變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理講義

《變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理講義》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理講義（11頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理 張波 風(fēng)力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得 到迅速發(fā)展。采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢，如風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量 波動(dòng)以避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因 數(shù)等。 雙饋電機(jī)變速恒頻（VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的 頻率、幅值、相位和相序來實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。 它的核心技術(shù)是基于電力電子和 計(jì)算機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。 1工作原理 1.1 雙饋電機(jī)的vscF空制

2、原理 VSCFM力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙向變頻器和控 制器組成。雙饋發(fā)電機(jī)可在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行， 其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)?調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載和 轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不 變，而且還能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。 雙饋異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其 定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子 繞組由一臺(tái)頻率、電壓可調(diào)的低頻電源（一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器） 供給三相低頻電流，圖1給出這種系統(tǒng)的原理框圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流 時(shí)，在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)

3、磁場的旋轉(zhuǎn)速度（nJ與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn) 速（n）相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速（n 1），即 n 二 n 2 = 口 從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)與同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。 U r 電畀軌復(fù) S1變速力發(fā)電系鎖原理格俚 Block diagnun of VSCF wind power gmemtiem M\trm 由上面轉(zhuǎn)速關(guān)系可以推出風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系， 即 Z^p/i/60 土 f2 (1) 式中fi、f2、n和p分別為定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和極 對數(shù)。 當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之而變化。由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)

4、 節(jié)fzUzhsfJ相應(yīng)變化，可使fi保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致， 實(shí)現(xiàn) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的VSCF控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)， 式(1)取正號；當(dāng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取負(fù)號；同步速運(yùn)行時(shí)，f2=0,變流器向轉(zhuǎn) 子提供直流勵(lì)磁電流。 1.2 不同運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)子繞組功率流向 當(dāng)忽略電機(jī)損耗并取定子為發(fā)電機(jī)慣例而轉(zhuǎn)子為電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)， 發(fā)電機(jī)的定 子輸出電功率R等于轉(zhuǎn)子輸入電功率(轉(zhuǎn)差功率)與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率 Pmech 之和，即 te據(jù)感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理?找『繞細(xì)的電功申和電 機(jī)軸I.的機(jī)械功率町分別表示為 耳n片 (3) P*冃 lg (4)

5、式中s為轉(zhuǎn)差率s = ^n^n 。 < n1丿 由式⑵、⑷ 可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)在亞同步速運(yùn)行時(shí)，s>0,需要向轉(zhuǎn)子繞組饋 入電功率，由轉(zhuǎn)子傳遞給定子的電磁功率為 sPi,風(fēng)力機(jī)傳遞給定子的電功率只 有(1-s)Pi。當(dāng)發(fā)電機(jī)在超同步速運(yùn)行時(shí)，s<0,此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組向外供電，即定轉(zhuǎn) 子同時(shí)發(fā)電，此時(shí)風(fēng)力機(jī)供給發(fā)電機(jī)的功率增至 (1+| s|) Pi。 雙饋發(fā)電機(jī)在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下的輸入輸出功率關(guān)系，可用 圖2功率流向示意圖表示。由于在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組的 功率流向不同，因此需要采用雙向變頻器。 V ⑹% fHrt速運(yùn)行 圖2雙諂鳳力發(fā)電機(jī)的功

6、率減向 Fi**2 Power fio* of doubly fed wind generator 2勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本功能 為滿足雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速、等于同步速和高于同步速運(yùn)行的各種工況要 求，向轉(zhuǎn)子繞組饋電的雙向變頻器應(yīng)滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位 和相序可調(diào)。通過控制勵(lì)磁電流的幅值和相位可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功功率； 通過 控制勵(lì)磁電流的頻率可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率； 通過風(fēng)力機(jī)變槳距控制與發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁控制相結(jié)合，可按最佳運(yùn)行方式調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)基本組成 VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖 3所示。該系統(tǒng)由額

7、定功率為 2.8kW的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、直流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓器、IGBT交直交雙向變頻 器、光電編碼器、電流及電壓傳感器、 80C196M單片機(jī)、PC機(jī)及參數(shù)顯示器等 組成 ?2 畋】 變連力崔唱樓XI試驗(yàn)系統(tǒng)祗朋 叭齊3 Block diagram of an experimentat for VS(T wind pow^r genemtion 3勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理 3.1 變速恒頻控制 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制，就是根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化相應(yīng)地控制轉(zhuǎn)子 勵(lì)磁電流的頻率，使雙饋發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率與電網(wǎng)保持一致。實(shí)現(xiàn)變速恒頻控 制可以采用兩種方法，即有轉(zhuǎn)速傳感器和無轉(zhuǎn)速

8、傳感器的變速恒頻控制。前者控制 相對容易，但需要光電編碼器；后者控制技術(shù)稍復(fù)雜一些。 圖3所示勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機(jī)的極對數(shù) p=2，定子電流頻率fi=50Hz)將p和f i值代入式(1)，可得勵(lì)磁電流頻率f 2的與 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號的關(guān)系式。 亞同步速時(shí)饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率為 /；=50 Ap/IO 卓 (5) 超同步連時(shí)饋入轉(zhuǎn)子的電逆頻軍為 jtp/10 50 ⑹ 式中kp是計(jì)數(shù)器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數(shù)。可根據(jù)光電編碼 器每轉(zhuǎn)輸出2000個(gè)脈沖計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速與kp的關(guān)系，具體推導(dǎo)公式詳見附錄。 圖4是雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)

9、子繞組電流隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率的波形。 由圖可以看出，轉(zhuǎn)子電流的頻率根據(jù)轉(zhuǎn)速按式 (1)的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電 機(jī)的變速恒頻控制。 圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速變(t(1200-1300r/min)&t的 ■子耀姐電淹頻率変化液謬 Hg.4 Rotor current Maveform durinx 萍peed variation from 1200 to 1300 r/niin 3.2 恒定電壓控制 當(dāng)定子繞組開路，雙饋發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行時(shí)，定子繞組開路相電壓的有效值 為 % = 4,44/；閑上.4 ⑺ 式中fi為定子繞組的電壓頻率；N和kwi分別為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和

10、繞組 系數(shù)，公式推導(dǎo)詳見附錄。每極磁通 0 = - I2由轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流決定。 由式(7)可知，當(dāng)定子繞組電壓頻率fi為恒定值時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速下只要保持 轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。 然而當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn) 行時(shí)，由于定子繞組電阻和漏電抗壓降，以及由于定子電流電樞反應(yīng)磁場的影響， 即使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數(shù)。 為了保持在 不同運(yùn)行狀況下發(fā)電機(jī)端電壓恒定，需要通過電壓反饋調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)閉 環(huán)恒壓控制。試驗(yàn)表明，雙饋發(fā)電機(jī)輸出電壓采用閉環(huán)控制后，轉(zhuǎn)速由1300r/min 增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了 0.2V。

11、 3.3 雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制 傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用異步發(fā)電機(jī)， 并網(wǎng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊較大。雙饋發(fā) 電機(jī)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，避免并網(wǎng)時(shí)發(fā)生的電流沖擊和過大的 電壓波動(dòng)。 在圖3的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)前用電壓傳感器分別檢測出電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓 的頻率、幅值、相位和相序，通過雙向變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)輸出電 壓與電網(wǎng)相應(yīng)電壓頻率、幅值及相位一致，滿足并網(wǎng)條件時(shí)自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行。由圖 5 看出，并網(wǎng)后定子電流有振蕩現(xiàn)象，這是由于在并網(wǎng)試驗(yàn)中沒有采用有功和無功功 率閉環(huán)控制造成的，采用閉環(huán)控制后，發(fā)電機(jī)的功角保持不變可解決電流震蕩問題。 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程定子電圧和電流波

12、彬 F Wcfon? of stator and cunrnt during connecting generator lo wpply nuiin> 如圖5所示，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)電壓略高于電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)電壓即為電 網(wǎng)電壓。并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)電流為輔助負(fù)載的電流，并網(wǎng)后的電流為饋入電網(wǎng)的電流。 輔助負(fù)載用于并網(wǎng)前的發(fā)電機(jī)電壓和電流監(jiān)測， 并網(wǎng)后將輔助負(fù)載切除。為了便 于并網(wǎng)前后發(fā)電機(jī)定子繞組電壓電流的比較， 并網(wǎng)試驗(yàn)中采用了輔助負(fù)載檢測并 網(wǎng)前定子繞組的電壓和電流，在實(shí)際 VSCF系統(tǒng)中，不一定需要輔助負(fù)載，可檢測與比較電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的端電壓以確定是否滿足并網(wǎng)條件。 3.4 三態(tài)轉(zhuǎn)換控

13、制 在亞同步速運(yùn)行時(shí)，變頻器向轉(zhuǎn)子繞組饋入交流勵(lì)磁電流，同步速運(yùn)行時(shí) 變流器向轉(zhuǎn)子繞組饋入直流電，而超同步速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組輸出交流電通過變流 器饋入電網(wǎng)。亞同步、同步和超同步三種不同運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換是變速恒頻雙 饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 由于風(fēng)速變化的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在同步速。 為了 避免反復(fù)跨越同步點(diǎn)和在同步速附近小轉(zhuǎn)差區(qū)的控制難度，在實(shí)際變速恒頻風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)中，總是把穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)選在避開同步速附近小轉(zhuǎn)差區(qū) (| s|<0.05) 以外的區(qū)間。自然，跨越同步點(diǎn)是難免的。 跨越同步點(diǎn)的三種運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可采用兩種不同的方法，一是采用“交 -

14、直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式?！敖?直-交”控制模式是隨著 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增高逐漸降低轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率， 當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)供給轉(zhuǎn)子 繞組直流(此時(shí)轉(zhuǎn)子三相繞組為“兩并一串”的聯(lián)接方式而變頻器控制不同橋臂 的三個(gè)功率開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)閉， 輸出可控的直流勵(lì)磁電流)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過 同步速后，變流器停止直流供電，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組向變流器輸出轉(zhuǎn)差頻率的交流電。 采用“交-直-交”控制模式的發(fā)電機(jī)跨越同步速時(shí)的轉(zhuǎn)子電流實(shí)測波形如圖 6 所示?！敖?交”控制模式因省去了向轉(zhuǎn)子繞組供直流電的環(huán)節(jié)，控制稍微容易 一些，但三種運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的平滑性稍差一些，其轉(zhuǎn)子電流試驗(yàn)波形如圖7所示。

15、-8 - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 6扉交■直■交r專換模式的轉(zhuǎn)子電流波形 Tested rotor current for AGDC-AC ami ersion rmwlt S/V2 * 40Omg “交-交”轉(zhuǎn)換樓式的轉(zhuǎn)子電流波形 F也7 Tested rotor current forAGAC conversion mode 參考文獻(xiàn): ⑴中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 第23卷 第11期2003年11月 林成武 王鳳翔 姚興 佳 ⑵《風(fēng)力發(fā)電》講座 第三講 中國科學(xué)院電工研究所 倪受元 ⑶《電機(jī)學(xué)》中國電力出版社 第三版 東南大學(xué) 周鶚 ⑷《風(fēng)力發(fā)電

16、》中國電力出版社 王承熙 張?jiān)? 附錄： 1、公式推導(dǎo)： (1) f2 = sf1 推導(dǎo): 由于 f-p02，且 znH，所以f2二晉-士亠 60 (2) f 二 推導(dǎo): 設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 n r/min，貝U 1ms電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n 60 1000 r/ms，所以10ms輸 kp 脈沖個(gè)數(shù)kp 10n 60 1000 60 f n = P ,代入上式得 60f 10f，故 f 3 3 2 10 -9 - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 -# - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 (3) U。=4.44

17、刖應(yīng)推導(dǎo): -# - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 設(shè).=msin t ,則空載電動(dòng)勢 q = 一弘 =…N「mcos? ‘t = ?、, 2E0 sin 7-90：, dt Eo 2二 fiNi m x2 = 4.44 右弘 m =4.44 fiNik〕o ,其中：::=2 ， -10 - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 -# - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 m = k 1 0 2、功角 將— 定義為功角。它表示發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢（空載電勢）和端電壓之間 相角差。功角對于研究電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重

18、要意義。 ’■為內(nèi)功率 因數(shù)角，其定義為空載電勢與負(fù)載電流之間的夾角。 如圖所示： -# - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 -# - 內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 圖I直接測■功角原理 Pnruof J !msHiirrnvLnt mst*r 7訂訕鏟 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在忽略電機(jī)電樞繞組電阻情況下，隱極發(fā)電機(jī)的有功功率 和無功功率可分別表示為 其中，U為發(fā)電機(jī)的端電壓，Eq為發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢，Xd為發(fā)電機(jī)的同步電抗， S為感應(yīng)電勢與端電壓間的相位夾角（稱為發(fā)電機(jī)的功率角或功角），p為有功功 率，Q為無功功率。當(dāng)感應(yīng)電勢和電壓恒定時(shí)，傳輸?shù)挠泄β适枪?S的正 弦函數(shù)。 3、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管） IGBT是以GTR功率晶體管）為主導(dǎo)元件，MOSFEE■電力場效應(yīng)晶體管）為驅(qū)動(dòng) 元件的復(fù)合管。 等效電路圖如下： S （源極） -11 -