【文章內(nèi)容簡介】 力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外，這種風力機在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多的優(yōu)越性。當風力發(fā)電機采取變速運行時，由風速躍升所產(chǎn)生的巨大風能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風輪所吸收，以動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)承受過大的扭矩及應力；當風速下降時，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽腿腚娋W(wǎng)。在這里，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到了緩沖作用，使風力機內(nèi)部能量傳輸部件承受的應力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應力的產(chǎn)生，從而使風電機組的運行更加平穩(wěn)和安全。變速運行還有一個好處是，可以降低風力機在低風速運行時的噪音，并可使風輪設計突破原有的框框。采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作及運行[6]。采用這種交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機系統(tǒng)有如下優(yōu)點：(1)允許原動機在一定范圍內(nèi)變速運行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機械應力。同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率。(2)調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率；調(diào)節(jié)勵磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應用矢量控制可實現(xiàn)有、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。(3)需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。(4)可以實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。正因為這些優(yōu)點，使得交流勵磁雙饋發(fā)電機成為變速恒頻風力發(fā)電領域應用的主流發(fā)電機。第2章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和基本原理 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)包括風力機，齒輪箱，雙饋感應發(fā)電機，變流器，控制器等，其主要作用是從風中捕獲能量并將其轉(zhuǎn)換成電能。當風作用在葉片上帶動葉片的旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動，由于風能密度低，葉片旋轉(zhuǎn)速度會比較慢，一般為1030轉(zhuǎn)／分鐘，為了使其旋轉(zhuǎn)速度達到雙饋感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求，在風力機和雙饋感應發(fā)電機之間裝有一個變速箱來進行變速，變速箱的變比由風力機和雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求確定，變速箱的低速軸通過低速聯(lián)軸器和風力機相連，而其高速軸通過高速聯(lián)軸器和雙饋感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相連，帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)．從而將葉片吸收的風能轉(zhuǎn)換成機械能。雙饋感應發(fā)電機吸收機械能后．在變流器的控制作用下，負責將機械能轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)規(guī)則的電能傳送至電網(wǎng)。 風力機最大風能捕獲原理風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的首要部件，用以截獲流動空氣的動能，并將風力機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉(zhuǎn)換為機械能。它不僅決定整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。根據(jù)貝茲理論，風力機捕獲的風能功率為： ()式中：ρ ——空氣密度；v ——風速；A ——風力機掃掠面積；Cp ——風力機的功率系數(shù)；它是葉尖速比λ和漿葉節(jié)距角β的函數(shù)，其中，ωm為風力機機械角速度,R為風輪半徑。由式(21)可見，在風速給定的情況下，風輪獲得的功率將取決于風能利用系數(shù)Cp。如果在任何風速下，風力機都能在Cpmax點運行，便可增加其輸出功率?？梢钥闯?在同一個風速下，不同轉(zhuǎn)速會使風力機輸出不同的功率，要想追蹤Popt曲線，必須在風速變化時及時調(diào)整轉(zhuǎn)速ωm，保持最佳葉尖速比。當達到起始風速后，風輪轉(zhuǎn)速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉(zhuǎn)速后，風力發(fā)電機組開始發(fā)電運行，通過對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速的控制，Cp不斷上升，直至Cp=Cpmax，進入Cp恒定區(qū)，這時機組在最佳狀態(tài)下運行這段區(qū)域主要是發(fā)電機組機械轉(zhuǎn)矩（即有功功率給定值）使轉(zhuǎn)速隨著風速而變化，使λ=λopt，實現(xiàn)最大風能捕獲[8]。對于每個風速，都有一個相對應的最佳風機轉(zhuǎn)速，可得： （）式中：ｎ——電機轉(zhuǎn)速；Ｎ——齒輪箱傳速比。 雙饋感應發(fā)電機的運行原理雙饋發(fā)電機結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應電機，其定子和轉(zhuǎn)子上均放置對稱三相繞組，其定子與普通交流電機定子相似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉(zhuǎn)子側(cè)既可以輸入電能也可以輸出電能。因采用交流勵磁，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵磁電流的頻率有關(guān)，從而使得雙饋發(fā)電機的內(nèi)部電磁關(guān)系既不同于感應電機又不同于同步電機。雙饋發(fā)電機在正常工作時，其定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)一個頻率、幅值、相位可調(diào)的三相變頻電源供電，如圖23。圖23中f．f2分別為雙饋發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子電壓和電流的頻率，n1為定子磁場的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，n2為轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，nr為雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。雙饋發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場在空間上保持相對靜止。當定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間上以ω1的速度旋轉(zhuǎn)時，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度ω2應為： （）其中，ωr為轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)角速度，s為雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。勵磁變壓器 f1原動機勵磁變流器 n1 f2 n2圖23 雙饋發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡圖按照通常轉(zhuǎn)差率的定義有： （）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度與s成正比。若雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和旋轉(zhuǎn)方向相同，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，那么二者的旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)ω=2πf 推出勵磁電流頻率和定子電流頻率之間存在如下關(guān)系： （）當雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，只要改變通入電機轉(zhuǎn)子里面勵磁電流的頻率f2就可以保持電機定子側(cè)頻率f1不變，即保持電機輸出電壓的頻率恒定；通過改變通入電機轉(zhuǎn)子里面勵磁電流的幅值、相位就可以改變定子側(cè)電壓幅值 [910]。 雙饋感應發(fā)電機功率流動特點電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置,各種電機中都存在一個機電耦合場氣隙磁場。對雙饋發(fā)電機來說,從轉(zhuǎn)子輸入的機械能,克服氣隙磁場中導體所受的電磁力而做功,使導體不斷地感應電勢,從而源源不斷地發(fā)出電能,實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)功率守恒，經(jīng)氣隙傳遞的電磁功率從定子方表示為： （）同時，也可以從轉(zhuǎn)子方的功率來表示: （）按照一般感應電機的分析方法，對R2和U2進行分解，可將上式改寫為： （）式中： ——勵磁系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)子的電功率； ——軸上機械功率。 當0s1時，軸上機械功率為負，表示它將消耗電磁功率并將其轉(zhuǎn)化機械功率從軸上輸出；當s0時，此項為正，表示它將把軸上的機械功率轉(zhuǎn)化為電磁功率。對于傳統(tǒng)感應發(fā)電機，電磁功率、總機械功率、轉(zhuǎn)子銅耗有如下關(guān)系： () 顯然式(29)對雙饋電機并不適合，但如果認為廣義銅耗為： () 則由式(210)可得： () 所以： () 由此可得雙饋發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輸入電機的功率： ()雙饋電機由于轉(zhuǎn)子側(cè)可以輸入(出)入交流電，因此它具有了與一般感應發(fā)電機和同步發(fā)電機不同的特點。一般感應電機在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時處于電動狀態(tài)，當轉(zhuǎn)子速高于同步轉(zhuǎn)速時處于發(fā)電狀態(tài)。而交流勵磁雙饋電機除具有上述兩種工作狀態(tài)以外，還具有另外兩種狀態(tài):即超同步電動工況和亞同步發(fā)電工況。在不同的工況運行時，具有不同的功率傳遞關(guān)系。忽略電機定轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵損耗及各種機械摩擦損耗等，只研究電磁功率Pem、機械功率Pmec=(1s)Pem和轉(zhuǎn)差功率Ps=sPem流向確定其運行狀態(tài)。(1) 轉(zhuǎn)子運行于亞同步速的電動狀態(tài)電磁功率Pem0，此功率的流動方向是從定子電源到電機；機械功率Pmec0，電機輸出給機械負載；轉(zhuǎn)差功率Ps0 這部分功率回饋給轉(zhuǎn)子外接電源，這種情況屬于電動運行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性轉(zhuǎn)矩。(2) 轉(zhuǎn)子運行于亞同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率Pem0，功率由電機回饋到定子電源；機械功率Pmec=(1s)Pem0，原動機輸入給電機；轉(zhuǎn)差功率Ps≥0，轉(zhuǎn)子外接電源輸入給電機，這種情況下電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩。(3) 轉(zhuǎn)子運行于超同步速的電動狀態(tài)電磁功率Pem0，功率由定子電源輸給電機；機械功率Pmec=(1s)Pem0，電機輸出給機械負載；轉(zhuǎn)差功率Ps≤0，轉(zhuǎn)子外接電源輸入電功率，這種情況屬于電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性轉(zhuǎn)矩。(4) 轉(zhuǎn)子運行于超同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率Pem0，功率由電機回饋給定子電源；機械功率Pmec=(1s)Pem0，由原動機輸入給電機；轉(zhuǎn)差功率Ps0，回饋給轉(zhuǎn)子外接電源的功率，這種情況下電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩[1115]。由以上分析可見，雙饋發(fā)電機可以運行于不同的工作狀態(tài)，對于風力發(fā)電中的雙饋電機來說，主要運行于亞同步速定子回饋制動和超同步速定子回饋制動狀態(tài)，其圖功率流動如圖24所示。當0s1，即亞同步速運行時，電磁功率分別由轉(zhuǎn)子勵磁電源和原動機提供，當s0時，即電機超同步速運行時，轉(zhuǎn)子勵磁電源不僅不發(fā)出功率，相反還要從原動機吸收一個轉(zhuǎn)差功率。但無論如何，轉(zhuǎn)子勵磁電源功率始終保持為轉(zhuǎn)差功率，這為勵磁電源設計提供了理論依據(jù)。風機變流器風機變流器 P1 P1 a）亞同步速發(fā)電工況 b）超同步速發(fā)電工況