之间的关系。

1 双馈发电机单相稳态等效电路图

在双馈发电机单相稳态等效电路图中，Is为定子电流，Rs为定子电阻，jωsLos为定子漏抗，Us为定子相电压，Es为定子的感应电动势，Im为虚拟励磁电流。Ir为折算到定子侧的转子电流，Rr/s 为折算到定子侧的转子电阻，jωsLσγ为折算到定子侧的转子漏抗，Ur/s 为折算到定子侧的转子相电压。

2 计算过程

可以通过机组的总输出功率求得机组的机械功率：Pmec=P/η，式中Pmec为机械功率，P 为机组输出功率，η 为机组效率。

图1 单相稳态等效电路

根据机组发电机转速，可通过机械功率求得定子功率指令值（假设机组未主动限制功率或转矩）：式中Ps为定子有功功率，s 为转差率；可求得：Isd=Ps/3Us，Isq=Qs/3Us，式中Isd为定子d 轴电流，Isq为定子q 轴电流，Us为定子电压，Qs为定子无功功率（一般只要抵消掉机组其他输出无功即可，整机输出无功为0）。

根据d 轴电流和磁链关系可得[1]：Isd(Los+Lm)=Ird×Lm，式中Los为发电机定子漏感，Lm为发电机互感电感。即式中Xos为发电机定子漏抗，Xm为发电机互感电抗。

根据q 轴电流和磁链关系可得：Isq(Los+Lm)=Irq×Lm=ψs≈Im×Lm，式中ψs为定子磁链，Im为互感电流。即。

综上可得：

因此转子dq 轴电流与定子有功、无功之间存在上述等式关系。在双馈变流器中输入发电机参数Xm、Xσs等，变流器即可根据上述等式，通过控制转子dq 轴电流达到控制定子有功无功的目的。

3 实验数据及计算结果对比

根据转子Ird及Irq可以求得转子模型电流转子实际电流为Ir’=Ir×u ≈Ir×(Ns/Nr)，式中Ns为发电机定子绕组匝数，Nr为发电机转子绕组匝数，u 为发电机静态变比。

已知某发电机型号为永济1.5MW-YJ93A，电机参数：Xm=1.5642Ω,Xσs=0.02754Ω。对该发电机进行工作特性实验，实验数据如表1。通过上述推导公式，计算结果如表2。由表1及表2可知，计算结果与实验测试结果基本一致。

表1 工作特性实验数据

表2 推导计算结果

4 拓展应用

目前双馈风力发电机组广泛用于风力发电领域，但是双馈风力发电机组在实际使用时，发电机和变流器会经常发生故障，两者故障率较高。又由于发电机和变流器紧密联系在一起，两者的故障现象一致，因此双馈风力发电机组会发出同一个故障信号来表示发电机和变流器故障。但是在后期的维修过程中，维修工人无法判断是发电机出现故障还是变流器出现故障，故障原因很难划分。

对上述发电机还是变流器出现故障，目前主要是在静态环境下（即在停机状态下）通过绝缘摇表或者直阻测试仪对发电机进行电阻检测，但是此种检测在静态的时候检测是正常的，但是当发电机转动起来双馈风力发电机组还是会发出故障信号，此种静态的检测对发电机还是变流器出现故障容易判断错误，实际错误故障不容易暴露，因此无法准确判断是发电机故障还是变流器故障。

通过该计算方法，现场人员可以通过粗略计算来判断风电机组双馈发电机或双馈变流器的故障。工作过程中，若变流器检测转子电流值与计算值出现明显偏差，说明双馈发电机励磁特性出现变化，从某种角度上指明发电机已经出现了内部故障，故障形式通常为绕组匝间短路、绝缘击穿等。