[浅谈双馈式风力发电机]双馈式风力发电机
摘要：随着全球能源危机的不断加重和环境的严重污染，风力发电机技术越来越受到人们的重视，双馈式风力发电机也已成为风力发电装备重点发展的方向之一。本文主要分析了双馈式发电机的结构、工作原理和控制方法。
关键词：风力发电 双馈式风力发电机 控制
1 双馈式发电机的组成和原理
1.1 结构：双馈式发电机的定子结构和异步发电机的相同，转子上带有滑环和电刷。双馈式风力发电系统结构如图1所示，从图中可以看出定子绕组与电网直接相连，而转子绕组则是通过可逆变流器与电网相连[1][2]。
1.2 基本原理：双馈式电机的定子、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转子变化而频率不变时，发电机的转速和定转子电流频率之间的关系为表示为：
f1=(pn/60)±f2 式1
式中：f1为定子电流频率，单位为Hz；f2为转子电流频率，单位为Hz；p为发电机的磁极对数；n为转子的转速，单位为r/min。
由上式可知，当发电机的转速发生变化时，可以通过调节f2来维持f1不变，来保证与电网频率相同，实现变速恒频控制。
根据转子的转速不同，双馈式发电机可以有三种运行状态，如图2-3所示，图中：P2为发电机轴上输入的机械功率；Pem为转子传递到定子上的电磁功率；sPem为转子输入/出的有功功率；（1±|s|）Pem为定子绕组输出的有功功率。
①亚同步运行状态：此时n0，式子1取“+”，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的向速与转子转动方向相同，功率流动方如图2（a）所示，从图中可以看出，P2=Pem=(1-s) Pem+sPem，由于此时s>0，所以sPem>0，故需要电网给转子回路提供电能，定子绕组输出的电能为(1-s) Pem，小于转子传递到定子的电能Pem。
②超同步运行状态：发电机运行于该状态时，n>n1，转差s<0，式子1取“-”，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的向速与转子转动方向相反，功率流动方如图2（b）所示，从图中可以看出，P2=Pem，由于此时s<0，所以sPem<0，故转子回路会通过变流器向电网回馈电能，定子绕组输出的电能为(1+|s|) Pem，大于转子传递到定子的电能Pem，这也是双馈式发电机的重要特点。
③同步运行状态：在该状态下，发电机的转子转速与同步转速相同，故电机转子电流为一直流量，与同步发电机相同。
1.3 变流器工作原理：双馈式异步电机的定子绕组需要接到电网上，而为了实现交流励磁，其转子绕组则必须接到一个频率可调的交流三相电源上[3]。如果负载的变化引起了转子频率发生变化时，能够改变励磁电流的频率，使得定子输出频率不会随之发生变化，该频率与电网频率是相同的，从而保证风力发电机虽然转速变化但是输出频率不变，这种功能是通过变流器实现的。目前市场上通常会采用背靠背恒压源PWM调制电路来实现变流器。这种电路是由两个PWM-VSI所构成，靠近电网的我们把它称为网侧变流器，靠近转子侧的称为转子侧变流器，如图3所示，图中的ua、ub、uc为电网电压，L、R为交流进线电抗器的电感和电阻，L2a、R2为转子一相绕组的漏电感和电阻，e2a、e2b、e2c为转子三相绕组的反电动势。
当电机工作在亚同步运行状态时，电网会通过变流向转子回路供电，此时网侧变流器工作在整流状态，转子侧变流器则工作在逆变状态，经过变流器之后，就可以控制转子电流的幅值、相位和频率，使得定子电流的频率恒定。当电机工作在超同步运行状态时，网侧变流器工作在逆变状态，转子侧变流器则工作在整流状态，转子回路通过变流的变流作用，向电网回馈工频电能。
2 双馈式风力发电机的控制
双馈式电机在结构上与绕线式感应电机非常相似，它们的定子绕组都是接在了对称三相电源上，并且该电源的频率是固定的。但是二者之间也是有所区别的，其中主要就在于双馈式电机的转子绕组要接到一个频率可调的三相交流电源上，并且一般要通过交-交变频器提供一个频率比较低的电流。
一般来讲，电网对电能质量的要求主要就是上网电压的变化率和频率变化量，这两个量由于和上网的无功和有功有关，所以对于发电机的输出电压的控制很重要。而双馈式风力发电机的控制主要就是通过变频器对励磁电流的幅值、频率和相位的控制。这样通过调节以上三个量的大小，来调节励磁控制器的给定值，达到变速恒频的目的[4]。转子侧的励磁控制器有以下几个控制目标[5][6]：
①由于通过调节定子输出的有功功率，可以改变转子电压的相位，所以要保证定子有功功率快速跟踪励磁控制器的有功功率给定值P*。
②由于通过调节定子上的无功，可以调节转子电压的幅值，所以要保证定子的输出电压能快速跟踪励磁控制器的电压给定值U*。
③由于转子转速的快慢能够决定了转子电压的频率，所以要保证转子转速能快速跟踪励磁控制器的转子转速给定值n*。
当电机所带负荷突然发生变化时，如果电机的转速也能很快地随之作出改变，那么电机转子上的动能就会得到充分地利用，从而可以释放和吸收负荷。这样既能够稳定电网电压和频率，还提高了机组的效率。
3 结论
在风力发电系统中，由于风速具有时变的特性，所以利用风能发电存在一定的难度。因此提高风力发电技术，有效的提高风机的效率，最好地利用风能资源，具有重要意义。由于双馈式风力发电机本身特有的结构，使得其控制性能更加优越，因此得到了广泛地应用。
参考文献：
[1]王庆龙等.变速恒频风力发电功率偏差控制技术研究[J].《电气传动》，2008，38(8):11-13.
[2]贺益康等.交流励磁变速恒频风电系统运行研究[J].《电力系统自动化》，2004，28（13）：53-59.
[3]胡邵猫等.基于Matlab的双馈风力发电机的模型研究与仿真[J].《机械与电子》，2006.