科学瞎想系列之六十五 双馈风力发电机组的双模控制

1 概述

目前并网型风力发电机组存在两大主流技术路线，一是所谓的双馈型风电机组；二是所谓直驱型风电机组。二者各具千秋，在激烈的市场竞争中并驾齐驱难分高下。两种机型的原理结构如图1所示。

a)双馈型风电机组

b)直驱型风电机组

图1 两种风电机组原理框图

双馈机组由风轮经增速齿轮箱驱动双馈异步发电机，双馈异步发电机定子绕组直接并网，转子绕组通过滑环碳刷引出，经转子变频器并入电网，正常运行时转子绕组的输出（或输入）电功率为转差率功率，约为总输出功率的20~30%，因此转子变频器容量较小，通过转子变频器控制转差功率以调节机组的上网功率，姑且称之为“转差功率控制模式”。

直驱型机组采用永磁发电机，经全功率变频器上网，故称之为“全功率控制模式”。由于转差功率模式的机组变频器容量较小，在早期电力电子装置价格昂贵的情况下，这种机型体现出了明显的价格优势，但由于存在滑动电接触，导致可靠性较低，维护工作量大等缺点，也一定程度上制约其市场竞争力。全功率模式的机组虽然变频器容量较大成本较高，但由于该机型为无刷结构，基本上实现了免维护，加之取消了齿轮箱，使得机组可靠性大大提高。

随着电力电子技术的飞速发展，变频器价格大幅降低，两种机型在成本上已基本持平。近年来两种技术路线的比拼就变为发电量的比拼。作为风场业主，最关注的是各种风况条件下的发电量优劣，而影响发电量的最大因素就是机组在全天候风速条件下的高效运行范围。

2 两种机型系统效率分析

本文暂且抛开成本，可维性等因素，仅就两种机型的高效运行范围进行分析，寻求提高发电量的方法。如图2为两种机型在全功率范围内的效率曲线对比

图2 两种机型系统效率曲线（图片来源网络）

由图可见，直驱型风机在低功率段（约47%额定功率以下）时系统效率较高，而高功率段双馈机组的系统效率较高，这是因为直驱型机组由于取消了齿轮箱，加之直驱永磁发电机考虑到体积和成本的因素，通常设计的最高效率点位于1/3~1/2额定功率处，因此直驱型机组在轻载时体现出明显的效率优势。而双馈机组由于转子电压与转差成正比，低风速时，要想使风轮运行于最佳的叶尖速比，就需要风轮转速随风速降低而降低，使得转差过大，转子电压过高，超出变频器安全工作范围，为保证变频器安全，必须放弃风轮的最佳风功率捕获，加之双馈发电机亚同步运行时，转子从吸收电网有功功率，机组输出总功率为定子功率减去转子功率，同样输出功率情况下，双馈电机的定子功率较大，相应铜耗较大，再加之齿轮箱损耗，多种因素导致双馈机组在轻载时系统效率大大低于直驱机组。

重载时由于直驱型机组输出需要全功率变换，变频器损耗占比较大，加之重载时发电机效率偏离最高效率点有所降低，使得直驱型机组在重载时系统效率偏低。双馈型机组由于占总输出大部分的定子绕组功率不需要变频器变换而直接并网，只有小部分的转差功率经变频器变换后并网，功率变换过程的损耗大为减小，因此双馈机组在重载工况时系统效率大大优于直驱机组。在风资源是一定的情况下，假设风频分布符合weibull分布，由于高风速时输出功率较大，低风速输出功率较小，而高低风速的分布时间相当，因此风电机组的总发电量更多的是取决于高风速时的系统效率。从这方面看，双馈机型在发电量上是有优势的，近年来各整机厂纷纷推出长叶片低风速风电机组，使得二者的效率分界点进一步向低风速靠拢，导致双馈机型风机在发电量方面的优势逐渐降低。

上述两种机型的效率分布在业界早有定论，但随着优质风资源的日渐枯竭，越来越多的低风速风资源得到大力开发，风场业主越来越关注机组在低风速工况下的系统效率。如果能够将双馈机型在低风速段的系统效率提高，无疑是锦上添花的好事，将使双馈机型更加具有市场竞争力。

3 双馈电机双模控制策略

如前所述导致双馈机型在低风速段系统效率不佳的主要原因在于受转子电压的限制，转差不能过大，转速不能过低，于是只能放弃低风速段最佳叶尖速比，放弃最优的风能捕获策略，而且也提高了切入风速点，这是转差功率控制模式的固有缺陷。要想从根本上解决这一难题，必须从系统控制模式入手，改变转差功率控制模式，和直驱机组一样，采用全功率控制模式。

除了上述两种主流机型以外，风电行业还有一种齿轮箱加异步发电机加全功率变频器的技术路线，这种技术路线集成了双馈机组电机体积小和直驱机组无刷、可维性好，高效范围广的优点，缺点是由于鼠笼异步电机本身效率较低，加之有齿轮箱损耗，使得机组系统效率比直驱型机组偏低，但其效率曲线形状与直驱机组相同，保持了直驱机组宽广的高效范围，只不过整体效率曲线略低于直驱型机组。

由于这种机型兼顾了两种机型的优点，使其越来越得到业界青睐。为此有些整机厂就想到了借鉴这一技术路线，将双馈机型进行控制优化改进，在高风速段维持双馈机组的转差功率控制模式，以保持高风速段优异的系统效率；低风速时转换成全功率控制模式，使风轮转速仍可以追求最佳风能捕获为目标，从而摒弃了双馈机组低风速段系统效率偏低的缺点。形成所谓的“双模控制”。由于风功率与风速三次方成正比，低风速段机组输出功率较低，双馈机组的转差容量的变频器足以在低风速段满足机组的全功率变换，这使得双模控制模式成为可行。接下来就是如何将双馈电机变成普通的异步发电机的问题了。

双馈电机其实就是一个绕线式异步电机，只要将转子绕组短路，就变成一台普通的异步电机，但这种改进方案不适用于对双馈风电机组的改造，原因之一是正常高速运行时，变频器接于转子绕组上，转换模式时需将变频器换接到定子，并将转子绕组短路，这种转换使得系统变得非常复杂而繁琐，难以实施；二是由于低风速时电机转速很低，远低于同步转速，定子电压也会很低，输出同样的功率电流很大，不利于变频器容量的发挥，从而限制了全功率控制模式的运行范围。如果换一种思路，低速时将定子绕组与电网断开直接短接，转子绕组仍与变频器连接，只是改变控制策略，变成全功率控制模式，则系统可大大简化，而且由于转子绕组堵转开口电压较高（通常为2000V左右），低速时转子电压刚好在变频器额定电压附近，可以完全发挥变频器的额定容量。双馈电机定转子均布置有三相对称绕组，无论定转子哪一侧绕组短接，均可变为普通的异步电机。综上所述，采取定子短接，转子进行全功率变换不失为双模控制最优的技术方案，这一方案只需将定子并网开关换成双掷开关即可，改造极其简单，便于实现。该方案系统原理图如图3所示：

高速运行时，定子并网开关Ks置于右侧与电网相连，变频器实施转差功率控制模式（双馈模式）；低速运行时开关Ks置于左侧，将定子绕组短接，变频器切换至全功率控制模式，实施全功率变换并网输出。

实施双模控制不仅要对主回路系统进行必要的改造，对主控系统、变桨系统也应作相应改进，主控系统根据风速变化判断并选择模式，高风速时对变桨系统和变频器发出双馈控制指令，变桨系统和变频器软件按双馈模式运行；低风速时主控向变桨系统和变频器发出全功率控制指令，变频器控制定子并网开关脱网并将定子绕组短接，同时软件切换至全功率控制模式运行，变桨系统同时也切换至全功率模式下运行。考虑双模控制的机组在全功率范围内的系统效率曲线示意图如图4所示。

图4 双模控制效率对比（图片来源网络）

机组在低功率段的系统效率显著提高，机组在低风速段输出功率会有所提高，切入风速会有所降低，拓展了机组运行的风速范围，提高了机组发电量。