變速恒頻雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)分析

孫 偉

（中廣核新能源遼寧分公司，遼寧 營口 115203）

1 雙饋式異步發(fā)電機(jī)的構(gòu)成和原理

1.1 構(gòu) 成

變速恒頻雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與異步式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一致，都包括轉(zhuǎn)子、電刷及滑環(huán)。異步式發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子可通過側(cè)入方式進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，并進(jìn)行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸?shù)男剩铱煞€(wěn)定異步式發(fā)電機(jī)的交流定頻。雙饋式異步發(fā)電機(jī)是由一臺帶電環(huán)的定子、變流器及異步電機(jī)共同組成。變流器主要通過交換電流輸出電流，在整體變流中的工作路程是不可逆的。變流器與集成電環(huán)相連，保證轉(zhuǎn)子在交流電路中以直流電的形式輸送電能，然后在交換機(jī)中進(jìn)行交流轉(zhuǎn)化，經(jīng)平波電抗系統(tǒng)過濾后，對干擾因素和可逆電流進(jìn)行回流，最終返回到電網(wǎng)。這一過程就是雙饋式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送功率的具體過程[1]。

1.2 基本原理

由于雙饋式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子在進(jìn)行發(fā)電時，相較于空間內(nèi)的磁場，其相對位置是靜止的，因此當(dāng)電機(jī)頻率不變時，定子頻率發(fā)生改變，與轉(zhuǎn)子之間的相對關(guān)系仍成立。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子的電流頻率關(guān)系公式為：

其中，f1為定子的電流頻率，單位為Hz；f2為轉(zhuǎn)子的電流頻率，單位為Hz；N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為r·min-1；P為發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)；N1為同步轉(zhuǎn)速。由式（1）可知，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率，以保證定子的頻率不變。為保證與電網(wǎng)相同的頻率進(jìn)行電力輸送，恒頻的控制需以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的電流頻率實現(xiàn)。

由于轉(zhuǎn)子的運動速度與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，可將雙饋式發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)簡單分成同步運行狀態(tài)、低速同步狀態(tài)和超速同步狀態(tài)。

第一，同步運行狀態(tài)。當(dāng)N=N1，轉(zhuǎn)差率等于0時，式（1）為雙饋式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)2速相同。此時，雙饋式發(fā)電機(jī)所發(fā)的電為直流電。

第二，低速同步運行狀態(tài)。當(dāng)N＜N1，轉(zhuǎn)差率大于0時，式（1）為，轉(zhuǎn)子的運行速度小于發(fā)電機(jī)的運行速度，因而在相同條件下產(chǎn)生的磁場方向相互吸引，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的運動方向與磁場方向一致，可平衡發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場關(guān)系。

第三，超同步運行狀態(tài)。當(dāng)N＞N1，轉(zhuǎn)差率小于0時，式（1）為轉(zhuǎn)子的運行速度大于發(fā)電機(jī)的運行速度，因而在相同條件下產(chǎn)生的磁場方向相互排斥，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的運動方向與磁場方向相反，可平衡發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場關(guān)系。

雙饋異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的連接采用柔性連接。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，定子與外部發(fā)電網(wǎng)絡(luò)直接相連，利用環(huán)狀磁場抵消內(nèi)部的磁場力量，并通過控制轉(zhuǎn)子的相應(yīng)流速、位置以及頻率等物理特征控制發(fā)電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)，最終實現(xiàn)變速恒頻控制。雙饋式異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程：先啟動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于初始速度較低需進(jìn)行物理輔助；當(dāng)轉(zhuǎn)子在回路中產(chǎn)生的電能足夠推動自身運轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)與電網(wǎng)內(nèi)部的電壓同步，最終實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速與無電流沖擊并網(wǎng)。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由電力磁場的相互作用實現(xiàn)發(fā)電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，但在頻率調(diào)節(jié)方面需精準(zhǔn)控制。由于風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)數(shù)隨風(fēng)變化，可進(jìn)行雙饋式發(fā)電，以保障所產(chǎn)電能頻率穩(wěn)定。改變電流的增幅和相位關(guān)系，可改變電網(wǎng)中的電壓和發(fā)電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系。兩者之間的相位角隨發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的改變而改變，最終實現(xiàn)發(fā)電機(jī)有用功和無用功的動態(tài)調(diào)節(jié)。

1.3 雙饋式異步風(fēng)電機(jī)與永磁同步風(fēng)電機(jī)的對比

1.3.1 雙饋式異步風(fēng)電機(jī)對比永磁同步風(fēng)電機(jī)的優(yōu)點

目前，國內(nèi)外的雙饋式發(fā)電機(jī)技術(shù)比較成熟，多數(shù)兆瓦級風(fēng)電機(jī)組均采用雙饋式發(fā)電機(jī)。大型直驅(qū)機(jī)組技術(shù)仍處于研發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善。變速恒頻發(fā)電機(jī)中，變速恒頻是通過轉(zhuǎn)子在電路中運動實現(xiàn)的。運動過程中，轉(zhuǎn)子由于運動產(chǎn)生的電功功率即轉(zhuǎn)子的實際功率，也稱為轉(zhuǎn)差功率，一般是普通發(fā)電機(jī)額定功率的0.25～0.33倍。對比的永磁同步機(jī)采用全功率變頻。雙饋式風(fēng)電機(jī)的變流器的容量不縮減，可間接降低變流器的成本。同時，雙饋式異步風(fēng)電機(jī)的制作結(jié)構(gòu)相對簡單，體積和重量相比同步機(jī)大大減小，故雙饋式風(fēng)電機(jī)的整體成本比同步機(jī)低。

1.3.2 雙饋式異步風(fēng)電機(jī)對比永磁同步風(fēng)電機(jī)的缺點

雙饋式異步風(fēng)電機(jī)向電網(wǎng)傳輸有功的同時，吸收電網(wǎng)中滯后的無功，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)降低，增加了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，雙饋式異步風(fēng)電機(jī)需在變流器中增加某個模塊，以解決低電壓穿越功能弱的問題。

1.4 變流器的構(gòu)成及工作原理

變流器是實現(xiàn)電流調(diào)解的儀器，主要包括主電路系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、集成電路以及配電系統(tǒng)。各個系統(tǒng)又包括很多模塊，大致分為定子開關(guān)模塊、整流穩(wěn)流模塊、輸入輸出模塊、濾波器模塊、防逆變模塊、電流傳感模塊、散熱風(fēng)機(jī)模塊、有線監(jiān)控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)子側(cè)逆變單元、電網(wǎng)側(cè)整流單元及直流母線單元。變流器的基本工作原理是將雙饋式異步風(fēng)電機(jī)中的定子產(chǎn)生的電能通過變流的方式接入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)電力的輸送。電力輸送過程中，需確保定子是圍繞其中一個變頻的交流三相電源進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，從而帶動另外幾個轉(zhuǎn)子運動。此發(fā)電方式可最大限度實現(xiàn)交流的勵磁效應(yīng)，促進(jìn)額定功率的增長。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率發(fā)生改變時，可改變勵磁電流的運動頻率，促使整體輸出電流的頻率仍滿足額定需求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能需與電網(wǎng)的輸送頻率相同，以實現(xiàn)恒頻發(fā)電。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)處于超同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸送工頻電能。當(dāng)風(fēng)電機(jī)處于亞同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于逆變狀態(tài)，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路輸送電能。

2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)

雙饋式風(fēng)電機(jī)采用微機(jī)進(jìn)行控制。它是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)向、頻率、發(fā)電機(jī)電壓、電機(jī)電流、齒輪箱溫升、發(fā)電機(jī)溫升、塔架振動頻率、電機(jī)艙振動頻率以及電網(wǎng)電壓、電流、頻率等信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸送至單片機(jī)，單片機(jī)再按設(shè)計程序給出各種指令，實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機(jī)組故障的自動停機(jī)、過振動停機(jī)以及過大風(fēng)停機(jī)等自動控制。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)是核心技術(shù)。自然界中，由于風(fēng)速和風(fēng)力隨時間的變化而變化，且風(fēng)向和風(fēng)速的變化無跡可循。因此，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入和切出都達(dá)到輸出要求，需加強發(fā)電過程中的動態(tài)監(jiān)測。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的要求很高，即分布分散的發(fā)電機(jī)組可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值班運行。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同。它要求監(jiān)視風(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組運行參數(shù)，并對機(jī)組進(jìn)行脫網(wǎng)和并網(wǎng)控制，以確保運行的可靠性和安全性。同時，它可根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速的變化，實時優(yōu)化控制機(jī)組，提高機(jī)組發(fā)電量和運行效率。

雙饋式風(fēng)電機(jī)的控制系統(tǒng)在并網(wǎng)運行中應(yīng)具備7項功能。

（1）根據(jù)風(fēng)向信號，自動偏航對風(fēng)。

（2）風(fēng)機(jī)超速或轉(zhuǎn)軸超速，可緊急停機(jī)。依靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)的兩套保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)。其中，氣動剎車通過葉片順槳或葉尖剎車使風(fēng)對葉片的升力為零，風(fēng)機(jī)在阻力下停止運行；機(jī)械剎車是在高速軸或低速軸剎車盤上施加機(jī)械制動，使風(fēng)機(jī)停機(jī)。

（3）根據(jù)風(fēng)速信號自動進(jìn)入啟動模式或脫離電網(wǎng)。切入風(fēng)速是指風(fēng)機(jī)開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風(fēng)速；切出風(fēng)速是指高風(fēng)速下風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，停止運轉(zhuǎn)的風(fēng)速。大多數(shù)風(fēng)機(jī)的切入、切出風(fēng)速分別為3 m/s、25 m/s。

（4）根據(jù)風(fēng)速和功率，可自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制。

（5）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)電機(jī)脫網(wǎng)，可確保整個機(jī)組安全停機(jī)。通過風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)和安全鏈，以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)、順槳等動作，并最終實現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)。

（6）當(dāng)扭曲到一定程度時，電纜具有自動解攬功能。通過風(fēng)機(jī)的扭纜傳感器，實時在線監(jiān)測電纜位置。當(dāng)扭纜超過警戒值時，強制解纜。

（7）運行的風(fēng)電機(jī)組還應(yīng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和通信的功能。

3 結(jié) 論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一項集電機(jī)學(xué)、機(jī)械震動、電力電子、流體力學(xué)及通信等多學(xué)科技術(shù)于一身的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)物。在可再生能源領(lǐng)域，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)因獨特的結(jié)構(gòu)、成熟的技術(shù)以及優(yōu)越的控制性能得到了廣泛應(yīng)用。