雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組VIP

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一 前言風(fēng)力發(fā)電作為清潔、豐富、可再生能源，日益受到全世界廣泛重視，特別是在近年得到了迅猛發(fā)展。當(dāng)風(fēng)流過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片，帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)又拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。采用雙饋繞線(xiàn)型異步發(fā)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)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)：風(fēng)能利用系數(shù)高，不但能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)且避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭矩和應(yīng)力，還可以自由調(diào)整有功和無(wú)功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和電壓的方便調(diào)節(jié)等。目前，雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。二 雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成變速恒頻VSCF(Variable Speed Constant Frequency)雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速齒輪箱、雙饋繞線(xiàn)型異步發(fā)電機(jī)DFIG(Doubly-fed Induction Generator)、雙向變頻器和控制單元等組成。雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接“交交”、“交直交”或“矩陣式”雙向變頻器，該變頻器可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制?？刂葡到y(tǒng)采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)和絕緣柵雙極晶體管控制技術(shù)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，可四象限運(yùn)行，變速運(yùn)行范圍一般在同步轉(zhuǎn)速的35 %左右。三 實(shí)現(xiàn)變速恒頻的兩種基本方式 實(shí)現(xiàn)變速恒頻的基本方式一般有兩種：一種是采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī)(以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)，另一種是采用交流勵(lì)磁的同步化雙饋繞線(xiàn)型異步發(fā)電機(jī)。 當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī)(以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)時(shí)，變頻器設(shè)置在發(fā)電機(jī)定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻交流電，經(jīng)整流和逆變，最終轉(zhuǎn)換成恒頻電源再并網(wǎng)發(fā)電，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(永磁半直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)須在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加增速齒輪箱)：圖1 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)由于采用同步電機(jī)，控制回路少，控制比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，維護(hù)費(fèi)用低；(2)省去了增速用齒輪箱或僅需一級(jí)低速齒輪箱；(3)永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)需集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，維護(hù)更加方便。其主要缺點(diǎn)如下：(1)需要對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的全部功率進(jìn)行變頻控制，故需配備全功率變頻器，變頻器成本較高，控制系統(tǒng)體積龐大；(2)永磁發(fā)電機(jī)使用高導(dǎo)磁率的釹鐵硼和釤鈷等，這些磁性材料價(jià)格很高；(3)永磁發(fā)電機(jī)功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償；(4)要求永磁材料具有很高的穩(wěn)定性，而高溫以及電樞反應(yīng)等原因可能導(dǎo)致永磁材料失磁。 當(dāng)系統(tǒng)采用交流勵(lì)磁的同步化雙饋繞線(xiàn)型異步發(fā)電機(jī)時(shí)，變頻器設(shè)置在轉(zhuǎn)子側(cè)，變速恒頻雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2： 圖2 變速恒頻雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用雙饋繞線(xiàn)型異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)因變頻器僅需對(duì)轉(zhuǎn)子功率進(jìn)行變頻控制，而轉(zhuǎn)子功率約為總功率的20 %30 %，故變頻器功率小，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統(tǒng)體積小；(2)變頻控制靈活，具有良好的調(diào)節(jié)特性：通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序，可以較為方便、平滑地控制發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功、功率因數(shù)等，使其具有良好的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制；(3)良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力：在定子電源頻率一定時(shí)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速既可高于同步轉(zhuǎn)速，也可低于同步轉(zhuǎn)速，有利于系統(tǒng)最大限度捕獲風(fēng)能。其主要缺點(diǎn)如下：(1)需要采用雙向變頻器，變速恒頻控制回路多，控制技術(shù)復(fù)雜，維護(hù)成本高；(2)發(fā)電機(jī)需安裝集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，且須定期維護(hù)、檢修或更換。四 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻控制的基本原理 VSCF風(fēng)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)恼{(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(guò)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(lèi)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，下面給出這種系統(tǒng)的原理框圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)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(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度（n2）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（n1），即 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。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，即式中 f1、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(duì)數(shù)。因定子與電網(wǎng)相連，故定子頻率即為電網(wǎng)頻率；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)節(jié)f2相應(yīng)變化，可使f1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)的變速恒頻（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(hào)；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(hào)；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。五 雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子功率流向 對(duì)于雙饋繞線(xiàn)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在忽略定子和轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗等各種損耗，且定子取發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子取電動(dòng)機(jī)慣例情況下：Pem1Pem2PmechPem1發(fā)電機(jī)定子電磁功率Pem2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁功率Pmech發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸入的總機(jī)械功率發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2=sPem1轉(zhuǎn)差率s(nN-n)/nN nN發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速由于Pmech=Pem1-Pem2=(1-s)Pem1，可見(jiàn)當(dāng)0s0，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸入的總機(jī)械功率PmechPem1，這說(shuō)明定子電磁功率分別由轉(zhuǎn)子和風(fēng)力機(jī)提供，此時(shí)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收功率。s=0，f2=0時(shí)，變頻器將向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)該異步發(fā)電機(jī)作為同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速nN 。而當(dāng)s0，即發(fā)電機(jī)高于同步轉(zhuǎn)速(超同步轉(zhuǎn)速)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2Pem1，這說(shuō)明轉(zhuǎn)子從風(fēng)力機(jī)吸收一個(gè)轉(zhuǎn)差功率sPem1回饋電網(wǎng)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)供給發(fā)電機(jī)的總功率增加至(1+|s|)Pem1。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向如圖3所示： 亞同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行 超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向圖通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子頻率、轉(zhuǎn)子電壓幅值以及定、轉(zhuǎn)子電壓的相位角，可以平滑地調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率和功率因數(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)變頻器等使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率流向具有如下特點(diǎn)：(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓較小時(shí)發(fā)電機(jī)欠勵(lì)，定子從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功功率；當(dāng)勵(lì)磁電壓增加到某值時(shí)，定子側(cè)無(wú)功功率為零，此時(shí)發(fā)電機(jī)所需的無(wú)功功率全部由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)供給；當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓較大時(shí)發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)，定子從電網(wǎng)吸收容性無(wú)功功率。(2)當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電壓的相位角和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)差率較大時(shí)發(fā)電