雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理分析

Operation principle analysis of doubly - fed wind  power generator

   摘要：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其的優(yōu)點(diǎn), 己成為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型之一。從交流電機(jī)的基本理論出發(fā) ,對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,得出了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路圖及相量圖, 分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī) ;原理

  KEYWORDS：double-fed；Wind power generator；principle

  引言：隨著石化能源危機(jī)的來(lái)臨以及人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng) ,風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)得到迅猛的發(fā)展 。目前的并網(wǎng)型風(fēng)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(diǎn), 可望成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主力機(jī)型。本文從電機(jī)的基本理論出發(fā),詳細(xì)地闡明了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理，簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)一下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1． 1 雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖 1 所示。運(yùn)行時(shí)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(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場(chǎng)同步速，從

而發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓［3］。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速隨之變化，此時(shí)相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，就達(dá)到了變速恒頻的目的［4］   

                     圖 1 交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

1． 2 雙饋發(fā)電機(jī)原理

圖 2 表示了幾套坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系。

                             圖 2 坐標(biāo)變換系統(tǒng)

圖 2 中，α1-β1 為兩相靜止坐標(biāo)系，α2-β2 為以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系，d-q 為兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，為了分析控制變量關(guān)系按電動(dòng)機(jī)慣例建立雙饋型異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式主要有兩種: 一種是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，也稱(chēng)離網(wǎng)運(yùn)行。主要向

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

2． 1 獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

    獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)組，最常見(jiàn)的是直流總線(xiàn)型和交流總線(xiàn)型兩種［6］。

    ( 1) 直流總線(xiàn)型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

由以下幾個(gè)主要部件組成: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(fù)載) 。所有的發(fā)電設(shè)備和電控設(shè)備都在直流端匯合，稱(chēng)為直流總線(xiàn)。直流總線(xiàn)是一個(gè)很大的匯流排。目前大部分離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電站都采用直流總線(xiàn)。

( 2) 交流總線(xiàn)型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

交流總線(xiàn)型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中所有的部件都通過(guò)交流總線(xiàn)匯合。交流總線(xiàn)型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引入了 AC /DC 雙向逆變器，當(dāng)發(fā)電設(shè)備發(fā)電時(shí)，可以通過(guò)逆變器向蓄電池充電( AC到 DC 轉(zhuǎn)換) 而蓄電池向設(shè)備充電時(shí)，蓄電池中的直流電通過(guò)該逆變器像設(shè)備提供交流電( DC /到AC 轉(zhuǎn)換) 。

2． 1． 1 獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常由若干主要技術(shù)性能指標(biāo)來(lái)描述。

( 1) 切入風(fēng)速與切出風(fēng)速

切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間的風(fēng)段為工作風(fēng)速，這個(gè)區(qū)間越大，風(fēng)機(jī)發(fā)電吸收的風(fēng)能也越多。

( 2) 額定風(fēng)速與額定輸出功率

風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生額定輸出功率時(shí)的最低風(fēng)速，成為額定風(fēng)速。在額定風(fēng)速下發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率，稱(chēng)為額定輸出功率。

( 3) 最大功率與安全風(fēng)速

最大輸出功率是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)出的最高功率值。安全風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在保證安全的前提下，所能承受的最大風(fēng)速。

( 4) 風(fēng)能利用系數(shù)與整機(jī)效率

風(fēng)能利用系數(shù)越高，說(shuō)明風(fēng)輪吸收的風(fēng)能越大，該風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力性能越好。整機(jī)效率即風(fēng)力機(jī)( 葉輪) 的風(fēng)能利用效率、傳動(dòng)效率、發(fā)電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率、偏航滯后效率等各效率之積。

( 5) 調(diào)速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)系統(tǒng)

調(diào)速機(jī)構(gòu)限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速下的旋轉(zhuǎn)速度，保證高風(fēng)速下的機(jī)組運(yùn)行安全。調(diào)速機(jī)構(gòu)要求調(diào)速功能可靠、反應(yīng)靈活調(diào)速過(guò)程平穩(wěn)、調(diào)速誤差小。在超過(guò)安全風(fēng)速運(yùn)行或緊急情況時(shí)，需要制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)停車(chē)。制動(dòng)系統(tǒng)要求制動(dòng)功能可靠、制動(dòng)反應(yīng)靈活、制定過(guò)程平穩(wěn)、制動(dòng)時(shí)限小。

3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁關(guān)系分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為帶滑環(huán)繞線(xiàn)型三相異步發(fā)電機(jī) ,轉(zhuǎn)子繞組接到一個(gè)頻率、幅值、相序均可調(diào)節(jié)的逆變電源 ,從而使發(fā)電機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出功率。這種運(yùn)行方式也可以看作轉(zhuǎn)子加交流勵(lì)磁電流的同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行 , 只不過(guò)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(jī)的特點(diǎn), 又有異步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn) ,所以我們對(duì)其分析既可以按同步發(fā)電機(jī)方法也可以按異步電動(dòng)機(jī)方法。所不同的是同步發(fā)電機(jī)方法是把轉(zhuǎn)子的交流電流看作同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 ,定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)看作電樞反應(yīng)磁場(chǎng),而對(duì)異步電動(dòng)機(jī)法,我們認(rèn)為勵(lì)磁磁場(chǎng)還是由定子電流建立的,只是在轉(zhuǎn)子上另外附加一個(gè)電源用來(lái)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(yīng)是一致的。我們下面的分析從異步發(fā)電機(jī)出發(fā)并采用異步電動(dòng)機(jī)慣例進(jìn)行雙饋發(fā)電機(jī)的原理分析。

按異步電動(dòng)機(jī)慣例[ 4] 得出雙饋電機(jī)的等效電路圖如圖 1所示。

設(shè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n,電機(jī)轉(zhuǎn)子中通入頻率為 f的電流,由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)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(duì)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(shì)在定子邊值, E2— 激磁電勢(shì)折算到轉(zhuǎn)子邊值, U2— 轉(zhuǎn)子

繞組附加電源

     圖 1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等到效電路圖

則電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子靜止繞組的轉(zhuǎn)速為 :

n1 =n±n2                    (2)

式中當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n2 與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n同向時(shí), 也即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)取“ +”,當(dāng)兩者方向相反時(shí), 也即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)取“ -” 號(hào) 。這時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就以 n1 的速度切割定子繞組 ,在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由電機(jī)學(xué)[ 4] 可知 , 這時(shí)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為:

f1 =(n1 p1)/60=(n±n2)p1/60     (3)

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

f2 =±(f1 -np/60)               (4)

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)取 “ +”, 此時(shí)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(shí)取“ -”,此時(shí)轉(zhuǎn)子外加電源相序與定子相反 ;而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近或等于同步轉(zhuǎn)速時(shí),從理論上來(lái)講,轉(zhuǎn)子的外加電源應(yīng)是頻率很低的交流電甚至是直流電, 此時(shí)電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī) ,而對(duì)于外加逆變器來(lái)說(shuō) ,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(fēng)力發(fā)電機(jī)各旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子外加電源頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 。

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

4雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)差率,當(dāng) nn1 時(shí), s為負(fù) 。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(shí)的電路相量圖如圖 2所

示。

     (a)nn1 雙饋發(fā)電機(jī)相量圖

                  圖 2 雙饋電機(jī)相量圖

5雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(rèn)為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流基本不變 , 隨著風(fēng)速改變而引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí), 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(jī)定子輸出的有功功率和無(wú)功功率。對(duì)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(shí), 電機(jī)轉(zhuǎn)子外加電壓與轉(zhuǎn)子電流的夾角小于 90度 ,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于電網(wǎng)電壓頻率決定的同步轉(zhuǎn)速時(shí) ,電機(jī)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(dāng) nn1 時(shí) ,轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)發(fā)出功率 。圖 3為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí) ,風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)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(shí) ,風(fēng)力機(jī)與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器同時(shí)向發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)能量傳遞圖

結(jié)論

(1)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中 “雙饋 ”的含義是指定子、轉(zhuǎn)子能同時(shí)向電網(wǎng)供電 ,但這種情況僅在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)才能實(shí)現(xiàn), 而在低于同步轉(zhuǎn)速時(shí) ,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(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻 , 就必須在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí), 相應(yīng)的改變變頻器輸出的頻率 。

(3)由于轉(zhuǎn)子可在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于或高于同步轉(zhuǎn)速時(shí) ,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(yīng)是能四象限運(yùn)行的變頻器。

參考文獻(xiàn)

[ 1] 代洪濤, 鄒秋瀅, 林成武.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

[ J] .沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 25(3):479 -481.

[ 2] 王亮, 林成武, 姚鵬.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[ J] .沈

陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(2):206-209.

[ 3] 趙棟利,郭金東, 許洪華.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功解

耦控制研究與實(shí)現(xiàn)[ J] .太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2006, 27(2):174 -179.

[ 4] 李發(fā)海,陳湯銘, 鄭逢時(shí).電機(jī)學(xué)[ M] .北京:科學(xué)出版社, 1993.