双馈风电机组主回路的分析和选型

沙玉婷，王斌，杨卫民

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003）

摘 要：当前风力发电机组主流机型为双馈机组，其定子和转子同时馈送能量的特点，决定了

其主回路部分的设计和器件选型，较其他异步电机机组或者同步电机机组更加复杂。本文分析了双馈风力发电机组主回路的工作原理，并以1.5MW容量双馈机组为研究对象，给出了典型的主回路设计结构，并分析了主回路各个部分的电路参数，并以此为依据给出了主回路上各部分器件的推荐选型方案。实际产品制造中采用分析后得出的方案，取得了预期的效果。 关键字：风力发电；双馈机组；主回路；器件选型

1 双馈风力发电机概述

目前，国内在运行的风力发电主流机型为双馈风电机型，其主要特点是采用了双馈型发电机。双馈型发电机具有定子、转子双套绕组，转子绕组由滑环和电刷引出，电机可以从定子和转子同时回馈能量。当采用交流励磁时，转子的转速与励磁电流的频率相关，从而使得交流励磁发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，却兼有同步发电机和异步发电机的特点，控制灵活性好，具有较强的无功调节能力；采用变速恒频发电方式，可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在与该风速对应的最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行性能[1]；还可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更容易实现并网操作及运行；由于双馈型风电机组所用的变流器连接在转子侧，所以只需要满足转子最大回馈能量的要求，通常双馈电机调速范围为±30%，变流器只需1/4～1/3的电机容量就能满足需求[2]。

双馈风电机组主回路的简化如图1、图2所示。通常风机采用一机一变的配置，也就是1台风电机组配置1个箱式变压器，用于将发电机侧690V的低压等级升至35kV电压等级。变压器35kV高压侧则连接至风场升压站；机组双馈电机定子直接与变压器低压690V连接；转子侧则通过变流器同变压器低压侧连接。亚同步情况下，转子吸收有功，定子发出有功；超同步情况下，转子和定子同时发出有功；同时，还有一条回路从变压器低压侧引出，用于机组装置设备的供电。

PcPsPr'图1 双馈风电机组主回路简化图1

Pr 图2 双馈风电机组主回路简化图2

2 主回路设计

图1和图2都属于双馈风电机组的主回路简化图，包含了核心的多个器件。2种主回路区别仅在于主断路器是安装在定子回路上，还是安装在总发电回路上。图中器件的选择及其相互间的连接方式，需要详细分析双馈机组的工作状态，通过环境条件、通流能力来选择合适的器件并选择之间的连接方式。

以图1为例，其中4条回路汇集点∑I=0，也就是∑P=0。作为一个额定功率为1500kW的风机，其表示最终输出到变压器的功率应该是1500kW，如果扣除风机工作自用电回路功率，风机定子回路和转子回路将需要提供超过1500kW的发电功率，以下做较为精确的各回路电流值估算。 2.1 发电回路推算

发电回路额定有功功率P=1500kW，则额定情况下

I=

P3U

=15000003×690

≈1255A。 (1)

式中P 发电回路额定有功功率，I发电回路额定电流。

2.2 自用电回路推算

自用电回路为机组相关设备工作所需要的动力，该回路在机组输出功率前采用外网回路供电，在机组进入输出功率状态后由机组自供电。该回路不但包含了加热器、装置等负载，还包括了偏航异步电机、油泵等感性负载且启动电流会较大，此回路额定有功功率Pc大约为60kW，故

Ic=

Pc3U

=600003×690

≈50.2A。

(2)

式中Pc发电回路额定有功功率，Ic发电回路额定电流。

P+Pc=1560kW，假设变流器额定功率下的效率μ=0.95，则额定状态下定子和转子的输出功率和为

Ps+Pr'=Ps+Pr×μ=1560kW。

(3)

式中：Ps和Pr分别为双馈电机定子和转子的输出功率, Pr'为双馈电机转子额定功率。 2.3 定子回路和转子回路的推算

作为双馈发电机，定子和转子的额定功率都出现在超同步额定转速条件下，比如2对极双馈电机其超同步额定转速为1800n/min，此时定子和转子的电流都达到了额定值。

根据异步电机原理，定子和转子功率的分配与转差率有关[3],如果忽略定子转子铜损和铁损，则

Ps11=−=−=5。 PrS(1500−1800)1500 (4)

则由式(3)和(4)可以计算出

Pr≈

Pfd+Pzy1560

≈≈262kW

Ps

(+μ)(5+0.95)Pr

1

Pr=1311kW S

(5)

Ps≈−

(6)

故

Ps=1311kW

(7)

(8)

Pr'=Pr×μ=262×0.95≈249kW

则定子回路和转子回路的额定电流为：

Is=

Ps3×690

=13110003×690

≈1097A

(9)

Ir'=

Pr'3×690

=

2490003×690

≈208A

(10)

式中Is和Ir'定子回路和转子回路的额定电流。 3 器件选型

以上确定了各个回路的额定功率与额定电流，可根据计算结果来选择主回路上的这些主要器件。

3.1 定子回路断路器和接触器选型

如图1所示，根据断路器选择1.2倍额定电流原则，且双馈机组通常无功控制给定为零，使得定子回路的功率因数保持为1。所以断路器Q2可以选择AC-1负载下额定电压690V额定电流1300A的框架断路器。断路器Q2的过流可按反时限方式适当做整定。

定子并网接触器K2也按照1.2倍额定电流原则选取，同样选取AC-1负载额定电压690V额定电流1300A的接触器。通常不建议使用断路器Q2代替接触器K2，实现并网脱网的功能，因为在风速不稳定的季节，风机起停、并网脱网的次数相当频繁，高频率的开合会缩短断路器Q2的寿命。

当前各大知名公司都推出了风电专用的断路器和接触器，其有通过真空灭弧等等技术手段，来满足风电部件小型化和可靠性的特殊要求，故在此部件的选取上，可以选用些专门针对风电应用开发的器件。 3.2 转子回路的断路器和熔断器选型

正常工作情况下，变流器网侧桥控制通常无功给定为零，所以其也为电阻型负载,根据电阻负载型熔断器一般选择2-3倍的电流原则，故转子回路的熔断器F1选择600A以上的熔芯；断路器Q1则可以选取额定电压690V额定电流250A的塑壳断路器。

3.3 自用电回路的断路器和熔断器的选取

自用电回路的熔断器F3的电流考虑到偏航等电机的启动电流比较大，需要选取躲过电机启动时的电流最大值的熔芯；断路器Q3则可以选取额定电压

690V额定电流60A的塑壳断路器。

3.4 发电回路断路器选型

如图2所示，部分双馈电机主回路会将断路器放置在发电回路上，在此情况下，分析过程同1）中所述，可以选取额定电压690V额定电流1500A以上的框架断路器。

以上器件的连接由于电流较大，通常采用硬铜排的方式连接。在个别难以走硬铜排的位置，比如两个器件距离过于接近，或者2个器件之间的连接需要拐弯，则可以采用软铜排来连接，少量的软铜排使用也不会增加太多成本。 4 结束语

根据主回路的工况分析，最终确定了设计原则和器件选型，保证风机在满功率情况下的正常运行，计算结果也完全与国外先进厂商的设计结果相吻合，运行到达预期效果。

参考文献：

[1] FERNANDO D Bianchi，Heman De Battista，RICARDO J Mantz.Wind Turbine Control

Systems-Principles,Modeling and Gain Scheduling Design[M]. Berlin:Springer,2007. [2] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002. [3] 王正茂.电机学[M].西安：西安交通大学出版社，2000.