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現代變速雙饋風力發電機的工作原理

       用于變速恒頻一步雙饋風力發電機組,定轉子都是線圈,簡單說轉子有電流后產生的磁場切割定子線圈,定子就發電了,轉子是直流時,相當于永磁發電機,轉子轉速過快的話,就給轉子反向的交流電使實際的旋轉磁場低于轉子機械轉速,達到變頻,轉子過慢的話,就給轉子正向交流電,使旋轉磁場轉速大于實際機械轉速,達到變頻目的,通過以上方案,定子側就能實現發電的恒頻。

    在風力發電機組中多選用繞線轉子感應異步發電機,這種發電機在結構上與繞線式異步電機相似,由繞線轉子異步發電機和在轉子電路上帶交流勵磁器組成,定子、轉子均為三相對稱繞組,轉子繞組電流由滑環導入,這種帶滑環的雙饋式電機被稱之為有刷雙饋發電機。雙饋式電機的定子接入電網,通過PWM(脈寬調制)AC-DC-AC變頻器向發電機的轉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。雙饋式異步發電機向電網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均有最佳功率系數。雙饋式異步發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,也可作為發電機運行。我們將轉子轉速n與同步轉速ns的差值定義為轉差,轉差與同步轉速之比的百分值定義為轉差率。在作電動機運行時,異步電動機轉子的轉速只能是略低于同步轉速,此時產生的電磁轉矩與轉向相同,轉差率>0。而作發電機運行時,轉速總是略高于同步轉速,其電磁轉矩的方向與旋轉方向相反,轉差率<0,發電機的功率隨該負轉差率絕對值的增大而提高。當雙饋發電機的轉子繞組通過三相低頻電流時,在轉子中會形成一個低速旋轉磁場,這個磁場的旋轉速度與轉子的機械轉速相疊加,使其等于定子的同步轉速,從而在發電機定子繞組中感應出相應于同步轉速的工頻電壓。當風速變化時,轉速隨之而變化,相應地改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度,就會使定子輸出頻率保持 恒定。當發電機的轉速低于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于亞同步速運行,為了保證發電機發出的頻率與電網頻率一致,需要變頻器向發電機轉子提供正相序勵磁,給 轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相同的勵磁電流,此時,轉子的制動轉矩與轉子的機械轉向相反,轉子的電流必須與轉子的感應反電動勢反方向, 轉差率減小,定子向電網饋送電功率,而變頻器向轉子繞組輸入功率;當發電機的轉速高于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于超同步速運行,為了保證發電機發出 的頻率與電網頻率一致,需要給轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相反的勵磁電流,此時變頻器向發電機轉子提供負相序勵磁,以加大轉差率,變頻 器從轉子繞組吸收功率;當發電機的轉速等于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于同步速運行,變頻器應向轉子提供直流勵磁,此時,轉子的制動轉矩與轉子的機械 轉向相反,與轉子感生電流產生的轉矩同方向,定子和轉子都向電網饋送電功率。綜上可知,在變速恒頻風力發電中,由于風能的不穩定性和捕獲最大風能的要求,發電機轉速在不斷的變化,而且經常在同步速上、下波動,這就要求轉子交流勵磁 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條件下,可采用IGBT器件(絕緣柵雙極晶體管)構成的PWM —PWM逆變型式的AC-DC-AC變頻器作為其勵磁電源。為了實現風力機組的最大能量的追蹤和捕獲,滿足電網對輸入電力的要求,風力發電機必須變速恒頻運行;為了控制發電機轉速和輸出的功率因數,必須對發電機有 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,通過對用于勵磁的PWM變頻器各分量電壓、電流的調節來實現。調節勵磁電流的幅值、頻率、相序,確保電發電機輸出功率恒壓。同時采用矢量換控制技術,實現發電機有功功率、無功功率的獨立調節。調節有功功率可調節風力機轉速,進而實現最大風能捕獲追蹤控制;調節無功功率可調節電網功率因數,提高風電機組及所并電網系統的動、靜態動行穩定性。根據雙饋式異步發電機數學模型和發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,調節轉矩電流分量和勵磁電流分量可分別獨立調節有功功率和無功功率。根據雙饋式異步發電機數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電機定子磁鏈定向的矢量變換抑制系統,系統采用雙閉環結構,外環為功率控制環,內環為電流控制環。整個控制系統可分為三個單元,它們分別接受風速和轉速信號,有功功率指令和無功功率指令,并產生一個綜合信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控制的需要。其中有功功率指令和無功功率指令的產生步驟是:分別設定有功功率和無功功率的參考值,并與轉子電流反饋量比較或獲得轉子電壓指令,經旋轉變換就得到發電機轉子三相電壓控制量,F有的雙饋式異步發電機發出的電能都是經變壓器升 壓后直接與電網并聯,加之在轉速控制系統中采用了電力電子裝置,會產生電力諧波。同時發電機在向電網輸出有功功率的同時,還必須從電網吸收滯后的無功功 率,使功率因數惡化,加重了電網的負擔。因此必須進行無功補償,提高功率因數,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和 容量等的制約,無法實現最佳補償狀態。目前,一種基于電力電子逆變技術的無功補償裝置靜止同步補償器很有可能將取代傳統的電容器補償方式。當風力發生變化發電機組突然切出時會對電網的沖擊較大。另外有刷雙饋發電機存在滑環和變速箱的問題,運行可靠性差,需要經常維護,其維護保養費用遠高于無齒輪箱變速永磁同步風力發電機,并且這種結構不適合運行在環境比較惡劣的風力發電系統中。

雙饋式電機的定子接入電網,通過變頻器向發電機的轉子繞組提供勵磁電流,雙饋式異步發電機向電網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子輸出的功率,當雙饋發電機的轉子繞組通過三相低頻電流時,在轉子中會形成一個低速旋轉磁場,當發電機的轉速低于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于亞同步速運行,為了保證發電機發出的頻率與電網頻率一致,需要變頻器向發電機轉子提供正相序勵磁,給 轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相同的勵磁電流,轉差率減小,定子向電網饋送電功率,而變頻器向轉子繞組輸入功率;當發電機的轉速高于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于超同步速運行,需要給轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相反的勵磁電流,此時變頻器向發電機轉子提供負相序勵磁,以加大轉差率,變頻 器從轉子繞組吸收功率;當發電機的轉速等于氣隙旋轉磁場的轉速時,發電機處于同步速運行,變頻器應向轉子提供直流勵磁,此時,轉子的制動轉矩與轉子的機械 轉向相反,與轉子感生電流產生的轉矩同方向,定子和轉子都向電網饋送電功率。

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