【正文】 流成直流電再通過線路換向的逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。2. 磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)采用的發(fā)電機為磁場調(diào)制型發(fā)電機，磁場調(diào)制型變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的三相高頻交流發(fā)電機和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成。發(fā)電機本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻，用頻率為 (一般是工頻50Hz)的低頻交流電勵磁，則三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。由上述可以看出磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當簡單，運行非?？煽?。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。它的缺點是若想得到三相輸出，則必須采用三套磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)，且各套發(fā)電機系統(tǒng)間應(yīng)保持某一合適的相位差，這就提高了整個系統(tǒng)的成本。磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高，而風輪轉(zhuǎn)速較低，故系統(tǒng)需要速比較大的增速器，也提高了系統(tǒng)的成本。另外，因其電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量要大，提高了成本。3. 雙饋發(fā)電機系統(tǒng)雙饋發(fā)電機的機構(gòu)類似繞組型感應(yīng)電機，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一臺頻率、電壓可調(diào)的低頻電源（一般采用交/交循環(huán)變流器）供給三相低頻勵磁電流，當轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速n2相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n3。從而在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。當風速變化時轉(zhuǎn)速n2隨之而變化。在n2變化時，相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度n1，以補償電機轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。系統(tǒng)中所采用的循環(huán)變流器是將一種頻率變換成另一種較低頻率的電力變換裝置，半導體開關(guān)器件采用線路換向，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一。由于變換裝置處在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路（勵磁回路），其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%。這種系統(tǒng)中的發(fā)電機可以超同步運行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相同，n1為負），也可以次同步速運行（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相同，為正）。在前一種情況下，除了定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網(wǎng)饋送電力的同時，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。上述系統(tǒng)由于發(fā)電機與傳統(tǒng)的繞線式感應(yīng)電機類似，一般具有電刷和滑環(huán)，需要一定的維護和檢修。目前正在研究一種新型的無刷雙饋發(fā)電機，它采用雙級定子和嵌套偶合的籠型轉(zhuǎn)子。這種電機轉(zhuǎn)子類似鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子類似單繞組雙速感應(yīng)電機的定子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網(wǎng)相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網(wǎng)相聯(lián)。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網(wǎng)頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當于轉(zhuǎn)差頻率，必須通過電力變換裝置（交/交循環(huán)變流器）變換成與電網(wǎng)相同的頻率和電壓后再聯(lián)入電網(wǎng)。這種發(fā)電機系統(tǒng)除具有普通雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)點外，還有一個很大的優(yōu)點就是電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于沒有電刷和滑環(huán)，基本上不需要維護。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率。可以通過適當?shù)目刂?，使風力機的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。另外，對于恒速風機來說，當風速躍升時，巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，如果這種過程重復出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計時應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導致制造成本增加。而風力發(fā)電機采取變速運行時，當風速躍升產(chǎn)生的巨大風能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風輪中，從而避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力。當風速下降時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖作用，使風力機內(nèi)部能量傳輸部件的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風力發(fā)電機組運行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點：1) 最大限度的捕捉風能。2). 較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應(yīng)由于風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速的變化。采用一定的控制策略（如矢量PWM）可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)可起到功率因數(shù)補償?shù)淖饔谩?) 采用先進的PWM控制技術(shù)，可抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率，降成本。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變速恒頻風力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：風能機、齒輪箱、異步發(fā)電機、整流裝置、儲能裝置、控制系統(tǒng)六部分組成。異步發(fā)電機三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后通過可控硅開關(guān)電路，將波形的一半反向，最后經(jīng)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當簡單，運行非常可靠。它的另一個優(yōu)點是可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當?shù)南匏俅胧┘纯桑⑶以谙匏龠\行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。另外，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。：齒輪箱 風力發(fā)電機整流裝置控制系統(tǒng)儲能裝置電 網(wǎng) 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 風輪機風輪機是整個風力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件, 它用來截獲流動空氣所具有的動能, 并將風輪機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動能轉(zhuǎn)換為有用的機械能, 所以它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。風輪機的設(shè)計及其空氣動力特性的分析一直是風力發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)的一個重要方向。風輪機的氣動特性很復雜, 主要包括: 力矩特性、功率特性、推力特性等。為了闡明充分利用風輪機獲取風能、使發(fā)電機與風輪機達到最佳配合的方法,下面對風能機的功率特性做簡要的分析說明。設(shè)A 為風輪機葉片迎風掃掠面積,為空氣進入風輪機掃掠面以前的風速(即未擾動風速) , Q為空氣的密度, 則在單位時間(內(nèi)垂直通過截面A的空氣的動能, 即風輪機的輸入功率為: = ()定義風能利用系數(shù) () 所以有: ()風能利用系數(shù)時表征風輪機效率的重要參數(shù),它隨著風輪機轉(zhuǎn)速的不同,[ 3 ] , 的最大值為01593。一般的, 對水平軸風輪機而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速風輪(少葉片風輪屬于高速風輪) 的大于低速風輪的, 同時考慮到在風場中風輪機會受到風速與風向波動的影響, 左右, 。 在某一固定的風速下, 隨著風輪機轉(zhuǎn)速n 的變化, CP 的值會相應(yīng)的變化, 從而使風輪機輸出的機械功率Pm 變化, 也就是說, 轉(zhuǎn)速n 變化, 會導致風輪機捕獲風能的能力有所不同。 齒輪箱 齒輪箱是風輪機和風力發(fā)電機之間的傳動機構(gòu),屬于機械部分,它的作用是風能機轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉(zhuǎn)動起來。齒輪箱也根據(jù)特殊情況采用一些特殊裝置,例如:：在孤島型供電方式的風力發(fā)電系統(tǒng)中,可在風力渦輪機與發(fā)電機之間裝設(shè)飛輪,利用飛輪的高慣性在風速過快時進行儲能,風速過慢時釋放儲能,使風力渦輪機輸出機械功率穩(wěn)定。但飛輪的使用受場地限制,且飛輪必須與柴油機配套使用。 風力發(fā)電機 目前用來做風力發(fā)電的風力發(fā)電機種類多種多樣,有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機等等。本系統(tǒng)選用雙輸出異步發(fā)電機,其性能及優(yōu)越性如下：異步發(fā)電機一直是風能系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器，因為把異步發(fā)電機并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。通常同步發(fā)電機并入電網(wǎng)時必須整步，并且并入電網(wǎng)后有時會發(fā)生振蕩與失步。而且，變速運行的風力發(fā)電機能捕捉更多的風能，這可從三個方面來說明：當風速低于用來發(fā)出與電網(wǎng)同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風能。第二，通過對電壓和頻率的動態(tài)控制允許發(fā)電機工作在最大效率點。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風速變化，因此可以降低機械傳動的能量損耗。但該機組的主要缺點是風速小時，電能輸出少。為此在風力發(fā)電機組的機電變換器線路中利用不同極對數(shù)和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機的方法，可以達到增加輸出的目的。該方案是在電網(wǎng)頻率不變的情況下，由風輪運行工況變換為電機轉(zhuǎn)速變化工況，從而增加了電能輸出，還可以實現(xiàn)機組的平衡起動和電磁制動，以及電網(wǎng)電壓故障時，控制線路中的伺服電動機可得到備用電源。利用兩臺發(fā)電機無疑會增加風力發(fā)電機組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設(shè)備的成本，增加折舊的運行費用。因此，也有采用一臺雙速變極發(fā)電機來替代兩臺不同額定功率值的異步發(fā)電機。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)和效率都較普通感應(yīng)發(fā)電機的高，也就是說它比普通感應(yīng)發(fā)電機具有很大的優(yōu)越性。1. 雙輸出異步發(fā)電機的工作原理風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機以超同步轉(zhuǎn)子速度運行。這個特征在速度高于電機額定轉(zhuǎn)速時損失了風能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一個有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘牵涂梢愿淖兡孀兤鞯碾妷?。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應(yīng)發(fā)電機以超同步速度運行的。這實際上是異步電機的串級調(diào)速在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。這種系統(tǒng)中異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組側(cè)接的整流器是不可控整流器，與轉(zhuǎn)子繞組接交交變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)比較，調(diào)節(jié)功能要小些，其中最主要的是不能調(diào)節(jié)定子側(cè)的無功功率，且因逆變器功率因數(shù)低，使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。但由于SCR的應(yīng)用的衰退，也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時，檢測、控制轉(zhuǎn)差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。2. 雙輸出異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性為了使雙輸出異步發(fā)電機與普通異步發(fā)電機進行比較，可用實驗的方法驗證雙輸出異步發(fā)電機的性能。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）。如果施加額定電壓，由于異步發(fā)電機的電流受到限制，就不可能獲得更多的實驗數(shù)據(jù)。有功功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)子速度的變化轉(zhuǎn)子速度增加時，異步發(fā)電機發(fā)出的有功功率也增加，直到它達到最大值為止，然后再下降（也就是電機失步）。同樣應(yīng)當注意，電機達到失步之前，定子電流增加到超過其額定值時會使電機過熱，然而雙輸出異步發(fā)電機若使引起發(fā)熱的電流保持不變，在超過運行速度范圍時，也能在其額定發(fā)熱范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現(xiàn)。3. 無功功率和功率因數(shù)隨速度的變化普通異步發(fā)電機的無功功率比雙輸出異步發(fā)電機的高得多。從而，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機具有較高的功率因數(shù)，這是因為當保持電機氣隙磁通不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的相位和幅值，就可以補償定子側(cè)的無功功率。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生。這時，定子側(cè)的無功功率減少，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功功率增大。和同步電機過激時的情況類似，增加轉(zhuǎn)子側(cè)的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。這意味著當連接到電網(wǎng)時，雙輸出感應(yīng)發(fā)電機是一臺較好的能量轉(zhuǎn)換器。4. 效率隨速度的變化在額定速度之上時，雙輸出異步發(fā)電的效率比普通異步發(fā)電機的效率高，這是因為在超同步運行時，由于發(fā)電機額定輸出轉(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)速提高，所以電機的輸出功率提高，同時因為銅耗、鐵耗基本保持不變，所以電機的效率也得到提高。雙輸出異步發(fā)電機的有功功率、功率因數(shù)和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內(nèi)工作。另外，應(yīng)當指出的是，由于在轉(zhuǎn)子回路中采用了直流耦合變換器，在轉(zhuǎn)子和定子中都會引起諧波電流，從而產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩和增加機械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機的特性帶來了一些影響。例如，當直流回路中電抗器的電感量足夠大時（Ld﹕大于或等于3Xp/ｗ0，Ld﹕——折算到轉(zhuǎn)子整流回路的平均電抗器的電感，Xp——折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗，ｗ0——定子側(cè)電源的頻率）時，逆變器的脈動電勢所引起的轉(zhuǎn)子脈動電流可以忽略不計，但當 Ld不滿足上述條件時，將會出現(xiàn)輕載時電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使機械特性發(fā)生畸變。另外，直流側(cè)的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等，還會引起逆變器的提前短路，形成環(huán)流。但通過選擇適當?shù)膮?shù)（如定子漏電感、轉(zhuǎn)子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻），可以使諧波分量降低，脈動