双馈风力发电机组双模发电运行方法研究

吴玉杨

阳光电源股份有限公司 安徽合肥 2300 88

【摘要】：近年来，我国风力发电发展迅速，风资源比较理想地区基本已抢装完毕，随着平价时代的到来，风力发电逐步向低风速型机组发展，如何提升低风速段的运行和发电效率，对风力发电机组的可利用小时数提升至关重要。由于双馈电机的能控性受制于转子端电压，转子端电压大小与电机转差频率呈线性关系，一般电机的并网转速都会控制在转差频率±0.3以内，这就要求较高的风速才能满足双馈电机并网发电。当风力不足以支撑双馈电机并网发电需求时，脱网势必造成了风资源的浪费。为了充分利用风资源，双馈风力发电系统可以改造为双馈-异步双模式运行方案。本文主要研究双馈电机双模运行方法，当风速较高时，双馈电机运行于双馈状态；当风速较低时，双馈电机通过外部构造成异步电机运行模式，实现鼠笼异步发电，提升机组运行范围，获得更大发电效益。

【关键词】：风力发电 双馈电机 鼠笼异步 双模式运行

1. 概述

由双馈电机结构可知，双馈电机改造为异步电机运行只需将定子绕组短接，下图1为双馈电机双馈-鼠笼异步双模运行系统拓扑图，其中虚线部分为双馈电机双模控制变流器。

图 1 双馈-鼠笼异步双模运行系统拓扑图

正常风况时，发电机定子通过闭合K1实现并网，机侧变流器运行于双馈发电控制状态。当风速较低时，超出双馈运行范围，K1断开，K2闭合将发电机定子短路，构造成鼠笼异步电机，机侧变流器进入鼠笼异步发电控制状态，机组持续进行发电。K1和K2实现软件、硬件互锁，不能同时闭合。整个双馈机组通过软件控制方式的在线切换实现双模运行。双馈单模式运行已非常成熟，本文重点研究双馈运行状态转入鼠笼异步后的控制方法及实现策略。

2. 双馈电机构造异步电机磁链定向矢量控制原理

当转速低于最大双馈运行状态时，机侧变流器进行撤载并断开K1，实现发电机与电网软解列。发电机定子与电网断开后，机侧变流器闭锁，此时闭合K2，将发电机定子短路，随后机侧变流器进入鼠笼异步控制模式，并进行PWM发波控制。

双馈电机定子绕组短接后，双馈电机电压、磁链基本方程如下：

_{电压方程：}

(1)

磁链方程：

(2)

假设异步电机定子磁场已经定向，励磁电流大小为：i_rm

(3)

由式(2)、(3)得：

(4)

由式(1)、(3)、(4)得：

(5)

若定子磁链定向于d轴方向，i_rd作为励磁电流给定，将式(5)进行实虚轴分离得：

(6)

式(6)进行差分离散化为：

(7)

式(7)求得电机定子磁链矢量角为:ω₁，转子侧矢量的转差频率角为：

(8)

双馈电机做异步电机磁场定向矢量控制的原理图如下：

图 2 双馈电机构造成鼠笼异步电机的磁场定向矢量控制原理图

3、 双馈电机构造异步电机转子励磁电流设计

双馈变流器机侧能控性取决于转子端电压大小，设计中一般不允许转子端电压大于电网电压。绕线异步电机转子端电压大小与电机转速、励磁电流大小近似线性化成正比。双馈电机转子侧阻抗忽略不计，由式(1)、(2)求得转子端电压表达式为：

(9)

定子磁链定向在d轴方向，式(9)进一步化简为：

(10)

式(10)的求解过程建立在双馈电机定转子匝比等效为1:1基础上，假设实际双馈电机定转子匝比为1/N，则励磁电流i_rd应满足：

(11)

*文中ω_r指的是转子侧矢量电角度，即机械角度与极对数的乘积。

4. 转子侧有功电流设计

变流器风场运行模式下，主控根据电机功率曲线下发转矩百分比，即下发指令为转矩大小。而变流器接收指令为转子侧有功电流，这中间就需要一个转化关系，将主控下发的转矩指令转化为有功电流指令。由于双馈变流器没有转子端电压互感器，异步机运行状态下转矩到有功电流指令的转换就需要依托于电机的参数进行近似计算，电机参数的精度直接关系到有功电流指令计算的精确度。下面给出，异步机工作模式下转矩到有功电流的转化关系式。

双馈电机转子侧阻抗忽略不计，式(1)的转子端电压可化简为：

(12)

已知转子侧电压、电流大小，则异步机转子端有功功率大小为：

(13)

异步机转子端有功功率大小与电磁转矩关系如下：

(14)

式中， (P为电机极对数)

由式(13)、(14)得：

(15)

式(15)的求解过程建立在双馈电机定转子匝比等效为：1:1基础上，考虑到电机定转子匝比，异步机运行模式下转矩到有功电流的转化关系式为：

(16)

4. 仿真与试验

以2MW双馈电机为例，电机参数如表1所示，根据此电机参数，若双馈电机做异步机运行额定转速为1000r/min，由式(11)求得励磁电流大小i_rd ≤ 72A。

表1 2MW双馈电机参数

（1）仿真工况1：电机转速1000r/min，励磁电流 i_rd = 72A

图3 电机转速1000rpm、励磁电流给定72A工况，转子电流、定子电流、转子侧占空比仿真

此种工况下，理论计算转子侧占空比为0.53，忽略电机阻抗等影响与图(3)仿真结果的0.54几乎一致。

（2）仿真工况2：电机转速500r/min，励磁电流 i_rd = 72A

图4 电机转速500rpm、励磁电流给定72A工况，转子电流、定子电流、转子侧占空比仿真

此种工况下，理论计算转子侧占空比为0.265，与图(5)仿真结果的0.265一致。

通过上述工况的仿真，验证了双馈电机异步运行模式下，励磁电流设计的正确性。

（3）仿真工况3：电机转速1000r/min、励磁电流大小给定为：72A，有功电流给定为：300A

由式(16)求得此时对应的异步电机电磁转矩T_e大小为：3445Nm，仿真波形如下图5所示。

图5 电机转速1000rpm、励磁电流72A、有功电流300A工况，转子电流、定子电流、电磁转矩仿真

上述工况下，异步机输出电磁转矩大小为3220Nm，与额定核算3445Nm有一定偏差，误差主要来源于上述电磁转矩到转子侧有功电流的计算过程中的一些等效。实际运行中，可以采用功率闭环，提高系统有功功率的控制精度。

下图6所示为双馈电机异步模式运行工况下试验波形，电机运行工况为：转速1000rpm、励磁电流50A、有功电流370A，系统发出有功功率为400kW。

图6 双馈电机异步模式运行工况下，网侧电流与机侧电流试验波形

4. 结论

通过上述理论分析，对双馈切入鼠笼异步的过程进行了理论分析，软件可以实现。通过仿真和试验验证，在进入低速后通过鼠笼异步运行，发电功率仍然可以维持几百kW，验证了机组低风速提升可利用率的可行性。目前此方案已批量应用于实际风场项目，运行稳定。

参考文献：

【1】张兴、曹仁贤，《永磁同步全功率风冷发电变流器及其控制》，电子工业出版社，2016

【2】贺益康，《并网双馈异步风力发电机运行控制》，中国电力出版社，2012

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