双馈风力发电机运行原理与发电控制技术探讨赵鑫

双馈风力发电机运行原理与发电控制技术探讨赵鑫

赵鑫

大唐三门峡风力发电有限公司河南省472000

摘要：全球化工业发展使化石燃料贮存量急剧减少，因此利用可再生能源开展电力生产是目前解决我国能源不足问题的重要途经。双馈风力发电机在风力发电过程中应用比较普遍，强化其运行原理和发电控制技术研究是提升其工作效能的主要方式，但是显然目前我们普遍对双馈风力发电机运行原理以及发电控制技术认识不足，需要结合国内外研究理论继续深化探讨，才能够进一步满足我国的风力发电需求。本文尝试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，希望研究内容可以对相关行业工作者的实践工作起到一定积极作用。

关键词：双馈式风力发电机；运行原理；发电控制技术

引言：

据调查，世界各国在风力发电中每年投人的资金总额已接近一千亿美元。全球范围内，已开始进行研究和采用风力发电技术的国家约有一百个。由此可见，在化石燃料日渐减少的现状下，风力发电技术极有可能与其它可再生能源(比如太阳能、水力等)发电技术一同取代火力发电。投入风力发电机运行原理和控制技术研究显然已经成为我们发展经济的关键路径，结合双馈风力发电机的广泛应用，本研究主要开展如下研究。

1双馈风力发电机的结构分析

顾名思义，“双馈”指的就是电机的定子与转子均可完成电力供应过程。一般来说，双馈式发电机的主要部件有定、转子及其接线盒，传动机构、滑环系统与冷却设备等。其中，转子结构主要存在成型绕组、矩形半线圈、散嵌绕组等形式;滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环座、滑环维护罩等部分，而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型；冷却设备主要分为风冷式、水冷式等多种形式。

在性质归属上双馈发电机属于异步式发电机，但这类发电机又拥有与同步式发电机相似的激磁绕组来调控励磁过程及功率因数。因此，这种发电机兼有同步和异步式发电机的优点。其本身具有很大应用优势，如设备体积小、应用成本低、支持无功率调节，具备抗电磁干扰功能。且该发电机在励磁的过程中受供电网络干扰不明显，能够直接由转子所处电路完成。综上，双馈风力发电机有比较稳定的能量输出，在运行过程中对电网的波动影响微小，结合对发电机励磁过程的控制、运行状态参数的调节保持系统运行稳定性。再者，该发电机在适应风力变化和维持电能稳定输出上作用显著。

2双馈式风力发电机的运行原理分析

双馈风力发电机在运行过程中需要定子首先连接供电网络，转子连接双脉冲调制变流器，然后完成网络接入工作。双馈风力发电机的定子端如果不出现电力参数变化则可以利用双脉冲变流器完成转子端的电流调节。转子利用交流励磁，能够确保双馈发电机在适应性、稳定性方面的性能，利于电力生产成本控制。具体运转模式如下：

双馈风力发电机的定子绕组直接和电网连接，转子绕组通过双PWM变流器和电网相连接，其定子和转子都能够输入或输出能量。双馈风力发电机的定子电压和频率为固定值，而转子电压频率则由双PWM变流器控制。双馈风力发电机的功率是可以双向流动的，其运行方式主要包括如下三种：(1)当发电机转差率＜0时，发电机处于超同步速状态，此时转轴上的机械功率大于定子侧电磁功率，会同时通过定子侧和转子侧向电网馈送能量。(2)当发电机转差率=0时，发电机状态与三相同步发电机运行状态相同，此时转轴上的机械功率等于定子侧的电磁功率，能量只能通过定子侧馈送给电网，而电网通过变流器给转子侧提供直流励磁，使其达到三相同步发电机的运行状态。(3)当发电机转差率＞0时，发电机处于亚同步速状态，此时转轴上的机械功率小于定子侧的电磁功率，电网必须通过变流器给转子侧提供能量，使其与转轴上的机械功率的和等于定子侧的电磁功率，能量通过定子侧馈送给电网。

3双馈风力发电机牵入电网的方式

双馈风力发电机牵入电网的方式主要有以下几种：(1)空载牵入电网方式。并网前，双馈风力发电机空载，即在定子侧不带负载，调节双馈风力发电机定子电压，使其与电网电压在幅值、频率和相位上保持一致。此种控制策略实现简单且原理清晰，是一种理想的控制方案。(2)带独立负载牵入电网方式。并网前，双馈风力发电机带负载运行，根据定子电压、电流和电网信息对双馈风力发电机进行控制，在满足并网条件的时候牵入电网。(3)孤岛牵入电网方式。孤岛牵入电网控制方式一共分为三个阶段：①第一阶段为励磁阶段，从电网侧引入一路预充电回路接至交-直-交变流器的直流侧。当风力机的转速达到转速要求之后，开关闭合，直流充电装置通过预充电型变压器给交-直-交变流器的直流那侧充电。充电结束以后，发电机那侧变流器就开始工作，将励磁电流供给双馈风力发电机转子侧；②第二阶段为孤岛运行，首先将开关断开，然后起动网侧变流器，使其升压运行，然后将直流侧电压升高的所需数值；③第三阶段为牵入电网阶段。闭合连接电网与变流器之间的开关，发电机和电网之间便实现了无冲击牵入电网。牵入电网以后，通过调节风力机的桨距角来使风力机的输入能量变大，从而实现发电的目的[4]。

4发电控制技术

4.1直接转矩控制技术

该控制技术应用的关键环节就是进行输入转矩的调控利用，依据发电机的设备应用原理和运行状态变动开展调控工作。在技术应用过程中，一些比较复杂的运算过程和矢量建模过程可以很大程度上避免，也不影响转矩参数获取，还能保持输电参数的稳定性。

4.2矢量控制该技术

矢量控制该技术应用的核心要求就是要以发电机自身的定子端的幅值、输入电流频率和相位等一系列参数作为电流矢量，构建参数系统之后引入控制算法，使直流量向着交流量转化，进而实现对发电机运行状态以及功率的控制。该技术控制方式可以提升设备能量转化率，对供电网络的安全和稳定有保障作用。

4.3模拟控制信息技术

模拟控制信息技术的应用，双馈风力发电机控制技术逐渐实现智能化控制。通常情况下智能化控制需要借助各种信息软件，通过模拟人的思维方式，结合相关处理办法对对发电机风向与风力变化作出一系列自动控制反应。应用模糊控制技术所获得的控制数据仅可以将设备运转维持在最优值最接近的一个合理范围内，且在实际应用环节，对预设控制规则和开发人员的经验要求较高，因而常在一些风力较大区域内使用[5]。

结语：

综上，双馈发电机自身在实际电力生产中具有很大应用优势，可以为供电系统的安全和稳定运行提供保障，值得在电力生产中推广应用。近些年，我国在发电机制造工艺和发电控制技术发展上获得了很大进步，技术水平逐步提升，对电力生产起到了积极作用，双馈发电机的效能也得到了肯定，但是也还存在很多不足。同时，风力发电工作者在技术研究和产品开发上还是不能放松，在看到进步的同时也要认识到不足，结合理论研究和实践研究促进我国发电机技术控制水平的提升，为我国电力生产和社会发展提供助力。本研究尝试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，旨在促进我国电力事业可持续发展。

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]胡文,肖强晖.双馈风力发电机空载并网控制策略研究[J].湖南工业大学学报,2014,26(06):1125-1124,1126-1127.

[4]张凤,张晓红,卢业蕙.变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究[J].科技创新导报,2015,22(35):166-167,170-171.

[5]王君瑞,钟彦儒.双级矩阵变换器励磁双馈风力发电机控制[J].太阳能学报,2015,33(11):1992-1998.