交流励磁发电机变速恒频运行原理(升华版)

交流励磁发电机变速恒频运行原理
1.风力机最大风能捕获运行机理
风力是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性﹑爆发性﹑不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集﹑高效利用的问题。

由空气动力学原理，通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分，可用风能利用系数C p 来描述：
C p =P m / P w （Ⅰ—1）
其中：P m 为风力机吸收且输出的机械功率；P w 为通过浆叶输入风力机的功率。

故系数C p 反映了风力机吸收利用风能的效率。

风力机的风能利用系数C p 与风力机的一个重要运行参数叶尖速比λ密切相关，如图Ⅰ—1所示。

叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即
λ=R Ω/V=R2πn/(60V) （Ⅰ—2）
式中R 为叶轮的半径，Ω为叶轮旋转的角速度，n 为叶轮的转速，V 为风速。

风力机的风能利用系数C p 与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图Ⅰ—1所示。

从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比λm 下，风能利用系数才能达最大值C pmax ，即获得最大风能利用（捕获）。

风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为：
p m C SV P 32
1ρ= （Ⅰ—3） 式中ρ为空气密度，S 为风力机叶轮的扫掠面积， V 为风速。

对于一个确定的风力机，从不同的风速和转速查得对应的C p 值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机输出功率和风力机轴转速之间的关系曲线，如图Ⅰ—2所示。

可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点P max ，对应于图Ⅰ—1的最大风能利用系数C pmax 。

将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线P opt ，运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率输出P max
（Ⅰ—4）33'max m k n k P ω=
=图Ⅰ—1风力机的风能利用系数
式中n 为风力机轴转速，ωm 为风力机机械角速度。

由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。

风力机按浆叶节距角调节方式分定浆距和变浆距两种类型。

由于在极对数一定的情况下，若要输出电能频率恒定，必须要求发电机作恒速运行，这样定浆距风力机额定风速以下恒速运行时只有一个风速对应于C pmax 点，输出功率最大，其他风速下C p 值偏离最佳值。

即使利用双速风力发电机也只能捕获两个风速下的最大风能，输出最大功率，比如图Ⅰ—2中两个风速：V 1=6m/s ，V 2=8m/s 。

变浆距风力机在额定风速下可作变速运行，控制风力机的轴转速，使之始终跟踪最大风能曲线P opt ，从而在不断变化的风速下均能获得最大风能的捕获和利用，这就是风力机变浆距﹑变速运行的基本出发点。

随着风电机组单机容量的增大，运行成本已被提到重要的地位，追踪最大风能以提高发电效率的控制方式才是风力发电的最优发电方式。

2.风力机最大风能捕获运行机制
变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。

因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。

为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。

实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控制。

本研究中，风电机组转速的控制是通过调节发电机输出有功功率，从而调节发电机电磁阻转矩实现的。

交流励磁变速恒频发电方案中采用双馈异步发电机，由由双馈发电机的功率关系可知： 式中：P 1 ，P cu1, ，P fe1分别为发电机定子的输出功率，铜耗，铁耗；P e 为发电机电磁功率；
s 为发电机转差率；P M ，m
P '，P m 分别为发电机输入机械功率，机械损耗和吸收的净机械功率；P 2，2P '为发电机转子功率和转子损耗。

令上式中的P M = P max =K ω3m ，可得：
⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧'±=-=-'-=--=s P P P s P s P P P P P P P e m m M e fe cu e 2211111（Ⅰ—5） 图Ⅰ—2 风力机的能量曲线
在变速发电运行中，通过实时检测转速ωm ，按（Ⅰ—6）式计算出P 1作为发电机的有功功率指令P*，实现最大风能的追踪和捕获。

追踪最大风能的过程可由图Ⅰ—3定性地解释：假设原先在风速V 3下风力机稳定运行在P opt 曲线的A 点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡为P a ，风力机将稳定运行在转速ω1上。

如果某时刻风速升高至V 2，风力机运行至B 点，其输出功率由P a 突变至P b ，由于调节过程的滞后，发电机仍将暂时运行在A 点，此时发电机的输入功率大于输出功率，功率的失恒导致转速上升。

在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着B →C 和A →C 曲线增速。

到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的C 点时，功率将再一次达到平衡，转速稳定在对应于风速V 2的最佳转速ω2上。

同理也可以分析从风速V 1到V 2的逆调节过程。

3交流励磁变速恒频发电原理
变速恒频发电可采用两种形式。

一是使用传统直流励磁的同步发电机，在追踪最大风能捕获的变速运行中，发电机输出变频的交流电能，经过整流，得到直流形式的电能，再经过有源逆变，变为电网频率的恒频交流电能。

这种交—直—交变换形式的变速恒频发电方式需要采用发电机全额功率的变频装置，这对机组容量日益增加大的大型风力发电系统是难以实现的，因为变频装置成本高，制造困难。

另外一种方式是采用双馈型异步发电机，转子侧供以三相交流励磁。

发电机控制系统根据风力机的转速变化实时地调节转子励磁电流的频率，实现发电机定子侧电能的恒频输出。

作为发电机转子侧励磁电源的变频器的容量为发电机的转差功率，随发电机变速范围而定。

例如在同步速上﹑下30%范围变速恒频发电运行时，变频器功率容量为大约发电机额定容量的1/3。

由此可见，交流励磁应是变速恒频发电的优选方案。

交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图Ⅰ—4所示，发电机一般为三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率的变频器，实现交流励磁。

当风速变化引起发电机转速n 变化时，应控制转子电流的频率2f 使定子输出频率1f 恒定。

根据
21f pf f m ±= (Ⅰ—7)
关系，当发电机的转速n 低于气隙旋转磁场的转速1n 时，发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（Ⅰ—7）取正号；当发电机转速n 高于气隙旋转磁场的转速1n 时，发电机处于超同步速运行，式（Ⅰ—7）取负号；当发电机转速n 等于气隙旋转磁场的转速1n 时，发电机处于同步速运行，20f =，变频器应向转子提供直流励磁。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-'++=∆∆--=∆--=s P P P P P s k P s P P m
fe cu m 111113max 1ω(Ⅰ—6) 图Ⅰ—3
风力机的功率特性
在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能量流动关系：
式中mech P 为转子轴上输入的机械功率，2P 为转子励磁变频器输入的电功率，1P 为定子输出的电功率，1cu P 为定子绕组铜耗，2cu P 为转子绕组铜耗，s 为转差率。

等号左侧以输入功率为正，右侧以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为 21P sP ≈ 由式（Ⅰ—9）可知，当电机处于亚同步状态时，0s >，20P >，变频器向转子绕组输入电功率；当电机处于超同步状态时，0s <，20P <，变频器向转子绕组输入电功率。

综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和追踪最大风能的要求，电机转速在不断地变化，而且经常在同步速上、下波动，这就要求转子交流励磁电源不仅要有要良好的变频输入﹑输出特性，而且要有能量双向流动的能力。

4.交流励磁变速恒频发电运行实验
变速恒频发电实验在一台实验室3KW ﹑4极双馈异步发电机上进行，转子采用双PWM 变频器作交流励磁电源，分别进行了亚同步速（n=1200r/min ）﹑同步速（n=1500r/min ）及超同步速（n=1650r/min ）发电运行，图Ⅰ—5～图Ⅰ—7分别给出了变频器输出的交流励磁电流﹑励磁电压PWM 波形﹑发电机输出电压和电网的波形。

21122112()mech cu cu cu cu P P P P P P s P
P P +=++⎧⎨
=++⎩（Ⅰ—8） （Ⅰ—9
）
(a)n=1200r/min (a)n=1500r/min (a)n=1650r/min
图Ⅰ—5亚同步﹑同步和超同步速下发电机转子励磁电流
图Ⅰ—4交流励磁发电机
从实验波形可以看出，它们的频率关系符合交流励磁变速恒频发电理论。

(a)n=1200r/min (a)n=1500r/min (a)n=1650r/min 图Ⅰ—
6
亚同步﹑同步和超同步速下发电机转子励磁线电压PMW
波形 (a)n=1200r/min (a)n=1500r/min (a)n=1650r/min 图Ⅰ—7亚同步﹑同步和超同步速下发电机定子输出电压（上）和电网电压（下）。