交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)分析

黑龍江 賈魁

交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)分析

黑龍江 賈魁

風(fēng)力發(fā)電以其清潔、無污染、建設(shè)周期短、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為發(fā)展新能源和可再生綠色能源的重點(diǎn)領(lǐng)域。交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于其發(fā)電機(jī)能在一定的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)都可以對電網(wǎng)正常發(fā)電，在允許的風(fēng)速下可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最佳利用，因而目前在國內(nèi)、外已被廣泛研究，并在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方面具有較好的應(yīng)用前景。本文針對風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理，此外還分析了交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及其運(yùn)行原理。

功率調(diào)節(jié)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電磁轉(zhuǎn)矩；交流勵(lì)磁；變速恒頻

一、風(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)外的現(xiàn)狀

近年來，由于對能源的渴求，人們無節(jié)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(yán)重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗茉纯萁摺榇?，各國政府紛紛制定自己的能源政策和政府稅收補(bǔ)貼，從而使風(fēng)能、原子能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿饶茉吹拈_發(fā)利用得以迅速發(fā)展。特別是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)和尖端航天技術(shù)應(yīng)用于新型風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)研制，使風(fēng)電事業(yè)在短暫的一二十年的時(shí)間里，有了長足發(fā)展。中小型機(jī)組技術(shù)穩(wěn)定，裝機(jī)成本已趨合理，與此同時(shí)，許多發(fā)達(dá)國家廠商的大型機(jī)組已投放市場，尤其是一些兆瓦級的大型風(fēng)力機(jī)組研制試運(yùn)行成功，使風(fēng)力發(fā)電在公用電網(wǎng)中占有一席之地。

1.國際風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

自80年代中期以來，風(fēng)力發(fā)電步伐越來越快，其主要發(fā)展趨勢是：（1）為了充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢，盡量降低發(fā)電成本，在中型機(jī)、小型機(jī)成熟的基礎(chǔ)上，向大型、巨型機(jī)發(fā)展。（2）大力發(fā)展風(fēng)電場，增加裝機(jī)容量，在研制大型風(fēng)力機(jī)的同時(shí)，風(fēng)電場也獲得巨大的發(fā)展。（3）風(fēng)電成本逐漸下降，具有與常規(guī)能源競爭的優(yōu)勢。（4）高科技越來越多地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，提高了風(fēng)力發(fā)電的可靠性和發(fā)電效率，如微機(jī)控制技術(shù)、風(fēng)力/柴油并網(wǎng)技術(shù)、電力電子儲(chǔ)能技術(shù)和交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，大大提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和發(fā)電效率。

2.國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，目前大多數(shù)的發(fā)電站是用傳統(tǒng)的能源進(jìn)行發(fā)電，這不僅對環(huán)境造成了污染，而且引起了我國的能源危機(jī)，使我國能源問題面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。國內(nèi)對雙饋發(fā)電機(jī)的研究始于八十年代中期。其中:華北電力大學(xué)王仁洲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，開展了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制的研究，受到了國家自然科學(xué)基金的資助；研制了100MW雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)物理模型；進(jìn)行了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本方程及其暫、穩(wěn)態(tài)特性的分析；研究了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)同頻異步穩(wěn)定運(yùn)行的物理特性。我國能自主生產(chǎn)并已產(chǎn)業(yè)化的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為600kW－750kW，1.5MW以上的雙饋電機(jī)還沒有完全產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)國內(nèi)巨大的風(fēng)電開發(fā)前景形成了對兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的巨大市場需求，因此，對兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究依然迫切而必要。

3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和發(fā)電機(jī)的變速恒頻發(fā)電技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)。功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式：一類是定漿距失速控制；另一類是變漿距控制。

并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)主要有兩類：恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組技術(shù)和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率，最大限度的利用風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。

二、交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝勵(lì)磁繞組，采用直流勵(lì)磁；傳統(tǒng)的異步電機(jī)沒有專門的勵(lì)磁繞組，其磁場由定子勵(lì)磁電流建立。而雙饋發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，都參與勵(lì)磁，它兼有異步電機(jī)和同步電機(jī)的特點(diǎn)，如果從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否和同步轉(zhuǎn)速一致來看，雙饋發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)被稱為異步發(fā)電機(jī)，所以雙饋發(fā)電機(jī)可以稱為交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，或稱為同步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，又可以稱為異步化同步發(fā)電機(jī)。確切地說，它是具有同步發(fā)電機(jī)特性的交流勵(lì)磁雙饋異步發(fā)電機(jī)。但和普通的交流電機(jī)相比，它有許多自身的特點(diǎn)。

因此，目前在兆瓦級變速恒頻風(fēng)電機(jī)組中，交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

2.運(yùn)行原理

在不同風(fēng)速下，交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如下：

①當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，即0＜s＜1，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器向電網(wǎng)吸收電能，電機(jī)處于亞同步轉(zhuǎn)速；

②當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，即s＜0，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器向電網(wǎng)送出電能，電機(jī)處于超同步轉(zhuǎn)速；

③當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，即s=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于同步轉(zhuǎn)速。

在變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組中，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n也相應(yīng)變化，由計(jì)算得知只要相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率就可以使定、轉(zhuǎn)子磁場保持相對靜止，而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，也就可以保持雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子恒頻發(fā)電。

三、雙饋交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上采用三相對稱分布的勵(lì)磁繞組，對稱交流勵(lì)磁，且勵(lì)磁電壓的大小、頻率、相位、相序都可以控制。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子通過變壓器直接和電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過變流器和變壓器再和電網(wǎng)相連。由于其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組為多相對稱繞組，且勵(lì)磁電壓為相位、幅值、頻率可變的對稱交流電，可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓幅值、頻率、相位來控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場大小、相對轉(zhuǎn)子本體的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制自由度的增加，使得交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)具備其優(yōu)良特性:良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力；獨(dú)立的有功、無功調(diào)節(jié)能力；較強(qiáng)的進(jìn)相運(yùn)行能力。

四、總結(jié)

本文主要是對變速恒頻兆瓦級交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，并對交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)的有機(jī)結(jié)合做鋪墊。但由于時(shí)間倉促，作者在敘述中，沒有對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)研究分析，對于兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)還有很多內(nèi)容需要深入探討。

[1]楊元侃，顧鑫，惠晶.變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制系統(tǒng).電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(7)：27～30.

[2]盛福厚，仲崇申，白玉明.55kW風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).山東大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，21(3)：74～76.

[3]計(jì)宗燮.并網(wǎng)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和節(jié)能的關(guān)系.機(jī)電工程，1998，2：55～56.

[4]劉其輝，賀益康，張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(2):40～41.

[5]湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6]楊強(qiáng)，黃守道，高劍.兆瓦級交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)研究.大電機(jī)技術(shù)，2006：24～28.

[7]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)（第二版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（作者單位：哈爾濱勞動(dòng)技師學(xué)院）

（編輯 王旸）