（江苏南通 226000）
摘要：研究针对传统低风速下双馈机组捕风性能差、机械损耗大等问题，提出了风电机组可变电气拓扑技术，通过捕风性能优化、转换效率提升等操作对风电机组可变电气拓扑技术进行开发，实践证明该技术能够将发电量提升3.3%，可靠性强，可予以推广。
关键词：风电机组；可变电气拓扑技术；仿真分析；捕风性能
作为风能发电的重要组成部分，风电机组具有结构简单、成本低等优越性。基于输电能力等多种因素影响，我国风电开发中心呈现出东南地区转移的趋势[1]，为适应东南部地区环境特点，提升经济效益，需要对风电机组进行拓扑开发，以提升发电量，改善双馈机组低风速运行特性，降低能耗。
1.风电机组可变电气拓扑技术
1.1传统双馈机组电路拓扑
传统风力发电所用的双馈机组结构图见图1，该拓扑结构能够直接与电网相连接，转子可以通过变频器完成能量变换，然后与电网相连接，电路拓扑在整个运行期间能够保持不变。
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图1 传统双馈机组电路拓扑
1.2可变电压型拓扑电路
一般情况下，风电机组包含2个或2个以上电压等级，基于发电与用电的关系，发电并网端口也可以采用400V用电电压，实现对电能的输送，对传统双馈机组电路拓扑加以整改可以得到可变电压电路拓扑[2]。如图2所示，电路连接开关为c1、c2，其由控制系统管控。假设c1断开状态，将c2闭合，此时双馈电机定子与400V电路连接；假设将c1断开、闭合c2，此时双馈电机定子与690V电路相连接。当处于第一种状态，变频器电压能力不会出现降低，转差率为原有的 倍。当将690V电压调整为400V后，可以发现铁耗与原有相比也降低了1/3。由此可知，双馈机组低风速性能的不足问题可以通过电路拓扑的变化得以解决，其不仅能够对双馈电机转速范围进行拓展，而且能够对最低并网转速进行下调，能够使系统固有损耗下降。
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图2 可变电压拓扑电路
1.3星-三角转换拓扑电路
目前主流双馈电机在进行电路连接时往往会将绕组引出体外，将其与三角型电路或星型电路相连接。因此，可以选择电机本体外增加转换装置，结合实际需要选择连接三角型、星型电路（图3）。电机绕组完成转换后，只需对外部转换柜内电路开关状态进行相应的组合，便可以与电网不同线路相连接[2]。当绕组电压在400V状态下，变频器电压转差率为原来的 。若最低并网转速为1000rpm，那么其能够在640rpm条件下实现并网，铁耗下降为原有的1/3。因此可以判断星-三角转换拓扑电路能够有效解决最低并网转速约束及铁耗问题。
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图3 拓扑转换电路
1.4组合拓扑电路
组合拓扑电路主要指的是可变电压型拓扑电路与星-三角转换拓扑电路的组合，如图4所示，假设电机星接在同一时间段并入400V网，双馈机组能够在并网时机械转速可以为0，其与原有相比固有损耗能够降低1/9。此外变频器励磁电流也会随之下降，传动链机械损耗将不能够维持原有的较高值状态[3]。该拓扑电路下，可以保证处于低风速状态下也能够获得最佳的风能捕获，使以往双馈机组低风速阶段性能缺乏的问题得以解决。
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图4 组合拓扑电路
2.组合式可变电气拓扑技术对发电量提升策略
2.1优化捕风性能
传统双馈机组不可避免的会受到并网转速的影响，当处于低风速状态时，无法实现对风能的最佳捕获，而经过组合式拓扑变换电路的约束，当处于低风速状态下，双馈机组可以顺较为理想的Cp曲线（图5）运行，充分发挥风轮潜力，使得切入风速由原有的3m/s下降至2m/s。
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图5 Cp变化曲线
2.3降低散热系统耗电
根据上述可以得知变流器、发电机等损耗均得以降低，发热明显减少，那么也可以相应的减少发热系统的耗电。目前常用分档控制方式实现对散热系统的控制，对于温度较低的部件如发电机、齿轮箱则可以调整为小功率散热档位[5]。当温度上升到一定程度后再调整为中功率档位进行散热，该操作可以显著降低散热系统的能耗。
3.实验验证
研究对机舱所有功率实验台位进行整体运行范围的动态监测，首先对真实的运行工况进行模拟，对发电机、变频器以及传动链机械在运行状态下的损耗进行测试，与此同时定量测试了优化后的发电系统损耗情况，如图6所示，可以发现机组传动链机械与电磁损耗在低风速状态下均明显降低。
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图6不同风速损耗降低情况
4.仿真分析
将实验相关数据代入仿真软件中，计算出不同年平均风速下风电量提升情况，具体如表1所示，可以发现随着年平均风速的降低发电量提升比例明显上升，当年平均风速=5m/s时，发电量能够提升3.3%。
表1 不同风速下发电量提升情况
选择组合式可变拓扑进行升级改造，可以发现经过升级改造，即便在2m/s的低风速状态下，该拓扑结构也能够实现并网并顺利切入发电，该拓扑电路模式在≤8m/s范围内能够体现出鲜明的优势，能够确保机组总发电量达到最高状态。经过仿真分析可以发现风电机组可变电气拓扑技术能够将发电量提升3.3%。
结束语
经过改造后的组合式可变电气拓扑技术使得双馈机组低风速性能差、损耗大问题得以有效解决，经过实验验证及仿真分析均证实该技术能够提升机组发电量，且不会影响机组性能，可靠性高，值得借鉴。
参考文献：
[1]赵艳梅.基于变速恒频风力发电机组电气控制系统的分析[J].内燃机与配件，2018，21（11）：201-202.
[2]程谆，张阳，邓木生.基于阻抗源逆变器的永磁直驱风力发电变流系统综述[J].电工电能新技术，2019，15（6）：291-292.
[3]刘明洋，潘文霞，杨刚.双馈风力发电机群短路电流实用计算方法[J].电网技术，2018，42（5）：119-120.
[4]何牧.大型风电发电机组控制中的电气设计简析[J].科技创新与应用，2016，25（28）：128-128.0
[5]蒲万春，宁琨，张广斌.风力发电机组在环仿真测试系统的开发与应用[J].东方汽轮机，2017，14（3）：224-226.