变速双馈风力发电机工作原理.pdf

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1、变速双馈风力发电机工作原理现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距 ( 风轮转动惯量) , 通过主轴传动链, 经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后, 通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速, 转子也处于发电状态, 通过变流器向电网馈电。最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成, 立在一定高度的塔干上, 这即是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化, 时有时无, 电压和频率不稳定, 没有实际应用价值。为了解决这些问题, 现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。齿轮箱可以将很低的风轮转速( 1 500 kW

2、的风机通常为 1222 r/min) 变为很高的发电机转速( 发电机同步转速通常为 1 500 r/min)。同时也使得发电机易于控制, 实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道, 1 500 kW 的风机机舱总重 50多 t,叶轮 30 t, 使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。风机是有许多转动部件的, 机舱在水平面旋转, 随时偏航对准风向; 风轮沿水平轴旋转, 以便产生动力扭距。对变桨矩风机, 组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转, 以便适应不同的风况而变桨距。在停机时, 叶片要顺桨, 以便形成阻尼刹车。早期采用液压系统用于调节叶片桨矩( 同

3、时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用) , 现在电变距系统逐步取代液压变距。就 1 500 kW风机而言, 一般在 4 m/s左右的风速自动启动, 在 13 m/s 左右发出额定功率。 然后, 随着风速的增加, 一直控制在额定功率附近发电, 直到风速达到 25 m/s时自动停机。现代风机的设计极限风速为 6070 m/s, 也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。 理论上的 12级飓风, 其风速范围也仅为 32.736.9 m/s。风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制, 在稳定的电压和频率下运行, 自动地并网和脱网; 同时监视齿轮箱、 发电机的运行温度, 液压系统的油压, 对出现的任

4、何异常进行报警, 必要时自动停机, 属于无人值守独立发电系统单元。目前的風電機組多采納恒速恒頻系統，發電機多采取同步電機或異步感應電機。 在風電機組向恒頻電網送電時，不須要調速，因為電網頻率將逼迫控制風輪的轉速。在這種情形下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉速。效率降落，被迫下降出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處於亞同步速或超同步速的雙饋發電機都可以在不同的風速下運行 ，其轉速可隨風速變化做相應的調整，使風力機的運行始終處於最佳狀況，機組效率提高。同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調節電網的功率因數，又可以提高系統的穩定性。雙饋電機的工作特性雙饋電機

5、的構造相似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源鼓勵， 所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源鼓勵，一般採取交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率為 f1(f1=pn1/60)的三相電源供電時，由於電機轉子的轉速n(l-s)n1(s為轉差率，n1為氣隙中基波旋轉磁場的同步速率)。為了實現穩固的機電能量轉換，定子磁場與轉子磁場應堅持相對靜止，即應滿足:r&omega,UPS 電源;1- 2其中:r是轉子旋轉角頻率;1 是定子電流形成的旋轉磁場的角頻率;2 是轉子電流形成的旋轉磁場的角頻率。由此可得轉子供電頻率 f2 sf1，此時定轉子旋

6、轉磁場均以同步速n1旋轉，兩者堅持相對靜止。與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調量有三個: 一是與同步電機一樣，可以調節勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位, 通風節能地板。通過轉變勵磁頻率，可調節轉速。這樣在負荷突然變化時，敏捷改變電機的轉速，充足應用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網的擾動遠比常規電機小。另外，通過調節轉子勵磁電流的幅值和相位，可到達調節有功功率和無功功率的目標。而同步電機的可調量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調節同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。 與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調節電流幅值外，亦可以調節其相位，當轉子電流的相位改

7、變時，由轉子電流發生的轉子磁場在氣隙空間的地位就發生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網電壓向量的相對地位 ，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調節無功功率，也可調節有功功率。一般來說，當電機接收電網的無功功率時，往往功率角變大，使電機的穩固性降落。而雙饋電機卻可通過調節勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩固性進步，從而可多接收無功功率，戰勝由於晚間負荷降低，電網電壓過高的困難。與之相比，異步發電機卻因需從電網吸收無功的勵磁電流，與電網並列運行後，造成電網的功率因數變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優勝的運行性能。風力發電中雙饋電機的節制在風力發電中，由於風速變

8、幻莫測，使對其的應用存在必定的困難。所以改善風力發電技術，提高風力發電機組的效力，最充足地應用風能資源，有著十分主要的意義。任何一個風力發電機組都包含作為原動機的風力機和將機械能改變為電能的發電機。其中，作為原動機的風力機，其效率在很大水準上決議了整個風力發電機組的效率， 而風力機的效率又在很大水準上取決於其負荷是否處於最佳狀況。不管一個風力機是如何精緻地設計和施工建造 ，若它處於過載或久載的狀況下，都會喪失其效率。從風力機的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比 ，對應一個最佳的效率。所以風力發電機的最佳節制是維持最佳周速比 。另外，由於要斟酌電網對有功功率和無功功率的請求，所以風力機最佳工況

9、時的轉速應由其氣動曲線及電網的功率指令綜合得出。也就是說，風力發電機的轉速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調整，依附轉子動能的變化，接收或釋放功率，減少對電網的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的掌握。可以轉變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，到達調節其轉速、有功功率和無功功率的目標，既進步了機組的效力，又對電網起到穩頻、穩壓的作用。圖2 是按這種掌握思路得出的風力發電雙饋電機控制體系框圖。整個掌握體系可分為三個單元: 轉速調整單元、有功功率調整單元、電壓調整單元(無功功率調整)。它們分離接收風速和轉速、有功功率、無功功率指令，併發生一個綜合信號，送給勵磁節制裝置，轉變勵磁

10、電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統的請求。由於雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無功功率，有風時，機組並網發電; 無風時，也可作克制電網頻率和電壓波動的補償裝置。雙饋風力發電機組利用遠景遼闊綜上所述，將雙饋電機利用於風力發電中，可以解決風力機轉速不可調、機組效力低等問題。另外，由於雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網可起到穩壓、穩頻的作用，進步發電品質。與同步機交一直一交體系相比，還有變頻裝置容量小(一般為發電機額定容量的 1020%)、重量輕的長處，更合適於風力發電機組使用，同時也下降了造價。將雙饋電機運用於風力發電的假想，不僅在理論上成立，在技術上也是可行的。與現有的風力發電技術相

11、比，無論從經濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優勢，具有很強的競爭力，有利於風電機組國產化的過程，其發展遠景十分遼闊。一般多利用於 1.5mw 雙饋異步發電機。交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机. 交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁, 使其具有灵活的运行方式, 在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。 交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1)运行于变速恒频方式;2)运行于无功大范围调节的方式;3)运行于发电-电动方式。双馈型异步发电机的运行理论机组的运行稳定性提高，可更多地吸收无功功率，改善目前由于

12、晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。利用矢量变换控制技术，综合改变 DFIG 转子励磁电流的相位和幅值，可以实现 DFIG输出有功功率和无功功率的解耦控制， 因此， 在功率调节上 DFIG 较同步发电机有更多的优越性。由于 DFIG 具有同步发电机所不具备的变速恒频运行的能力，使它在以下几方面的应用中有明显的优势：(1)在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电。在很多发电场合中，原动机转速是时刻变化的，如潮汐电站中， 水头是变化的，使水轮机转速也变化；风力发电中，随风速的变化风力机转速也会变化；船舶与航空发电机的转速跟着推进器的速度而变化。 以往的发电方式中， 由于受电网频率和同步发电机特

13、性的限制， 发电机转速不能变，迫使原动机在不同水头、不同风力等情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，原动机磨损增大，发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。DFIG 可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，降低了机组的磨损，延长了机组的使用寿命。(2)能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，输电线电压等级逐渐提高。此外， 电网负荷变化率也随社会需求越来越大，经常出现输电线传输有功功率高于其自然功率的工况。 这时线路出现过剩无功功率， 引起持续工频过电压，

14、这会危及系统的安全运行和增加损耗。目前解决的办法是在线路上加装静止电抗器、 调相机或静止无功补偿器， 或要求发电机进相运行，这些措施提高了运行的技术和经济成本。由于 DFIG 可以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，所以可通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，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。(3)可实现发电机安全、便捷的并网 P采用同步发电机或异步发电机时，并网控制较为复杂，往往需要精确的转速控制和整步、准同步操作。而采用 DFIG 时，通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全

15、而快速的“柔性”并网操作。从上面的讨论中可以看出，具有变速恒频运行的能力是 DFIG 一个非常重要的优势。变速恒频的机理可用图 2.1来进一步说明。图 2.1中、分别为DIFG 定、转子电流的频率，为定子磁场的转速，即同步转速， 为转子磁场相对于转子的转速，为 DFIG 转子的电转速。由电机学的知识可知，DFIG 稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即从上式可知，当发电机转速变化时，可通过调节转子励磁电流频率保持定子输出电能频率恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运行时，转子绕组相序与定子相同；当发电机超同步运行时，转子绕组相序与定子相反；当发电机同步速运行时，转子进行直流励磁。由变

16、浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。 发电机输出先经整流器变为直流，再经 IGBT （绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群） ，比如 ABB 公司的“Windformer”采用的是高压永磁直驱同步发电机（群） ，结构如下：单机容量为 35MW ，输出额定电压高达 20kV

17、，频率为 510Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性， 又改进了效率。 风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成 50Hz 的交流电，电压为 12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加。另外，IGBT 逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的 120以上。但使用 IGBT 逆变器也带来一些好处：使用脉宽调制（PWM ）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩， 改善了谐

18、波性能。 有功功率和无功功率的控制更为方便。 大功率 IGBT很容易驱动。IGBT 有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。开关时间短，导通时间不到1 毫秒，关断时间小于6 毫秒，使得管子功耗小。目前单管容量已经较大，如 Eupec公司的 FZ600R65KF1 等器件，可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流，FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在 1.2kV电压下开关 3.6kA电流。发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外， 还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求发电机控制系统：尽可能产生较低的谐波电流，能够控制功率因数

19、，使发电机输出电压适应电网电压的变化，向电网提供稳定的功率目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、 有发展前景的风力发电机组主要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，二者各有优缺点。单从控制系统本身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简单，但要求逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，尤其是对有功、无功的控制，而且逆变器容量小得多。双馈型风力发电机组与永磁直驱风力发电机组的综合比较：变速恒频双馈变流系统的工作原理和特点图 1 变速恒频双馈发电的拓扑结构变速恒频双馈发电的结构简图如图 1 所示。电机转子由两个 “背靠背”连接的电压型 PWM 变换器（分别称做机

20、侧变换器和网侧变换器）进行励磁，双 PWM 变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流，实现最大风能捕捉和定子输出无功的调节。当电机亚同步速运行时，往转子中馈入能量，网侧作整流器运行，转子侧变换器作逆变器运行，提供励磁电流；当电机超同步速运行时，电机同时由定子和转子发出电能给电网；处于同步运行状态时，发电机作为同步电机运行，变流系统向转子提供直流励磁。采用这种发电模式的优点在于：? 可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。? 可实现发电机输出有功功率和无功功率的解耦控制，控制有功可调节风电机组转速，进而

21、实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。? 可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，即发电机输出电压的频率、幅值、相位不受转子速度和瞬时位置的影响。而且变速恒频系统比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。网侧变换器和机侧变换器分别采用两个控制单元控制。网侧控制单元主要用于控制网侧变换器，维持直流母线电压的稳定，并保证其良好的输入电流波形和单位功率因数；机侧控制单元主要用于控制机侧变换器，它通过控制 DFIG 转子电流的转矩和励磁分量来分别调节 DFIG 的输出有功和无功，跟踪有功无功指令，从而使 DFIG 运行在风机

22、的最佳功率曲线上实现最大风能捕获运行。变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究林成武，王凤翔，姚兴佳林成武，王凤翔，姚兴佳（沈阳工业大学，辽宁（沈阳工业大学，辽宁 沈阳沈阳 110023110023）摘摘 要要：双馈电机变速恒频（VSCF ）风力发电系统，是通过调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现变速恒频控制的。该文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上，设计和构建了基于 80C196MC 单片机的 VSCF双馈风力发电机的励磁控制试验系统。对变速恒频控制、恒压控制、并网控制以及亚同步速、 同步速和超同步速三种不同运行状态之间的动态转换控制技术，进行了试验研究， 为兆瓦级变速

23、恒频双馈风力发电机励磁控制系统的设计奠定了基础。关键词关键词：风力发电机；变速恒频；双馈；励磁控制1 1 引言引言风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展。 采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比具有显著的优势，如风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力， 以及可以改善系统的功率因数等。变速恒频双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。 尽管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发电系统控制技术进行研究， 然而由于仿真模型及其参数的非真实性和控制算法的

24、非实时性，仿真研究往往难以代替模拟系统的试验研究。 本文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上，设计和构建了基于 80C196MC 单片机的 VSCF 双馈风力发电机的励磁控制试验系统，并对其控制技术进行了系统的试验研究。2 2 VSCFVSCF 风力发电机的工作原理风力发电机的工作原理2.12.1双双馈电机的馈电机的 VSCFVSCF 控制原理控制原理VSCF 风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成，其原理框图如图 1。双馈发电机的定子绕组接电网，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变流器或交-直-交变流器供电。双馈发电机可在不同的转速下

25、运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可知 VSCF风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下式中f1、f2、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。由式(1) 可知，当转速n发生变化时，若调节f2相应变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF 控制。当风力发电机处于亚同步速运行时，式(1) 取正号；当风力发

26、电机处于超同步速运行时，式(1) 取负号；同步速运行时，f2=0，变流器向转子提供直流励磁电流。2.22.2不不同运行方式下的转子绕组功率流向同运行方式下的转子绕组功率流向当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时，发电机的定子输出电功率P1等于转子输入电功率P2与电机轴上输入机械功率Pmech之和，即式中s为转差率。由式(2)(4)可知，当发电机在亚同步速运行时，s0，需要向转子绕组馈入电功率， 由转子传递给定子的电磁功率为sP1， 风力机传递给定子的电功率只有(1-s)P1。当发电机在超同步速运行时，s0，此时转子绕组向外供电，即定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(

27、1+|s|)P1。双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式下的输入输出功率关系，可用图2 功率流向示意图表示。由于在低于和高于同步速不同运行方式下转子绕组的功率流向不同，因此需要采用双向变流器。3 3 励磁控制系统的硬件设计励磁控制系统的硬件设计3.13.1励励磁控制系统的基本功能磁控制系统的基本功能为满足双馈发电机低于同步速、同步速和高于同步速运行的各种工况要求，向转子绕组馈电的双向变流器应满足输出电压（或电流）幅值、频率、相位和相序可调。 通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率；通过控制励磁电流的频率可调节发电机的有功功率； 通过风力机变桨距控制与发电机励磁控制相结合，可按最

28、佳运行方式调节发电机的转速。3.23.2励磁控制系统基本组成励磁控制系统基本组成VSCF 双馈风力发电机模拟试验系统框图如图 3 所示。该系统由额定功率为2.8kW 的绕线转子感应电机 、直流拖动电动机、调压器、IGBT 交直交双向变流器、光电编码器、电流及电压传感器、 80C196MC 单片机、PC 机及参数显示器等组成。4 4 励磁控制技术研究励磁控制技术研究4.14.1变速恒频控制变速恒频控制双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。实现变速恒频控制可以采用两种方法，即有转速传感器和无转速传感器的变速恒频

29、控制。前者控制相对容易，但需要光电编码器；后者控制技术稍复杂一些。图 3 所示励磁控制系统采用有速度传感器的变速恒频控制。 电机的极对数p=2，定子电流频率f1=50Hz。将p和f1值代入式(1) ，可得励磁电流频率f2的与电机转速检测信号的关系式。亚同步速时馈入转子的电流频率为式中kp是计数器在每 10ms 所记录的光电编码器的输出脉冲数。可根据光电编码器每转输出 2000个脉冲计算出电机转速与kp的关系。图 4 是双馈发电机低于同步速运行时转子绕组电流随转速调节频率的波形。由图可以看出， 转子电流的频率根据转速按式(1) 的规律变化， 实现了双馈发电机的变速恒频控制。4.24.2恒恒定电压

30、控制定电压控制当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时, 定子绕组开路相电压的有效值为式中f1为定子绕组的电压频率；N1和kw1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数。每极磁通f0=f(I2)由转子绕组励磁电流决定。由式(7) 可知，当定子绕组电压频率f1为恒定值时，在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变便可使定子绕组端电压保持不变。然而当发电机负载运行时，由于定子绕组电阻和漏电抗压降，以及由于定子电流电枢反应磁场的影响，即使转子励磁电流不变，每极磁通和定子绕组端电压也不再是常数。为了保持在不同运行状况下发电机端电压恒定， 需要通过电压反馈调节转子励磁电流实现闭环恒压控制。试验表明，双馈发电机

31、输出电压采用闭环控制后，转速由 1300r/min增加到 1480r/min ，定子绕组输出电压仅变化了 0.2V。4.34.3双馈发电机的并网控制双馈发电机的并网控制传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击较大。双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网， 避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。在图 3 的励磁控制系统中，并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时自动并网运行。由图 5 看出，并网后定子电流有振荡现象，这是由于在并网试验中没有采用有功

32、和无功功率闭环控制造成的，采用闭环控制后，发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题。如图 5 所示，并网前发电机电压略高于电网电压，并网后发电机电压即为电网电压。并网前发电机电流为辅助负载的电流，并网后的电流为馈入电网的电流。辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测，并网后将辅助负载切除。为了便于并网前后发电机定子绕组电压电流的比较， 并网试验中采用了辅助负载检测并网前定子绕组的电压和电流，在实际VSCF 系统中，不一定需要辅助负载，可检测与比较电网和发电机的端电压以确定是否满足并网条件。4.44.4三态转换控制三态转换控制在亚同步速运行时，变流器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步速运行时变流器向

33、转子绕组馈入直流电， 而超同步速运行时转子绕组输出交流电通过变流器馈入电网。 亚同步、同步和超同步三种不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电机励磁控制的一项关键技术。由于风速变化的不稳定性，风力发电机难以长时间稳定运行在同步速。为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度， 在实际变速恒频风力发电系统中，总是把稳定运行工作点选在避开同步速附近小转差区(|s|0.05)以外的区间。自然，跨越同步点是难免的。跨越同步点的三种运行状态的转换可采用两种不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是随着发电机转速的增高逐渐降低转子绕组电流

34、的频率， 当转速接近同步速时供给转子绕组直流（此时转子三相绕组为“两并一串”的联接方式而变流器以 PWM方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流）。当转速超过同步速后，变流器停止直流供电， 此时转子绕组向变流器输出转差频率的交流电。采用“交-直-交”控制模式的发电机跨越同步速时的转子电流实测波形如图 6 所示。“交-交”控制模式因省去了向转子绕组供直流电的环节，控制稍微容易一些， 但三种运行状态转换的平滑性稍差一些，其转子电流试验波形如图 7 所示。5 5 结论结论（1）跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一，采用“交-直-交”或“交-交”控制模

35、式，可实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换。（2）并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决的另一关键技术。可采用不同的并网方式（异步方式或同步方式），但需要解决并网过程中的电流冲击和电压波动问题。双馈异步电机双馈异步电机现代兆瓦级大型并网风力发电机组通常采用双馈异步电机。如图（电子文档）所示，其实现变速恒频恒压的过程如下：当风速降低时，风力机转速降低，双馈异步发电机转子转速也降低，转子绕组的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速 n s，定子绕组感应电动势的频率 f低于电网频率 f O (SOHz) 。转速测量装置立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路，提高转子励磁频率，

36、使转子旋转磁场的转速（电频率）回复到同步转速 n s，这样定子绕组感应电动势的频率保持在电网频率 f O (SOHz) ，从而与电网同步。同理，当风速增高时，风机及双馈异步电机转子转速升高，转子绕组的旋转磁场转速将高于异步电机的同步转速 n s， 定子绕组感应电动势的频率 f高于电网频率 f O (SOHz) 。转速测量装置立即将转速升高的信息反馈到控制系统，降低转子励磁电流的频率，使转子旋转磁场的转速回复到同步转速。双馈异步电机输出电压高低的控制是靠控制发电机转子励磁电流的大小来实现的。当发电机负载增加，发电机输出电压降低时，电压推测装置将信息反馈到控制系统，使发电机转子电流增大，定子绕组的

37、感应电动势增高，发电机输出端电压恢复到额定电压。反之，发电机负载减小时，发电机输出电压升高，控制系统减小转子电流，使定子绕组输出电压降回到额定值。因此，双馈异步电机是一个负反馈系统，通过控制转子电流的大小和频率，来实现变转速下的恒压和恒频输出的。 异步发电机转子回路中可采用循环变流器作为变频器， 现代兆瓦级以上的双馈异步风力发电机多彩由 IGBT 组成的 PWM （脉宽调制）变频器。直驱式低落速永磁发电机直驱式低落速永磁发电机这是目前最为尖端的兆瓦级并网风力发电机技术，是今后技术发展的方向。这种发电机为多极永磁电机，无需励磁，无需滑环。风力机直接驱动永磁发电机，无需变速箱。这种发电机将输出端的

38、输出电压提高到 1020kv，可直接与电网连接，因此称为 Powerformer （意为：既是发电机，又是变压器），最早由 ABB 公司于 1998年研制成功，用于风力发电系统中，又称为 Windformer.这种发电机由于风力机叶轮直接驱动电机转子，以低速运转， 减小了摩擦损耗；永磁励磁，没有滑环损耗。取消齿轮箱后，大大降低了噪声和机械应力，减少了维护工作量， 提高了使用寿命， 虽然多极永磁电机体积较大， 但由于没有齿轮箱，整机重量还是减轻了，最新的变频技术可以直接实现矩阵式交交变频，不需要整流后再逆变，进一步提高了效率。功率因数 COS ，也叫力率，是有功功率和视在功率的比值，即COS=P

39、/S。在一定的额定电压和额定电流下，功率因数越高，有功所占的比重越大，反之越低。发电机的额定电压，电流是一定的，发电机的容量即为它的视在功率，如果发电机在额定容量下运行， 其输出的有功功率的大小取决于负载的功率因数， 功率因数低时， 发电机的输出功率低，其容量得不到充分利用。功率因数低，在输电线路上将引起较大的电压降和功率损耗。因当输电线输送功率一定时，线路中电流与功率因数成反比即 I=P/COS，当功率因数降低时，电流增大，在输电线电阻电抗上压降增大，使负载端电压过低，严重时，影响设备正常运行，用户无法用电。此外，电阻上消耗的功率与电流平方成反比，电流增大要引起线损增加。提高功率因数的措施有：合理地选择和使用电气设备， 用户的同步电动机可以提高功率因数，甚至可以使功率因数为负值，即进相运行。而感应电动机功率因数很低，尢其是空载和轻载运行时 ，所以应该避免感应电动机空载或轻载运行。安装并联补偿电容器或静止补偿等设备，使电路中总的无功功率减少。