双馈风力发电机组基于双模系统发电量提升应用研究

双馈风力发电机组基于双模系统发电量提升应用研究

胡志伟 ,李胜 ,刘梦

中广核大悟阳平风力发电有限公司  湖北孝感 432800

摘要：现阶段，我国发电需求日益增长。其中风力发电资源更是接近饱和状态。因此，为满足民生需求，风力发电开始趋向低风速机型发展，以此增强发电质量和效率。鉴于此情况，本文将重点围绕双馈风力发电机组基于双模系统发电量的提升应用进行研究，以此为低风能资源开发，增强我国发电综合水平奠定良好的基础。

关键词：双馈风力发电机组；双模系统；发电技术

引言：在低风速机型发电的过程中，应保证发电的稳定性。由于双馈电机的可控性会受到转子端电压的影响，呈现线性关系，因此必须要将并网转速控制在转差频率±3，才可以满足发电需求。由此可见，围绕双馈风力发电机组基于双模系统发电量提升应用进行分析，对于增强双馈风力发电系统综合性能具有重要意义。

一、技术路线分析

（一）双馈直驱运行条件对比

相比于传统的发电机，直驱型不需要配备齿轮箱，且变频器能够将交流电压转化为工频电压，而发电机产生的功率也会被电网接收。结合数据分析来看，直驱全功率风力发电机在低风速区间内部的效率更高，其主要原因在于以下几点：一方面，由于内部没有齿轮箱零件因此损耗更小能够达到良好的应用效率。另一方面在低转速情况下，转子开口电压与转速为反比例。若在此过程中电压较高则会影响变频器。因此在此种情况下应使用恒定转速的形式，而由于其损耗较低，因此效率也会强于双馈机组[1]。

    此种发电机是指将异步发电机的定子绕组与电网加以连接，因此其输出功率主要是经过定子绕组进入电网，极少部分会通过变频器加以转换，这也进一步降低了能源的损耗。相比于直驱型，双馈型发电机在中高工况环境下更强。与此同时，直驱型全功率发电机组主要运用全功率变频器，所以损耗较高这也导致该技术在高风速情况下效率较差，整体损耗是双馈型的3倍左右。

（二）改变双馈电机的运行模式

与老旧的双馈型发电机组相比，新型发电机组在模式设定上增加了全功率形式，因此被称为双模发电机组。其主要原理是将双馈电机优化为新型的电机形式，使其在低风速情况下以全功率模式实现效率优化。

二、双馈风力发电机组双模系统应用方案研究

（一）电量数据分析

本文将以中广核江家山风电场作为分析对象加以研究，该发电厂设有34台风电机组，在运行的过程中整体效率较低，且发电量逐渐呈现降低趋势。结合数据显示，其每年的平均风速仅为4.9m/s，无法满足实际需求，而2020年其风速更是已下降到2.5-3.5m/s，且此种状况占比约为17%。鉴于以上情况，若想要有效地增强发电量，便要针对其双馈风力发电组的风速切换为2.5m/s，以此使发电量能够在原有基础上提升1.5%。

（二）应用方案规划

此技术的原理是在低风速状况下实现定子绕组与电网断开之后的直接短接，利用优化管控方式，使变频器进入到全功率模式，在此过程中由于转子绕组为封堵的状态，因此开口处的电压较高，在低风速情况下转子电压接近变频器可以利用变频器的额定电压实现低风速阶段的发电量提升。

若是在两种模式下运行，则双模风力发电机可以满足发电机风速效率运用的最佳值。而在全功率的情况下，由于发电机设备不与电网直接连接，因此能够利用优化控制形式的方式提升电气传动链的发电效果。在两种模式下运行电机组具有以下优点：第一，可以在中高风速情况下进一步提升发电效率；第二，能够结合两种发电模式的优势，在低风速状态下完成全功率模式的应用，而在中高风速时适用双馈方式，结合实际情况，进一步优化发电方案；第三，全功率发电机组设备在低风速状况下应用效率更强。

（三）应用可行性研究

双模控制形式在运用之前需要技术人员针对传统的主回路系统加以优化，并结合技术需求完成控制系统之间的改进，使控制系统能够结合周围环境的风速状况自动选择发电方式。在此种情况下，若是为高风速则变桨系统会发出双馈模式指令，并以双馈形式开展发电工作；若是为低风速状况则会发出全功率控制指令，变频器将直接完成并网，并实现短接，以全功率控制模式的形式完成运行。与此同时，由于该技术可以在不同风速情况下进行不同传动链拓扑形式的选择，因此能够在系统的帮助下，完成高质量、高效率的风能捕获。

在技术运用之前，工作人员应在变频器中增设短接接触器以及相关控制零件与线缆，这也是技术运用的基础工作之一，之后利用设备的数据勘测与检查确保硬件部分优化不会影响变频器的整体运用性能。而对于软件部分来讲，则要利用控制逻辑增加短接接触器的控制内容，进而在不影响变频器控制逻辑的基础上完成控制工作。

（四）应用经济性分析

在评审对方案设计进行研究的过程中主要进行了模式切换阈值的计算以及效益评估等工作。其中在模式切换阈值计算的过程中，根据风机在开关双模运行模式的最优阈值以及功率变化情况、变频器额定功率等信息计算，最终认为在风速为6m/s的状况下，功率为600kW时关闭为最佳状况。

本技术的发电量提升评估形式主要是针对风机双模模式自动化启动与关闭过程中的功率曲线变化对比数据，具体内容包括在6m/s状况下的发电性能状况。而针对6m/s以上则进行理论功率曲线分析，最终得出双模发电量提升效果可以达到1.69%。

三、应用效果研究

    为测试以上技术方案的实际状况，技术人员在2021年1月随机选择了一台风机进行双模优化，并在测试之后进行数据分析，认为其满足预期效果需要。与此同时，在长时间观察分析下，机组在低风速的状况下功率曲线逐渐上升，由此可见发电量得到了显著地增加。具体数据为单台满发电时间增加6.1小时，每年发电满电时间提升效率达到了1.69%[2]。

结论：综上所述，双馈风机的双模运行模式可以有效地提升发电量，并充分发挥老旧双模系统的运用价值。此外结合我国目前双馈风机占有量情况来看，若是可以高效运用此技术，则可以在增强发电量效果的基础上促进我国新能源事业的发展。因此在未来的工作中，需进一步加大对此方面内容的关注，不断利用技术研发与创新提升应用效果，为风力发电发展创造良好的条件。

参考文献：

[1]颜湘武,孙雪薇,李铁成.考虑系统频率连续波动与二次跌落的双馈风力发电机组虚拟惯量通用控制策略[J].太阳能学报,2021,42(11):247-254.

[2]万书亭,程侃如,绳晓玲.基于风速时空分布的双馈风力发电机组叶轮质量不平衡故障特性分析[J].太阳能学报,2021,42(09):236-243.