双馈风电机组在低风速段双模提效技改典型案例应用探讨

1. 引言

针对我国广大的低风速风频占比较大的机组和地区，亟需克服现有技术的局限性，开发一种能够适应低风速变化并优化机组运行的控制策略变得至关重要。基于自适应转速模式双模技术改造，通过升级机组控制策略，实现机组两种发电模式的切换。通过结合预测和实时调整，能够提高机组在低风速条件下的性能 [1]。

2. 方案设计与案例分享

2.1 基本原理

双模发电方案的定义，即在高风速阶段工作在双馈模式下，保持高风速段优异的系统效率；在低风速阶段转换成全功率异步鼠笼控制模式，使风轮转速仍可以追求最佳风能捕获为目标，有力提高低风速段系统效率。

双馈风电机组的基于自适应转速的双模模式改造主要是通过局部的硬件改造和控制算法优化，在低风速工况发电机由双馈电机模式转变为全功率模式，包括增加定子短接接触器、主控和变流器软件升级优化 [2]。

一般的，考虑到计算值与实际值存在偏差，按设计值的 1.1 倍的Is 电流容量选型定子短接接触器即可满足设计应用要求，不会出现因定子短接接触器容量不足，导致触点黏连情况发生。以 1.5MW 双模机组举例，假定异步鼠笼模式下最大发 300kW 功率，电机转子开口电压是1900V，定子侧上网电压为 690VAC，计算过程如下 ：

公式（2）

通过上面的计算结果，考虑到计算值与实际值存在偏差，选择750A 以上接触器即可满足使用要求。

业内大容量并网接触器的电气寿命单位为百万次，满足被改造机组运行使用要求。假定机组 1 天模式切换 30 次，运行 20 年，定子短接接触器吸合次数为43 万8 千次，远低于电气使用寿命。

图 1 双馈型风力发电机组系统改为双模发电结构图

利用风电场项目现有设备条件，提升机组低风速段发电功率。双模发电系统的电气拓扑结构，包括在双馈发电机的定子与定子并网开关之间增加一个定子短接开关的设计思路，以及这种设计如何实现两种发电模式的切换 [3]。

定子并网接触器和定子短接接触器不能同时闭合，在电气上进行互锁， 防止给电网造成短路故障。同时根据主控的需要，通过控制这两路开关的不同开、关逻辑，可以让系统运行在不同的工作模式下，进而满足不同的风况发电需要[4]。

2.2 系统设计与设备选型

介绍双模发电系统的电气拓扑结构，包括在双馈发电机的定子与定子并网开关之间增加一个定子短接开关的设计思路，以及这种设计如何实现两种发电模式的切换。

双模改造方案中新增核心器件为定子短接接触器。机组在鼠笼模式下运行时，发电机定子不接入电网，通过网侧变流器发电，固其发电功率受限于网侧功率单元额定容量。双模改造后，高转速时会从鼠笼运行模式切换到双馈模式运行，因此鼠笼模式的最高运行转速受限于双馈机组并网转速。综合考虑机组在鼠笼模式下的并网转速及最高运行转速，结合鼠笼模式下发电机的转速转矩功率特性，一般按 0.20Pn 额定功率进行限额[6]。

图 2 大容量接触器电气寿命示意图

2.3 典型案例分享

2.3.1 控制过程分析

下图 3 某双馈型风电机组双模技改后运行期间风速 4-5m/s ， 分析过程如下：

① ．启机加速：桨距角开至 0^∘ ，发电机转速到达 550rpm ，具备鼠笼模型并网条件（在后续定版主控程序可实现切换转速值可调）；

② ．鼠笼并网：机组给变流器下发并网指令，机组在 B 时刻之前区间范围内，均属于鼠笼模式发电，有功功率在 50～450kW 之间随风速和发电机转速波动；

③ ．共振穿越：机组在A 时刻叶片转速到达塔筒共振频率点，此时发电机转速 600-660rpm 范围，触发共振穿越，随后控制器降低主动励磁转矩，使发电机转速迅速上升（见虚线圆框指示），转频迅速穿越机组振动区间，完成共振穿越；

④ ．功率继续提升：机组在 B 时刻发电机转速 1200rpm ，有功功率 450～500kW 之间到达鼠笼与双馈切换条件，在后续定版主控程序可实现切换功率值可调；

⑤ ．鼠笼切至双馈：首先切换标识位，机组给变流器下发模式切换状态位（控制字），变流器收到控制指令后，置位模式切换状态位（状态字），与此同时机组将励磁转矩将至0，变流器断开定子短接接触器，以双馈模式同步并网；其中鼠笼切双馈用时约8s，鼠笼模型到双馈模式功率恢复约25s（ ）;

⑥ ．双馈模式运行：风机以双馈模式运行发电，变流器响应主控的转矩给定；

图 3 机组鼠笼切双馈模式切换相关参数分析图

2.3.2 常见故障与应对策略

（1）. 转子过流故障

故障现象：在异步鼠笼模式下，可能会报出转子过流故障。

原因分析：原因有多种初期要分析鼠笼模式下转子过流门限参数设置是否合理，“转子过流”故障是基于定子短接回路电流能力而设置的异步模式运行下的故障保护门限，其目的是为了防止转子电流过大从而导致定子电流超限而引起定子短接回路过温。设计故障逻辑一般是：转子电流有效值超过 ∝A （安培），并进行延时 bms 后触发报出故障导致。

解决方案：在异步模式按 20% 额定功率进行限额和新增定子短接回路额定电流 βA（安培） 的条件限制下，结合据当前电机参数和鼠笼模式下的各不同转速下的转子电流上限，计算各位置电流需求边界。鼠笼模式下建议首先制定不同转速功率给定限额曲线，规定有功功率的给定上限，防止主控控制转转矩跟随的过程出现过功率现象 [6]。

（2）. 模式下机组共振穿越期间的故障

故障现象：在异步鼠笼模式下，共振穿越工况可能会报出下定子或转子过流；

原因分析：在额定风速下，风电机组的发电机转速随风速的改变而改变，当发电机转速介于最小稳态运行转速和运行转速之间，激振频率与塔筒的一阶自然频率重合，将引起共振，造成机组很大的疲劳载荷，一般工况下，鼠笼模式的机组按照跟踪风速按最大可捕获风功率，机组运行在最佳转速转矩曲线上。为了转速向上穿越时，通过提升（箭头所示）转矩再迅速降低转矩的方法使得转速快速穿越共振发生的转速区间，转矩的增加可能引发转子过流。

图 5 共振穿越期间出现的短时转矩增加过程

解决方案：增加电气选型设计余量，增加电流和母排温升检测逻辑环节，确保在切换过程中定子短接接触器和短接母排的电流，转子电流的上限阈值在安全范围内。

（3）. 双模切换期间并网接触器状态错误故障

故障现象：在双馈和鼠笼模式切换期间，出现报出的并网接触器状态错误故障。或在短时间内

原因分析：可能是由于并网接触器的反馈触点问题，导致在增加定子短接接触器驱动互锁回路后误报。原并网接触器反馈触点问题，导致增加定子短接接触器驱动互锁回路后误报。

解决方案：冗余设计，新增一组触点作为定子短接接触器驱动回路，确保互锁机制的可靠性，单独用作定子短接接触器驱动回路。

图 6 两种接触器反馈状态的电气互锁和冗余设计

4. 性能验证与后评估

经过前期的调试与故障消缺，机组双模改造后顺利并网试运行，累积得到 3-6 月的各个工况下的运行数据。首先经过对数据的筛选、标准化后，数据组用 bin“区间法”进行处理，依据下式对每一风速区间计算风速平均值和输出功率平均值：

年发电量 AEP 是根据风速的频率分布应用实际功率曲线进行估计得到的。根据风电场风机机舱上的风速仪设备测量的风速值进行风速频率分布统计，获得各台机组风速频率分布结果，以此风速频率分布估算年发电量 AEP，风速对应功率值应用实际功率曲线，不完整部分采用插值法得到。

根据下式估算年发电量：

析提效分析基于机组分析时段的累计发电量，其中分析时段统计的风功率曲线和风频数据，此处的风速、功率、风机状态等信息均为 SCADA 数据，发电量是基于风机的功率曲线和风频累计计算得到，发电量提升效果计算公式如下：

AEP（优化后）-AEP（优化前）发电量提升效果 Σ=Σ 公式（5）AEP（优化前）

表 1 双模技术改造前后发电量统计表

图 7 完整年风频和双模改造前后风速 - 功率散点图

按上文双模改造年发电量提升效果评估通过，计算发电量提升百分比，相对于改造前，改造后功率曲线在 [0.5m/s，5m/s] 范围内功率曲线提升明显，其中该机组改造后年发电量提升 1.07%

5. 应用前景与展望

本文探讨双模发电技术在风电领域的广泛应用前景，尤其是在低风速区域的风场开发中，如何通过双模发电技术提高风能资源的利用率，并针对改造过程中的典型案例和提出的优化方法促措施进行了总结，并结合双模改造的安全性和可靠性评估等可行性分析，证明在低风速风频占比较高的项目中提效降本双模改造的应用是完全可行的。双模发电技术的未来发展方向应进一步优化控制策略、AI 人工智能算法结合，提高系统的智能化水平、降低改造成本等。同时，双模发电技术与其他新能源技术的融合应用，如与储能系统的结合，进一步提升风电系统的稳定性和可靠性。

总结本文的主要强调双模发电技术在提高双馈风电机组低风速段发电效率方面的创新性和实际意义。通过对双模发电技术的深入研究和应用探讨，为风电行业的发展提供新的思路和方法，推动清洁能源的高效利用和可持续发展。

参考文献：

[1].GB/T 23479-2023 风力发电机组双馈异步发电机 ;[2]. 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 ： 运动控制系统 [M]. 机械工业出版 2022;[3]. 吴玉杨 . 双馈型风力发电机组双模发电运行方法研究. 中国电业 .2020 年第 15 期 ;[4]. 秦晓帆 ; 基于双模运行的双馈风电机组设计研究 [D]; 河北工业大学 ;2017 年 ;[5].IEC 61400-12-1-2017 风力发电机组功率特性测试 ;[6].GB_T 18451.2-2021 风力发电机组 功率特性测试 ;

作者简介：范小 玉（1988—），女，本科，中级工程师，研究方向：新能源（光伏/ 风电）技术管理；袁裕（1999—），男，本科，助理工程师，研究方向：新能源（光伏/ 风电）技术管理。