交流励磁双馈电机在变速恒频风电系统中的应用.pdf

交流励磁双馈电机在变速恒频风电系统

中的应用

摘要：本文介绍了变速恒频风电系统及其控制方案、交流励磁双馈电机的优

点和基本原理，同时对双馈电机在变速恒频风电系统中的应用进行了实验研究。

关键词：变速恒频风电系统交流励磁双馈电机实验

1.引言

随着人们对风能的重视，风力发电由单机运行逐渐发展为并网发电，同时容

量也在逐渐增大。在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风力发电

机组发电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。但风力发电机发出的

电能，其频率、电压、波形等都是不稳定的，对这样的电能只有经过处理与控制，

才能并网。为充分利用不同风速时的风能，我们对风电系统的控制方案做了深入

研究，并提出了实用且适合于风力发电的变速恒频技术。

2.变速恒频风电系统

恒速恒频和变速恒频风电系统是现代并网风电机组的两种类型。恒速恒频风

电系统结构简单，整机造价低、安全系数和可靠性较高，在现在的风力机市场上

占有较大份额，但恒速运行对风能的利用效率不高。变速恒频风电系统是20世

纪70年代中期以后发展起来的一种新型风力发电系统，风力机跟随风速的变化

而变速运行，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大。与恒速恒频风

电系统相比，其主要优点是：

(1)系统转换效率高。变速运行的风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，

最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率，和恒速恒频风电系统相比年发

电量一般可提高10%以上。

(2)机电系统间的刚性连接变为柔性连接。当风速跃升时，吸收阵风能量以

飞轮能量的形式存储在机械惯性中，减少机械应力和转矩脉动，延长风机寿命。

当风速下降时，高速运转的风轮能量释放出来变为电能送给电网。

(3)具有同步电机运行特点，功率因数可调。不消耗电网无功功率，还可改

善电网功率因数，提高发电质量。

(4)可使变桨距调节简单化。只需采取适当的限速措施，在限速运行区允许

转速有一定范围的波动，从而降低风力机机械部分的造价，并能提高运行的可靠

性。

(5)便于和电力系统并网，操作简单，运行可靠，不会发生振荡和失步，减

少运行噪声，可进行动态功率和转矩脉动补偿。

国内外风电专家提出了多种变速恒频风力发电的控制方案，有的是发电机与

电力电子装置、微机控制系统相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本

身结构而实现的，它们各有其特点，适用场合也不一样。根据当前的控制技术，

在多种变速恒频风力发电方案中，交流励磁双馈电机变速恒频是目前风力发电比

较合理的方案。

3.交流励磁双馈风力发电机系统

双馈型变速恒频风电系统根据变速运行风力机的转速变化与电网电压频率的

要求，通过变流器给发电机转子送入相应转差频率的励磁电流，使定子绕组发出

的电压频率与电网相同。系统基本构成如图1所示，其主要由风轮、双馈发电机、

变频器励磁系统、控制检测系统组成。

图1双馈型变速恒频风电系统结构图

双馈电机利用绕线式异步电机的结构特点，将定子绕组接工频电网，转子通

过三相变频器接入所需低频电源，定转子同时供电，实现双馈调速。当双馈电机

稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间是保持相对静止的。当定子旋

转磁场在空间以ω=2πf的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速

01

度应当是：

(1)

式中：—转差角速度；

—定子侧电源的角速度；

—转子旋转的角速度；

s—双馈电机的转差率。

上式说明转子磁场相对于转子的转速同转差率成正比。如果双馈电机的转子

转度低于同步转速，那么转子旋转磁场和转子的旋转方向相同（0s1），定子

向电网馈送能量，转子需要馈入能量；如果转子转速高于同步转速，那么二者的

旋转方向相反（s0），此时除定子向电网馈送能量，转子也向电网馈送一部分

能量。因为转子的旋转磁场相对于转子的旋转角速度，所以馈入转子绕组

中的电流频率就应该是转差频率，它与转