淺談雙饋式風力發(fā)電機

摘要：隨著全球能源危機的不斷加重和環(huán)境的嚴重污染，風力發(fā)電機技術越來越受到人們的重視，雙饋式風力發(fā)電機也已成為風力發(fā)電裝備重點發(fā)展的方向之一。本文主要分析了雙饋式發(fā)電機的結構、工作原理和控制方法。

關鍵詞：風力發(fā)電 雙饋式風力發(fā)電機 控制

1 雙饋式發(fā)電機的組成和原理

1.1 結構：雙饋式發(fā)電機的定子結構和異步發(fā)電機的相同，轉子上帶有滑環(huán)和電刷。雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示，從圖中可以看出定子繞組與電網(wǎng)直接相連，而轉子繞組則是通過可逆變流器與電網(wǎng)相連[1][2]。

1.2 基本原理：雙饋式電機的定子、轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉子變化而頻率不變時，發(fā)電機的轉速和定轉子電流頻率之間的關系為表示為：

f1=(pn/60)±f2 式1

式中：f1為定子電流頻率，單位為Hz；f2為轉子電流頻率，單位為Hz；p為發(fā)電機的磁極對數(shù)；n為轉子的轉速，單位為r/min。

由上式可知，當發(fā)電機的轉速發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)f2來維持f1不變，來保證與電網(wǎng)頻率相同，實現(xiàn)變速恒頻控制。

根據(jù)轉子的轉速不同，雙饋式發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)，如圖2-3所示，圖中：P2為發(fā)電機軸上輸入的機械功率；Pem為轉子傳遞到定子上的電磁功率；sPem為轉子輸入/出的有功功率；（1±|s|）Pem為定子繞組輸出的有功功率。

①亞同步運行狀態(tài)：此時n0，式子1取“+”，頻率為f2的轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場的向速與轉子轉動方向相同，功率流動方如圖2（a）所示，從圖中可以看出，P2=Pem=(1-s) Pem+sPem，由于此時s>0，所以sPem>0，故需要電網(wǎng)給轉子回路提供電能，定子繞組輸出的電能為(1-s) Pem，小于轉子傳遞到定子的電能Pem。

②超同步運行狀態(tài)：發(fā)電機運行于該狀態(tài)時，n>n1，轉差s<0，式子1取“-”，頻率為f2的轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場的向速與轉子轉動方向相反，功率流動方如圖2（b）所示，從圖中可以看出，P2=Pem，由于此時s<0，所以sPem<0，故轉子回路會通過變流器向電網(wǎng)回饋電能，定子繞組輸出的電能為(1+|s|) Pem，大于轉子傳遞到定子的電能Pem，這也是雙饋式發(fā)電機的重要特點。

③同步運行狀態(tài)：在該狀態(tài)下，發(fā)電機的轉子轉速與同步轉速相同，故電機轉子電流為一直流量，與同步發(fā)電機相同。

1.3 變流器工作原理：雙饋式異步電機的定子繞組需要接到電網(wǎng)上，而為了實現(xiàn)交流勵磁，其轉子繞組則必須接到一個頻率可調(diào)的交流三相電源上[3]。如果負載的變化引起了轉子頻率發(fā)生變化時，能夠改變勵磁電流的頻率，使得定子輸出頻率不會隨之發(fā)生變化，該頻率與電網(wǎng)頻率是相同的，從而保證風力發(fā)電機雖然轉速變化但是輸出頻率不變，這種功能是通過變流器實現(xiàn)的。目前市場上通常會采用背靠背恒壓源PWM調(diào)制電路來實現(xiàn)變流器。這種電路是由兩個PWM-VSI所構成，靠近電網(wǎng)的我們把它稱為網(wǎng)側變流器，靠近轉子側的稱為轉子側變流器，如圖3所示，圖中的ua、ub、uc為電網(wǎng)電壓，L、R為交流進線電抗器的電感和電阻，L2a、R2為轉子一相繞組的漏電感和電阻，e2a、e2b、e2c為轉子三相繞組的反電動勢。

當電機工作在亞同步運行狀態(tài)時，電網(wǎng)會通過變流向轉子回路供電，此時網(wǎng)側變流器工作在整流狀態(tài)，轉子側變流器則工作在逆變狀態(tài)，經(jīng)過變流器之后，就可以控制轉子電流的幅值、相位和頻率，使得定子電流的頻率恒定。當電機工作在超同步運行狀態(tài)時，網(wǎng)側變流器工作在逆變狀態(tài)，轉子側變流器則工作在整流狀態(tài)，轉子回路通過變流的變流作用，向電網(wǎng)回饋工頻電能。

2 雙饋式風力發(fā)電機的控制

雙饋式電機在結構上與繞線式感應電機非常相似，它們的定子繞組都是接在了對稱三相電源上，并且該電源的頻率是固定的。但是二者之間也是有所區(qū)別的，其中主要就在于雙饋式電機的轉子繞組要接到一個頻率可調(diào)的三相交流電源上，并且一般要通過交-交變頻器提供一個頻率比較低的電流。

一般來講，電網(wǎng)對電能質量的要求主要就是上網(wǎng)電壓的變化率和頻率變化量，這兩個量由于和上網(wǎng)的無功和有功有關，所以對于發(fā)電機的輸出電壓的控制很重要。而雙饋式風力發(fā)電機的控制主要就是通過變頻器對勵磁電流的幅值、頻率和相位的控制。這樣通過調(diào)節(jié)以上三個量的大小，來調(diào)節(jié)勵磁控制器的給定值，達到變速恒頻的目的[4]。轉子側的勵磁控制器有以下幾個控制目標[5][6]：

①由于通過調(diào)節(jié)定子輸出的有功功率，可以改變轉子電壓的相位，所以要保證定子有功功率快速跟蹤勵磁控制器的有功功率給定值P*。

②由于通過調(diào)節(jié)定子上的無功，可以調(diào)節(jié)轉子電壓的幅值，所以要保證定子的輸出電壓能快速跟蹤勵磁控制器的電壓給定值U*。

③由于轉子轉速的快慢能夠決定了轉子電壓的頻率，所以要保證轉子轉速能快速跟蹤勵磁控制器的轉子轉速給定值n*。

當電機所帶負荷突然發(fā)生變化時，如果電機的轉速也能很快地隨之作出改變，那么電機轉子上的動能就會得到充分地利用，從而可以釋放和吸收負荷。這樣既能夠穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，還提高了機組的效率。

3 結論

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風速具有時變的特性，所以利用風能發(fā)電存在一定的難度。因此提高風力發(fā)電技術，有效的提高風機的效率，最好地利用風能資源，具有重要意義。由于雙饋式風力發(fā)電機本身特有的結構，使得其控制性能更加優(yōu)越，因此得到了廣泛地應用。

參考文獻：

[1]王慶龍等.變速恒頻風力發(fā)電功率偏差控制技術研究[J].《電氣傳動》，2008，38(8):11-13.

[2]賀益康等.交流勵磁變速恒頻風電系統(tǒng)運行研究[J].《電力系統(tǒng)自動化》，2004，28（13）：53-59.

[3]胡邵貓等.基于Matlab的雙饋風力發(fā)電機的模型研究與仿真[J].《機械與電子》，2006.