基于小型双馈异步发电机风电并网调频系统的研究

赵小平

（神木职业技术学院，陕西 神木 719300）

1 我国风力资源利用现状

我国的风能资源丰富，发展风力发电的市场发展潜力巨大。我国可开发利用的风能总储量约10亿kW，其中可开发的陆地风能储量达2.53亿kW，可开发的水上风能储量达7.5亿kW［1］。而偏远山区地带、沿海地区海岛等的土地资源较多，人口数量较少，一些地区的交通不够便利，但这些地区通常拥有充足的风力发电资源。小型民用风力发电系统的投资成本低且使用灵活，特别适合解决风力资源丰富的偏远地区的缺电居民的基本生活用电问题和一些小规模生产用电问题。

2 传统民用风力发电系统分析

2.1 传统民用风力发电的并网过程

风力发电系统主要由风力发电机、发电机组、变流器、储能技术装置（蓄电池组）、逆变器和操控系统构成。系统的构造图如图1所示。

图1 系统结构

图1中的关键控制模块中，储能蓄电池组是风能发电应用推广的核心部件。因为风能发电和太阳能发电过程受自然条件的影响很大，风力大小的变化难以精准地预测分析，造成电流起伏较大，有可能会对电器的正常运行造成影响甚至损坏电器，所以必须给风力发电系统配置一定容积的锂电池组作为发电系统的储能部分。风力发电机传出的电能将充入储能设备，逆变装置将电池中的电能逆变为所需的交流电流向负荷供电，确保供电品质和用电设施的安全运行。因此，逆变器是系统设计中十分重要的装置。风力发电系统中采用的风力发电逆变器大部分接受电池组的直流电电能，并将其转化为达到连接负荷规定的工频正弦波电流，向当地负荷电器供电。

2.2 传统民用小型风力发电系统的缺陷

传统的小型民用风力发电系统存在如下缺陷。

（1）离网型小型风力发电机组目前只能储存电力，当有剩余电能时，必须经过逆变器转化成50 Hz交流电后才能并网。

（2）离网型小型风力发电机组在并网时要进行两次交—直流转换，电能利用效率低下。

（3）系统必须使用电瓶，成本较高，而且电瓶的使用寿命有限，一般为3年左右。

3 风力发电机的种类及选用

3.1 异步发电机

（1）笼鼠式异步发电机，用于初期的风力发电机、离网型小型发电机，其构造简易，特性平稳，成本较低。

（2）绕线转子异步发电机，转子绕阻联接电阻器，当风速变化时，通过更改外接电阻器的大小操纵功率。当风速较高时，不必要的动能将耗费在转子摩擦阻力上。

（3）双馈异步发电机，其转子不但会输入机械功率，而且会与附加电源进行能量交换。伴随着转子转速的变化，更改交流励磁交流电流的工作频率、幅度值、相序及相位差，使电机定子导出的电流幅度值和电流量工作频率保持一致，同时可向电力网导出感性或容性的无功负荷。

3.2 同步发电机

（1）永磁同步发电机，其转子选用永磁材料制成，构造简单，不容易毁坏，检修便捷，容积较大。一般适用于航空航天高速发电机。

（2）直流励磁同步发电机，现阶段的水力发电和火力发电机组的转子选用直流励磁，通过更改励磁电流量可以调整功率和因数。

4 双馈异步发电机的工作原理

4.1 双馈发电机的3种工作状态

根据发电机转子转速与同步转速的关联性，双馈发电机有3种不同的运行状态。双馈发电机组的这一特性可以在较宽的风速范围内获得平稳的发电量，这正是它优于传统式异步发电机之处。

（1）亚同步状态。转子的机械转速小于发电机的同步转速（0＜S＜1）。双馈逆变电源对双馈异步发电机转子开展励磁调节的终极目标是在转子绕阻中造成一个电磁振荡，这一电磁场的转速和转子的机械设备转速生成转子的实际转速，达到电动机的同步转速，让异步发电机像同步电动机一样运作。

（2）同步状态。转子的机械转速等于发电机的同步转速（S=0）。双馈逆变电源选用直流励磁调节转子，双馈异步电动机为同步电动机。除了转子绕阻的一些耗损，转子可不损耗动能用于励磁调节器发电，机械动能都转换为电磁能，从电机定子导出到电网。

（3）超同步状态。转子的机械转速大于发电机的同步转速（S＜0）。这时，发电机组的电机定子和转子处于发电状态，转子侧变流器处于整流状态，网侧变流器处于逆变电源状态，转子造成的电磁能反馈到电网。

4.2 双馈异步发电机的工作原理

“双馈”是指电网与转子间能量的双向流动。能量流动的第一种方式是电网向逆变电源器供电，逆变电源器对转子绕阻开展励磁调节和馈电；能量流动的方向是从电网到转子。能量流动的第二种方式是发电机转子处于发电状态时，转子向双馈逆变电路输出能量，这时转子侧逆变电路处于整流状态，电网侧逆变电路处于逆变电源状态。中间直流母线的工作电压逆变为与电网工作电压同幅同频的交流电，能量传递给电网；能量的流动方向是从转子到电网。

5 基于小型双馈异步发电机风电并网调频系统的构建

本文采用小型双馈异步发电机，发电机的定子和转子绕组均可与电网进行能量交换。

5.1 系统的构建

本文提出一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频技术，所述风力发电机连接能很好地控制输出频率的采样系统和调频系统。采样系统对风车转速进行采样，并将采样结果送往调频系统，由调频系统对输出电压频率进行调整，保证输出电压频率稳定在50 Hz，不依赖硬件储能设备。该系统结构图如图2所示［2］。

图2 基于小型双馈异步发电机风电并网调频系统的研究

该系统可以保证输出电压稳定在50 Hz。当风车转速大于额定转速时，采用一次调频法，向转子绕组中通入三相交流电，产生反向的旋转磁场进行抵消；当风车转速小于额定转速时，采用惯量响应法，向转子绕组中通入三相交流电，产生同向的旋转磁场进行叠加。

该调频系统的工作步骤如下：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速。若未达到，则采用惯量响应调频方法；若达到，则采用一次调频方法。保证输出电压频率的稳定［2］。

5.2 双馈异步发电机的控制策略

从以上分析可以更好地展示双馈风力发电系统的总体构架。为了保证系统的良好运行，做好信息反馈，确保电力工程的可靠性，必须完善现有技术，更好地对双馈风力发电系统开展控制［3］。

（1）带储能的双馈风力发电系统（GSC）控制对策。向具备持续起伏的双馈感应发电机电机定子导出有功功率是GSC控制的目的之一，可以确保电网的功率达到期望值，根据控制电网的电流方向突出解耦控制的优势。

（2） 被动保护系统（RSC）控制策略。RSC是双馈风力发电系统中最重要的一部分，其控制总目标是根据追踪控制对策精确测量较大的风力，在风能的利用上做好转换，进而根据获得电机定子端口号命令明确有功功率。这部分控制系统选用电磁场定向的双馈感应发电机矢量控制方法，它最大的特点是可以将电机定子端口号的有功功率和无功负荷结合，完成解耦控制，最后使脉冲宽度调制信号综合控制RSC。

（3） 故障穿越控制。伴随着风能发电经营规模的不断扩大，地区电网间的相互影响也会越来越大。一旦电网工作电压降低，离心风机便会大规模脱网，造成电网工作电压奔溃，甚至造成安全事故。因而，控制常见故障穿越，可以稳定电网运作、处理测算剖析后的不对称问题及减少震动力度。

5.3 系统的优点

（1）不使用电瓶等电能储存装置，节省了成本。

（2）不用通过两次交—直流转换，可将风力发电产生的电力直接并网，结构简单，大大提高了电能的利用效率。

（3）该系统不使用电瓶且可以实现风电的直接并网，延长了发电系统的使用寿命。

6 并网型风力发电技术的发展趋势

（1）并网技术和最大风能捕获技术的研究。并网风力发电系统的研究包含风能发电的并网技术和并网后发电机组的转速操纵。为了增强风电系统的稳定性和系统常见故障穿越工作能力，必须根据全输出功率变流器完成控制系统，根据合闭并网电源开关来调整并网操纵。现阶段，可以利用调整小型风力发电的桨距、输出功率和转速追踪最大风能，进而捕获最大风能［4］。

（2）发展变桨距调整方法和调速运作方法。变桨距调整方式可以根据操作系统的最佳运作参数平稳运作，在额定值风力之下最大限度地消化吸收风能高效率，在额定值风力以上调整全部系统的承受力以导出稳定输出功率，将进一步替代现阶段的固定不动桨距调整方式。这项技术的发展终将变成并网风能发电技术发展的一个主要方向［5］。

（3）海上风电场技术。海上风速资源比较丰富，核心风向平稳，离心风电机对周围环境影响小，因此可以组装更高装机量的风力发电机。将来，海上风电场发电量将获得较大的发展，但海上风电场发展中的一些技术问题需尽早处理，如风电可靠性指标设计、水上风电场输配电技术科学研究、风电场维护保养技术、风电场集中控制技术等问题。只有这些问题得到科学、合理、高效的处理，并网风能发电技术才能得到持续且迅速的发展。

7 结语

本文选用双馈异步发电机，并基于双馈异步发电机构建了风电并网调频系统，该系统具有以下特点：不需要使用电瓶等电能储存装置，大大节省了成本；不用通过两次交—直流转换，可将风力发电产生的电力直接并网，结构简单，大大提高了电能的利用效率；不使用电瓶且可以实现风电的直接并网，延长了发电系统的使用寿命。

本文还探讨了并网型风电技术的发展前景：并网技术和最大风能捕获技术的研究将是未来风力发电的重要方向；发展变桨距调整方法和调速运作方法将是并网风能发电技术的一个主要研究方向。