双馈风力发电机与变流器的参数匹配分析

双馈风力发电机与变流器的参数匹配分析

赵天仁

大唐景泰乾丰风电有限公司 730400

【摘要】当前风力发电机组的主要形式为变速恒频风力发电机组，因此在发电机组中需要合理选择双馈变流器，有利于保障整体控制系统的使用性能和安全性能。在选择变流器参数的时候需要结合发电机参数，二者的参数的关系十分紧密。本文主要分析了双馈风力发电机与变流器的参数匹配，对实际工作发挥参考作用。

关键词：双馈风力发电机；变流器；参数匹配

在变速恒频发电机组中，发电机组可以调节功率因数，同时可以独立性地调节有功功率和无功功率。如果双馈发电机和变流器的参数不匹配，将会影响奥整体性系统运行效率和经济性，同时还会增加机组运行的不安全性，浪费了系统资源，因此需要分析双馈风力发电机与变流器的参数匹配，目的是实现最佳匹配，不仅可以保障机组运行效率，而且可以降低机组故障发生率，使整体发电效率得以提升。

一、双馈异步发电机转子开路电压

（一）转子开路电压影响因素

双馈异步发电机电路连接外电路的时候需要利用滑环，在电网中直接接入其定子侧【1】。转子开路电压直接影响到电机运行效果，而且在选择电流器参数的时候也要考虑转子开路电压。转子开路电压指的是发电机定子侧电压，转子绕组等参数直接关系到转子开路电压。

（二）开路电压对双馈电机运行的影响

在发电机运行过程中，转子电路和转差率和转子开路电压具有紧密的联系，而发电机运行状态直接关系到转差率，在电机阶段就要确定转子开路电压。通过对变流器的励磁电流幅值和频率等参数进行精确的调节和控制，可以有效地对发电机的转子电流进行精细调节。精细化的转子电流调节不仅能够提升转子自身运行的稳定性和安全性，还可以进一步优化发电机的转速和电磁转矩等关键性能指标。从而实现对发动机功率输出的合理调控，确保发动机在各种工况下都能保持最佳的工作状态和效率。此种精细化，且有针对性的调控手段不仅可以提高发电机的性能，还增强了系统的稳定性和可靠性，为整个电力系统的高效运行提供有力保障。

在此基础上，分析了电机的主要性能指标，从而得出了转子开路电压。在采用换流器激励电机时，电机相位的电流大小与电机运行状态密切相关。对于转速恒定的发电机组，必须有较宽的调速范围，才能在较宽的风速范围内，达到所要求的功率要求【2】；但是，在较宽的调速范围内，电动机的相电压也会增大。由于转子回路连接到逆变器上，其运行电压也会不断提高，这就要求变频器具有较大的调节能力，这就增加了系统的成本。

二、发电机和变流器的参数匹配关系

双馈换流器由机端和网端两个部分组成，机侧的换流器用于稳定地供给激磁电流，另外还可以通过对励磁电流的调节来调节电机的速度，所以它适合于多种风力条件。与网侧变换器相比，机侧变换器的容量更大。

电网侧变流器还承担着两项工作；一是稳定只能构建直流母线的电压，为两台变换器供电，确保两台变流器运行的稳定性；二是将发电机侧的差动动能和网端进行双向传输。从原理上讲，网侧变换器的容量要小于机端【3】。这主要是由于电网侧变换器的功率中包含的激励功率较小。

因此在匹配双馈异步风力发电机和变频器参数的时候，主要是对以下几点进行综合分析：

（一）额定转差率和变流器容量

转差率绝对值与机组的总功率乘积为机组侧变流器的容量；转差率较大时，发电机速度可调的工作区间较广，从调节电机速度的观点出发，应使转差率较大；这种方式可以更好地适应风力的改变；在发电机小于同步速度下，也就是转差率大于0的时候，转差较大，可使机组在较宽的工作区间内发电，但在这个时候，转子端的相电势将增加，从而增加了对电机的绝缘需求。从变流的观点来看，转子侧换流器需要更高的容量。在超同步运行状态中，受额定速度的约束，使发电机不能超出额定转速长期运转。所以，在发电机和变流器参数的选择上，必须同时考虑到发电机转速运行范围，同时也要保证变流器的功率不能太大，以免产生不必要的损耗。因为二者相互发挥着制约作用，因此需要对各种因素进行综合考虑。

（二）转子开路电压和额定转差率

转子电路电压和转差率乘积几乎同等于变流器输出电压值，因此在设计转子开路电压的时候，需要对变流器等级进行综合考虑，保证变流器输出电压值要超过转子额定电压值，同时也要明确发电机转差率变化情况【4】。

（三）转子最大电压和最大电流

根据双馈电动机在各种工况下的转子的电压、电流大小也各不相同，因此，在给定的额定速度和电容功率因子时，以转子回路为最大。逐步提高转速后，转子的电压也相应提高。

（四）无功功率和变流器容量

机组的无功性能直接关系到换流器的容量，在相同的出力条件下，采用落后的功率因子操作方式，需要更大的容量。双馈电机在容性状态下，不仅要为机电能转化所需的空气间隙转动场输出无功，而且要在电机定子端输出一定的容性无功，所以要满足更大的容量需求，在设计双馈电机时，要充分利用电机输出的无功特性，为机组在低压穿越过程中提供无功补偿。

三、双馈发电机的设计

双馈电机的运行特点特殊，因此对比普通异步电机，双馈电机转子设计更加复杂，因为改变转子强磁通之后，会增大铁心损耗和谐波，因此需要特殊化设计双馈发电机的转子结构。

（一）转子设计

双馈电动机转子的交流励磁采用的是一种三相变频供电方式，所以在对其进行转子的设计时，必须注意：1.尽可能地降低转子铁芯的频率损失，特别要注意转子的谐波损失，确保工作时有效控制温升与机械应力。2. 在转子横向合适位置进行合理的布置通风道，并在适当的直径处进行抽气，从而提高了整个转子排风效率。3.为了增强转子绕组抗电晕冲击能力，采用了较硬的绕组，并采用了专用的绝巘材质。4.加固支承转子绕组的末端，防止由于振动而损坏电动机线圈。

要做到以上这些，首先要求电动机转子有高等级的绝缘，采用少胶云母作绝缘材料，并采用真空浸涂工艺。所述转子轭铁是由高强度电动机的硅钢片叠加而成。针对槽口部位，利用非磁性槽钢楔板压紧线棒。可以利用不锈钢丝制作抱箍，用于支撑端部。

（二）谐波抑制和削弱设计

1. 为减少齿谐波，双馈电机组的定子主要是利用半开口型槽，在槽口处设置有一块磁性槽楔，以降低齿隙中的气隙磁场，减少齿隙中产生的电磁导差和齿频谐波。此外，通过设置斜槽来降低齿谐波，虽然这样会增加铁心叠压的难度，但是可以有效抑制齿谐波，保障电机运行的稳定性。

2. 利用短距绕组，可以对谐波发挥出抑制作用。利用混合绕组方式，定子基波分量绕组系数因此增加，同时可以对谐波发挥出控制作用，但是这样会增加绕组连接难度，相关技术人员需要综合各方面因素合理选择。

3. 因为改变发电机定转子参数之后，不会对定转子电流谐波分布造成影响，但是会影响电路各次谐波幅值，因此为了对输出谐波进行控制，需要对定转子漏抗参数进行合理增大。

结束语：

合理匹配双馈风力发电机与变流器的参数，需要综合考虑电机电磁设计参数和变流器输出特性，在发电机电磁设计中，需要综合考虑电压值和调速范围，同时需要扩大变流器容量。只有合理匹配二者参数，才可以保证整体系统运行的稳定性，避免发生安全问题。

参考文献：

[1]戚正浩,段建东,高桐,等.双馈风力发电机组变流器控制参数分步辨识方法[J].太阳能学报,2024,45(05):18-26.

[2]王彬彬.简谈双馈异步风力发电机变频器运行控制技术[J].大众标准化,2024,(09):53-55.

[3]张红义,呼木吉乐图.电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法[J].微电机,2023,56(10):49-54.

[4]邓秋玲,杨国灵,廖宇琦,等.电网故障下双馈风力发电机组的控制策略研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2021,31(04):1-9.