變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機的主要優(yōu)點和基本原理

1、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機的原理和優(yōu)點研究 變速恒頻發(fā)電技術(shù)變速恒頻發(fā)電技術(shù)是一種新型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，其主要優(yōu)點在于風(fēng)輪以變速運行。這一調(diào)速系統(tǒng)和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其調(diào)節(jié)方法是：起動時通過調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速；并網(wǎng)后在額定風(fēng)速以下，調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；在額定風(fēng)速以上，采用失速與槳距雙重調(diào)節(jié)、減少槳距調(diào)節(jié)的頻繁動作，限制風(fēng)力機獲取的能量，保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性和良好的動態(tài)特性，提高傳動系統(tǒng)的柔性。上述方式目前被公認(rèn)為最優(yōu)化的調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。其主要優(yōu)點是可大范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)

2、保持在最佳值；能吸收和存儲陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的疲勞損壞、機械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動，延長機組壽命，減小噪聲；還可控制有功功率和無功功率，改善電能質(zhì)量。盡管變速系統(tǒng)與恒速系統(tǒng)相比，風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置中的電力電子部分比較復(fù)雜和昂貴，但成本在大型風(fēng)力發(fā)電機組中所占比例并不大，因而大力發(fā)展變速恒頻技術(shù)將是今后風(fēng)力發(fā)電的必然趨勢。目前，采用變速恒頻技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機組，由于采用不同類型的發(fā)電機，并輔之相關(guān)的電力電子變流裝置，配合發(fā)電機進(jìn)行功率控制，就構(gòu)成了形式多樣的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。主要有以下幾類：鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、繞線式異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、同步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力

3、發(fā)電系統(tǒng)、雙饋發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中，由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，采用雙饋發(fā)電方式，突破了機電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運行的傳統(tǒng)觀念，使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制，而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響，變機電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接?；谥T多優(yōu)點，由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風(fēng)力發(fā)電方面的研究熱點和必然的發(fā)展趨勢。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機基本原理雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機，旋轉(zhuǎn)電機的定子和轉(zhuǎn)子均安放對稱三相繞組，其定子與普通交流電機定子相似，定子繞組由具有固定頻率的對稱三相電源激勵。電機定

4、轉(zhuǎn)子極數(shù)相同。轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的對稱三相電源激勵。電機的轉(zhuǎn)速由定轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差頻率確定。電機的定轉(zhuǎn)子磁場是同步旋轉(zhuǎn)的，因此它又具有類似同步電機的特性。當(dāng)電機定子對稱三相繞組由頻率的電網(wǎng)供電時，氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為，滿足。轉(zhuǎn)子由原動機帶動以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而在轉(zhuǎn)子對稱三相繞組中施以頻率為（s為轉(zhuǎn)差率）的變頻電源，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生三相對稱電流，它們產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁勢相對于轉(zhuǎn)子而言以轉(zhuǎn)差速度旋轉(zhuǎn)，相對于定子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子磁勢在氣隙中建立的基波旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢（頻率為），該電勢與外加至定子繞組中的電源電壓共同作用形成三相對稱電流，由此產(chǎn)生的定子基波磁勢同樣以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)

5、。定轉(zhuǎn)子磁勢相對靜止，在氣隙中形成合成磁勢，該磁勢在氣隙中產(chǎn)生合成磁場，分別與定轉(zhuǎn)子繞組交鏈，在繞組中分別感應(yīng)電勢、（頻率為）。實質(zhì)上，雙饋電機與普通異步電機的工作原理是一致的。二者的區(qū)別在于普通異步電機轉(zhuǎn)子電流的頻率取決于電機的轉(zhuǎn)速，由轉(zhuǎn)子短路條感應(yīng)電勢的頻率決定，與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，轉(zhuǎn)子電流本身的頻率不能自主地、人為地調(diào)整。而雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組的頻率由外加交流勵磁電源供電，其頻率可以隨之變化調(diào)節(jié)。因此，雙饋電機既具有異步電機的工作原理，又具有同步電機的工作特性，是一種具有同步特性的特殊的異步電機。雙饋電機定轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，它均勻分布在電機圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對稱分布。現(xiàn)作如下假定：

6、(1)只考慮定轉(zhuǎn)子電流的基波分量，忽略諧波分量。(2)只考慮定轉(zhuǎn)子空間磁勢基波分量。(3)忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗。(4)變頻電源可為轉(zhuǎn)子提供能滿足幅值、頻率及功率因數(shù)要求的電源，不計其阻抗與損耗。定子方正方向按發(fā)電機慣例定義，轉(zhuǎn)子方正方向按電動機慣例定義。與分析感應(yīng)電機的方法類似，根據(jù)磁勢與電勢平衡原則，將轉(zhuǎn)子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如下：式中，為定子電壓，為定子電流，為定子電阻，為定子漏抗，為折算后的轉(zhuǎn)子電壓，為折算后的轉(zhuǎn)子電流，為折算后的轉(zhuǎn)子電阻，為折算后的轉(zhuǎn)子漏抗，為激磁電流，為激磁電阻，為激磁電抗，為轉(zhuǎn)差率，、為感應(yīng)電勢。另外，由于，故忽略。對于發(fā)電機，若軸上輸入的機械

7、功率為，根據(jù)能量守恒原理，有：于是則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： 式中，為轉(zhuǎn)子機械角速度，。由機械功率表達(dá)式可導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，它由三個分量組成，即：式中， 可見，為一感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)一定時，由定子電壓的幅值大小確定。時，為拖動轉(zhuǎn)矩；時，為制動轉(zhuǎn)矩，也就是說其轉(zhuǎn)矩性質(zhì)視的正負(fù)而定。恒為制動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)一定時，由轉(zhuǎn)子電源電壓的幅值大小確定。是由定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的，可看作同步轉(zhuǎn)矩，其值可正可負(fù)。因此，在一般情況下，雙饋電機的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩不但與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，還與定轉(zhuǎn)子電壓幅值以及它們之間的相位差角有關(guān)，這是從雙饋電機整個外部特性來考慮問題的，將其看作只受定轉(zhuǎn)子方兩個外加電壓源作用。由于轉(zhuǎn)子繞組始終可以看作

8、受兩個頻率都是轉(zhuǎn)差頻率的電壓源作用，一個是轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢（，為轉(zhuǎn)子靜止時，轉(zhuǎn)子開路感應(yīng)電勢），另一個是轉(zhuǎn)子繞組外加電壓。因此，不妨換個角度，從電機的轉(zhuǎn)子方來考慮電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩。定義轉(zhuǎn)子繞組外加電壓與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢之間的夾角為，定轉(zhuǎn)子方功率因數(shù)角分別為和，則由等值電路可得：將上式用Euler公式展開后取實部和虛部，并分別定義轉(zhuǎn)子電流的有功分量為、無功分量為，則有： （1） （2）若將雙饋電機看作特殊的異步電機，則由異步電機的統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式，可得雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：式中，為由電機參數(shù)所決定的常數(shù)。上式表明，交流勵磁雙饋發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比，因而通過轉(zhuǎn)子電流的有功分量就可

9、以控制雙饋發(fā)電機定子端口的有功功率；而轉(zhuǎn)子電流的無功分量則可以控制雙饋發(fā)電機定子端口的無功功率。當(dāng)時，電機次同步運行，轉(zhuǎn)差功率為，表示電磁功率一部分由轉(zhuǎn)子方電源提供，此時原動機提供的機械功率為；當(dāng)時，電機超同步運行，轉(zhuǎn)差功率為，表示轉(zhuǎn)子方電源吸收由電機氣隙回饋的一部分電磁功率，此時原動機提供的機械功率為，表示定子方發(fā)出的電功率以及轉(zhuǎn)子方電源吸收的電功率全部由原動機承擔(dān)。式（1）與式（2）表明，獨立調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子方外加電壓的幅值和相位角就可以控制雙饋發(fā)電機定子端口的有功功率和無功功率。在轉(zhuǎn)差率保持不變的情況下，如果轉(zhuǎn)子電流有功分量發(fā)生變化，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)的幅值和相位角，就可以保持轉(zhuǎn)子電流無功分量不變，或

10、者使定子端口的有功功率和無功功率保持一定的功率因數(shù)關(guān)系。式（1）與式（2）亦同時表明，若轉(zhuǎn)子方外加電壓的幅值和相位角取適當(dāng)?shù)闹?，?dāng)轉(zhuǎn)差率為正值時（），轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量可以為正值，電機次同步運行，定子發(fā)出有功功率；當(dāng)轉(zhuǎn)差率為負(fù)值時（），轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量可以為負(fù)值，電機超同步運行，但定子同樣發(fā)出有功功率。通過對等值電路的分析和計算，可以將雙饋發(fā)電機的控制規(guī)律看作轉(zhuǎn)差率s 、轉(zhuǎn)子勵磁電源電壓（包括其幅值、相位和頻率）以及與之間的相位差角這三個量的函數(shù)，這三個量中任意量變化都將影響電機運行性能。因此，若要使電機達(dá)到某種穩(wěn)態(tài)，則可以利用這三個量來進(jìn)行控制。雙饋發(fā)電系統(tǒng)作為可再生能源獲取的執(zhí)行

11、部件，屬于典型的分布式發(fā)電系統(tǒng)。因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)的通用問題，如孤島效應(yīng)等，都值得在雙饋發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行研究。雙饋發(fā)電系統(tǒng)在和常規(guī)的大電網(wǎng)并聯(lián)運行時，對電網(wǎng)電壓的擾動的響應(yīng)，包括不對稱電網(wǎng)、電壓跌落、電網(wǎng)電壓諧波、電網(wǎng)電壓相位及頻率波動等，也是很有必要進(jìn)行研究的。參考文獻(xiàn)1 王承熙等. 風(fēng)力發(fā)電. 北京: 中國電力出版社, 20032 陳雷. 大型風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)發(fā)展趨勢. 可再生能源, 2003, 107（1）: 2733 秦曉平等. 感應(yīng)電動機的雙饋和串級調(diào)速. 北京: 機械工業(yè)出版社, 19904 葉啟明. 大型風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點. 華中電力, 2002, 15（2）: 67685 黃順禮, 魏曉玲, 黃春陽. 第五次全國電機學(xué)術(shù)討論會論文集述評. 電