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双馈异步风力发电机负载试验方法

能源和环境是人类所要解决的两大问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2．74×10^9 MW，其中可利用的风能为2×10^7 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大l0倍。作为风能转化利用的设备，目前市场流型有双馈型风力发电机组和直驱式风力发电机组。双馈型风力发电机组采用双馈异步风力发电机，是目前技术较为成熟的风力发电机。

由于风力发电机的运行环境比较恶劣，为了提高风力发电机的可靠性，制造厂在组装完成后，在厂内一般都进行负载试验，模拟实际运行工况，进行各项试验。负载试验必须有原动机拖动，负荷的能力，这就要求原动机功率大于被试机功率，且功率和转速在一定范围内无级可调。传统拖动试验方法是由全功率变频器控制原动机拖动发电机进行各种负载和转速试验，采用这一方法结构简单，在小型动力试验中得到广泛的应用。对于MW级以上风力发电机组，采用这一方法电动机、控制电动机的变频器、变压器功率大，成本高，大功率变频器将产生较大的谐波，对电力系统造成较为严重的污染，原动机的起动力矩小，为起动迅速，需加大原动机和变频器的容量，而且一般工厂动力设备容量不大，变压器容量较小，满足不了MW级全功率驱动电机的容量，因此需要电力增容。为此本文在分析双馈异步电机的工作原理基础上，介绍一种电动机一发电机负载试验方法，该方法投入成本低，利用该方法可成功完

成双馈风力发电机各种负载试验。

1 双馈电机工作原理

双馈电机止常运行时，其定、转子之问的电流频率可以表示如下：

式中：fs—同步频率；

fr—转子电流频率；

s——滑差；

ns—同步转速；

nr—发电机转速。

双馈电机转子接变频器，其基本运行原理是在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现发电机系统的变速恒频运行。电机转速变化时，此时只需要相应的变化串入转子回路附加电势的频率，就可以保证发电机定子频率的恒定。

双馈发电机在稳态运行时候，定子旋转磁场和转子旋转磁场在窄问保持相对静止。当定子旋转磁场以同步转速旋转时，转子旋转磁场相对于转子以滑差频率旋转。当转子转速低于同步转速时，转子旋转磁场旋转方向和转子转向相同，否则相反。

变速恒频双馈异步风力发电机变频器通过三相背靠背电压型变流器技术，采用“基于双DSP的全数字化矢量控制策略”技术对双馈风力发电机转子绕组进行励磁，进而控制串入转子回路的附加电势。变速恒频双馈异步风力发电机变频器采用定子磁链定m的矢量控制，通过引入坐标变换，将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制，从而实现对发电机有功和无功的解耦控制。

在变流器的控制下，双馈电机既可以运行在发电机状态下，也可以运行在电动机状态下。双馈电机在不同转差、不同转矩情况下的功率流向如图l所示，其中转矩的正方向按照电动机惯例定义。

当系统转速低于同步转速时，双馈电机运行在亚同步转速状态。此时，对于双馈发电机，机械轴输入的机械功率和转子输入滑差功率都通过电机定子送入电；对于双馈电动机，从电机定子获得的电能转换为机械功率和转子绕组的滑差功率输出，其中滑差功率进变流器重新送回电。当系统转速大于同步转速时，双馈电机运行在超同步转速状态。此时对于双馈发电机，作用在发电机轴上的机械功率，一部分馈到定子侧，另一部分通过转子变流器转差功率回馈到电；对于双馈电动机，从电机定子和转子获得的功率均转化成轴上的机械功率输出。

2 双馈电机对拖试验台系统构成

双馈异步风力发电机结构上和绕线式电动机是相同的，在产品试验时可以把电机作为发电机进行试验，也可以作为电动机进行试验。因此，可以利用同类电机产品作为陪试机。图2是试验台原理图，原动机与被试机为两台相同的双馈电机，根据双馈电机工作原理，由两台变频器分别控制双馈电机转子的附加电势来达到控制负载功率的目的，原动机与被试机在变频器控制下形成独立电进行各种负载试验，此时，主电只需补偿试验台的功率损耗，因此只需较小的变压器容量。由于原动机是一绕线式电机，起动时根据转矩需要可以在转子上串接电阻以增大原动机的起动转矩。因此这一试验方法有如下优点：

1)双馈发电机变频器和双馈电动机变频器，设备硬件完全一样，仅控制软件分为发电机控制软件和电动机控制软件。双馈发电机变频器在国内己大量上市，是较为成熟的产品，设备价格低，运行可靠：

2)变频器容量仅为试验电机容量的l／3；

3)对电产生谐波污染小；

4)功率因数高，拖动电机、发电机都可运行在1.0功率因数；

5)起动力矩大，试验简单、方便。产品试验效率高，产品可以是发电机状态、电动机状态作为被试机、陪试机一次完成两台负载试验；

6)试验变压器容量小，无须电力增容。

3 应用实例

应用上述方法，己成功完成l．5 MW双馈风力发电机的各项试验，并模拟风机的功率曲线进行不同转速和功率下的负载试验，取得较好的效果，厂用电变压器容量只需600 kVA。

3．1 1．5 MW双馈风力发电机主要参数

电机型号：SYF l 500．4／500；

绝缘等级：H级；

中心高：500 mm；

干目数：3相；

极数：4；

额定功率：1550 kW；

额定电压：690 V；

定子额定电流：1086 A(COS巾=1)；

定子回路的最大电流：l320 A；

转子额定电流：416 A(COSΦ=1)；

转子回路的最大电流：580 A；

转子电压：690 V；

转子开路电压：约l920 V；

额定频率：50 Hz；

额定转速：1800 r／min；

转速范围：975～2050 r／min。

3.2 1．5MW变速恒频双馈异步风力发电机变频器技术参数

额定容量：700 k、诅；

额定输入电压：690 V；

逆变侧电流：5 80 A；

额定输入频率：50 Hz；

功率因数： -0．9～+0．9可调；

输出正弦波失真率： 5％。

3.3机也使得这些非金属大批量产业化利用成为可能组起动、试验过程

1)起动时，双馈发电机作绕线异步电动机用调压器启动到接近同步速(1500 r／min)。转子回路串电阻，降低起动电流，增大起动力矩。

2)转速稳定后启动双馈电动机变流器；等待界俩中的并允朗：信号给出。当电动机端变频并允朗：灯亮起后，电动机并，此时电动机变频控制双馈电动机(M)作电动机运行。

3)切除双馈发电机起动回路，启动双馈发电机变流器，等待界俩中的并允朗：信号给出。当发电机端变频并允许灯亮起后，控制双馈发电机并作发电机运行。

4)在双馈电动机变流器上设定电动机转速，功率因数；在双馈发电机变流器上设定发电机的功率，功率因数；系统进入稳定运行。

4以最大程度地满足用户的节能需求 结语

双馈异步风力发电机负载试验方法是利用双馈电机在变频器控制下进行电动机、发电机控制，从而实现原动机和被试机在不同转速和功率下的负载试验。采用双馈式电机负载试验方法，试验设备投入少，无需电力增容，试验效率高，一次试验可完成两台同型号产品试验。该方法主要设备为双馈发电机和变频器，因此适用于发电机厂家对电机的负载试验，也适用于整机厂家对变频器通过实践来检验、修正、完善理论的负载试验，还可以拓展到其它电机的负载试验。

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