刘兰兵 罗家伟
宁夏银星能源股份有限公司 ，宁夏回族自治区银川市 750000
摘 要：风力发电机是通过调节转子绕组的频率、相位、幅值和相序来实现对发电机变速恒频控制，一般采用“交—交”“交—直—交”双向变频器对转子功率加以双向控制。它介绍了 MW风力发电机的运行原理、以及双馈绕线型发电机机组各自的特点。同时为满足国家电网要求，所需对风机进行高频高穿能力的研究与改造，为我国大型双馈绕线型风力发电机组全面推行高频高穿改造铺平道路。
关键词 风力发电绕线型发电机 变速恒频控制 变频器 高频高穿能力
引言 当前随着化石能源枯竭,环境问题受到广泛关注,清洁能源利用日趋多元化.风力发电作为一种应用较早的清洁能源利用形式应用相对成熟,目前风电机组的装机容量已达到兆瓦级(MW级),但是随之而来的问题也集中体现出来:由于风能的特殊性,风电场的可控性差,尤其在电网发生故障后,若不对风电机组采取特殊的控制手段,风电机组将会脱网运行.若MW级大型风电机组故障脱网,将会对电网产生二次危害,甚至产生大范围的连锁反应,严重时将会造成电网解列等大型事故,对电网的安全运行产生较大威胁.因此许多风电场已经具备了低电压穿越能力.而由于无功补偿装置投切迟滞或电网无功过剩导致的风电机组高压脱网问题却还未解决.为了使风电机组运行更加稳定,对风电机组的高电压穿越进行研究十分必要.它即针对目前常用的两种MW级大型机组,风电机组具备高电压穿越能力改变机组自身控制方式能够实现高电压穿越的控制要求。
一、双馈绕线型风力发电机组系统的组成和风力发电的过程
当风流过风力机组叶片时，会带动风力机组叶片的转动，叶片的转动带动增速机传动轴的运转，传动轴带动发电机转子运转，发电机即发电向电网供电。能量转换过成为：风能转化为机械能，机械能转化为电能。在应用中双馈绕线型发电机组的变速恒频发电系统能够实现频率、电压的方便调节，同时在电网电压瞬间减低时能够实现低电压运行的能力，而双馈风力发电技术也是需要研究与讨论的核心技术。
二、双馈绕线型风力发电机组实现恒频的基本方式及优缺点
变速恒频双馈绕线型风力发电机组系统，主要由风力轮毂叶片、增速齿轮箱、双馈绕线型风力发电机组，双向变频器和控制控制逻辑配电柜等组成。发电机定子绕组与电网侧相接直接为工频电压，转子绕组直接相接变频器，变频器的主要功能就是对转子侧的控制和调节，针对绕组的三相电相位、三相电幅值、输出频率、电流电压的相序等控制调节。它的实现基本原理为通过模拟仿真，对原有的三相电进行脉宽调制，再通过晶体管（晶闸管）门极电路控制技术，再精确计算的配合下实现了变频功能。
1.优点：变频器本身设计时考虑到成本、材料等各方面因素，设计的体积小，损耗小，功能控制以及有功和无功的解耦调节性能优越，再这个控制过程中的暂态和稳态性非常稳定和优越。
2.缺点：双向变频器再设计时因控制方式比较繁琐，设计的电路复杂，出现故障时排查故障困难，真正出现问题时均会把变频器烧坏，运行维护费用较高，再安装以及检修时比较难以拆解，测试时需要实现的功能检测要复杂，接线繁琐，因此保养维护及其重要。
三、双馈绕线型风力发电机组机变速恒频控制的基本原理
双馈绕线型风机实现变速恒频控制的基本原理：f1为发电机定子频率=工频电网频率为50Hz，f2就是发电机的转频率，f2=f1-P×n/60，n为转速r/min，也就是实际发电机的运行转速，运行单位为分钟即为60S，P为磁极极对数，从公式中会发现f2为发电机转子频率实际上就是磁极对数与转速决定的，电机转速检测器对转速信号进行检测，将转速的信号传送至逻辑控制器，控制器进过计算传送至变频器，经过一系列精确计算通过调节转子侧变频器来改变转子频率f2，实现电机定转子相对静止的旋转磁场。
风机在发电的过程中，通过将f2转子频率进行逆变，最后向电网频率f1发电实现变速恒频控制。
四、目前风电场现有问题分析与高频高穿技术要求
目前风电场现有问题分类分析：1.电机类负载：电机类负载都采用绕组式，绝缘测试要求2Un+1000V，经核实满足高电压穿越要求。参考标准《GB/T 23479.1-2009 风力发电机组 双馈风力发电机组 第一部分：技术条件》；2.辅助变压器：辅助变压器测试要求Um为1.3Un，5分钟，经核实满足高电压穿越要求。参考标准《GB 1094.3-2003 电力变压器 第三部分 绝缘水平 绝缘试验和外绝缘空气间隙》；3.电缆类：690V电缆，耐压为600/1000V，耐压试验为3.5kV；400V电缆耐压为450/750V，耐压试验为2.5kV，经核实满足高电压穿越要求。参考标准《GB/T 3048.8-2007 电线电缆电性能试验方法 第8部分 交流电压试验》；4.低压开关：开关类负载为电压不敏感型，满足高穿要求；5.UPS：一般当电压超过1.2倍后将切换到电池供电；6.高穿控制策略：原变频器的控制软件，没有考虑到高电压穿越要求，控制软件需要进行更换；高穿需要变频器软件增加高穿策略，升级硬件以满足高穿软件运行要求。
宁夏电网对新能源场站风电机组高频高穿功能及指标要求如下：风电机组高压穿越能力提高至1.2p.u.以上，高频高穿能力提高至51.5HZ以上。近年来，直流输电由于其特点决定了可能会出现高压直流闭锁事故，导致送出侧电网的频率、电压的变化，这就要求改善风电场的涉网性能，需在短时间内电网故障运行，保持继续连续运行不脱网。
五、双馈绕线型风力发电机组高频高穿越能力的改造
机组运行受高原环境特点气压低、风速忽高忽低、风向不稳等特点。在这种条件下风力发电机组实现自身功能调节，使得机组安全稳定运行，需要主要部分改造：一是硬件改造；二是软件升级，主要内容如下：
1.变频器硬件改造：变频器核心控制部分将原变频器控制盒改为改造核心控制组件，同时增加Chopper组件。霍尔传感器加装变频器电流检测依靠IGBT内置的互感器检测，由于内部集成互感器检测响应速度较慢，增加霍尔传感器检测电流。
2.变频器软件改造：控制板升级满足高电压检测要求，动态调整直流母线电压参考值，不考虑网侧电抗器电压，双馈变频器采用SVPWM调试策略能够建立的最低母线电压为1.414倍电网线电压，在电网电压约为690V时可以建立的母线电压最低值约为976V，当电网电压为890V时可以建立的母线电压最值1268V。因此必须采用动态调整直流母线的电压参考值，在高电压穿越时将直流母线电压动态抬高来满足调制需求，同时抑制IGBT上的过剩能量、通过软件无法抑制的能量将通过增加的Chopper电阻进行消耗。总电流限制条件下无功电流优先的策略，变频器受其容量限制最大电流，有功电流和无功电流的平方和不应该大于总电流的平方。
主控项目改造的内容主要包括主控器（PLC）、显示屏换、电量采集模块更换以及辅助的电源和电缆改造等，同时与主控之间的使用Canopen通讯。
六、 结 论
目前在风力发电行业中占据主导地位仍为双馈风力发电系统，多家企业也实现了直驱永磁式发电机组，均采用该机型机组。但MW双馈绕线型风力发电机组机经过高频高穿改造，通过样机试验验证，满足电网的要求。对存在缺陷的双馈风力发电系统通过性能改造，能够保证机组的性能质量，实现高性能的利用，通过该项改造能够对机组相关功能研发，对日后的风力发电机组研究提供完美的参考，实现风能利用最大化，值得去研究和探索。
参考文献
【1】2 MW双馈绕线型风力发电机组机运行手册
【2】 MW双馈绕线型风力发电机组机检修手册
【3】电力控制-高电压高频率穿越
【4】高电压高频率穿越技术改造方案