請問雙饋式異步發(fā)電機的工作原理

【專家解說】：雙饋電機的原理 目前的風電機組多采用恒速恒頻系統(tǒng)，發(fā)電機多采用同步電機或異步感應電機。在風電機組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調(diào)速，因為電網(wǎng)頻率將強迫控制風輪的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉(zhuǎn)速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機都可以在不同的風速下運行，其轉(zhuǎn)速可隨風速變化做相應的調(diào)整，使風力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，機組效率提高。同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (1) 雙饋電機的工作特性 雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。 當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率為f1(f1=p?n1/60)的三相電源供電時，由于電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n＝(l-s)n1(s為轉(zhuǎn)差率，n1為氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步速率)。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的機電能量轉(zhuǎn)換，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場應保持相對靜止，即應滿足: ωr＝ω1-ω2 其中:ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率; ω1是定子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率; ω2是轉(zhuǎn)子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率。 由此可得轉(zhuǎn)子供電頻率f2＝s?f1，此時定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速n1旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止。 與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調(diào)量有三個:一是與同步電機一樣，可以調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位，可達到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的。而同步電機的可調(diào)量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調(diào)節(jié)同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調(diào)節(jié)電流幅值外，亦可以調(diào)節(jié)其相位，當轉(zhuǎn)子電流的相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。一般來說，當電機吸收電網(wǎng)的無功功率時，往往功率角變大，使電機的穩(wěn)定性下降。而雙饋電機卻可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩(wěn)定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負荷下降，電網(wǎng)電壓過高的困難。與之相比，異步發(fā)電機卻因需從電網(wǎng)吸收無功的勵磁電流，與電網(wǎng)并列運行后，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優(yōu)越的運行性能。 (2) 風力發(fā)電中雙饋電機的控制 在風力發(fā)電中，由于風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風力發(fā)電技術(shù)，提高風力發(fā)電機組的效率，最充分地利用風能資源，有著十分重要的意義。任何一個風力發(fā)電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機。其中，作為原動機的風力機，其效率在很大程度上決定了整個風力發(fā)電機組的效率，而風力機的效率又在很大程度上取決于其負荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個風力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過載或久載的狀態(tài)下，都會損失其效率。從風力機的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比λ，對應一個最佳的效率。所以風力發(fā)電機的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網(wǎng)對有功功率和無功功率的要求，所以風力機最佳工況時的轉(zhuǎn)速應由其氣動曲線及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調(diào)整，依靠轉(zhuǎn)子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制。可以改變雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。圖2是按這種控制思路得出的風力發(fā)電雙饋電機控制系統(tǒng)框圖。 整個控制系統(tǒng)可分為三個單元:轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元、電壓調(diào)整單元(無功功率調(diào)整)。它們分別接受風速和轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風時，機組并網(wǎng)發(fā)電;無風時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補償裝置。 (3) 雙饋風力發(fā)電機組應用前景廣闊 綜上所述，將雙饋電機應用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉(zhuǎn)速不可調(diào)、機組效率低等問題。另外，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高發(fā)電質(zhì)量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，還有變頻裝置容量小(一般為發(fā)電機額定容量的10～20%)、重量輕的優(yōu)點，更適合于風力發(fā)電機組使用，同時也降低了造價。 將雙饋電機應用于風力發(fā)電的設想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現(xiàn)有的風力發(fā)電技術(shù)相比，無論從經(jīng)濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優(yōu)勢，具有很強的競爭力，有利于風電機組國產(chǎn)化的進程，其發(fā)展前景十分廣闊。一般多應用于1.5mw雙饋異步發(fā)電機。