雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.、八、-一刖言風(fēng)力發(fā)電作為清潔、豐富、可再生能源，日益受到全世界廣泛重視，特別是 在近年得到了迅猛開展。當(dāng)風(fēng)流過風(fēng)力機(jī)葉片，帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)又拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 采用雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)相比具有顯著優(yōu)勢：風(fēng)能利用系數(shù)高，不但能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能 量波動(dòng)且防止主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力， 還可以自由調(diào)整有功和無 功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和電壓的方便調(diào)節(jié)等。目前，雙饋 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。二 雙饋繞線型異步風(fēng)

2、力發(fā)電系統(tǒng)的組成變速恒頻VSCF(Variable Speed Constant Frequenc雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速齒輪箱、雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)DFIG(Doubly-fedIn duction Gen erator)、雙向變頻器和控制單元等組成。雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組接工 頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接“交一交、“交一直一交或“矩陣式雙向變頻器，該 變頻器可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制?？刂葡到y(tǒng)采用 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation和絕緣柵雙極晶 體管控制技術(shù)IGBT(Insulated Gate

3、 Bipolar Transisto,可四象限運(yùn)行，變速運(yùn)行圍 一般在同步轉(zhuǎn)速的土 35 %左右。三實(shí)現(xiàn)變速恒頻的兩種根本方式實(shí)現(xiàn)變速恒頻的根本方式一般有兩種：一種是采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā) 電機(jī)(以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)，另一種是采用交流勵(lì)磁的同步化雙饋繞線型異步 發(fā)電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī) (以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)時(shí)，變頻器設(shè)置 在發(fā)電機(jī)定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻交流電，經(jīng)整流和逆變，最終轉(zhuǎn)換成恒頻電源再并網(wǎng)發(fā)電， 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造如圖1(永磁半直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)須在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加增速齒輪箱)：圖1永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造圖采用傳

4、統(tǒng)直流電勵(lì)磁或永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 由于采用同步電機(jī)，控制回路少，控制比擬簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，維護(hù) 費(fèi)用低；(2) 省去了增速用齒輪箱或僅需一級(jí)低速齒輪箱；(3) 永磁同步發(fā)電機(jī)無需集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，維護(hù)更加方便。其主要缺點(diǎn)如下：(1) 需要對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的全部功率進(jìn)展變頻控制，故需配備全功率變頻器， 變頻器本錢較高，控制系統(tǒng)體積龐大；(2) 永磁發(fā)電機(jī)使用高導(dǎo)磁率的釹鐵硼和釤鉆等，這些磁性材料價(jià)格很高；(3) 永磁發(fā)電機(jī)功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來進(jìn)展補(bǔ)償；(4) 要求永磁材料具有很高的穩(wěn)定性，而高溫以及電樞反響等原因可能導(dǎo)致 永磁材料失磁。當(dāng)系統(tǒng)采用交流勵(lì)磁的

5、同步化雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)時(shí)，變頻器設(shè)置在轉(zhuǎn)子側(cè),變速恒頻雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造如圖 2:圖2變速恒頻雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造圖采用雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 因變頻器僅需對(duì)轉(zhuǎn)子功率進(jìn)展變頻控制，而轉(zhuǎn)子功率約為總功率的20 % 30 %，故變頻器功率小，變頻損耗小，變頻器本錢低，控制系統(tǒng)體積小；(2) 變頻控制靈活，具有良好的調(diào)節(jié)特性：通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅 值和相序，可以較為方便、平滑地控制發(fā)電機(jī)有功、無功、功率因數(shù)等，使其具 有良好的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制；(3) 良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力：在定子電源頻率一定時(shí)

6、，通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁 頻率就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速既可高于同步轉(zhuǎn)速， 也可低于 同步轉(zhuǎn)速，有利于系統(tǒng)最大限度捕獲風(fēng)能。其主要缺點(diǎn)如下：(1) 需要采用雙向變頻器，變速恒頻控制回路多，控制技術(shù)復(fù)雜，維護(hù)本錢高；(2) 發(fā)電機(jī)需安裝集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，且須定期維護(hù)、檢修或更換。四 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻控制的根本原理VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙向變頻器和控制 器組成。雙饋發(fā)電機(jī)可在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行， 其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)恼{(diào) 整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最正確狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載和 轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流，不僅能保持

7、定子輸出的電壓和頻率不 變，而且還能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。雙饋異步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造類似繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組 由一臺(tái)頻率、電壓可調(diào)的低頻電源一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供應(yīng) 三相低頻電流，下面給出這種系統(tǒng)的原理框圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時(shí)， 在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n2與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速n 相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速n 1，即電山仏和也加*ua從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)與同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。HE変濃悟籟鳳力發(fā)電系統(tǒng)原理塩幗 Fi*l Block diA£run of VS('H wind powrr gro

8、mbon 由上面轉(zhuǎn)速關(guān)系可以推出風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系，即治pH俶土&（1）式中 卄、f2、門和p分別為定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)。因定子與電網(wǎng)相連，故定子頻 率即為電網(wǎng)頻率；當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之而變化。由式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)調(diào)節(jié)f2- X '相應(yīng)變化，可使fl保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻VSCF控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處 于亞同步速運(yùn)行時(shí)，式（1）取正號(hào)；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行時(shí)，式 （1）取 負(fù)號(hào)；同步速運(yùn)行時(shí)，f2=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流。五雙饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子

9、、轉(zhuǎn)子功率流向?qū)τ陔p饋繞線型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 在忽略定子和轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗等各種損耗，且定子取發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子取電動(dòng)機(jī)慣例情況下：Pem1 = Pem2 + PmechPem1 發(fā)電機(jī)定子電磁功率Pem2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁功率Pmech發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸入的總機(jī)械功率發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2=SX Pem1轉(zhuǎn)差率 S= （n N-n）/nNnN發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速由于Pmech=Pem1-Pem2=（1-S）X Pem1，可見當(dāng)0< S< 1，即發(fā)電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速（亞同步轉(zhuǎn)速）運(yùn)行時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)子電磁功率 Pem2>0，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸入的總機(jī)械 功率Pmech< Pe

10、m1，這說明定子電磁功率分別由轉(zhuǎn)子和風(fēng)力機(jī)提供，此時(shí)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收功率。S=0, f2=0時(shí)，變頻器將向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)該異步發(fā)電 機(jī)作為同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速 “n。而當(dāng)s<0，即發(fā)電機(jī)高于同步轉(zhuǎn)速 （超同步轉(zhuǎn)速）運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電磁功率Pem2<0, Pmech>Pem1,這說明轉(zhuǎn)子從風(fēng)力機(jī)吸收一個(gè)轉(zhuǎn)差功率sx Pem1回饋電網(wǎng)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)供應(yīng)發(fā)電機(jī)的總功率增加至(1+|S|) x Peml。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向如圖 3所示：I JV亞同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行圖3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向圖通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子頻率、轉(zhuǎn)子電壓幅值以及定、轉(zhuǎn)子電壓的相位角，可以平滑地調(diào)節(jié) 雙饋發(fā)電機(jī)的無功功率和功率因數(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)變頻 器等使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最正確轉(zhuǎn)速狀態(tài)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率流向具有如下特點(diǎn)：(1) 當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓較小時(shí)發(fā)電機(jī)欠勵(lì)，定子從電網(wǎng)吸收感性無功功率；當(dāng)勵(lì)磁電壓增加到某值時(shí)，定子側(cè)無功功率為零，此時(shí)發(fā)電機(jī)所需的無功功率全部 由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)供應(yīng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓較大時(shí)發(fā)電機(jī)過勵(lì)， 定子從電網(wǎng)吸收容性 無功功率。(2) 當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電壓的相位角和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓保持不變時(shí)