变速恒频双馈风力发电机的主要优点和基本原理

变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究

变速恒频发电技术

变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。

目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。

变速恒频双馈风力发电机基本原理

双馈电机的结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特性。

当电机定子对称三相绕组由频率1f 的电网供电时，气隙中基波旋转磁场的同步转速为1n ，满足60/11n n f p =。转子由原动机带动以转速r n 旋转，而在转子对称三相绕组中施以频率为1sf （s 为转差率）的变频电源，在转子中产生三相对称电流，它们产生的基波旋转磁势2F 相对于转子而言以转差速度1sn 旋转，相对于定子以同步转速旋转。转子磁势在气隙中建立的基波旋转磁场，在定子绕组中产生感应电势（频率为1f ），该电势与外加至定子绕组中的电源电压共同作用形成三相对称电流，由此产生的定子基波磁势1F 同样以同步转速旋转。定转子磁势相对静止，在气隙中形成合成磁势m F ，该磁势在气隙中产生合成磁场m ψ，分

别与定转子绕组交链，在绕组中分别感应电势1E 、2E （频率为1

sf ）。 实质上，双馈电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的区别在于普通异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，由转子短路条感应电势的频率决定，与转差率有关，转子电流本身的频率不能自主地、人为地调整。而双馈电机转子绕组的频率由外加交流励磁电源供电，其频率可以随之变化调节。因此，双馈电机既具有异步电机的工作原理，又具有同步电机的工作特性，是一种具有同步特性的特殊的异步电机。

双馈电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定：(1)只考虑定转子电流的基波分量，忽略谐波分量。(2)只考虑定转子空间磁势基波分量。(3)忽略磁滞、涡流损耗和铁耗。(4)变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源，不计其阻抗与损耗。定子方正方向按发电机惯例定义，转子方正方向按电动机惯例定

义。与分析感应电机的方法类似，根据磁势与电势平衡原则，将转子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如下：

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==+=++=+-=m

m m x I j E E E I I I jx s r I E s V jx r I E V 121122222211111)()( 式中，1V 为定子电压，1I 为定子电流，1

r 为定子电阻，1x 为定子漏抗，2V 为折算后的转子电压，2I 为折算后的转子电流，2r 为折算后的转子电阻，2x 为折算后的转子漏抗，m I 为激磁电流，m r 为激磁电阻，m x 为激磁电抗，s 为转差率，1E 、2E 为感应电势。另外，由于m m x r <<，故忽略m

r 。 对于发电机，若轴上输入的机械功率为m P ，根据能量守恒原理，有： em em m P sP P =+

于是

em m P s P )1(-=

))](([sin )1(3))]()(([cos )1(3)()1(321212121211221221122

22x x x x x s r r sD x V V s x x r x x s

r sD x V V s s r V r s V D x s P m m m m m m m +++-++-+-+--=αα则电磁转矩可表示为：

Ω

==Ω=m m em em P T P T 1 式中，Ω为转子机械角速度，)1(1s -Ω=Ω。

由机械功率表达式可导出电磁转矩表达式，它由三个分量组成，即：

321T T T T em ++=

式中，

s

V D T m 221113ω-= 1222

1223r s

V D x T m ω= ))]((sin ))]()(([cos 321212*********x x x x x s r r x x r x x s r sD x V V T m m m m +++++-+=ααω 可见，1T 为一感应转矩。当s 一定时，1T 由定子电压的幅值大小确定。1

0<T 为制动转矩，也就是说其转矩性质视s 的正负而定。2T 恒为制动转矩。当s 一定时，2T 由转子电源电压的幅值大小确定。3T 是由定转子磁场相互作用产生的，可看作同步转矩，其值可正可负。因此，在一般情况下，双馈电机的电磁功率和电磁转矩不但与转差率s 有关，还与定转子电压幅值以及它们之间的相位差角α有关，这是从双馈电机整个外部特性来考虑问题的，将其看作只受定转子方两个外加电压源作用。

由于转子绕组始终可以看作受两个频率都是转差频率的电压源作用，一个是

转子感应电势20E s （20

2E s E =，20E 为转子静止时，转子开路感应电势），另一个是转子绕组外加电压2

V 。因此，不妨换个角度，从电机的转子方来考虑电磁功率和电磁转矩。定义转子绕组外加电压2

V 与转子感应电势20E s 之间的夹角为δ，定转子方功率因数角分别为1ϕ和2ϕ，则由等值电路可得：

111I Z Z Z V I m

m m += ])()[(12121122I Z Z Z Z Z Z V Z Z s V m

m m ++++= 222

20)(222222ϕϕδj j e Z sE e Z s V Z E s V I ---=-= 将上式用Euler 公式展开后取实部和虚部，并分别定义转子电流的有功分量为p I 2、无功分量为q I 2，则有：