双馈异步发电机(金风)全解

(3) 同步运行区: 此种状态下n = n1 ,滑差频率f 2 = 0 ,这表明此时通入 转子绕组的电流的频率为0 ,也即是直流电流,因此与普通 同步发电机一样。 此时, S = 0 , Pem = Pmec ,机械能全部转化为电能并 通过定子绕组馈入电网,转子绕组仅提供电机励磁。
与基本恒速运行的风力发电机组相比较,双馈异步风力发电机组 有以下主要特点: (1) 发电机可以在超同步和亚同步速广泛区域内运行,而且功 率因数可以调节,整个系统具有较好的特性。
双馈发电机介绍
工作原理
双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接入 两个独立的三相对称电源,定子绕组接入工频电源,转子绕 组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流 电源,即采用交～直～交或交～交变频器给转子绕组供电 的结构,如图所示。 其中,转子外加电压的频率在任何情况下必须与转子 感应电动势的频率保持一致,当改变转子外加电压的幅值 和相位时即可以改变电机的转速及定子的功率因数。
变频器容量的选择
根据实际风速的要求和风力发电机转速范围较窄的 特点,电机转速一般为(0.7-1.3) 倍额定转速,即电机转差功 率在±35 % Pem之间。转差功率大小决定了变频器容量的 大小,因此,双馈异步风力发电机变频器容量仅为发电机功 率的1/4～1/3。
适用范围
• • • • 由于风力机及电机本身的结构特点,双馈风力发电机适用 范围一般选定在下述范围内: 功 率:300～3000kW 电 压:400～690V(常用) 功率因数:0.9 (滞后) ～0.9 (超前) 转差率: ±25 %(最大±35 %)
(2) 超同步发电区( S < 0) :在此种状态下转子转速n > n1 同步 转速,改变通入转子绕组的频率为f 2 的电流相序,则其所产 生的旋转磁场转速n2 的转向与转子的转向相反,因此有n n2 = n1 。为了实现n2反向,在由亚同步运行转向超同步 运行时,转子三相绕组必须能自动改变其向序;反之,也是一 样。此时的电磁功率Pem < 0 ,由电机定子绕组馈入电网； 转差功率PS > 0 ,由转子绕组经变频器将其馈入电网,电机 实际发电功率为(1 + | S| ) Pem ,如图。
• 双馈风力发电机的功率传递关系如下: (1) 亚同步发电区(1 > S > 0) :在此种状态下转子转速n < n1 同 步转速,由滑差频率为f 2 的电流产生的旋转磁场转速n2 与 转子的转速方向相同,因此n + n2= n1 。此时的电磁功率 Pem < 0 ,由电机定子绕组馈入电网；转差功率Ps < 0 ,由电 网通过变频器提供给转子绕组,电机实际发电功率为(1 - S) Pem ,如图。
• (3) 并网运行时发电机和风力机的功率特性可获得最佳匹 配。图为不同风速时风力机输出机械功率与转速的关系曲 线。
•
曲线Pm ( n) 是各风速下功率曲线顶点连线,即为风力 机在各种风速下的最大功率输出曲线。 • 可以看出, Pm ( n) 近似与转速的三次方成正比例。采 用双馈风力发电系统时,通过控制转子励磁电压(或电流) 的频率、幅值、相位和相序,使发电机的功率特性按图中 Pem ( n) 曲线变化,从而实现了在多种风速下发电机与风 力机功率特性的最佳匹配,使风力发电系统获得最大风能 利用率。
Байду номын сангаас •
因此,若设n1 为对应于电网频率为50Hz ( f 1 =50Hz) 时异步发电机的同步转速（磁场的转速）, 而n 为异步电机转子本身的旋转速度,则只要维持 n + n2 = n1 为常数,则异步电机定子绕组的感应电 势的频率始终维持为f 1 不变。 f 2 = p ( n1 - n) / 60 = pn1/ 60 ×( n1 - n) / n1 = sf 1 。 • 可见,在异步电机转子以变化的转速转动时, 只要在转子绕组中通入滑差频率( sf 1) 的电流,则 在异步电机的定子绕组中就能产生50Hz 的恒频 电势。
当在转子绕组中串入频率与其感应电势的频率相同、 相位与幅值可调电压Û2 后,通过改变串入电压Û2 与转子 电动势相角关系及其幅值大小,即可将异步发电机调整为 超同步发电机、亚同步发电机、同步发电机三种状态。其 中,适当调整转子外加电压Û2 与E2S 的相位关系时可提高 电机的功率因数、改善电网特性。
(2) 通过调节转子电压的频率、幅值、相位等实现系统的变 速恒频功能。
由电机学原理可知,异步电机频率具有下述关系: f 1 = f m ±f R (超同步时取- ,亚同步时取+ ) ; f 1 —定子电压频率; f m —主轴传动的机械频率; f R —电机工作的转差频率。 当转子旋转速度变化时,只要相应地改变转子磁势的 频率,即可使定子频率为一常数,实现变速恒频功能。
系统原理图
如果在三相对称绕组中通入三相对称交流电,则将在电机 气隙内产生旋转磁场。 此旋转磁场的转速与所通入的交流电频率f 2 及电机的极 对数p 有关,即n2 = 60f 2/ p。 式中: n2 为绕线转子三相对称绕组通入频率为f 2 的三相 对称电流后所产生的旋转磁场, 相对于转子本身的旋转速度。 从上式可知,改变频率f 2 , 即可改变n2 。 若改变通入转子三相电流的相序, 还可以改变转子旋转 磁场的方向。
双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研究热 点之一,我国已有部分地区的风力发电场开始使用这种风 力机系统。相对于传统的恒速风力机,其性能优势体现在: (1) 控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功 率和无功功率,参与系统的无功调节,提高系统的稳定性; (2) 不需要无功补偿装置;
(3) 可以追踪最大风能 ,提高风能利用率;
(4) 降低输出功率的波动和机组的机械应力;
(5) 在转子侧控制功率因数,可提高电能质量,实现安全、便捷 并网; ( 6) 其变频器容量仅占风力机额定容量的25%左右,与其他全 功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。 因此,目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控 制的双馈式风力机,但其主要缺点在于控制方式相对复杂, 机组价格昂贵。