变速恒频双馈风力发电机的主要优点和基本原理

变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究变速恒频发电技术变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。变速恒频双馈风力发电机基本原理双馈电机的结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特性。当电机定子对称三相绕组由频率1f的电网供电时，气隙中基波旋转磁场的同步转速为1n，满足60/11nnfp。转子由原动机带动以转速rn旋转，而在转子对称三相绕组中施以频率为1sf（s为转差率）的变频电源，在转子中产生三相对称电流，它们产生的基波旋转磁势2F相对于转子而言以转差速度1sn旋转，相对于定子以同步转速旋转。转子磁势在气隙中建立的基波旋转磁场，在定子绕组中产生感应电势（频率为1f），该电势与外加至定子绕组中的电源电压共同作用形成三相对称电流，由此产生的定子基波磁势1F同样以同步转速旋转。定转子磁势相对静止，在气隙中形成合成磁势mF，该磁势在气隙中产生合成磁场m，分别与定转子绕组交链，在绕组中分别感应电势1E、2E（频率为1sf）。实质上，双馈电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的区别在于普通异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，由转子短路条感应电势的频率决定，与转差率有关，转子电流本身的频率不能自主地、人为地调整。而双馈电机转子绕组的频率由外加交流励磁电源供电，其频率可以随之变化调节。因此，双馈电机既具有异步电机的工作原理，又具有同步电机的工作特性，是一种具有同步特性的特殊的异步电机。双馈电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定：(1)只考虑定转子电流的基波分量，忽略谐波分量。(2)只考虑定转子空间磁势基波分量。(3)忽略磁滞、涡流损耗和铁耗。(4)变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源，不计其阻抗与损耗。定子方正方向按发电机惯例定义，转子方正方向按电动机惯例定义。与分析感应电机的方法类似，根据磁势与电势平衡原则，将转子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如下：mmmxIjEEEIIIjxsrIEsVjxrIEV121122222211111)()(式中，1V为定子电压，1I为定子电流，1r为定子电阻，1x为定子漏抗，2V为折算后的转子电压，2I为折算后的转子电流，2r为折算后的转子电阻，2x为折算后的转子漏抗，mI为激磁电流，mr为激磁电阻，mx为激磁电抗，s为转差率，1E、2E为感应电势。另外，由于mmxr，故忽略mr。对于发电机，若轴上输入的机械功率为mP，根据能量守恒原理，有：ememmPsPP于是emmPsP)1())](([sin)1(3))]()(([cos)1(3)()1(32121212121122122112222xxxxxsrrsDxVVsxxrxxsrsDxVVssrVrsVDxsPmmmmmmm则电磁转矩可表示为：mmememPTPT1式中，为转子机械角速度，)1(1s。由机械功率表达式可导出电磁转矩表达式，它由三个分量组成，即：321TTTTem式中，srVDxTm221121312221223rsVDxTm))]((sin))]()(([cos321212121121213xxxxxsrrxxrxxsrsDxVVTmmmm可见，1T为一感应转矩。当s一定时，1T由定子电压的幅值大小确定。10s时，01T为拖动转矩；0s时，01T为制动转矩，也就是说其转矩性质视s的正负而定。2T恒为制动转矩。当s一定时，2T由转子电源电压的幅值大小确定。3T是由定转子磁场相互作用产生的，可看作同步转矩，其值可正可负。因此，在一般情况下，双馈电机的电磁功率和电磁转矩不但与转差率s有关，还与定转子电压幅值以及它们之间的相位差角有关，这是从双馈电机整个外部特性来考虑问题的，将其看作只受定转子方两个外加电压源作用。由于转子绕组始终可以看作受两个频率都是转差频率的电压源作用，一个是转子感应电势20Es（202EsE，20E为转子静止时，转子开路感应电势），另一个是转子绕组外加电压2V。因此，不妨换个角度，从电机的转子方来考虑电磁功率和电磁转矩。定义转子绕组外加电压2V与转子感应电势20Es之间的夹角为，定转子方功率因数角分别为1和2，则由等值电路可得：111IZZZVImmm])()[(12121122IZZZZZZVZZsVmmm22220)(222222jjeZsEeZsVZEsVI将上式用Euler公式展开后取实部和虚部，并分别定义转子电流的有功分量为pI2、无功分量为qI2，则有：]cos)cos([222022202ssEVZEIp（1）]sin)sin([222022202ssEVZEIq（2）若将双馈电机看作特殊的异步电机，则由异步电机的统一转矩公式，可得双馈电机的电磁转矩表达式为：pemIkET220式中，111jxrZ，222jxsrZ，mmjxZ，k为由电机参数所决定的常数。上式表明，交流励磁双馈发电机的电磁转矩与转子电流的有功分量成正比，因而通过转子电流的有功分量就可以控制双馈发电机定子端口的有功功率；而转子电流的无功分量则可以控制双馈发电机定子端口的无功功率。当10s时，电机次同步运行，转差功率为0emsP，表示电磁功率一部分由转子方电源提供，此时原动机提供的机械功率为emPs)1(；当0s时，电机超同步运行，转差功率为0emsP，表示转子方电源吸收由电机气隙回馈的一部分电磁功率，此时原动机提供的机械功率为emPs)1(，表示定子方发出的电功率以及转子方电源吸收的电功率全部由原动机承担。式（1）与式（2）表明，独立调节转子方外加电压的幅值和相位角就可以控制双馈发电机定子端口的有功功率和无功功率。在转差率保持不变的情况下，如果转子电流有功分量发生变化，只要适当调节的幅值和相位角，就可以保持转子电流无功分量不变，或者使定子端口的有功功率和无功功率保持一定的功率因数关系。式（1）与式（2）亦同时表明，若转子方外加电压的幅值和相位角取适当的值，当转差率为正值时（10s），转子电流的有功电流分量可以为正值，电机次同步运行，定子发出有功功率；当转差率为负值时（0s），转子电流的有功电流分量可以为负值，电机超同步运行，但定子同样发出有功功率。通过对等值电路的分析和计算，可以将双馈发电机的控制规律看作转差率s、转子励磁电源电压2V（包括其幅值、相位和频率）以及1V与2V之间的相位差角这三个量的函数，这三个量中任意量变化都将影响电机运行性能。因此，若要使电机达到某种稳态，则可以利用这三个量来进行控制。双馈发电系统作为可再生能源获取的执行部件，属于典型的分布式发电系统。因此，分布式发电系统的通用问题，如孤岛效应等，都值得在双馈发电系统中进行研究。双馈发电系统在和常规的大电网并联运行时，对电网电压的扰动的响应，包括不对称电网、电压跌落、电网电压谐波、电网电压相位及频率波动等，也是很有必要进行研究的。参考文献[1]王承熙等.风力发电.北京:中国电力出版社,2003[2]陈雷.大型风力发电机组技术发展趋势.可再生能源,2003,107（1）:27~3[3]秦晓平等.感应电动机的双馈和串级调速.北京:机械工业出版社,1990[4]叶启明.大型风力发电机组系统的结构与特点.华中电力,2002,15（2）:67~68[5]黄顺礼,魏晓玲,黄春阳.《第五次全国电机学术讨论会论文集》述评.电机技术,2000,2:54~55[6]刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究.浙江大学博士学位论文，2005．[7]戴赟,王志新.变速恒频风力机桨叶电液比例控制系统研究[J].机电一体化,2006,12(1):16—20[8]乐斌,王志新.兆瓦级双馈感应风力发电机变频器调制方法分析与仿真研究[J].昆明理工大学学报,2006,31(4B):21—25