变速恒频风力发电系统控制方案分析(2)

变速恒频风力发电系统控制方案分析

《》２００７年第２

期

所示。采用的发电机为转子双馈发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过变频器供以频率、幅值、相位和相序都可改变的三相低

图３双馈电机变速恒频风力发电系统

频励磁电流。无论

风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。

此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制，来实现发电机的双馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，转差功率仅为发电机定子额定功率的１／４至１／３，所以功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降低，系统容易设计与整理。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，需要经常维护，目前这种风力发电机技术已经商品化，能生产出ＭＷ级风力发电系统。

组在电路和磁路方面是解耦的。其发电机转子为特殊设计无刷的笼型结构或者磁阻式结构，转子极数为定子两个绕组极数之和，通过限制磁通路径，以产生交、直轴方向上的磁阻差别，来调制定子绕组产生的极数不同的气隙磁场。

图５无刷变速恒频发电系统

无刷双馈电机中定子的功率绕组和控制绕组的作用，相当于绕线式双馈电机的定子绕组和转子绕组，单电机的无刷化比双电机方案体积小、成本低，其缺点是电机的设计比双电机复杂。虽然两种电机的运行机制不同，但在控制上可以通过和绕线式双馈电机同样的策略实现：

ｆｐ±ｆｃ＝（Ｐｐ＋Ｐｃ）ｆｍ

式中：ｆｐ是定子功率绕组电流频率，与电网频率相同；ｆｃ

是定子控制绕组电流频率；Ｐｐ是定子功率绕组的极对数；Ｐｃ是定子控制绕组的极对数。超同步时，取“，亚同步时取＋”“。当发电机转速ｎｍ变化时，即ｆｍ变化时，若控制ｆｃ相应－”

发生变化，ｆｐ将保持恒定不变，从而实现了变速恒频控制。

此系统控制方案是在定子侧实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈型发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的Ｐｃ／（Ｐｐ＋Ｐｃ），双向变换器的容量也仅为发电机容量的一小部分。

这种控制方案除了可实现变速恒频控制，变频器容量只占系统容量的一小部分，还可以实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。由于无刷双馈电机兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，还可以调节功率因数和运该项技术行速度，因此非常适合于变速恒频风力发电系统。

目前在国内不是十分成熟，处于理论研究阶段，尚未进入工程实用阶段。

３．无刷双馈型变速恒频系统

双馈电机的无刷化可采用两种方式：（１）双电机级联式

级联式双馈感应电机是一种过渡形式，它由两台绕线式感应电机同轴串联而成，具有两套分离的定、转子绕组，两台电机通过转轴和转子电路的连接实现机械、电气上的

一体化，

以消除电

刷。其中一台机的定子直接连电网，另一台绕线式感应电机的定子通过变换器供电，两台电机的转

图４

级联式双馈电机示意图

子绕组不用滑环电刷而直接相联，控制

变换器既可实现整个级联电机的控制。由于其中一台作为功率电机，一台作为控制电机，因而控制与功率是独立的磁路，很容易实现有功、无功功率的解耦。但是数量巨大的绕组数，使得在机组上的损耗很大，所以效率低。示意图如图

４．永磁同步发电系统

该系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，利用永久磁铁取代转子励磁磁场，无需外部提供励磁电源。变速恒频策略是在定子侧实现的，通过控制变频器，将发电机输出的变频变压交流电转换为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同，存在谐波污染问题。其系统如图６所示：

４所示。

（２）单电机无刷双馈

系统如图５所示。采用单电机的无刷双馈电机是在定子上安装两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。两套定子绕

图６

采用永磁发电机的变速恒频风力系统

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