第四講-風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行

第四講

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行4.1同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4.2異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4.3變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4.4同步發(fā)電機(jī)交/直/交系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行4.4磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行4.5雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)概述風(fēng)能是一種不穩(wěn)定的能源，如果沒有儲(chǔ)能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電裝置本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出。解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定供電的辦法：——大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(1000kW以上)并網(wǎng)運(yùn)行；——中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(從幾十kW到幾百kW)或者并網(wǎng)運(yùn)行，或者與柴油發(fā)電機(jī)或其他發(fā)電裝置并聯(lián)互補(bǔ)運(yùn)行；——小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（10kW以下）主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行。在并網(wǎng)運(yùn)行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問題。風(fēng)電系統(tǒng)所采用的發(fā)電機(jī)類型不同，并網(wǎng)運(yùn)行方式和問題也不同。4.1同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路如圖1所示，包括風(fēng)力機(jī)、增速器，同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，斷路器等，發(fā)電機(jī)經(jīng)斷路器與電網(wǎng)相聯(lián)。（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)和并網(wǎng)過程風(fēng)向傳感器測(cè)出風(fēng)向并使偏航控制器動(dòng)作，使風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速超過切入風(fēng)速時(shí)，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)被風(fēng)力機(jī)帶到接近同步速時(shí)，投入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，向發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁，并調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使發(fā)電機(jī)的端電壓接近于電網(wǎng)電壓。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)被加速幾乎達(dá)到同步速時(shí)，發(fā)電機(jī)的電勢(shì)或端電壓的幅值將大致與電網(wǎng)電壓相同。它們的頻率之間的很小差別將使發(fā)電機(jī)的端電壓和電網(wǎng)電壓之間的相位差在0°和360°的范圍內(nèi)緩慢地變化，檢測(cè)出斷路器兩側(cè)的電位差，當(dāng)其為零或非常小時(shí)使斷路器合閘并網(wǎng)。合閘后由于有自整步作用，只要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以使發(fā)電機(jī)牽入同步，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)保持頻率完全相同。同步并網(wǎng)的一些特點(diǎn)并網(wǎng)過程通過微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)和操作。同步并網(wǎng)方式并網(wǎng)時(shí)瞬態(tài)電流小，因而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)受到的沖擊也小。對(duì)調(diào)速器的要求較高。要求風(fēng)力機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率的偏差達(dá)到容許值時(shí)方可并網(wǎng)，如果并網(wǎng)時(shí)刻控制不當(dāng)，則有可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，甚至并網(wǎng)失敗。控制系統(tǒng)費(fèi)用較高，對(duì)于小型風(fēng)電機(jī)組將會(huì)占其整個(gè)成本的一個(gè)相當(dāng)大的部分，由于這個(gè)原因，同步發(fā)電機(jī)一般用于較大型的風(fēng)電機(jī)組。同步并網(wǎng)條件同步并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)合閘前，為了避免電流沖擊和轉(zhuǎn)軸受到突然的扭矩，需要滿足一定的并網(wǎng)條件，這些條件是：①風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端電壓大小等于電網(wǎng)的電壓；②風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率相同；③并網(wǎng)合閘瞬間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的回路電勢(shì)為零；④風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同；⑤電壓的波形與電網(wǎng)電壓的波形相同。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)有固定的旋轉(zhuǎn)方向，只要使發(fā)電機(jī)的輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，即可保證第④個(gè)條件得到滿足。第⑤個(gè)條件在設(shè)備選型和制造時(shí)可得到保證。所以在并網(wǎng)過程中主要應(yīng)檢查和滿足前三個(gè)條件。風(fēng)電機(jī)輸出的電功率1要增加它的輸出電功率，就必須增加來自風(fēng)力機(jī)的輸入機(jī)械功率同步發(fā)電機(jī)的功角特性輸出功率增大，勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)，電機(jī)的功率角δ增大。同步發(fā)電機(jī)的功角特性（圖4-2）:——當(dāng)δ=90°，輸出功率達(dá)到最大值，sinδ=1,最大功率叫做失步功率(極限功率)。——δ＞90°，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率繼續(xù)增加，發(fā)電機(jī)輸出電功率下降，無法建立新的平衡點(diǎn)，電機(jī)加速而失去同步，——失步。如果一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定功率狀況，突然一陣劇烈的陣風(fēng)，有可能導(dǎo)致輸出功率超過發(fā)電機(jī)的極限功率。

——避免失步辦法：①設(shè)計(jì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子及控制系統(tǒng)使其具有快速槳距調(diào)節(jié)功能，能對(duì)風(fēng)速的急劇變化迅速作出反應(yīng)；

②短時(shí)間增加勵(lì)磁電流，功率極限跟著增大，靜態(tài)穩(wěn)定極限提高③選擇具有較大過載倍數(shù)的電機(jī)，最大功率比額定功率有較大的裕度。(3)無功功率調(diào)節(jié)無功功率平衡。電網(wǎng)的總負(fù)載中，除了需要有功功率，有的負(fù)載還需要無功功率，如異步電動(dòng)機(jī)和變壓器等都需要電感性的無功功率。整個(gè)電網(wǎng)要是無功功率發(fā)得不夠，就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓下降，這對(duì)用戶是很不利的。風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)不僅能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而且能向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)（調(diào)無功）。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)后，如果風(fēng)力機(jī)功率不變，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，就可以改變發(fā)電機(jī)輸出的無功功率。4．2異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行異步電機(jī)并網(wǎng)條件：①轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向應(yīng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向一致，即異步發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)和電網(wǎng)相序相同；②發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能接近同步速并網(wǎng)的第一個(gè)條件必須滿足，否則電機(jī)并網(wǎng)后將處于電磁制動(dòng)狀態(tài)，在接線時(shí)應(yīng)調(diào)整好相序。第二個(gè)條件不是非常嚴(yán)格，但愈是接近同步速并網(wǎng)，沖擊電流衰減的時(shí)間愈快。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法：①直接并網(wǎng)；②降壓并網(wǎng)；③軟起動(dòng)并網(wǎng)等方式。①直接并網(wǎng)直接并網(wǎng)過程：風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)條件時(shí)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)，異步發(fā)電機(jī)被帶到同步速附近(一般為98%~100%同步轉(zhuǎn)速)時(shí)合閘并網(wǎng)。特點(diǎn)：——對(duì)合閘時(shí)的轉(zhuǎn)速要求不是非常嚴(yán)格，并網(wǎng)比較簡(jiǎn)單?！捎诎l(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)本身無電壓，故并網(wǎng)時(shí)有一個(gè)過渡過程，流過5~6倍額定電流的沖擊電流，一般零點(diǎn)幾秒后即可轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。

——與大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，合閘瞬間的沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)及大電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行的影響不大。對(duì)小容量的電網(wǎng)系統(tǒng)，并聯(lián)瞬間會(huì)引起電網(wǎng)電壓大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊懙叫‰娋W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。

——只適用于異步發(fā)電機(jī)容量小于百千瓦以下，而電網(wǎng)容量較大的情況下。如我國(guó)早期引進(jìn)的55kW和后來國(guó)產(chǎn)的50kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都采用直接并網(wǎng)方式。③降壓并網(wǎng)并網(wǎng)過程：并網(wǎng)前，在異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達(dá)到降低并網(wǎng)瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。并網(wǎng)后，將電阻、電抗短接，避免耗能。適用于百千瓦以上的發(fā)電機(jī)組，我國(guó)引進(jìn)的200kW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是采用這種并網(wǎng)方式。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性較差。③軟起動(dòng)并網(wǎng)方式雙向晶閘管控制的軟起動(dòng)并網(wǎng)法，如圖4-3所示。并網(wǎng)過程:風(fēng)力機(jī)將發(fā)電機(jī)帶到同步速附近，發(fā)電機(jī)輸出端的斷路器D閉合，使發(fā)電機(jī)經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)聯(lián)接，雙向晶閘管觸發(fā)角由180°至0°逐漸打開，雙向晶閘管的導(dǎo)通角由0°至180°逐漸增大。通過電流反饋對(duì)雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，將沖擊電流限制1.5~2倍額定電流以內(nèi)，從而得到一個(gè)比較平滑的并網(wǎng)過程。瞬態(tài)過程結(jié)束后，微處理機(jī)發(fā)出信號(hào)，用一組開關(guān)K將雙向晶閘管短接，結(jié)束風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程，進(jìn)入正常的發(fā)電運(yùn)行。引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)的250、300、600kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都采用這種起動(dòng)方式。特點(diǎn):這種并網(wǎng)方式要求三相晶閘管性能一致，控制極觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流一致、全開通后壓降相同，才能保證晶閘管導(dǎo)通角在0°至180°同步逐漸增大，保證三相電流平衡，否則對(duì)發(fā)電機(jī)有不利影響。并網(wǎng)過程中，每相電流為正負(fù)半波對(duì)稱的非正弦波，含有較多奇次諧波，應(yīng)采取措施加以抑制和消除。（2）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率輸出異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)送出的功率及功率因數(shù)，取決于轉(zhuǎn)差率s、電網(wǎng)電壓U及電機(jī)參數(shù)R、X。并網(wǎng)后電機(jī)運(yùn)行在其轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率及轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速而增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，原先的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)A1沿其運(yùn)行特性曲線移至轉(zhuǎn)速較前稍高的一個(gè)新的平衡點(diǎn)A2，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)最大輸出功率（最大反轉(zhuǎn)矩）時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電功率（反轉(zhuǎn)矩）減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車。失速保護(hù)或限速機(jī)構(gòu)，保證風(fēng)速超過額定風(fēng)速或陣風(fēng)時(shí)，使風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率被限制在一個(gè)最大值范圍內(nèi)，保證發(fā)電機(jī)的輸出電功率不超過其最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的功率值。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出簡(jiǎn)化后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和數(shù)學(xué)模型電磁功率：滑差：異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角：無功功率與有功之間的關(guān)系：注意！異步發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓下降會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩成平方關(guān)系下降，因此如電網(wǎng)電壓嚴(yán)重下降也會(huì)引起轉(zhuǎn)子飛車；電網(wǎng)電壓上升過高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，并有可能造成電機(jī)過載運(yùn)行。對(duì)于小容量電網(wǎng)應(yīng)該配備可靠的過壓和欠壓保護(hù)裝置，另一方面要求選用過載能力強(qiáng)(最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩1.8倍以上)的發(fā)電機(jī)。（3）無功功率及其補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)需要落后的無功功率主要是為了勵(lì)磁的需要，另外也為了供應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率。一般中、大型感應(yīng)電機(jī)，勵(lì)磁電流約為額定電流的20%~25%，因而勵(lì)磁所需的無功功率就達(dá)到發(fā)電機(jī)容量的20%~25%，再加上第二項(xiàng)，總共所需的無功功率約為發(fā)電機(jī)容量的25%~30%。功率因數(shù)校正電容器（PFC）無功補(bǔ)償。接在電網(wǎng)上的異步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸取落后的無功功率，加重了電網(wǎng)上其他同步發(fā)電機(jī)提供無功功率的負(fù)擔(dān)，造成不利的影響。所以異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，通常要采用功率因數(shù)校正電容器（PFC）進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償。PFC可以根據(jù)風(fēng)機(jī)出力、電網(wǎng)電壓水平等進(jìn)行優(yōu)化分組投切。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備（如SVC、SMES等）補(bǔ)償，對(duì)改善風(fēng)電場(chǎng)的電壓水平和電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是很有效的。無功補(bǔ)償例丹麥Ｎ43/600ｋＷ異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為0.62～0.87。風(fēng)機(jī)具有在額定功率下的無功補(bǔ)償和在無負(fù)載時(shí)的無功補(bǔ)償2種能力，單機(jī)提供的無功為:200～300ｋｖａｒ，可根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行自動(dòng)分組投切，當(dāng)發(fā)電機(jī)滿載時(shí)，功率因數(shù)一般都能補(bǔ)償?shù)?.95以上，見表2。法國(guó)的無功補(bǔ)償方法4．3變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速變化并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP

保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率。因此，對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運(yùn)行之外，最重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)最大功率輸出控制。（1）同步發(fā)電機(jī)交/直/交系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行這種系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)：1)由于采用頻率變換裝置進(jìn)行輸出控制，并網(wǎng)時(shí)沒有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒有影響。2)因?yàn)椴捎媒?直/交轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機(jī)的工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的，風(fēng)輪機(jī)及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以變化，不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的失步問題。3)由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵(lì)式逆變器，雖然可以調(diào)節(jié)無功功率，但有高頻電流流向電網(wǎng)。4)在風(fēng)電系統(tǒng)中采用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調(diào)節(jié)輸出負(fù)荷可使風(fēng)電機(jī)組按最佳效率運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送最多的電能。反饋控制電路：1）功率檢測(cè)器。連續(xù)測(cè)出輸出功率，提供正比于實(shí)際功率的輸出信號(hào)。2）功率變化檢測(cè)器。對(duì)功率檢測(cè)器的輸出進(jìn)行采樣和儲(chǔ)存，和下一個(gè)采樣相比較。新的采樣小于先前的數(shù)值時(shí)，邏輯電路就改變狀態(tài)；新的采樣大于先前的數(shù)值，邏輯電路就保持原來的狀態(tài)。

3）控制電路。接受來自邏輯電路的信號(hào)并提供一個(gè)經(jīng)常變化的輸出信號(hào)，當(dāng)邏輯電路為某一狀態(tài)時(shí)輸出就增加，而為另一狀態(tài)時(shí)就減少。控制信號(hào)被用來觸發(fā)逆變器的晶閘管，從而控制輸送到電網(wǎng)的功率?？刂品桨傅奶攸c(diǎn)：它不僅要求風(fēng)力機(jī)功率輸出最大，而是要求整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)(包括風(fēng)力機(jī)、增速箱、發(fā)電機(jī)、整流器和逆變器)的總功率輸出達(dá)到最大#（2）磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行圖4-6示出采用磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一種控制方案。它的中心思想是測(cè)出風(fēng)速并用它來控制電功率輸出，從而使風(fēng)力機(jī)葉尖速度相對(duì)于風(fēng)速保持一個(gè)恒定的最佳速比。當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度與風(fēng)速的關(guān)系偏離了原先設(shè)定的最佳比值時(shí)則產(chǎn)生誤差信號(hào)，這個(gè)信號(hào)使磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁輸出，直至符合上述比值為止。圖中風(fēng)速傳感器測(cè)得的風(fēng)速信號(hào)通過一個(gè)濾波電路，目的是使控制系統(tǒng)僅對(duì)一段時(shí)間的平均風(fēng)速變化作出響應(yīng)而不反應(yīng)短時(shí)陣風(fēng)。磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位取決于勵(lì)磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速及位置無關(guān)，這種特點(diǎn)非常適合用于與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。以轉(zhuǎn)速為控制信號(hào)

的磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)

系統(tǒng)控制方案圖4-7示出另一種控制方案，其設(shè)計(jì)思想是以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)代替風(fēng)速信號(hào)。因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)在最佳運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比關(guān)系，故兩種信號(hào)具有等價(jià)性。以轉(zhuǎn)速信號(hào)的三次方作為系統(tǒng)的控制信號(hào)，而以電功率信號(hào)作為反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出功率隨轉(zhuǎn)速而變化，從簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)和提高可靠性出發(fā)，也可以采用勵(lì)磁電壓固定不變的開環(huán)系統(tǒng)。如果對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，也能得到接近最佳運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)果。4．4雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)包括一般類型和無刷雙饋電機(jī)，圖4-8是一般類型的原理圖。組成:繞線式異步電機(jī)本體、變頻器和控制環(huán)節(jié)。定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱，經(jīng)背靠背PWM雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連，向轉(zhuǎn)子提供頻率、相位、幅值可調(diào)的三相低頻勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度相加即等于定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角速度，在定子磁場(chǎng)中感應(yīng)得到對(duì)應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)1）風(fēng)力機(jī)起動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由循環(huán)變流器控制進(jìn)行電壓匹配、同步和相位控制，并網(wǎng)時(shí)基本上無電流沖擊。對(duì)于無初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力機(jī)（如達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)），風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下的起動(dòng)可由雙饋電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)工況來實(shí)現(xiàn)。2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)以最佳葉尖速比運(yùn)行，產(chǎn)生最大的電能輸出。3）雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)量有三個(gè)，即勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位。

調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流頻率，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力

改變勵(lì)磁電流幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出有功功率和無功功率的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在電機(jī)氣隙空間的位置有一個(gè)位移，從而改變了雙饋電機(jī)定子電勢(shì)與電網(wǎng)電壓向量的相對(duì)位置，也即改變了電機(jī)的功率角，所以調(diào)節(jié)勵(lì)磁不僅可以調(diào)節(jié)無功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。雙饋電機(jī)的控制方式雙饋發(fā)異步電機(jī)的特點(diǎn)在于可以最大限度的利用風(fēng)能或者改善電網(wǎng)功率因數(shù)。雙饋電機(jī)的控制方式有兩種：(1)速度控制方式：在電機(jī)輸出有功功率和無功功率可變的情況下，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的幅值和相位使電機(jī)轉(zhuǎn)速等于給定值，該方式以最大限度的利用風(fēng)能為目的；(2)功率控制方式：在電機(jī)轉(zhuǎn)速可變情況下，以電機(jī)輸出的有功功率和無功功率為控制對(duì)象，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的幅值和相位使電機(jī)的輸出有功功率和無功功率為定值，該方式以改善電網(wǎng)功率因數(shù)和穩(wěn)定電網(wǎng)電壓為目的。最大限度利用風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)能利用系數(shù)Cp這個(gè)重要的參數(shù)，它反映了風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力。在一定風(fēng)速下，Cp值越高，風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率越高。風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ的關(guān)系：在葉尖速比為某一特定值λm時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值。葉尖速比λ定義為風(fēng)輪葉片末端旋轉(zhuǎn)線速度與風(fēng)速之比。恒速風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪角速度ω幾乎不變，而風(fēng)速是不斷變化的，這樣λ的值就會(huì)不斷變化，不會(huì)一直維持在λm處，風(fēng)力沒有得到充分的吸收利用。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，風(fēng)輪機(jī)角速度ω正比于風(fēng)速變化，使風(fēng)力機(jī)始終以最佳葉尖速比運(yùn)行，產(chǎn)生最大的電能輸出，最大限度利用風(fēng)能。最大限度利用風(fēng)能改善電網(wǎng)功率因數(shù)改善電網(wǎng)功率因數(shù)。交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)相同，但是轉(zhuǎn)子繞組有滑環(huán)和電阻，與繞線式異步電機(jī)不同，這樣轉(zhuǎn)子側(cè)也可以輸入、輸出電能。當(dāng)采用交流勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁頻率有關(guān)，雙饋電機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系不同于異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)，但它卻同時(shí)具有二者的某些特點(diǎn)。雙饋電機(jī)定子繞組并入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接一個(gè)頻率、幅值、相位可調(diào)的三相變頻電源，當(dāng)它穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間中應(yīng)保持相對(duì)靜止，當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間以ωs的速度運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為：上式說明，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角頻率與滑差成正比，若交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度低于同步速，那么轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方