淺談雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)
2012-12-31 00:00:00劉鑫尚
中小企業(yè)管理與科技·上旬刊 2012年8期
摘要：隨著全球能源危機(jī)的不斷加重和環(huán)境的嚴(yán)重污染，風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)也已成為風(fēng)力發(fā)電裝備重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。本文主要分析了雙饋式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制方法。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 控制
1 雙饋式發(fā)電機(jī)的組成和原理
1.1 結(jié)構(gòu)：雙饋式發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和異步發(fā)電機(jī)的相同，轉(zhuǎn)子上帶有滑環(huán)和電刷。雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出定子繞組與電網(wǎng)直接相連，而轉(zhuǎn)子繞組則是通過(guò)可逆變流器與電網(wǎng)相連[1][2]。
1.2 基本原理：雙饋式電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變化而頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定轉(zhuǎn)子電流頻率之間的關(guān)系為表示為：
f1=(pn/60)±f2 式1
式中：f1為定子電流頻率，單位為Hz；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率，單位為Hz；p為發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
由上式可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)f2來(lái)維持f1不變，來(lái)保證與電網(wǎng)頻率相同，實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。
根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同，雙饋式發(fā)電機(jī)可以有三種運(yùn)行狀態(tài)，如圖2-3所示，圖中：P2為發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率；Pem為轉(zhuǎn)子傳遞到定子上的電磁功率；sPem為轉(zhuǎn)子輸入/出的有功功率；（1±|s|）Pem為定子繞組輸出的有功功率。
①亞同步運(yùn)行狀態(tài)：此時(shí)n
②超同步運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)運(yùn)行于該狀態(tài)時(shí)，n>n1，轉(zhuǎn)差s<0，式子1取“-”，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的向速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，功率流動(dòng)方如圖2（b）所示，從圖中可以看出，P2=Pem，由于此時(shí)s<0，所以sPem<0，故轉(zhuǎn)子回路會(huì)通過(guò)變流器向電網(wǎng)回饋電能，定子繞組輸出的電能為(1+|s|) Pem，大于轉(zhuǎn)子傳遞到定子的電能Pem，這也是雙饋式發(fā)電機(jī)的重要特點(diǎn)。
③同步運(yùn)行狀態(tài)：在該狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同，故電機(jī)轉(zhuǎn)子電流為一直流量，與同步發(fā)電機(jī)相同。
1.3 變流器工作原理：雙饋式異步電機(jī)的定子繞組需要接到電網(wǎng)上，而為了實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，其轉(zhuǎn)子繞組則必須接到一個(gè)頻率可調(diào)的交流三相電源上[3]。如果負(fù)載的變化引起了轉(zhuǎn)子頻率發(fā)生變化時(shí)，能夠改變勵(lì)磁電流的頻率，使得定子輸出頻率不會(huì)隨之發(fā)生變化，該頻率與電網(wǎng)頻率是相同的，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然轉(zhuǎn)速變化但是輸出頻率不變，這種功能是通過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)的。目前市場(chǎng)上通常會(huì)采用背靠背恒壓源PWM調(diào)制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)變流器。這種電路是由兩個(gè)PWM-VSI所構(gòu)成，靠近電網(wǎng)的我們把它稱(chēng)為網(wǎng)側(cè)變流器，靠近轉(zhuǎn)子側(cè)的稱(chēng)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，如圖3所示，圖中的ua、ub、uc為電網(wǎng)電壓，L、R為交流進(jìn)線(xiàn)電抗器的電感和電阻，L2a、R2為轉(zhuǎn)子一相繞組的漏電感和電阻，e2a、e2b、e2c為轉(zhuǎn)子三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)。
當(dāng)電機(jī)工作在亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)會(huì)通過(guò)變流向轉(zhuǎn)子回路供電，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則工作在逆變狀態(tài)，經(jīng)過(guò)變流器之后，就可以控制轉(zhuǎn)子電流的幅值、相位和頻率，使得定子電流的頻率恒定。當(dāng)電機(jī)工作在超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則工作在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路通過(guò)變流的變流作用，向電網(wǎng)回饋工頻電能。
2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制
雙饋式電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)非常相似，它們的定子繞組都是接在了對(duì)稱(chēng)三相電源上，并且該電源的頻率是固定的。但是二者之間也是有所區(qū)別的，其中主要就在于雙饋式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組要接到一個(gè)頻率可調(diào)的三相交流電源上，并且一般要通過(guò)交-交變頻器提供一個(gè)頻率比較低的電流。
一般來(lái)講，電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求主要就是上網(wǎng)電壓的變化率和頻率變化量，這兩個(gè)量由于和上網(wǎng)的無(wú)功和有功有關(guān)，所以對(duì)于發(fā)電機(jī)的輸出電壓的控制很重要。而雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制主要就是通過(guò)變頻器對(duì)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位的控制。這樣通過(guò)調(diào)節(jié)以上三個(gè)量的大小，來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁控制器的給定值，達(dá)到變速恒頻的目的[4]。轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁控制器有以下幾個(gè)控制目標(biāo)[5][6]：
①由于通過(guò)調(diào)節(jié)定子輸出的有功功率，可以改變轉(zhuǎn)子電壓的相位，所以要保證定子有功功率快速跟蹤勵(lì)磁控制器的有功功率給定值P*。
②由于通過(guò)調(diào)節(jié)定子上的無(wú)功，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值，所以要保證定子的輸出電壓能快速跟蹤勵(lì)磁控制器的電壓給定值U*。
③由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快慢能夠決定了轉(zhuǎn)子電壓的頻率，所以要保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能快速跟蹤勵(lì)磁控制器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定值n*。
當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能很快地隨之作出改變，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)能就會(huì)得到充分地利用，從而可以釋放和吸收負(fù)荷。這樣既能夠穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，還提高了機(jī)組的效率。
3 結(jié)論
在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速具有時(shí)變的特性，所以利用風(fēng)能發(fā)電存在一定的難度。因此提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，有效的提高風(fēng)機(jī)的效率，最好地利用風(fēng)能資源，具有重要意義。由于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身特有的結(jié)構(gòu)，使得其控制性能更加優(yōu)越，因此得到了廣泛地應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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[3]胡邵貓等.基于Matlab的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型研究與仿真[J].《機(jī)械與電子》，2006.
