現(xiàn)代變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上現(xiàn)代變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)距（風輪轉(zhuǎn)動質(zhì)量），通過主軸傳動鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后，通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并人電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)饋電。用于變速恒頻一步雙饋風力發(fā)電機組，定轉(zhuǎn)子都是線圈，簡單說轉(zhuǎn)子有電流后產(chǎn)生的磁場切割定子線圈，定子就發(fā)電了，轉(zhuǎn)子是直流時，相當于永磁發(fā)電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過快的話，就給轉(zhuǎn)子反向的交流電使實際的旋轉(zhuǎn)磁場低于轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速，達到變頻，轉(zhuǎn)子過慢的話，就給轉(zhuǎn)子正向交流電，使旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速大于實際機械轉(zhuǎn)速，達到變頻目的，通過以上方案，定子側(cè)就能實

2、現(xiàn)發(fā)電的恒頻。在風力發(fā)電機組中多選用繞線轉(zhuǎn)子感應異步發(fā)電機，這種發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機相似，由繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機和在轉(zhuǎn)子電路上帶交流勵磁器組成，定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)導入，這種帶滑環(huán)的雙饋式電機被稱之為有刷雙饋發(fā)電機。雙饋式電機的定子接入電網(wǎng)，通過PWM(脈寬調(diào)制)AC-DC-AC變頻器向發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流，為了獲得較好的輸出電壓電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的1/3。其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%，通常只需配置一臺1/4功率的變頻器。其原理圖如圖1所示。雙饋式異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉(zhuǎn)

3、子輸出的功率。風力機的機械速度是允許隨著風速而變化的。通過對發(fā)電機的控制使風力機運行在最佳葉尖速比，從而使整個運行速度的范圍內(nèi)均有最佳功率系數(shù)。雙饋式異步發(fā)電機的變速運行是建立在異步電機基礎上的，眾所周知異步電機既可作為電動機運行，也可作為發(fā)電機運行。我們將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速ns的差值定義為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比的百分值定義為轉(zhuǎn)差率。在作電動機運行時，異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只能是略低于同步轉(zhuǎn)速，此時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)差率0。而作發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)速總是略高于同步轉(zhuǎn)速，其電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)差率0，發(fā)電機的功率隨該負轉(zhuǎn)差率絕對值的增大而提高。當雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組通過三相低

4、頻電流時，在轉(zhuǎn)子中會形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速，從而在發(fā)電機定子繞組中感應出相應于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。當風速變化時，轉(zhuǎn)速隨之而變化，相應地改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度，就會使定子輸出頻率保持 恒定。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于亞同步速運行，為了保證發(fā)電機發(fā)出的頻率與電網(wǎng)頻率一致，需要變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供正相序勵磁，給 轉(zhuǎn)子繞組輸入一個其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械方向相同的勵磁電流，此時，轉(zhuǎn)子的制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)子的電流必須與轉(zhuǎn)子的感應反電動勢反方向， 轉(zhuǎn)差率減小，定子向電網(wǎng)饋送電功率，而變頻器向

5、轉(zhuǎn)子繞組輸入功率；當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于超同步速運行，為了保證發(fā)電機發(fā)出 的頻率與電網(wǎng)頻率一致，需要給轉(zhuǎn)子繞組輸入一個其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械方向相反的勵磁電流，此時變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供負相序勵磁，以加大轉(zhuǎn)差率，變頻 器從轉(zhuǎn)子繞組吸收功率；當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速等于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于同步速運行，變頻器應向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時，轉(zhuǎn)子的制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的機械 轉(zhuǎn)向相反，與轉(zhuǎn)子感生電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩同方向，定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋送電功率。綜上可知，在變速恒頻風力發(fā)電中，由于風能的不穩(wěn)定性和捕獲最大風能的要求，發(fā)電機轉(zhuǎn)速在不斷的變化，而且經(jīng)常在同步速上、下波動，這就要求轉(zhuǎn)

6、子交流勵磁 電源不僅要有良好的變頻輸入、輸出特性，而且要有能量雙向流動的能力。在目前電力電子技術(shù)條件下，可采用IGBT器件(絕緣柵雙極晶體管)構(gòu)成的PWM整 流PWM逆變型式的AC-DC-AC變頻器作為其勵磁電源。為了實現(xiàn)風力機組的最大能量的追蹤和捕獲，滿足電網(wǎng)對輸入電力的要求，風力發(fā)電機必須變速恒頻運行；為了控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速和輸出的功率因數(shù)，必須對發(fā)電機有 功功率、無功功率進行解耦控制。這一過程是采用磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，通過對用于勵磁的PWM變頻器各分量電壓、電流的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率、相序，確保電發(fā)電機輸出功率恒壓。同時采用矢量換控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電機有功功率、無功功率

7、的獨立調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)有功功率可調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)最大風能捕獲追蹤控制；調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風電機組及所并電網(wǎng)系統(tǒng)的動、靜態(tài)動行穩(wěn)定性。根據(jù)雙饋式異步發(fā)電機數(shù)學模型和發(fā)電機的功率方程可知：有功功率、無功功率分別與定子電流在m、t軸上的分量成正比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量可分別獨立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。根據(jù)雙饋式異步發(fā)電機數(shù)學模型和交流電機矢量變換控制原理，可設計出交流勵磁變速恒頻發(fā)電機定子磁鏈定向的矢量變換抑制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。整個控制系統(tǒng)可分為三個單元，它們分別接受風速和轉(zhuǎn)速信號，有功功率指令和無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信

8、號送至勵磁控制裝置，改變勵磁電流的大小，頻率和相位滿足系統(tǒng)控制的需要。其中有功功率指令和無功功率指令的產(chǎn)生步驟是：分別設定有功功率和無功功率的參考值，并與轉(zhuǎn)子電流反饋量比較或獲得轉(zhuǎn)子電壓指令，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換就得到發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓控制量。現(xiàn)有的雙饋式異步發(fā)電機發(fā)出的電能都是經(jīng)變壓器升 壓后直接與電網(wǎng)并聯(lián)，加之在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中采用了電力電子裝置，會產(chǎn)生電力諧波。同時發(fā)電機在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功功 率，使功率因數(shù)惡化，加重了電網(wǎng)的負擔。因此必須進行無功補償，提高功率因數(shù)，通常都是在風電場母線集中處安裝電容器組。但這種補償方式受電容器的級數(shù)和 容量等的制約，無法實現(xiàn)最佳補

9、償狀態(tài)。目前，一種基于電力電子逆變技術(shù)的無功補償裝置靜止同步補償器很有可能將取代傳統(tǒng)的電容器補償方式。當風力發(fā)生變化發(fā)電機組突然切出時會對電網(wǎng)的沖擊較大。另外有刷雙饋發(fā)電機存在滑環(huán)和變速箱的問題，運行可靠性差，需要經(jīng)常維護，其維護保養(yǎng)費用遠高于無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機，并且這種結(jié)構(gòu)不適合運行在環(huán)境比較惡劣的風力發(fā)電系統(tǒng)中。雙饋式電機的定子接入電網(wǎng)，通過變頻器向發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流雙饋式異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉(zhuǎn)子輸出的功率當雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中會形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于亞同步速運行，為了保證發(fā)電機發(fā)出的頻率與電網(wǎng)頻率一致，需要變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供正相序勵磁，給 轉(zhuǎn)子繞組輸入一個其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械方向相同的勵磁電流，轉(zhuǎn)差率減小，定子向電網(wǎng)饋送電功率，而變頻器向轉(zhuǎn)子繞組輸入功率；當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于超同步速運行，需要給轉(zhuǎn)子繞組輸入一個其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械方向相反的