雙饋風(fēng)力發(fā)電機組

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組一 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)流過風(fēng)力機葉片，帶動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動時，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，風(fēng)力機又拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機向電網(wǎng)供電，機械能轉(zhuǎn)化為電能。采用雙饋繞線型異步發(fā)電機的變速恒頻風(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：風(fēng)能利用系數(shù)高，不但能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動且避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，還可以自由調(diào)整有功和無功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，可實現(xiàn)對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)雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機、增速齒輪箱、雙饋繞線型異步發(fā)電機DFIG(Doubly-fed Induction Generator)、雙向變頻器和控制單元等組成。雙饋發(fā)電機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，該變頻器可實現(xiàn)對轉(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)，可四象限運行，變速運行范圍一般在同步轉(zhuǎn)速的35 %左右。三 實現(xiàn)變速恒頻的兩種基本方式 實現(xiàn)變速恒頻的基本方式一般有兩種：一種是采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(以及籠型異步發(fā)電機等)，另一種是采用交流勵磁的同步化雙饋繞線型異步發(fā)電機。 當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(以及籠型異步發(fā)電機等)時，變頻器設(shè)置在發(fā)電機定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機發(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)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(永磁半直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)須在風(fēng)力機和發(fā)電機之間增加增速齒輪箱)：圖1 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，有如下主要優(yōu)點：(1)由于采用同步電機，控制回路少，控制比較簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，維護費用低；(2)省去了增速用齒輪箱或僅需一級低速齒輪箱；(3)永磁同步發(fā)電機無需集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，維護更加方便。其主要缺點如下：(1)需要對發(fā)電機輸出的全部功率進行變頻控制，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)電機使用高導(dǎo)磁率的釹鐵硼和釤鈷等，這些磁性材料價格很高；(3)永磁發(fā)電機功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來進行補償；(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)采用交流勵磁的同步化雙饋繞線型異步發(fā)電機時，變頻器設(shè)置在轉(zhuǎn)子側(cè)，變速恒頻雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2： 圖2 變速恒頻雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用雙饋繞線型異步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有如下主要優(yōu)點：(1)因變頻器僅需對轉(zhuǎn)子功率進行變頻控制，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??；(2)變頻控制靈活，具有良好的調(diào)節(jié)特性：通過調(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)電機有功、無功、功率因數(shù)等，使其具有良好的動態(tài)和暫態(tài)特性，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制；(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，通過改變轉(zhuǎn)子勵磁頻率就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，發(fā)電機的運行轉(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，維護成本高；(2)發(fā)電機需安裝集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，且須定期維護、檢修或更換。四 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機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、增速箱、雙饋發(fā)電機、雙向變頻器和控制器組成。雙饋發(fā)電機可在不同的轉(zhuǎn)速下運行，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使風(fēng)力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機的負載和轉(zhuǎn)速變化時，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)電機的功率因數(shù)。 雙饋異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)類似繞組感應(yīng)發(fā)電機，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（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)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度（n2）與轉(zhuǎn)子的機械轉(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)電機的轉(zhuǎn)速和極對數(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，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，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，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻（VSCF）控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于亞同步速運行時，式(1)取正號；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于超同步速運行時，式(1)取負號；同步速運行時，f2=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流。五 雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子功率流向 對于雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機，在忽略定子和轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗等各種損耗，且定子取發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子取電動機慣例情況下：Pem1Pem2PmechPem1發(fā)電機定子電磁功率Pem2發(fā)電機轉(zhuǎn)子電磁功率Pmech發(fā)電機轉(zhuǎn)軸輸入的總機械功率發(fā)電機轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2=sPem1轉(zhuǎn)差率s(nN-n)/nN nN發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速n發(fā)電機實際運行轉(zhuǎn)速由于Pmech=Pem1-Pem2=(1-s)Pem1，可見當(dāng)0s0，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸輸入的總機械功率PmechPem1，這說明定子電磁功率分別由轉(zhuǎn)子和風(fēng)力機提供，此時轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收功率。s=0，f2=0時，變頻器將向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時該異步發(fā)電機作為同步發(fā)電機狀態(tài)運行在同步轉(zhuǎn)速nN 。而當(dāng)s0，即發(fā)電機高于同步轉(zhuǎn)速(超同步轉(zhuǎn)速)運行時，轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2Pem1，這說明轉(zhuǎn)子從風(fēng)力機吸收一個轉(zhuǎn)差功率sPem1回饋電網(wǎng)，此時風(fēng)力機供給發(fā)電機的總功率增加至(1+|s|)Pem1。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的功率流向如圖3所示： 亞同步轉(zhuǎn)速運行 超同步轉(zhuǎn)速運行圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的功率流向圖通過調(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)電機的無功功率和功率因數(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機變槳距控制系統(tǒng)以及發(fā)電機變頻器等使發(fā)電機運行在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的無功功率流向具有如下特點：(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電壓較小時發(fā)電機欠勵，定子從電網(wǎng)吸收感性無功功率；當(dāng)勵磁電壓增加到某值時，定子側(cè)無功功率為零，此時發(fā)電機所需的無功功率全部由轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)供給；當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電壓較大時發(fā)電機過勵，定子從電網(wǎng)吸收容性無功功率。(2)當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電壓的相位角和轉(zhuǎn)子勵磁電壓保持不變時，轉(zhuǎn)差率較大時發(fā)電