【文章內(nèi)容簡介】 同步轉(zhuǎn)速一致來定義，則雙饋異步發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)被稱為異步發(fā)電機(jī)，但該電機(jī)在性能上又不像異步發(fā)電機(jī)，相反具有很多同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)。異步發(fā)電機(jī)是由電網(wǎng)通過定子提供勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子本身無勵(lì)磁繞組，而雙饋發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子具有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組；異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)是無法改變的，雙饋異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)都可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)的大小，進(jìn)行可以進(jìn)行有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。跟同步發(fā)電機(jī)相比，雙饋型異步發(fā)電機(jī)有著很多的優(yōu)勢。跟同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流相比，雙饋型異步發(fā)電機(jī)所用的是交流勵(lì)磁，勵(lì)磁電流的的幅值、相位和頻率都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且勵(lì)磁電流可調(diào)范圍大，控制上也更加靈活：調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，可以保證發(fā)出電能的頻率保持穩(wěn)定；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值，可用來調(diào)節(jié)發(fā)出無功功率的大?。桓淖冝D(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的相位，可使轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間上有一個(gè)位移，進(jìn)而改變了發(fā)電機(jī)電勢量與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的有功功率。所以交流勵(lì)磁不僅可以調(diào)節(jié)無功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。圖41 雙饋異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)主接線圖 雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的基本原理根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，在轉(zhuǎn)子三相對稱繞組中通入三相對稱的交流電，則將在電機(jī)氣隙間產(chǎn)生磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與所通入的交流電的頻率f2及電機(jī)的及對數(shù)p有關(guān)[15]。（41）式中：為轉(zhuǎn)子中通入頻率為的三相對稱交流勵(lì)磁電流后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對與轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度r/min。 頻率，即可改變。因此若設(shè)為對應(yīng)于電網(wǎng)頻率萬惡50Hz（=50Hz）時(shí)發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，而n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械速度n相加等于定子磁場的同步旋轉(zhuǎn)速度，即，則定子繞組感應(yīng)出的電勢的頻率將始終維持為電網(wǎng)頻率不變。當(dāng)與n旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，取正值，當(dāng)與n旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，取負(fù)值。公式可另寫為： （42）式（42）表明不論發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n隨風(fēng)力機(jī)如何變化，只要通入轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流的頻率滿足式（42），則雙饋異步發(fā)動(dòng)力就能夠發(fā)出與電網(wǎng)一致的恒定頻率的50Hz的交流電。由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常用轉(zhuǎn)差率描述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)差率，將式（42）中的轉(zhuǎn)速n用轉(zhuǎn)差率s替換，則公式可變?yōu)椋海?3）需要說明，當(dāng)s0時(shí)，為負(fù)值，可通過轉(zhuǎn)子繞組的相序與定子繞組的相序相反實(shí)現(xiàn)。通過式（43）可知，在雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定。只要在轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率（）的電流，雙饋異步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行的目的[10]。 雙饋異步發(fā)電機(jī)的功率傳遞關(guān)系根據(jù)雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以有以下三種運(yùn)行狀態(tài)：（1） 亞同步狀態(tài)：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由轉(zhuǎn)差頻率為f的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子方向相同，此時(shí)勵(lì)磁變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)。（2）超同步狀態(tài)：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由轉(zhuǎn)差頻率為f2的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵(lì)磁變流器的能量流向逆向。（3）同步運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，處于同步狀態(tài)。此種狀態(tài)下轉(zhuǎn)差頻率為，這表明此時(shí)通入轉(zhuǎn)子繞組的電流的頻率為0，即勵(lì)磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，因此與普通同步發(fā)電機(jī)一樣。（4）在不計(jì)鐵耗和機(jī)械損耗的情況下，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的能量流動(dòng)關(guān)系為： （44）式中：：轉(zhuǎn)子軸上輸入的機(jī)械功率：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器輸入的電功率：定子輸出的電功率：定子繞組銅耗：轉(zhuǎn)子繞組銅耗s：轉(zhuǎn)差率當(dāng)電機(jī)的銅耗很小，上述公式可近似理解為： （45）根據(jù)前面的介紹可知，轉(zhuǎn)子上所帶的變流器是雙饋異步發(fā)電機(jī)的重要部件。雙饋異步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其變流器的容量取決于發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)最大轉(zhuǎn)差功率。一般雙饋電機(jī)的最大轉(zhuǎn)差率為，因此變頻器的最大容量僅為發(fā)電機(jī)額定容量的1/3—1/4，能較多的降低系統(tǒng)成本。目前現(xiàn)代兆瓦級以上的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流器，多采用電力電子技術(shù)的IGBT期間及PMW控制技術(shù)。 雙饋式發(fā)電機(jī)控制風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行時(shí)，與其相連接的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，因此必須保證風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能恒頻恒壓，才能實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的相聯(lián)。將雙饋異步發(fā)電機(jī)與應(yīng)用最新電力電子技術(shù)的PWM控制技術(shù)及IGBT變頻器結(jié)合起來，就能實(shí)現(xiàn)變速恒頻的目的。 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對與普通異步發(fā)電機(jī)的最大特點(diǎn)是其在亞同步、超同步、同步三種工況下都可以向電網(wǎng)高效的輸出電能，其根本原因在于采用了可控的轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁技術(shù)。通過矢量控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)定子輸出有功功率與無功功率的解耦控制買這一點(diǎn)相對于普通異步發(fā)電機(jī)來說具有很大的優(yōu)越性。借鑒這一思想，可以將矢量變換控制技術(shù)一直到對雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制上。電動(dòng)機(jī)的控制對象是磁通和轉(zhuǎn)矩么人雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制對象為輸出的有功功率P和無功功率Q。通過坐標(biāo)變換和磁場定向，可以將雙饋異步發(fā)電機(jī)定子電流分解為相互解耦的有功分量和無功分量，分別對這兩個(gè)分量控制就可以實(shí)現(xiàn)P、Q的解耦。首先介紹兩個(gè)基本概念，即坐標(biāo)變換和磁場定向，坐標(biāo)變換就是把電網(wǎng)或者電機(jī)三相交流量通過一個(gè)變換矩陣，變成兩相交流量，在通過兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將兩相交流量等效的轉(zhuǎn)化為兩相直流量。上面指出的坐標(biāo)變換矩陣并不是唯一的，不同的定向角，就能得到不同的變換值，因此，定向角選擇恰當(dāng)了就能進(jìn)一步簡化運(yùn)算，且有利于控制。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制中，最常用的定向方式就是定子磁鏈定向，采用該種定向方式之后，發(fā)電機(jī)方程形式得到了簡化，而且更為關(guān)鍵的是發(fā)電機(jī)定子有功功率P和無功功率Q在此種定向方式下可以實(shí)現(xiàn)解耦。 轉(zhuǎn)子變流器在雙饋異步發(fā)電機(jī)組成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中可以采用不同類型的循環(huán)變流器作為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電源。（1） 采用交—交變頻器采用交—交變頻器，可以省去交流環(huán)節(jié)，同樣可以實(shí)現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)和由亞同步到超同步運(yùn)行的平穩(wěn)過渡，但同時(shí)它也需應(yīng)用較多的晶閘管，在電機(jī)內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生低次的諧波轉(zhuǎn)矩[14]。（2） 采用變—直—交電壓型強(qiáng)迫換流變頻器不僅可以實(shí)現(xiàn)由亞同步狀態(tài)到超同步運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，也可以擴(kuò)大風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行的范圍；而且，由于采用了這種強(qiáng)迫換流的方法，還可以實(shí)現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)，但由于轉(zhuǎn)子電流為方波，會(huì)在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩。（3）采用脈寬調(diào)制（PWM）控制的有IGBT組成的交直交變流器采用最新電力電子技術(shù)的IGBT變頻器及PWM控制技術(shù)，可以獲得正弦轉(zhuǎn)子電流，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)，現(xiàn)代兆瓦級以上的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用這中變頻器。 PWM控制的基本原理及交—直—交變流器PWM控制是對脈沖的船渡進(jìn)行調(diào)制的一種技術(shù)。即通過調(diào)節(jié)一系列脈沖的寬度來等效的調(diào)節(jié)所需要的波形[3]。采樣控制理論中有著一個(gè)十分重要的結(jié)論：沖量相等但形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，它們的效果卻基本相同。沖量也就是窄脈沖的面積。這里所說的效果是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形。這個(gè)原理也叫面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。根據(jù)這一思想，我們考慮如何用一系列等幅不等寬的脈沖，來代替一個(gè)正弦半波。交—直—交變流器可以看成雙向四象限變頻器，雙向的含義是可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，即轉(zhuǎn)子通過變流器既可以從電網(wǎng)吸收電能，又可以向電網(wǎng)回饋電能，分別對應(yīng)雙饋電機(jī)的亞同步和超同步運(yùn)行狀態(tài)。四象限是指變頻勵(lì)磁電源可以運(yùn)行于正阻性、純電容、負(fù)阻性、純電感這四種典型特性為邊界組成的四個(gè)象限內(nèi)的任何一點(diǎn)，它可以根據(jù)需要將電網(wǎng)三相工頻電壓變換成頻率、幅值、相位均可變的勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁。變流器有兩部分組成，一步分叫網(wǎng)側(cè)變換器，另一部分叫轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，這是根據(jù)他們所在位置命名的。網(wǎng)側(cè)變換器的作用是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，確保轉(zhuǎn)子側(cè)變換器乃至整個(gè)雙饋電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可靠工作。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)根據(jù)發(fā)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)指令變換出需要的勵(lì)磁電壓。前面雙饋電機(jī)矢量控制得到的轉(zhuǎn)子三相勵(lì)磁電壓就是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上完全一樣，都是三相橋式的PWM電路，它們關(guān)于中間的直流電容對稱，因此又稱為背靠背變頻器。電路中的主要器件是6個(gè)開關(guān)型電力電子器件（IGBT）以及與其相反并聯(lián)的二極管。 系統(tǒng)的優(yōu)越性（1） 這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以控制異步發(fā)電機(jī)的滑差在適當(dāng)?shù)臄?shù)值范圍內(nèi)變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片槳距的調(diào)節(jié)。 （2） 可以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪聲大小。（3） 可以減小旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械應(yīng)力。（4） 可以獲得更高的發(fā)電效率。（5） 與電網(wǎng)連接簡單，并可實(shí)現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)。（6） 可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)低起伏的平滑的電功率輸出，優(yōu)化了供電質(zhì)量。（7） 可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立（不與電網(wǎng)連接）運(yùn)行，幾個(gè)相同的獨(dú)立運(yùn)行機(jī)組也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。（8）變流器的容量取決于發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)最大滑差功率，一般電機(jī)的最大滑差率為2325%，因此變流器的最大容量僅為發(fā)電機(jī)額定容量的1/3—1/4。第五章 風(fēng)電機(jī)組有功無功特性的模擬與仿真 風(fēng)電機(jī)組的建模在PSCAD軟件上進(jìn)行建模首先需要了解風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)基本模塊的功能及其特點(diǎn)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的基本組成，將其分為風(fēng)模塊、風(fēng)輪模塊、變槳距模塊、電機(jī)模塊、電網(wǎng)模塊及變流器及其控制模塊。然后分別在PSCAD上進(jìn)行建模，完成后將它們相互關(guān)聯(lián)與連接，形成一個(gè)整體。 風(fēng)模型風(fēng)電機(jī)組以風(fēng)能作為原動(dòng)力，風(fēng)的特性直接決定了機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性。為了較為全面的研究不同風(fēng)況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功無功特性[2]，