雙饋風力發(fā)電機運行原理分析

Operation principle analysis of doubly - fed wind  power generator

   摘要：雙饋風力發(fā)電機由于其的優(yōu)點, 己成為并網(wǎng)型風力發(fā)電機的主流機型之一。從交流電機的基本理論出發(fā) ,對雙饋風力發(fā)電機的電磁關(guān)系進行了詳細的闡述,得出了雙饋風力發(fā)電機的等效電路圖及相量圖, 分析了雙饋風力發(fā)電機的能量傳遞關(guān)系 。

   Abstract：Because of its advantages, DFIG has become one of the main models of grid-connected wind turbines. From the basic theory of AC motor, the electromagnetic relationship of DFIG is expounded in detail. The equivalent circuit diagram and phasor diagram of DFIG are obtained, and the energy transfer of DFIG wind turbine is analyzed relationship.

  關(guān)鍵詞：雙饋 ;風力發(fā)電機 ;原理

  KEYWORDS：double-fed；Wind power generator；principle

  引言：隨著石化能源危機的來臨以及人們環(huán)保意識的加強 ,風力發(fā)電機技術(shù)得到迅猛的發(fā)展 。目前的并網(wǎng)型風力發(fā)電技術(shù)主要有雙饋異步 、永磁直驅(qū) 、普通異步等三種技術(shù)。在這三種技術(shù)中,雙饋異步由于其體積小、重量輕 、所需變頻器容量小、供電質(zhì)量高等特點, 可望成為大型風力發(fā)電機的主力機型。本文從電機的基本理論出發(fā),詳細地闡明了雙饋風力發(fā)電機的基本原理，簡單認識一下雙饋風力發(fā)電機。

1 雙饋風力發(fā)電機

1． 1 雙饋發(fā)電機系統(tǒng)交流勵磁雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)如圖 1 所示。運行時將其定子繞組接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值可調(diào)的電源供給三相低頻勵磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場同步速，從

而發(fā)電機定子繞組中感應出同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓［3］。當風速變化時轉(zhuǎn)速隨之變化，此時相應改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速以補償電機轉(zhuǎn)速變化，就達到了變速恒頻的目的［4］   

                     圖 1 交流勵磁雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)

1． 2 雙饋發(fā)電機原理

圖 2 表示了幾套坐標系的空間位置關(guān)系。

                             圖 2 坐標變換系統(tǒng)

圖 2 中，α1-β1 為兩相靜止坐標系，α2-β2 為以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)的兩相坐標系，d-q 為兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標系，為了分析控制變量關(guān)系按電動機慣例建立雙饋型異步發(fā)電機數(shù)學模型和電機電壓和磁鏈方程為

uds = Rsids + Pψds － ω1ψqs

uqs = Rsiqs + Pψqs + ω1ψds

udr = Rridr + Pψdr － ω2ψqr            

uqr = Rriqr + Pψqr + ω2ψdr                （1）

ψds = ψs = Lsids + Lm idr

ψqs = Lsiqs + Lm iqr

ψdr = Lridr + Lm ids

ψqr = Lriqr + Lm iqs                         （2）

式中，Rs、Rr—定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻; Ls、Lr、Lm—d，q 軸定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感; ids、iqs、idr、iqr—d，q軸定、轉(zhuǎn)子電流; uds，uqs，uqr，udr—d，q 軸定、轉(zhuǎn)子電壓; ψds、ψqs、ψds、ψqr—d，q 軸定子、轉(zhuǎn)子磁鏈; ω1、ωs—同步角速度和滑差角速度［5］。

2 雙饋式風力發(fā)電機的運行方式

雙饋風力發(fā)電機運行方式主要有兩種: 一種是獨立運行的供電系統(tǒng)，也稱離網(wǎng)運行。主要向

常規(guī)電網(wǎng)不能到達而又必須使用電力的用戶提供電力服務; 另一種是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。主要向大電網(wǎng)輸送電能。

2． 1 獨立運行風力發(fā)電機組

    獨立運行發(fā)電機組，最常見的是直流總線型和交流總線型兩種［6］。

    ( 1) 直流總線型獨立運行風力發(fā)電機組

由以下幾個主要部件組成: 風力發(fā)電機、充電控制器、塔架、蓄電池組、直流-交流逆變器( 如果系統(tǒng)內(nèi)有交流負載) 。所有的發(fā)電設備和電控設備都在直流端匯合，稱為直流總線。直流總線是一個很大的匯流排。目前大部分離網(wǎng)獨立發(fā)電站都采用直流總線。

( 2) 交流總線型獨立運行風力發(fā)電機組

交流總線型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)中所有的部件都通過交流總線匯合。交流總線型獨立運行風力發(fā)電機組引入了 AC /DC 雙向逆變器，當發(fā)電設備發(fā)電時，可以通過逆變器向蓄電池充電( AC到 DC 轉(zhuǎn)換) 而蓄電池向設備充電時，蓄電池中的直流電通過該逆變器像設備提供交流電( DC /到AC 轉(zhuǎn)換) 。

2． 1． 1 獨立運行風力發(fā)電機組性能

風力發(fā)電機組通常由若干主要技術(shù)性能指標來描述。

( 1) 切入風速與切出風速

切入風速與切出風速之間的風段為工作風速，這個區(qū)間越大，風機發(fā)電吸收的風能也越多。

( 2) 額定風速與額定輸出功率

風力發(fā)電機產(chǎn)生額定輸出功率時的最低風速，成為額定風速。在額定風速下發(fā)電機產(chǎn)生的功率，稱為額定輸出功率。

( 3) 最大功率與安全風速

最大輸出功率是風力發(fā)電機組運行在額定風速以上時，發(fā)動機可能發(fā)出的最高功率值。安全風速是風力發(fā)電機組在保證安全的前提下，所能承受的最大風速。

( 4) 風能利用系數(shù)與整機效率

風能利用系數(shù)越高，說明風輪吸收的風能越大，該風力機的空氣動力性能越好。整機效率即風力機( 葉輪) 的風能利用效率、傳動效率、發(fā)電機的機電轉(zhuǎn)化效率、偏航滯后效率等各效率之積。

( 5) 調(diào)速機構(gòu)和制動系統(tǒng)

調(diào)速機構(gòu)限制風力發(fā)電機組在高風速下的旋轉(zhuǎn)速度，保證高風速下的機組運行安全。調(diào)速機構(gòu)要求調(diào)速功能可靠、反應靈活調(diào)速過程平穩(wěn)、調(diào)速誤差小。在超過安全風速運行或緊急情況時，需要制動機構(gòu)實現(xiàn)停車。制動系統(tǒng)要求制動功能可靠、制動反應靈活、制定過程平穩(wěn)、制動時限小。

3雙饋風力發(fā)電機電磁關(guān)系分析

雙饋風力發(fā)電機為帶滑環(huán)繞線型三相異步發(fā)電機 ,轉(zhuǎn)子繞組接到一個頻率、幅值、相序均可調(diào)節(jié)的逆變電源 ,從而使發(fā)電機在規(guī)定的轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)保證發(fā)電機向電網(wǎng)發(fā)出功率。這種運行方式也可以看作轉(zhuǎn)子加交流勵磁電流的同步發(fā)電機運行 , 只不過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 、定子邊的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié) ,但定子邊的電壓電流的頻率固定 。由于它既有同步發(fā)電機的特點, 又有異步發(fā)電機的特點 ,所以我們對其分析既可以按同步發(fā)電機方法也可以按異步電動機方法。所不同的是同步發(fā)電機方法是把轉(zhuǎn)子的交流電流看作同步發(fā)電機的勵磁電流 ,定子電流產(chǎn)生的磁場看作電樞反應磁場,而對異步電動機法,我們認為勵磁磁場還是由定子電流建立的,只是在轉(zhuǎn)子上另外附加一個電源用來改變轉(zhuǎn)子電流的相位從而改變定子電流的相位 。兩者分析的結(jié)果應是一致的。我們下面的分析從異步發(fā)電機出發(fā)并采用異步電動機慣例進行雙饋發(fā)電機的原理分析。

按異步電動機慣例[ 4] 得出雙饋電機的等效電路圖如圖 1所示。

設發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為 n,電機轉(zhuǎn)子中通入頻率為 f的電流,由該電流產(chǎn)生的磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為:

n2 =60 f/p2(1)

式中, p2 為轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)

R1 — 為原邊繞組電阻, X1 — 原邊繞組漏抗值, R2— 付邊繞組電阻值,

X2 — 付邊繞組漏抗值, Rm— 激磁電阻, Xm— 激磁電抗值。U1— 電網(wǎng)電

壓, E1 激磁電勢在定子邊值, E2— 激磁電勢折算到轉(zhuǎn)子邊值, U2— 轉(zhuǎn)子

繞組附加電源

     圖 1 雙饋風力發(fā)電機等到效電路圖

則電機轉(zhuǎn)子磁場相對于定子靜止繞組的轉(zhuǎn)速為 :

n1 =n±n2                    (2)

式中當轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n2 與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n同向時, 也即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時取“ +”,當兩者方向相反時, 也即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時取“ -” 號 。這時轉(zhuǎn)子磁場就以 n1 的速度切割定子繞組 ,在定子繞組中感應電動勢。由電機學[ 4] 可知 , 這時定子繞組感應電動勢的頻率為:

f1 =(n1 p1)/60=(n±n2)p1/60     (3)

式中, p1 為定子繞組極對數(shù) ,且 p1 =p2可以推出如果要保證雙饋風力發(fā)電機定子向外輸出電源的頻率為 f1 不變,則對應不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n時,轉(zhuǎn)子外加電流的頻率應為 :

f2 =±(f1 -np/60)               (4)

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時取 “ +”, 此時轉(zhuǎn)子外加電源相序與定子相同 ;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時取“ -”,此時轉(zhuǎn)子外加電源相序與定子相反 ;而當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近或等于同步轉(zhuǎn)速時,從理論上來講,轉(zhuǎn)子的外加電源應是頻率很低的交流電甚至是直流電, 此時電機相當于同步發(fā)電機 ,而對于外加逆變器來說 ,其供電情況是逆變器的工作條件最為惡劣的情況 。表 1給出了雙饋風力發(fā)電機各旋轉(zhuǎn)磁場及轉(zhuǎn)子外加電源頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 。

             表 1 轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)向及相序關(guān)系表

4雙饋風力發(fā)電機相量圖

由圖 1的等效電路圖可得出 :

Im=I1+l2

U1=E1+I1(R1+jX1)

U2=E2+I2(R2+jsX2)

E1=KeE2/s

式中 , s為電機的轉(zhuǎn)差率,當 nn1 時, s為負 。Ke為電壓比例系數(shù), 與匝數(shù)有關(guān)。所以

可分別得出 nn1 時的電路相量圖如圖 2所

示。

     (a)nn1 雙饋發(fā)電機相量圖

                  圖 2 雙饋電機相量圖

5雙饋風力發(fā)電機能量傳遞分析

從圖 2相量圖可以看出 ,由于電網(wǎng)電壓不變 ,我們可以認為發(fā)電機的勵磁電流基本不變 , 隨著風速改變而引起電機的轉(zhuǎn)速改變時, 只要不斷調(diào)整轉(zhuǎn)子外加電壓的大小及相位 、相序, 就能改變定子電流的相位、大小 ,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機定子輸出的有功功率和無功功率。對轉(zhuǎn)子而言 ,從相量圖可以看出 ,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于由電網(wǎng)電壓頻率決定的同步轉(zhuǎn)速時, 電機轉(zhuǎn)子外加電壓與轉(zhuǎn)子電流的夾角小于 90度 ,當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于電網(wǎng)電壓頻率決定的同步轉(zhuǎn)速時 ,電機轉(zhuǎn)子外加電壓與轉(zhuǎn)子電流的夾角大于 90度 ,而轉(zhuǎn)子的功率為 P2 =U2I2 cosφ2 ,所以可以看出當 nn1 時 ,轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)發(fā)出功率 。圖 3為雙饋風力發(fā)電機的能量傳遞圖 。從圖中可以看出 ,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時 ,風力機傳給發(fā)電機的機械功率除去各種損耗后, 一部分能量消耗在轉(zhuǎn)子所接的逆變器上, 其余功率轉(zhuǎn)換成電功率從定子繞組輸出 。而在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時 ,風力機與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器同時向發(fā)電機輸入功率 , 在除去各種損耗后 ,全部功率轉(zhuǎn)換成電功率從定子繞組輸出。

              圖 3 雙饋風力發(fā)電機能量傳遞圖

結(jié)論

(1)雙饋風力發(fā)電機中 “雙饋 ”的含義是指定子、轉(zhuǎn)子能同時向電網(wǎng)供電 ,但這種情況僅在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時才能實現(xiàn), 而在低于同步轉(zhuǎn)速時 ,僅有定子向電網(wǎng)發(fā)電 ,轉(zhuǎn)子必須從電網(wǎng)中吸收電能 。

(2)要保證雙饋風力發(fā)電機的變速恒頻 , 就必須在發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時, 相應的改變變頻器輸出的頻率 。

(3)由于轉(zhuǎn)子可在電機轉(zhuǎn)速低于或高于同步轉(zhuǎn)速時 ,分別從電網(wǎng)吸收電能或向電網(wǎng)發(fā)出電能,因此轉(zhuǎn)子所外加的變頻器應是能四象限運行的變頻器。

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