研究双馈风力发电机组自动化并网运行

研究双馈风力发电机组自动化并网运行

王学龙

（国华（东营河口）新能源有限公司山东东营257200）

摘要：随着国家对清洁型能源越来越重视，风力发电也得到了长足的发展。本文笔者主要介绍了双馈风力发电机组自动化并网运行的分析。

关键词：双馈风力发电机组；自动化；并网运行

随着我国风力发电技术日趋成熟，在风能较为丰富的地区已经广泛应用风能进行发电。由于科学技术的快速发展以及我国市场经济的快速发展，风力发电实现自动化是符合风力发电产业持续发展的客观需求，实行风力发电信息管理系统也是势在必行的。

1风力机组技术的发展

发电机是电网的重要组成部分，发电机常见的运行系统主要有恒速恒频系统与变速恒频发电系统，前者采用的是同步发电机，主要是利用定桨距失速控制的风轮机对发电机运行的速度进行控制，这种系统具有结构简单、运行稳定、维护方便等优点，在电力行业有着广泛的应用，但是这种系统的运行范围比较窄，无法实现对最大风能的捕获，而且叶片比较重，不适合制造大风机，在风速变化的过程中对电压稳定性有着一定影响，这不利于保证电能的质量。后者是一种新型的发电系统，其采用的是矢量控制技术，将电子技术引入控制系统，可以保证电能的质量，而且能控制电能的频率恒定，这种系统在电网系统中有着良好的发展潜力，采用的是双馈发电机，本文对双馈发电机组结构进行简单介绍。

2风力发电对自动化的要求

风力发电机组在运行过程中对于故障的检测和保护一定要实现自动控制，除此之外，风力发电机组的启动、停止、对电网的切入和切出，合理的控制输入功率、风轮机跟踪变化的稳定等都要实现自动化，这样才能更好进行风力发电。所以，建立风力发电自动控制系统是十分必要的。

2.1对风力发电机组的运行状况进行自动化控制

在风力发电机组正常运行过程中，通过自动控制系统能够对风力发电机组的运行情况和电网的运行状况进行认真的检测和详细的记录，并且能够及时发现风力发电机组运行过程存在的问题，能够采取采取有效的保护措施，保证风力发电机组的正常运行，与此同时，通过自动控制系统所显示的记录数据可以充分反映风力发电机组的各项功能指标，从而能够实现风力发电机组运行的自动化。

2.2实现通信的自动化控制

运行工作人员通过应用风力发电自动控制系统可以及时的获取风力发电机组的故障信息，并且可以通过网络观察风力发电机组的运行情况，从而准确了解风速、风向、发电量和功率曲线等具体数据，能够对风力发电机组出现故障进行远程诊断。所以，应用风力发电自动控制系统能够实现通信的自动化控制，使运行工作人员及时了解风力发电机组的运行状况。

3双馈风力发电机组的结构

双馈风力发电机是一种新型的设备，其主要是应用在变速恒频风力发电系统中，其结构与绕线式异步发电机有着较大的相似性。双馈风力发电机的定子与转子两侧都可以馈送电能，其定子绕组直接与电网连接，而转子绕组是利用双向变流器与电网连接，根据系统运行的要求，对电压幅值、相位以及频率进行调节，从而实现变速恒频运行。双向变流器是由网测变流器以及机侧变流器构成的，二者具有独立控制的特点，结合双PWM可逆整流控制系统，可以将直流测电容两端的电压保持恒定。双馈风力发电机组的结构满足了电网自动化并网和运行的要求，为了保证电能供给的质量，技术人员还需要对双馈风力发电机组进行不断的优化。

4双馈风力发电机组自动化并网运行分析

4.1双馈风力发电机的基本原理

当三相对称转子绕组中通过三相对称低频交流电时，在转子中产生一个低速的旋转磁场，这个磁场的转速n2和转子的机械转速nr相互叠加，和定子的同步转速n1相等，即，从而在发电机的定子绕组中感应出相当于同步转速n1的工频电压。当转子的机械转速nr变化的时候，通过调节转子电流的频率来改变旋转磁场的转速n2，进而补偿电机转速的变化，最终保证输出恒定的频率。双馈风力发电机在转子转速小于同步转速的时候也能够运行在发电状态；定子端并网以后始终发出电功率；但转子端电功率的流向由转差率的大小决定。双馈风力发电机处于超同步运行状态，除定子端向电网输出电力外，转子端也向电网输出一部分电力。

4.2双馈风力发电机组并网运行的特点

由于双馈风力发电机的结构比较天特殊，其可以实现变速恒频运行，而且通过对双向变流器的调节，可以对发电机的电压幅值进行调整，也可以对发电机的频率进行调节，从而满足变色恒频的运行要求。将其应用在电网系统中，秩序对发电机的转速进行调整，就可以满足负载的变化，也可以实现风力发电机组以最佳的叶尖速比进行运行，从而输出最大的电能。双馈异步发电机具有灵活性大的特点，技术人员可以对电流幅值、相位以及频率进行调整，而且可以保证发电机输出无功功率或者有功功率。在电网运行时，可以调节励磁电流的频率，从而实现发电机变速恒频运行。

4.3风电机组混杂控制系统模型与设计

从风电机组的控制策略来看，风电机组控制系统也是一个典型的混杂控制系统，它既包括离散动态事件系统，比如并网、刹车等开关量控制，也包括像转速和功率控制在内的连续变量控制系统，而且连续变量分阶段进行控制。基于以上对混杂控制系统的理论分析，在风电机组混杂控制器模型部分要依据当前状态给出离散控制指令，这其中也包括连续量控制中的控制器参数指令。其中C1，C2…，Cn为不同的混杂系统状态的控制器，可以采用PID、模糊、鲁棒等控制算法，它们包括在混杂系统的CVCS中。DEDS可以根据系统的状态及动态特征行为，相应地对使用哪个控制器做出决定，并产生离散指令。这种结构可以解决采用单一控制器无法调节控制器结构，控制器参数须要频繁整定的问题。各个控制器可提前根据本状态控制要求和对象特性确定控制算法与参数，并采取跟踪和限幅等措施克服切换时的系统扰动，使混杂控制系统取得满意的控制效果。

4.4风力发电机组全程控制策略

结合以上建立的混杂自动机风电机组模型，本文将大型双馈风力发电机组的控制系统分为两个部分：顺序控制系统和连续控制系统。1）顺序控制主要完成机组启/停机、并/脱网、解缆、超速与故障保护等，具体过程：风速在启动风速以下时，风机顺桨，处于混杂自动机模型状态；当风速达到切入风速并保持一定时间时，风机松闸，进入启动待机状态，风轮开始转动，风机由待机状态进入低风速启动状态，风力机通过变桨距控制使发电机达到同步转速，此时励磁系统对定子进行升压，并网装置根据发电机的电压、频率、相位控制发电机的并/脱网；当叶轮超速或者风速超过切出风速时，风机进入状态，这时变桨距系统控制风轮减速，当发电机自动脱离电网时制动系统动作，风机顺桨以保护风机。2）根据风速的大小，将风力发电机组的连续控制分为启动并网前的转速控制、额定风速以下的最大功率捕获控制及额定风速以上的恒功率控制3个阶段。一是在静止待机状态时，变桨风机桨叶的桨距角为90°，当风速达到启动风速并维持一定时间后，桨叶向0°方向转动，风轮开始启动升速。为了确保平稳并网，对电网产生尽可能小的冲击，在此阶段，变桨控制器可以在一定时间内通过桨距调节使发电机转速保持在并网要求的转速范围内，励磁控制系统通过控制转子电压和频率来保证定子的电压与频率，并网控制装置寻找最佳时机并网。二是受发电机转速的限制，额定风速以下阶段又可分为变速运行阶段和恒速运行阶段。在变速运行阶段，风电机组控制的主要任务是通过励磁调节系统对风轮转速的控制来跟踪最佳的曲线，以捕获最大的风能。三是在风速达到或超过额定风速后，风电机组会输出高于额定值的电功率，受风电机组物理性能的限制，高于额定风速时控制系统的基本目标是保持发电机输出恒定的功率。此时，风电机组进入恒功率状态，变桨距控制系统通过变桨调节限制风力机吸收的风能。

4.5双馈风力发电机组并网运行的优点

通过实际运行了解到，采用双馈风力发电机组，可以保证电网运行的稳定性，也可以保证电能供给的质量，这种装置具有结构简单的优点，而且机械部件受外力影响较小，在机组控制时较为灵活，而且运行的效率也较高。双馈发电机的转速能够随风速的变化做出相应的调整，使风力机始终处于最佳的运状态，提高风能的利用率。通过调节馈入转子绕组中的电流参数，不仅能够使定子绕组的输出电压及频率保持不变，还能够使输入到电网的功率因素得到调节。双馈发电机与电力系统可以根据电网电压、电流及发电机的转速来实时调节励磁电流，从而可以精确的调节发电机的端电压，使其满足并网运行的要求。系统中双向变流器的容量只由发电机运行时的最大转差功率决定，一般发电机的最大转差功率是25%到35%，因此双向变流器的最大容量只是发电机额定容量的1/4-1/3，具有成本较低的优点。

结语

双馈风力发电机是一种新型的机械设备，在对电网的运行现状进行调查后发电，我国电网存在电能输出不稳定的情况，采用双馈风力发电机组后，可以有效的解决这一问题，其提高了系统的稳定性，而且可以保证电网运行的安全性，具有较高的可靠性，另外应用这种发电机组还可以降低电网运行的成本，在电力行业有着良好的发展前景。

参考文献：

[1]李航.双馈异步风力发电机并网运行中的有关问题探析[J].华东科技：学术版，2015（12）：301-301.

[2]韩素贤.双馈风力发电机组自动化并网运行的分析[J].数字技术与应用，2013（1）：206-207.

作者简介：

王学龙（1988.11.23），性别：男；籍贯：山东沂水；民族：汉；学历：本科；职称：助理工程师；职务：检修员；研究方向：电力（风力发电）；