變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的淺談

1、精品好資料學(xué)習(xí)推薦變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的淺談?wù)?要:分析了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理,給出了變速恒頻技術(shù)在發(fā)電機(jī)組中實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行的不同方式。通過比較變速工作時(shí)的定轉(zhuǎn)子狀態(tài),采用控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小來實(shí)現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機(jī)輸出端電壓穩(wěn)定。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù),總結(jié)了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的若干優(yōu)勢。關(guān)鍵詞: 變速恒頻;雙饋;發(fā)電機(jī)中國分類號:TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AVariable speed constant frequency doubly-fed wind power generatorAbstract：Analysis of the variable speed constant

2、 frequency doubly-fed wind power generator structure and working principle of variable speed constant frequency technology is given in the generating set for variable speed operation in different ways3 / 31 變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)采用雙饋發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一種主流技術(shù)，雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似繞線型感應(yīng)電機(jī)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺頻率、電壓可調(diào)的低頻電源供給三相低頻勵磁電流。1.

3、1 VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可以饋送能量，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是通過變頻器接入的，低頻電流起到了勵磁作用, 因此又稱為交流勵磁發(fā)電機(jī)，還有些文獻(xiàn)稱之為可變速發(fā)電機(jī)、變速恒頻發(fā)電機(jī)或異步化同步發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：定子與一般三相交流發(fā)電機(jī)定子一樣，轉(zhuǎn)子采用三相交流繞組。正常工作時(shí)，定子繞組并入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一個頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)的不同類型的循環(huán)變流器作為三相變頻電源供電，轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)通常采用交-交/ 交-直-交變頻電源供電。雙饋異步發(fā)電機(jī)組成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原動機(jī)為風(fēng)輪和風(fēng)輪傳動系統(tǒng)。由于風(fēng)速的特殊性( 隨機(jī)性、時(shí)變性

4、等)，使得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)區(qū)別于一般的雙饋電機(jī)控制。基于變速恒頻控制技術(shù)的交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、增速器、交流勵磁發(fā)電機(jī)、勵磁、控制檢測等系統(tǒng)組成。圖1 變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2 VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理雙饋異步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的關(guān)系,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下 (1) (2) (3)式中、n、分別為定子電流磁場旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子電流磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，、 分別為定、轉(zhuǎn)子電流頻率,，p為發(fā)電機(jī)極對數(shù)，s為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率5。 由式(1)可知, 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí), 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率，可使保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)雙

5、饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。當(dāng)n n1 時(shí)，電機(jī)處于超同步速運(yùn)行狀態(tài),轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋出電能，式(1)、式(2)、式(3) 均取負(fù)號；當(dāng)n=n1 時(shí)，f2= 0，勵磁電源向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時(shí)電機(jī)作為普通隱極式同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，VSCF 系統(tǒng)工作過程有：(1)當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速降低，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也降低，轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速將低于異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns，定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率低于(50Hz),與此同時(shí)轉(zhuǎn)速測量裝置立即將轉(zhuǎn)速降低的信息反饋到控制轉(zhuǎn)子電流頻率的電路，使轉(zhuǎn)子電流的頻率增高，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又回升到同步轉(zhuǎn)

6、速ns，這樣定子繞組感應(yīng)電勢的頻率又恢復(fù)到額定頻率(50Hz) .(2)當(dāng)風(fēng)速增高時(shí)，風(fēng)力機(jī)及異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，異步發(fā)電機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢的頻率將高于同步轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率f1 (50Hz) ，測速裝置會立即將轉(zhuǎn)速和頻率升高的信息反饋到控制轉(zhuǎn)子電流頻率的電路，使轉(zhuǎn)子電流的頻率降低,從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速回降至同步轉(zhuǎn)速ns，定子繞組的感應(yīng)電動勢頻率重新恢復(fù)到頻率(50Hz)。必須注意，當(dāng)超同步運(yùn)行時(shí), 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向應(yīng)與轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)向相反,因此當(dāng)超同步運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)能自動變換相序，以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向倒向。(3)當(dāng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí),此時(shí)轉(zhuǎn)子電流的頻率應(yīng)為0，即

7、轉(zhuǎn)子電流為直流電流，這與普通同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組內(nèi)通入直流電是相同的。實(shí)際上，在這種情況下雙饋異步發(fā)電機(jī)已經(jīng)和普通同步發(fā)電機(jī)一樣了。雙饋異步發(fā)電機(jī)輸出端電壓的控制是靠控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出端電壓降低，此信息由電壓檢測獲得，并反饋到控制轉(zhuǎn)子電流大小的電路，也即通過控制三相半控或全控整流橋的晶閘管導(dǎo)通角，使導(dǎo)通角增大，從而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流增加,定子繞組的感應(yīng)電動勢增高，發(fā)電機(jī)輸出端電壓恢復(fù)到額定電壓。反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載減小時(shí),發(fā)電機(jī)輸出端電壓升高，通過電壓檢測后獲得的反饋信息將使半控或全控整流橋的晶閘管的導(dǎo)通角減小，從而使轉(zhuǎn)子電流減小，定子繞組輸出端電壓

8、降回至額定電壓6。1.3 VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采用VSCF 技術(shù)，1. 5MW，4極(同步轉(zhuǎn)速1 500 r/ min) 雙饋異步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)功率/轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)行關(guān)系如圖2所示。由圖2可見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不論在亞同步運(yùn)行、超同步運(yùn)行，還是過負(fù)荷運(yùn)行過程，VSCF系統(tǒng)都要起到功率調(diào)節(jié)的作用。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和捕獲最大風(fēng)能的要求，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在不斷變化，而且經(jīng)常在同步轉(zhuǎn)速上下波動7，這就要求轉(zhuǎn)子交流勵磁電源有良好的變頻輸入輸出特性，具有能量的雙向流動能力，采用IGBT 器件構(gòu)成的PWM 整流-PWM 逆變形式的交-直-交靜止變頻器作為其勵磁電源圖2 1.5MW4極雙饋異步發(fā)電機(jī)功率/轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)行關(guān)系2

9、VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性通過對VSCF 雙饋異步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效果分析，VSCF 風(fēng)力發(fā)電機(jī)較傳統(tǒng)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有下列優(yōu)勢：(1)VSCF發(fā)電機(jī)有能力控制異步發(fā)電機(jī)的滑差在恰當(dāng)?shù)臄?shù)值范圍內(nèi)變化，因此可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片的槳距調(diào)節(jié)。(2)由于風(fēng)力機(jī)是變速運(yùn)行，其運(yùn)行速度能夠在一個較寬的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)到風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)化效率數(shù)值，使風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)Cp 值得到優(yōu)化，從而獲得較高的系統(tǒng)效率8。(3)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)低起伏的平滑的電功率輸出，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量，同時(shí)減小發(fā)電機(jī)溫度變化。(4)可以降低機(jī)組劇烈的轉(zhuǎn)矩起伏和噪聲水平，從而能夠減小所有部件的機(jī)械應(yīng)力。(5)可獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)

10、運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。3 總結(jié)能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題,對可再生能源的開發(fā)利用, 特別是對風(fēng)能的開發(fā)利用, 已受到世界各國的高度重視,現(xiàn)代兆瓦級以上的大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行的方式1,這種運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部件的機(jī)械負(fù)載及系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量。風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行時(shí), 與其連接的發(fā)電機(jī)也作變速運(yùn)行,因此必須采用在變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能發(fā)出的恒頻恒壓電能的發(fā)電機(jī),才能實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)連接2 將具有繞線轉(zhuǎn)子的雙饋異步發(fā)電機(jī)與應(yīng)用最新電力電子技術(shù)的IGBT變頻器及PWM控制技術(shù)結(jié)合起來,就能實(shí)現(xiàn)這一目的,也就是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。研究VSCF 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行數(shù)據(jù)和優(yōu)越性。建立在VSCF發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上的雙饋異步發(fā)電機(jī)確保發(fā)電機(jī)輸出功率恒頻、恒壓，VSCF是大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型的關(guān)鍵技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.2吳國祥.雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制策略J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(7):170.3代洪濤.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)研究J.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(6): 479-481.4