神马文学网有刷双馈式异步发电机
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/29 19:34:29
有刷双馈式异步发电机
双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。我国甘肃兰州电机有限责任公司、北车集团永济电机厂、四川东风电机厂有限公司也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。
双馈式电机分鼠笼式和绕线式两种。但是，鼠笼式感应发电机因其无法最大限度地利用风能，在风力发电机组中没有得到广泛应用。在风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，这种带滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。
双馈式电机的定子接入电网，通过PWM(脉宽调制)AC-DC-AC变频器向发电机的转子绕组提供励磁电流，为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。其原理图如图1所示。
双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。
双馈式异步发电机的变速运行是建立在异步电机基础上的，众所周知异步电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。我们将转子转速n与同步转速ns的差值定义为转差，转差与同步转速之比的百分值定义为转差率。在作电动机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生的电磁转矩与转向相同，转差率＞0。而作发电机运行时，转速总是略高于同步转速，其电磁转矩的方向与旋转方向相反，转差率＜0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。
当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒定。
当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，与转子感生电流产生的转矩同方向，定子和转子都向电网馈送电功率。
综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速在不断的变化，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良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。在目前电力电子技术条件下，可采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源。
为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行；为了控制发电机转速和输出的功率因数，必须对发电机有功功率、无功功率进行解耦控制。这一过程是采用磁场定向的矢量变换控制技术，通过对用于励磁的PWM变频器各分量电压、电流的调节来实现。
调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保电发电机输出功率恒压。同时采用矢量换控制技术，实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。调节有功功率可调节风力机转速，进而实现最大风能捕获追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风电机组及所并电网系统的动、静态动行稳定性。
根据双馈式异步发电机数学模型和发电机的功率方程可知：有功功率、无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别独立调节有功功率和无功功率。根据双馈式异步发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理，可设计出交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换抑制系统，系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。整个控制系统可分为三个单元，它们分别接受风速和转速信号，有功功率指令和无功功率指令，并产生一个综合信号送至励磁控制装置，改变励磁电流的大小，频率和相位满足系统控制的需要。
其中有功功率指令和无功功率指令的产生步骤是：分别设定有功功率和无功功率的参考值，并与转子电流反馈量比较或获得转子电压指令，经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量。
现有的双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升压后直接与电网并联，加之在转速控制系统中采用了电力电子装置，会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率，使功率因数恶化，加重了电网的负担。因此必须进行无功补偿，提高功率因数，通常都是在风电场母线集中处安装电容器组。但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约，无法实现最佳补偿状态。目前，一种基于电力电子逆变技术的无功补偿装置—静止同步补偿器很有可能将取代传统的电容器补偿方式。
当风力发生变化发电机组突然切出时会对电网的冲击较大。另外有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠性差，需要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。
双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。我国甘肃兰州电机有限责任公司、北车集团永济电机厂、四川东风电机厂有限公司也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。
双馈式电机分鼠笼式和绕线式两种。但是，鼠笼式感应发电机因其无法最大限度地利用风能，在风力发电机组中没有得到广泛应用。在风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，这种带滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。
双馈式电机的定子接入电网，通过PWM(脉宽调制)AC-DC-AC变频器向发电机的转子绕组提供励磁电流，为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。其原理图如图1所示。
双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。
双馈式异步发电机的变速运行是建立在异步电机基础上的，众所周知异步电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。我们将转子转速n与同步转速ns的差值定义为转差，转差与同步转速之比的百分值定义为转差率。在作电动机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生的电磁转矩与转向相同，转差率＞0。而作发电机运行时，转速总是略高于同步转速，其电磁转矩的方向与旋转方向相反，转差率＜0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。
当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒定。
当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，与转子感生电流产生的转矩同方向，定子和转子都向电网馈送电功率。
综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速在不断的变化，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良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。在目前电力电子技术条件下，可采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源。
为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行；为了控制发电机转速和输出的功率因数，必须对发电机有功功率、无功功率进行解耦控制。这一过程是采用磁场定向的矢量变换控制技术，通过对用于励磁的PWM变频器各分量电压、电流的调节来实现。
调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保电发电机输出功率恒压。同时采用矢量换控制技术，实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。调节有功功率可调节风力机转速，进而实现最大风能捕获追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风电机组及所并电网系统的动、静态动行稳定性。
根据双馈式异步发电机数学模型和发电机的功率方程可知：有功功率、无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别独立调节有功功率和无功功率。根据双馈式异步发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理，可设计出交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换抑制系统，系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。整个控制系统可分为三个单元，它们分别接受风速和转速信号，有功功率指令和无功功率指令，并产生一个综合信号送至励磁控制装置，改变励磁电流的大小，频率和相位满足系统控制的需要。
其中有功功率指令和无功功率指令的产生步骤是：分别设定有功功率和无功功率的参考值，并与转子电流反馈量比较或获得转子电压指令，经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量。
现有的双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升压后直接与电网并联，加之在转速控制系统中采用了电力电子装置，会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率，使功率因数恶化，加重了电网的负担。因此必须进行无功补偿，提高功率因数，通常都是在风电场母线集中处安装电容器组。但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约，无法实现最佳补偿状态。目前，一种基于电力电子逆变技术的无功补偿装置—静止同步补偿器很有可能将取代传统的电容器补偿方式。
当风力发生变化发电机组突然切出时会对电网的冲击较大。另外有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠性差，需要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。