變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)和基本原理

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1、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)在于風(fēng)輪以變速運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速；并網(wǎng)后在額定風(fēng)速以下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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(jī)獲取的能量，保證發(fā)電機(jī)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(diǎn)是可大范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)

2、能利用系數(shù)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(jī)產(chǎn)生的疲勞損壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動，延長機(jī)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(jī)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(jī)組，由于采用不同類型的發(fā)電機(jī)，并輔之相關(guān)的電力電子變流裝置，配合發(fā)電機(jī)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(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、繞線式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、同步發(fā)電

3、機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中，由雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，采用雙饋發(fā)電方式，突破了機(jī)電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運(yùn)行的傳統(tǒng)觀念，使原動機(jī)轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)輸出頻率限制，而發(fā)電機(jī)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(jī)電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接?；谥T多優(yōu)點(diǎn)，由雙饋發(fā)電機(jī)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(diǎn)和必然的發(fā)展趨勢。 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本原理 雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)定子相似，定子繞組由具有固定頻率的對

4、稱三相電源激勵。電機(jī)定轉(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(jī)的轉(zhuǎn)速由定轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差頻率確定。電機(jī)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(jī)的特性。 當(dāng)電機(jī)定子對稱三相繞組由頻率fl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finpi/60。轉(zhuǎn)子由原動機(jī)帶動以轉(zhuǎn)速A旋轉(zhuǎn)，而在轉(zhuǎn)子對稱三相繞組中施以頻率為sfi（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F2相對于轉(zhuǎn)子而言以轉(zhuǎn)差速度sni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3）,該電勢與外加至定子繞組中的電源電

5、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Fi同樣以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。定轉(zhuǎn)子磁勢相對靜止，在氣隙中形成合成磁勢Fm,該磁勢在氣隙中產(chǎn)生合成磁場m,分 別與定轉(zhuǎn)子繞組交鏈，在繞組中分別感應(yīng)電勢Ei、E2（頻率為sfi）。 實(shí)質(zhì)上，雙饋電機(jī)與普通異步電機(jī)的工作原理是一致的。二者的區(qū)別在于普通異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的頻率取決于電機(jī)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(jī)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(jī)既具有異步電機(jī)的工作原理，又具有同步電機(jī)的工作特性，是一種具有同步特性的特殊的異步

6、電機(jī)。 雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，它均勻分布在電機(jī)圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對稱分布?，F(xiàn)作如下假定：（i）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(jī)慣例定義，轉(zhuǎn)子方正方向按電動機(jī)慣例定 義。與分析感應(yīng)電機(jī)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： ViEiIi（rijXi） V2r2 -E2I2（-jX2）ss I2I1Im EiE2 EijImXm 式

7、中，Vi為定子電壓，Ii為定子電流，ri為定子電阻，Xi為定子漏抗，V2為折算后的轉(zhuǎn)子電壓，I2為折算后的轉(zhuǎn)子電流，「2為折算后的轉(zhuǎn)子電阻，X2為折算后的轉(zhuǎn)子漏抗，Im為激磁電流，rm為激磁電阻，Xm為激磁電抗，S為轉(zhuǎn)差率，E1、E2為感應(yīng)電勢。另外，由于rmXm,故忽略rmo 對于發(fā)電機(jī)，若軸上/&入的機(jī)械功率為Pm,根據(jù)能量守恒原理，有： sPemPem 于是 Pm (i s)Pem 2 2 Xm V2 3(i s)^(— D s2 「i V：上） s 3(i s) ViV2Xm sD r2 , [cos (—(Xi Xm) ri(X2 Xm))] s

8、ViV2Xm 3(i s) i 2 m[sin sD (rir2 s XiX2 Xm(Xi X2))] 則電磁轉(zhuǎn)矩可表小為: Tem PemPm Tm i 式中， 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度, i(i s)0 由機(jī)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: TemTiT2T3 式中, T1 V22 2X 3— ”「i 1 Ds X2))] V1V2xmr2r1r2, 3———[cos(—(x1Xm)r1(X2Xm))]sin(——X1X2Xm(X1 1sDss 可見，T1為一感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)s一定時，「由定子電壓的幅值

9、大小確定。0s1 時，T10為拖動轉(zhuǎn)矩；s0時，T10為制動轉(zhuǎn)矩，也就是說其"^矩性質(zhì)視s的 正負(fù)而定。T2包為制動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)s一定時，T2由轉(zhuǎn)子電源電壓的幅值大小確定。 T3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(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩不但與轉(zhuǎn)差率s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(jī)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sE20（E2sE20,E20為轉(zhuǎn)子靜止時，轉(zhuǎn)子開路感應(yīng)電勢），另一

10、個是轉(zhuǎn)子繞組外加電壓V2。因此，不妨換個角度，從電機(jī)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V2與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢sE20之間的夾角為 V1 Zm 乙 Zm I1 ,定轉(zhuǎn)子方功率因數(shù)角分別為1和2,則由等值電路可得： V乙Z2 V2s[(ZmZ2)-L(Z1Z2f)I1]ZmZm 運(yùn)E2 s Z2 V2 j( 2) sE20 j 2 有, 百e 將上式用Eule公式展開后取實(shí)部和虛部，并分別定義轉(zhuǎn)子電流的有功分量為 I2p、無功分量為I2q,則有: E20 V2 12P ——[ cos( 2) SCOS 2] p Z2 SE20 I

11、2q -E20-[-V^sin( 2) ssin 2] Z2 SE20 若將雙饋電機(jī)看作特殊的異步電機(jī)， 饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： Tem kE20 12P 式中，Zi ri jxi , Z2 r2 jx2 , Zm s （1） （2） 則由異步電機(jī)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式，可得雙 jX m , k為由電機(jī)參數(shù)所決定的常數(shù)。 上式表明，交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)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以控制雙饋發(fā)電機(jī)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(jī)定子端口的無功功率。 當(dāng)0S1時，電機(jī)次同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)差功率為sRm0,表示電磁

12、功率一部 分由轉(zhuǎn)子方電源提供，此時原動機(jī)提供的機(jī)械功率為（1S）Pem；當(dāng)S0時，電 機(jī)超同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)差功率為SRm0,表示轉(zhuǎn)子方電源吸收由電機(jī)氣隙回饋的一部分電磁功率，此時原動機(jī)提供的機(jī)械功率為（1|s）Rm,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(jī)承擔(dān)。 式（1）與式（2）表明，獨(dú)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(jī)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

13、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（0s1）,轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量可以為正值，電機(jī)次同步運(yùn)行，定子發(fā)出有功功率；當(dāng)轉(zhuǎn)差率為負(fù)值時（s0）,轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量可以為負(fù)值，電機(jī)超同步運(yùn)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(jī)的控制規(guī)律看作轉(zhuǎn)差率 S、轉(zhuǎn)子勵磁電源電壓V2（包括其幅值、相位和頻率）以及V1與V2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(jī)運(yùn)行性能。因此， 若要使電機(jī)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)行部件，屬于典型的分布式發(fā)電系 統(tǒng)。因

14、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(yùn)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,2003 [2] 陳雷.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展趨勢.可再生能源,2003,107(1):27~3 [3] 秦曉平等.感應(yīng)電動機(jī)的雙饋和串級調(diào)速.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990 [4] 葉啟明.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn).華中電力,2002,15(2):67~68 [5] 黃順禮,魏曉玲,黃春陽.《第五次全國電機(jī)學(xué)術(shù)討論會論文集》述評.電機(jī)技術(shù),2000, 2:54~55 [6] 劉其輝.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2005． [7] 戴赟,王志新.變速恒頻風(fēng)力機(jī)槳葉電液比例控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電一體化,2006,12(1):16 —20 [J]. 昆明理工 [8] 樂斌,王志新.兆瓦級雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器調(diào)制方法分析與仿真研究 大學(xué)學(xué)報,2006,31(4B):21—25