交流勵磁雙饋風力發電機的設計分析

黑龍江 賈魁

交流勵磁雙饋風力發電機的設計分析

黑龍江 賈魁

風力發電以其清潔、無污染、建設周期短、運營成本低等優點，現已成為發展新能源和可再生綠色能源的重點領域。交流勵磁雙饋風力發電機系統由于其發電機能在一定的轉差范圍內都可以對電網正常發電，在允許的風速下可實現對風能的最佳利用，因而目前在國內、外已被廣泛研究，并在變速恒頻風力發電方面具有較好的應用前景。本文針對風力機的結構和特點，分析了風力機的運行原理，此外還分析了交流勵磁雙饋風力發電機的特點及其運行原理。

功率調節；風力發電機；電磁轉矩；交流勵磁；變速恒頻

一、風力發電在國內外的現狀

近年來，由于對能源的渴求，人們無節制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋藏在地層深處的維系人類生存的“能源食糧”，不僅嚴重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環境，而且帶來了更可怕的惡果——能源枯竭。為此，各國政府紛紛制定自己的能源政策和政府稅收補貼，從而使風能、原子能、太陽能、潮汐能、地熱能等能源的開發利用得以迅速發展。特別是現代科學技術的迅速發展，空氣動力學和尖端航天技術應用于新型風電機組的開發研制，使風電事業在短暫的一二十年的時間里，有了長足發展。中小型機組技術穩定，裝機成本已趨合理，與此同時，許多發達國家廠商的大型機組已投放市場，尤其是一些兆瓦級的大型風力機組研制試運行成功，使風力發電在公用電網中占有一席之地。

1.國際風電發展現狀

自80年代中期以來，風力發電步伐越來越快，其主要發展趨勢是：（1）為了充分發揮風力發電的優勢，盡量降低發電成本，在中型機、小型機成熟的基礎上，向大型、巨型機發展。（2）大力發展風電場，增加裝機容量，在研制大型風力機的同時，風電場也獲得巨大的發展。（3）風電成本逐漸下降，具有與常規能源競爭的優勢。（4）高科技越來越多地應用于風力發電，提高了風力發電的可靠性和發電效率，如微機控制技術、風力/柴油并網技術、電力電子儲能技術和交流勵磁發電機的應用，大大提高了風力發電系統的可靠性、穩定性和發電效率。

2.國內風電發展現狀

在我國，目前大多數的發電站是用傳統的能源進行發電，這不僅對環境造成了污染，而且引起了我國的能源危機，使我國能源問題面臨嚴峻的挑戰。國內對雙饋發電機的研究始于八十年代中期。其中:華北電力大學王仁洲教授領導的課題組，開展了雙軸勵磁發電機及其勵磁控制的研究，受到了國家自然科學基金的資助；研制了100MW雙軸勵磁同步發電機的動態物理模型；進行了雙軸勵磁發電機的基本方程及其暫、穩態特性的分析；研究了雙軸勵磁發電機同頻異步穩定運行的物理特性。我國能自主生產并已產業化的雙饋風力發電機單機容量為600kW－750kW，1.5MW以上的雙饋電機還沒有完全產業化，同時國內巨大的風電開發前景形成了對兆瓦級雙饋風力發電機的巨大市場需求，因此，對兆瓦級雙饋風力發電機進行研究依然迫切而必要。

3.風力發電機組技術

風力發電系統的兩個主要部件是風力機和發電機，而風力機的變槳距功率調節技術和發電機的變速恒頻發電技術是風力發電技術發展的必然趨勢，也是風力發電中的關鍵核心技術。功率調節是風力機的關鍵技術之一，目前投入運行的機組主要有兩類功率調節方式：一類是定漿距失速控制；另一類是變漿距控制。

并網型風電機組技術主要有兩類：恒速恒頻風電機組技術和變速恒頻風電機組技術。恒速運行的風力機轉速不變，而風速經常變化，使風力機常常運行于低效狀態。從風力機的運行原理可知，這就要求風力機的轉速正比于風速并保持一個恒定的最佳葉尖速比，從而使風力機的風能利用系數保持最大值不變，風力發電機組輸出最大的功率，最大限度的利用風能，提高了風力機的運行效率。

二、交流勵磁雙饋風力發電機結構及原理

1.系統結構

傳統的同步電機轉子安裝勵磁繞組，采用直流勵磁；傳統的異步電機沒有專門的勵磁繞組，其磁場由定子勵磁電流建立。而雙饋發電機的定、轉子均為三相對稱繞組，都參與勵磁，它兼有異步電機和同步電機的特點，如果從發電機轉速是否和同步轉速一致來看，雙饋發電機應當被稱為異步發電機，所以雙饋發電機可以稱為交流勵磁同步發電機，或稱為同步感應發電機，又可以稱為異步化同步發電機。確切地說，它是具有同步發電機特性的交流勵磁雙饋異步發電機。但和普通的交流電機相比，它有許多自身的特點。

因此，目前在兆瓦級變速恒頻風電機組中，交流勵磁雙饋風力發電機應用最為廣泛。

2.運行原理

在不同風速下，交流勵磁雙饋風力發電機的運行狀態如下：

①當發電機轉子轉速低于同步轉速時，即0＜s＜1，轉子繞組通過變頻器向電網吸收電能，電機處于亞同步轉速；

②當發電機轉子轉速高于同步轉速時，即s＜0，轉子繞組通過變頻器向電網送出電能，電機處于超同步轉速；

③當發電機轉子轉速等于同步轉速時，即s=0，變流器向轉子提供直流勵磁，此時發電機處于同步轉速。

在變速恒頻雙饋發電機組中，當風速變化時，雙饋發電機的轉速n也相應變化，由計算得知只要相應地改變轉子勵磁電流的頻率就可以使定、轉子磁場保持相對靜止，而產生恒定的電磁轉矩進行機電能量轉換，也就可以保持雙饋風力發電機定子恒頻發電。

三、雙饋交流勵磁發電機的電磁設計特點

交流勵磁風力發電機轉子上采用三相對稱分布的勵磁繞組，對稱交流勵磁，且勵磁電壓的大小、頻率、相位、相序都可以控制。雙饋式風力發電機定子通過變壓器直接和電網相連，轉子通過變流器和變壓器再和電網相連。由于其轉子勵磁繞組為多相對稱繞組，且勵磁電壓為相位、幅值、頻率可變的對稱交流電，可通過調節勵磁電壓幅值、頻率、相位來控制發電機勵磁磁場大小、相對轉子本體的位置和電機的轉速，由于交流勵磁發電機勵磁控制自由度的增加，使得交流勵磁風力發電機具備其優良特性:良好的穩定性及轉速適應能力；獨立的有功、無功調節能力；較強的進相運行能力。

四、總結

本文主要是對變速恒頻兆瓦級交流勵磁雙饋發電機的電磁設計提供了理論基礎，并對交流勵磁雙饋風力發電機電磁設計與計算機的有機結合做鋪墊。但由于時間倉促，作者在敘述中，沒有對雙饋風力發電機的計算進行詳細研究分析，對于兆瓦級雙饋風力發電機還有很多內容需要深入探討。

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（作者單位：哈爾濱勞動技師學院）

（編輯 王旸）