1、雙饋發電機介紹雙饋發電機介紹工作原理工作原理 雙饋異步發電機是指將定、轉子三相繞組分別雙饋異步發電機是指將定、轉子三相繞組分別接入兩個獨立的三相對稱電源接入兩個獨立的三相對稱電源,定子繞組接入工頻電源定子繞組接入工頻電源,轉轉子繞組接入頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調節的子繞組接入頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調節的交流電源交流電源,即采用交直交或交交變頻器給轉子繞組即采用交直交或交交變頻器給轉子繞組供電的結構供電的結構,如圖所示。如圖所示。 其中其中,轉子外加電壓的頻率轉子外加電壓的頻率在任何情況下必須與轉在任何情況下必須與轉子感應電動勢的頻率保持一致子感應電動勢的頻率保持一致,當改

2、變轉子外加電壓的幅當改變轉子外加電壓的幅值和相位時即可以改變電機的轉速及定子的功率因數。值和相位時即可以改變電機的轉速及定子的功率因數。系統原理圖系統原理圖 如果在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電如果在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電,則將在電機則將在電機氣隙內產生旋轉磁場。氣隙內產生旋轉磁場。 此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電頻率此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電頻率f 2 及電機的極及電機的極對數對數p 有關有關,即即n2 = 60f 2/ p。 式中式中: n2 為繞線轉子三相對稱繞組通入頻率為為繞線轉子三相對稱繞組通入頻率為f 2 的三相的三相對稱電流后所產生的旋轉磁場對稱電流后所產生的

3、旋轉磁場, 相對于轉子本身的旋轉速度。相對于轉子本身的旋轉速度。 從上式可知從上式可知,改變頻率改變頻率f 2 , 即可改變即可改變n2 。 若改變通入轉子三相電流的相序若改變通入轉子三相電流的相序, 還可以改變轉子旋轉還可以改變轉子旋轉磁場的方向。磁場的方向。 因此因此,若設若設n1 為對應于電網頻率為為對應于電網頻率為50Hz ( f 1 =50Hz) 時異步發電機的同步轉速（磁場的轉速）時異步發電機的同步轉速（磁場的轉速）, 而而n 為異步電機轉子本身的旋轉速度為異步電機轉子本身的旋轉速度,則只要維持則只要維持n + n2 = n1 為常數為常數,則異步電機定子繞組的感應電則異步電機定子

4、繞組的感應電勢的頻率始終維持為勢的頻率始終維持為f 1 不變。不變。 f 2 = p ( n1 - n) / 60 = pn1/ 60 ( n1 - n) / n1 = sf 1 。 可見可見,在異步電機轉子以變化的轉速轉動時在異步電機轉子以變化的轉速轉動時, 只要只要在轉子繞組中通入滑差頻率在轉子繞組中通入滑差頻率( sf 1) 的電流的電流,則則在異步電機的定子繞組中就能產生在異步電機的定子繞組中就能產生50Hz 的恒頻的恒頻電勢。電勢。運行狀態及功率傳遞關系運行狀態及功率傳遞關系 異步發電機相量圖。異步發電機相量圖。E2S = 1 時歸算到定子側的轉子每時歸算到定子側的轉子每相感應電動勢

5、相感應電動勢;S E2 轉差率為轉差率為S 時歸算到定子側的時歸算到定子側的轉子每相感應電動勢轉子每相感應電動勢;2折算到定子側的轉子外加電壓折算到定子側的轉子外加電壓 當在轉子繞組中串入頻率與其感應電勢的頻率相當在轉子繞組中串入頻率與其感應電勢的頻率相同、相位與幅值可調電壓同、相位與幅值可調電壓2 后后,通過改變串入電壓通過改變串入電壓2 與與轉子電動勢相角關系及其幅值大小轉子電動勢相角關系及其幅值大小,即可將異步發電機調即可將異步發電機調整為整為超同步發電機、亞同步發電機、同步發電機超同步發電機、亞同步發電機、同步發電機三種狀態。三種狀態。其中其中,適當調整轉子外加電壓適當調整轉子外加電壓

6、2 與與E2S 的相位關系時可提的相位關系時可提高電機的功率因數、改善電網特性。高電機的功率因數、改善電網特性。在忽略電機部分損耗時在忽略電機部分損耗時,異步電動機運行中功率關系如下異步電動機運行中功率關系如下:Pem = m1 U1 I1 cos1Pmec = (1 - S) PemPs = S PemPem = Pmec + Ps 式中式中, Pem 電磁功率電磁功率; Pmec 機械功率機械功率; Ps 轉差功率。轉差功率。 雙饋風力發電機的功率傳遞關系如下雙饋風力發電機的功率傳遞關系如下:(1) 亞同步發電區亞同步發電區(1 S 0) :在此種狀態下轉子轉速在此種狀態下轉子轉速n n1

7、 同同步轉速步轉速,由滑差頻率為由滑差頻率為f 2 的電流產生的旋轉磁場轉速的電流產生的旋轉磁場轉速n2 與與轉子的轉速方向相同轉子的轉速方向相同,因此因此n + n2= n1 。此時的電磁此時的電磁功率功率Pem 0 ,由電機定子繞組饋入電網；轉差功率由電機定子繞組饋入電網；轉差功率Ps 0 ,由電由電網通過變頻器提供給轉子繞組網通過變頻器提供給轉子繞組,電機實際發電功率為電機實際發電功率為(1 - S) Pem ,如圖。如圖。(2) 超同步發電區超同步發電區( S n1 同同步轉速步轉速,改變通入轉子繞組的頻率為改變通入轉子繞組的頻率為f 2 的電流相序的電流相序,則其則其所產生的旋轉磁場

8、轉速所產生的旋轉磁場轉速n2 的轉向與轉子的轉向相反的轉向與轉子的轉向相反,因此因此有有n - n2 = n1 。為了實現。為了實現n2反向反向,在由亞同步運行轉在由亞同步運行轉向超同步運行時向超同步運行時,轉子三相繞組必須能自動改變其向序轉子三相繞組必須能自動改變其向序;反反之之,也是一樣。此時的電磁功率也是一樣。此時的電磁功率Pem 0 ,由轉子繞組經變頻器將其饋由轉子繞組經變頻器將其饋入電網入電網,電機實際發電功率為電機實際發電功率為(1 + | S| ) Pem ,如圖。如圖。(3) 同步運行區同步運行區: 此種狀態下此種狀態下n = n1 ,滑差頻率滑差頻率f 2 = 0 ,這表明此

9、時這表明此時通入轉子繞組的電流的頻率為通入轉子繞組的電流的頻率為0 ,也即是直流電流也即是直流電流,因此與因此與普通同步發電機一樣。普通同步發電機一樣。 此時此時, S = 0 , Pem = Pmec ,機械能全部轉化為電能機械能全部轉化為電能并通過定子繞組饋入電網并通過定子繞組饋入電網,轉子繞組僅提供電機勵磁。轉子繞組僅提供電機勵磁。與基本恒速運行的風力發電機組相比較與基本恒速運行的風力發電機組相比較,雙饋異步風力發電機組雙饋異步風力發電機組有以下主要特點有以下主要特點:發電機可以在超同步和亞同步速廣泛區域內運行發電機可以在超同步和亞同步速廣泛區域內運行,而且功而且功率因數可以調節率因數可

10、以調節,整個系統具有較好的特性。整個系統具有較好的特性。(2) 通過調節轉子電壓的頻率、幅值、相位等實現系統的變通過調節轉子電壓的頻率、幅值、相位等實現系統的變速恒頻功能。速恒頻功能。 由電機學原理可知由電機學原理可知,異步電機頻率具有下述關系異步電機頻率具有下述關系:f 1 = f m f R (超同步時取超同步時取- ,亞同步時取亞同步時取+ ) ;f 1 定子電壓頻率定子電壓頻率;f m 主軸傳動的機械頻率主軸傳動的機械頻率;f R 電機工作的轉差頻率。電機工作的轉差頻率。 當轉子旋轉速度變化時當轉子旋轉速度變化時,只要相應地改變轉子磁只要相應地改變轉子磁勢的頻率勢的頻率,即可使定子頻率

11、為一常數即可使定子頻率為一常數,實現變速恒頻功能。實現變速恒頻功能。 (3) 并網運行時發電機和風力機的功率特性可獲得最佳匹并網運行時發電機和風力機的功率特性可獲得最佳匹配。配。圖為不同風速時風力機輸出機械功率與轉速的關系曲圖為不同風速時風力機輸出機械功率與轉速的關系曲線。線。 曲線曲線Pm ( n) 是各風速下功率曲線頂點連線是各風速下功率曲線頂點連線,即為風力即為風力機在各種風速下的最大功率輸出曲線。機在各種風速下的最大功率輸出曲線。 可以看出可以看出, Pm ( n) 近似與轉速的三次方成正比例。采近似與轉速的三次方成正比例。采用雙饋風力發電系統時用雙饋風力發電系統時,通過控制轉子勵磁電

12、壓通過控制轉子勵磁電壓(或電流或電流) 的頻率、幅值、相位和相序的頻率、幅值、相位和相序,使發電機的功率特性按圖中使發電機的功率特性按圖中Pem ( n) 曲線變化曲線變化,從而實現了在多種風速下發電機與風從而實現了在多種風速下發電機與風力機功率特性的最佳匹配力機功率特性的最佳匹配,使風力發電系統獲得最大風能使風力發電系統獲得最大風能利用率。利用率。變頻器容量的選擇變頻器容量的選擇 根據實際風速的要求和風力發電機轉速范圍較根據實際風速的要求和風力發電機轉速范圍較窄的特點窄的特點,電機轉速一般為電機轉速一般為(0.7-1.3) 倍額定轉速倍額定轉速,即電機即電機轉差功率在轉差功率在35 % Pe

13、m之間。轉差功率大小決定了變頻之間。轉差功率大小決定了變頻器容量的大小器容量的大小,因此因此,雙饋異步風力發電機變頻器容量僅為雙饋異步風力發電機變頻器容量僅為發電機功率的發電機功率的1/41/3。適用范圍適用范圍 由于風力機及電機本身的結構特點由于風力機及電機本身的結構特點,雙饋風力發電機適用雙饋風力發電機適用范圍一般選定在下述范圍內范圍一般選定在下述范圍內: 功率功率:3003000kW 電壓電壓:400690V(常用常用) 功率因數功率因數:0.9 (滯后滯后) 0.9 (超前超前) 轉差率轉差率: 25 %(最大最大35 %) 雙饋式風力機是目前世界各國風力發電的研雙饋式風力機是目前世界

14、各國風力發電的研究熱點之一究熱點之一,我國已有部分地區的風力發電場開始使用這我國已有部分地區的風力發電場開始使用這種風力機系統。相對于傳統的恒速風力機種風力機系統。相對于傳統的恒速風力機,其性能優勢體其性能優勢體現在現在: 控制轉子電流就可以在大范圍內控制電機轉差、有功功控制轉子電流就可以在大范圍內控制電機轉差、有功功率和無功功率率和無功功率,參與系統的無功調節參與系統的無功調節,提高系統的穩定性提高系統的穩定性; 不需要無功補償裝置不需要無功補償裝置; 可以追蹤最大風能可以追蹤最大風能 ,提高風能利用率提高風能利用率; (4) 降低輸出功率的波動和機組的機械應力降低輸出功率的波動和機組的機械

15、應力; (5) 在轉子側控制功率因數在轉子側控制功率因數,可提高電能質量可提高電能質量,實現安全、便捷實現安全、便捷并網并網;( 6) 其變頻器容量僅占風力機額定容量的其變頻器容量僅占風力機額定容量的25%左右左右,與其他全與其他全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。 因此因此,目前的大型風力發電機組一般是這種變槳距目前的大型風力發電機組一般是這種變槳距控制的雙饋式風力機控制的雙饋式風力機,但其主要缺點在于控制方式相對復但其主要缺點在于控制方式相對復雜雜,機組價格昂貴。機組價格昂貴。從上面的分析看出從上面的分析看出,雙饋風力發電機有諸多的優點雙饋風力發電機有諸多的優點,下面下面介紹介紹1500kW 575V 樣機的技術要點樣機的技術要點:型式型式:三相繞線型異步發電機三相繞線型異步發電機規格規格:YRKK