【文章內(nèi)容簡介】 同步轉(zhuǎn)速一致來定義，則雙饋異步發(fā)電機應當被稱為異步發(fā)電機，但該電機在性能上又不像異步發(fā)電機，相反具有很多同步發(fā)電機的特點。異步發(fā)電機是由電網(wǎng)通過定子提供勵磁，轉(zhuǎn)子本身無勵磁繞組，而雙饋發(fā)電機與同步發(fā)電機一樣，轉(zhuǎn)子具有獨立的勵磁繞組；異步發(fā)電機的功率因數(shù)是無法改變的，雙饋異步發(fā)電機與同步發(fā)電機都可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)的大小，進行可以進行有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。跟同步發(fā)電機相比，雙饋型異步發(fā)電機有著很多的優(yōu)勢。跟同步發(fā)電機勵磁電流相比，雙饋型異步發(fā)電機所用的是交流勵磁，勵磁電流的的幅值、相位和頻率都可以進行調(diào)節(jié)，而且勵磁電流可調(diào)范圍大，控制上也更加靈活：調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，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位移，進而改變了發(fā)電機電勢量與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就調(diào)節(jié)了發(fā)電機的有功功率。所以交流勵磁不僅可以調(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)電機與電網(wǎng)主接線圖 雙饋發(fā)電機變速恒頻運行的基本原理根據(jù)電機學理論，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)為對應于電網(wǎng)頻率萬惡50Hz（=50Hz）時發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，而n為發(fā)電機轉(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，則定子繞組感應出的電勢的頻率將始終維持為電網(wǎng)頻率不變。當與n旋轉(zhuǎn)方向相同時，取正值，當與n旋轉(zhuǎn)方向相反時，取負值。公式可另寫為： （42）式（42）表明不論發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n隨風力機如何變化，只要通入轉(zhuǎn)子的勵磁電流的頻率滿足式（42），則雙饋異步發(fā)動力就能夠發(fā)出與電網(wǎng)一致的恒定頻率的50Hz的交流電。由于發(fā)電機運行時，經(jīng)常用轉(zhuǎn)差率描述發(fā)電機的轉(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s0時，為負值，可通過轉(zhuǎn)子繞組的相序與定子繞組的相序相反實現(xiàn)。通過式（43）可知，在雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速運行時，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)電機可實現(xiàn)變速恒頻運行的目的[10]。 雙饋異步發(fā)電機的功率傳遞關(guān)系根據(jù)雙饋異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有以下三種運行狀態(tài)：（1） 亞同步狀態(tài)：當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n小于同步轉(zhuǎn)速時，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，此時勵磁變流器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，發(fā)電機由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)。（2）超同步狀態(tài)：當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速時，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)動方向相反，此時發(fā)電機同時由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵磁變流器的能量流向逆向。（3）同步運行狀態(tài)：當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速時，處于同步狀態(tài)。此種狀態(tài)下轉(zhuǎn)差頻率為，這表明此時通入轉(zhuǎn)子繞組的電流的頻率為0，即勵磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，因此與普通同步發(fā)電機一樣。（4）在不計鐵耗和機械損耗的情況下，轉(zhuǎn)子勵磁雙饋發(fā)電機的能量流動關(guān)系為： （44）式中：：轉(zhuǎn)子軸上輸入的機械功率：轉(zhuǎn)子勵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)差率當電機的銅耗很小，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)電機的重要部件。雙饋異步發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，其變流器的容量取決于發(fā)電機變速運行時最大轉(zhuǎn)差功率。一般雙饋電機的最大轉(zhuǎn)差率為，因此變頻器的最大容量僅為發(fā)電機額定容量的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力發(fā)電機的變流器，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)電機控制風力機變速運行時，與其相連接的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也會發(fā)生變化，因此必須保證風電機組發(fā)出的電能恒頻恒壓，才能實現(xiàn)與電網(wǎng)的相聯(lián)。將雙饋異步發(fā)電機與應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，就能實現(xiàn)變速恒頻的目的。 雙饋異步風力發(fā)電機控制系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機相對與普通異步發(fā)電機的最大特點是其在亞同步、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)子交流勵磁技術(shù)。通過矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)定子輸出有功功率與無功功率的解耦控制買這一點相對于普通異步發(fā)電機來說具有很大的優(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)電機的控制上。電動機的控制對象是磁通和轉(zhuǎn)矩么人雙饋異步發(fā)電機的控制對象為輸出的有功功率P和無功功率Q。通過坐標變換和磁場定向，可以將雙饋異步發(fā)電機定子電流分解為相互解耦的有功分量和無功分量，分別對這兩個分量控制就可以實現(xiàn)P、Q的解耦。首先介紹兩個基本概念，即坐標變換和磁場定向，坐標變換就是把電網(wǎng)或者電機三相交流量通過一個變換矩陣，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，定向角選擇恰當了就能進一步簡化運算，且有利于控制。雙饋風力發(fā)電機的控制中，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)電機方程形式得到了簡化，而且更為關(guān)鍵的是發(fā)電機定子有功功率P和無功功率Q在此種定向方式下可以實現(xiàn)解耦。 轉(zhuǎn)子變流器在雙饋異步發(fā)電機組成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)當中，異步發(fā)電機轉(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)，同樣可以實現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)和由亞同步到超同步運行的平穩(wěn)過渡，但同時它也需應用較多的晶閘管，在電機內(nèi)也會產(chǎn)生低次的諧波轉(zhuǎn)矩[14]。（2） 采用變—直—交電壓型強迫換流變頻器不僅可以實現(xiàn)由亞同步狀態(tài)到超同步運行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，也可以擴大風力機變速運行的范圍；而且，由于采用了這種強迫換流的方法，還可以實現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)，但由于轉(zhuǎn)子電流為方波，會在電機內(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，電機內(nèi)部會產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩，同時能實現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)，現(xiàn)代兆瓦級以上的雙饋異步風力發(fā)電機多采用這中變頻器。 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，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)的輸出響應波形。這個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現(xiàn)功率的雙向流動，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，分別對應雙饋電機的亞同步和超同步運行狀態(tài)。四象限是指變頻勵磁電源可以運行于正阻性、純電容、負阻性、純電感這四種典型特性為邊界組成的四個象限內(nèi)的任何一點，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、相位均可變的勵磁電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)子交流勵磁。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)變換器乃至整個雙饋電機勵磁系統(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)實現(xiàn)根據(jù)發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)指令變換出需要的勵磁電壓。前面雙饋電機矢量控制得到的轉(zhuǎn)子三相勵磁電壓就是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器實現(xiàn)的。網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器在電路拓撲結(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)電機的滑差在適當?shù)臄?shù)值范圍內(nèi)變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)風力機葉片槳距的調(diào)節(jié)。 （2） 可以降低風力發(fā)電機組運行時的噪聲大小。（3） 可以減小旋轉(zhuǎn)部件的機械應力。（4） 可以獲得更高的發(fā)電效率。（5） 與電網(wǎng)連接簡單，并可實現(xiàn)功率因子的調(diào)節(jié)。（6） 可以實現(xiàn)發(fā)電機低起伏的平滑的電功率輸出，優(yōu)化了供電質(zhì)量。（7） 可實現(xiàn)獨立（不與電網(wǎng)連接）運行，幾個相同的獨立運行機組也可實現(xiàn)并聯(lián)運行。（8）變流器的容量取決于發(fā)電機變速運行時最大滑差功率，一般電機的最大滑差率為2325%，因此變流器的最大容量僅為發(fā)電機額定容量的1/3—1/4。第五章 風電機組有功無功特性的模擬與仿真 風電機組的建模在PSCAD軟件上進行建模首先需要了解風電機組的各個基本模塊的功能及其特點，根據(jù)風電機組的基本組成，將其分為風模塊、風輪模塊、變槳距模塊、電機模塊、電網(wǎng)模塊及變流器及其控制模塊。然后分別在PSCAD上進行建模，完成后將它們相互關(guān)聯(lián)與連接，形成一個整體。 風模型風電機組以風能作為原動力，風的特性直接決定了機組的動態(tài)特性。為了較為全面的研究不同風況下的風力發(fā)電機的有功無功特性[2]，