双馈式风机的常见问题分析及发展

双馈式风机的常见问题分析及发展

作者：马翊翔

来源：《科技信息·上旬刊》2017年第08期

摘要：文章分析双馈式风机发展的背景，介绍其结构及特点，并以无刷式双馈风力发电机为例介绍其工作原理，分析目前我国双馈式风机在并网运行中的常见问题，展望双馈式风机的未来发展趋势。

关键词：双馈式风机；发电机常见问题；发展

1引言

在全球能源危机和环境恶化的大环境下，我国也在不断调整能源结构，大力开发和利用风能、水能、太阳能等清洁型可再生能源，缓解能源危机并降低对环境的危害。近年来我国的风力发电行业得到了迅速的发展，风力电机装机容量已经居世界首位，但是由于风力发电技术的飞速发展，现代化的风力发电行业对双馈异步风力发电机的并网运行控制策略和保护方案也有着较高的要求，而我国由于相关经验的欠缺和技术的不足，导致目前风力发电机在并网运行中存在着诸多问题，需要在分析双馈式风机特点和原理的基础上，研究其常见的问题以及探索其未来的发展趋势。

2双馈式风机的概况

2.1双馈式风机的特点

双馈式风机即双馈式异步风力发电机，是一种绕线式的转子电机，双馈指的是发电机的定子和转子都能向电网提供反馈电。其主要由发电机、变流器系统。叶轮、控制系统和传动装置组成，在风力发电机组中，由风能带动叶轮转动并通过齿轮增速箱进行驱动发电的。双馈式风力发电机具有以下特点：一是此种发电机生产的电能质量比较高，并具有较高的低压穿透能力。采用双馈风机的风电系统可以通过部分功率变流技术和双馈式感应电机来对其产生的谐波进行缩小，从而提高其产生电能的质量，增强其低压穿透能力；二是具有较高的性价比和运行效率。此种风力发电机采用高速比齿轮箱作为辅助装置，在将其应用于风电机组时可以对其发电系统参数和机械传动系统参数进行科学配置和优化，从而大大提高其发电效率；三是此种风力发电机具有较为成熟的设计、制造与应用技术。其采用的是发电机、叶轮和齿轮相互配合而形成的较为成熟的拉链式传动方式，此种传动结构既能够对各类荷载进行合理分配，而且能够提高风机运行的稳定性，并大大简化其结构；四是由于此种风机的结构较为简单，操作也较为简便，并具有良好的维修性。如上文所述其结构可以将每一部分看做是一个独立的整体，哪一部分发生故障就可以针对性的进行检查和维修，提高故障诊断的准确性和故障排除的效率。

2.2双馈式风机的工作原理

双馈式风机的基本原理就是将其转子通过两个变频器与电网进行连接，而将其定子直接与电网进行连接，能够确保电能在电网和发电机之间进行双向传输。此外，电机的运行会存在超同步和亚同步两种状态，前一种状态下转子和定子会同时向电网提供电能，而后一种状态则是电网通过变频器向转子输送功率。其可以分为有刷式和无刷式双馈式风力发电机两种，现以比较常用的无刷式双馈式风力发电机为例介绍其工作原理。

此种风力发电机的定子有两套绕组，这两套绕组的极数不相同，其中控制绕组通过双向变频器与电网进行连接，而功率绕组则直接接入电网，而且这两套绕组之间也是通过转子来实现功率的相互传送的，而不存在直接的电磁耦合，转子的结构与有刷式的不同，通常采用磁阻式或笼型结构，没有滑环和电刷，所以被成为无刷式电机，其实际极数为定子两个绕组的极数之和。其工作原理与串联感应电机的原理基本相同，其定子控制绕组和功率绕组则相当于感应电机中的转子绕组和定子绕组。在风电机组中，采用无刷式双馈发电机可以在确保变速恒频控制目的的前提下大大降低变频器的容量，而且可以实现无功功率和有功功率的灵活调节。此外，由于不需要滑环和电刷等结构，因此降低了电机的成产成本，并降低了维修难度和故障概率，提高其运行的安全与稳定性，而且在一定意义上实现了对电网的无功补偿。

3双馈式风力发电机常见问题分析

3.1电网电压低落与骤升

风力发电系统中，将双馈式风力法电机接入电网中运行时，其常见的运行故障主要有单相对地短路、三相电压等副跌落、两相对地故障以及相间电压故障等。当电网高压端出现堆成故障时，会导致双馈式风力发电机的低压端三相电压出现对称跌落的问题，此外还会存在正序电压成本。此问题会导致电网的高压端在某处会出现电压骤降的问题，无论是电网的电压骤升还是骤降问题，都会引起电网中出现无功功率过剩的问题，从而引起电网电压超出额定值，对整个电力系统以及风力发电机本身都会造成较大的危害。

3.2三相不平衡问题

当电网中出现短路故障时会引起双馈式风机的机端出现三相电压不平衡的问题，并可以分解出正负序两种电压成分。而衡量电网平衡水平的指标则是此不平衡电压的负序电压和正序电压的比值。我国电网的相关标准规定此比值可以长时间维持在2%的稳态不平衡状态，此不平衡状态会导致输入的三相交流电出现极不平衡的状态，从而引发输向电网无功功率、有功功率和直流环节的电压中存在着二倍电网频率波动，此波动会引起转子励磁电流谐波，还会降低RSC控制系统的控制的准确度。

4双馈式风机的市场应用与发展

目前由于我国风力行业的发展，双馈式风机在风电市场中有着广泛的应用，并成为风力发电产业投入的重要部分。其与多级齿轮箱进行配合，具有重量轻、转速高、体积小、转矩小等优点，且在目前的风力发电机组中多以直驱式和双馈式风机为主，机型可以分为2MW和

1.5MW两种，占据市场份额的80%左右，且在我国今年（2017年）新增的风电装机中，2MW 等级的风电机组装机占据我国新增装机容量的一半以上，其中以带齿轮箱的双馈式风机为代表的风力发电机组占据全部机组的70%以上，并呈现出较快的增长态势。

近年来世界各国为了应对能源危机和环境恶化的问题，都在大力发展风力发电技术，其设备和技术在不断更新且具有多样化的特征。在风电场设计和建造的过程中，发电机的质量、稳定性、可靠性和技术的先进性是关注的重点。目前在大型的风力发电机组中，双馈式风机可以更好地发挥齿轮箱的增速作用，减小由于电网电流的功率不稳定而引起的故障，并且其各个元件具有相对独立性，大大降低了维修难度，节约了制造和维修成本，延长风机的使用寿命，因此具有非常广泛的应用空间。但是对于齿轮箱机组来说，其是一种故障率较高的元件，所以目前的发展趋势是发展无齿轮箱机组的直驱机组，所以需要对目前的双馈式风机进行改进和创新，提高其质量和性能，发挥出风机的优势。

5结语

随着我国能源结构的调整，以及对电网改革的不断深入，我国加大了对风力发电技术的研发以及对风力发电机组的应用和发展。其中双馈式风机在我国的风力发电行业中发挥着重要的作用，其运行原理和运行模式对于以后风机的进一步发展和改革具有现实性的借鉴价值，对双馈式风机的发展现状和未来发展前景进行分析和探讨，能够使相关技术人员认识到我国风力发电技术的不足及未来发展潜力，进而推动风电行业取得突破性进展。

参考文献：

[1]杜宝星. 基于双馈感应发电机的风电系统故障穿越能力研究[D]. 华北电力大学，2013.

[2]王德艳. 双馈式风力发电机定子绕组匝间短路的故障特征分析[D]. 华北电力大学（保定）华北电力大学，2012.