1、創新技術2010年第1期TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGY15陶英杰（天津渤海職業技術學院天津300401）變速恒頻交流勵磁雙饋異步發電機系統在風力發電系統中的研究【摘要】日趨嚴重的環境問題使人們越來越意識到環保節能的重要性。風能以其成本低廉和技術成熟等原因，成并網運行方式、控制方案等進行了闡述。為人們關注的焦點。對風力發電機組雙饋異步發電機的原理、【關鍵詞】交流變頻勵磁雙饋電機變速恒頻風力發電0引言電力電子學、現代控制理論與電機的完美結合是現代電機雙饋電機型式作為發電機，并將這種發電機系統用于轉速不穩定的風力發電中。制造技術的發展趨勢之一。新型電子器件的出現及制造成本

2、的逐步降低，為這種結合開拓了更新的領域。同時，在電機拖動的應用中，雙饋電機調速的研究取得了很大進展，我們可以利用1.1風力發電機組的類型和組成風力發電機組的類型風力發電機組的結構類型，目前主要采用水平軸式風力發技術最成熟電機類型。該風力發電機組是開發使用時間最長，2009-12-26收稿日期：（在一定的風的風電機型。由于水平軸式風電機組能自行啟動面只介紹這種方式的測量原理。光電式速度發送器的構造和原理如圖5所示。在電動機軸上直接連接一個圓盤，在圓盤的邊上開有縫隙或小孔，當電機旋轉時光源通過縫隙或小孔照到光敏元件（光電測速頭）上，于是產生一系列的脈沖信號，再經過放大與整形，送至比較裝置中。光敏元

3、件可采用光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、真空或充氣光電管等。脈沖信號混合起來，就相當于減小了孔或縫隙的節距。如圖6所示。圖6參考文獻具有多個光電元件的發送器1徐淑華.單片微型機原理及應用M.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.圖5器的頻率為：fc=nz赫）光電式速度發送器測量的轉速可以認為無下限，上限主要考慮到工作的可靠性通常取發送取決于光敏元件的極限頻率。器的最大頻率小于光敏元件時間常數倒數的510倍。目前各種速度發送器的頻率為幾十到幾千赫茲。為了提高測量精度，就要增加頻率，因而圓盤的孔或縫隙也就越小，但這受到機械加工的限制。為了解決這個問題，可以相互錯開設置幾個光電元件，只要把從每個

4、光電元件中接受的光電式速度發送器2劉偉民.單片機應系統設計與實踐M.北京：北京航空航天大學才出1991.版社，3楊興瑤.電動機調速的原理及系統M.北京：水利電力出版社出版，1979.西安電子科技大學出版4唐永哲.電力傳動自動控制系統M.西安：社，1998.5季維發.機電一體化技術M.北京：電子工業出版社，1995.6王宏文.自動化專業英語M.北京：機械工業出版社，2000.7蘇E.B.阿曼斯基.微電機學M.北京：煤炭工業出版社，1982.8日雨宮好文.傳感器入門M.北京：科學出版社，2000.電動機轉速為n（轉/分鐘），則速度發送設圓盤孔數為z，162010年第1期TIANJINSCIENCE

5、&TECHNOLOGY創新技術速下），對風能的利用比較充分，因而有較高的效率。該機型風力發電機組早已進入商品化生產，在風力發電機組中占據了絕大多數。按照風輪與塔架的相對位置，水平軸式風力發電機組又可分為上風向安裝類型及下風向安裝類型。具體地說，上風向風力發電機組的風輪安裝在塔架前面，這種安裝方式氣流穩定性較好，但必須有調向裝置，保持風輪在運行中始終對準風這種安裝方向。下風向風力發電機組的風輪安裝在塔架后面，式使風輪在運行過程中受到空氣流及塔架的干擾，影響風輪所以可以省去調的性能。但風輪在運行中始終自動對準風向，相機構。1.2風力發電機組的組成以水平軸式風力發電機為例來說明風力發電機組的

6、各個單元以及它們在傳動鏈中的作用。水平軸式風力發電機組的機構如圖1所示：圖1水平軸式風力發電機組的機構圖1-機架、2-主軸、3-風機輪轂、4-葉片、5-葉片軸承、6-增速器、7-轉矩臂、8-盤式制動器、9-發電機、10-復合聯軸器、11-液壓單元、12-偏航齒輪、13-偏航環、14-偏航控制、15-頂部控制器、16-輪轂控制器、17-變壓器、18-發電機冷卻器、19-變速箱冷卻器、20-變漿液壓缸、21-塔架圖中各主要機構單元、器件的作用如下：是槳葉片安裝的基座，中間有軸孔，便于安裝傳輪轂遞扭矩的傳動軸。葉片是風力發電機組的關鍵部件，安裝在輪轂上，組風輪的功能是承受空氣流動能，并將其轉化為機械

7、能。成風輪。槳葉片的數量以3片居多。變漿液壓缸變槳距實現調速，由于空氣流的速度是每時每刻都在變化的，所以風輪的轉速也處在變化無常的狀態為了控制風輪的轉速，使其在額定轉速下運行，變槳距風機中。在風速高于額定風速時，通過調節槳距角的變化，減少吸收的風能控制風輪的轉速。主軸傳遞扭矩，其轉速較低（和風輪同速）。盤式制動器為使風力發電機停止運轉而設置。按其操作方式可分手動制動器、電磁制動器、液壓制動器等。增速器由于風輪的轉速很低，而發電機為達到工頻50Hz的要求，所需的轉速很高，為使兩者相匹配，所以風力發電機中的增速器大都采用傳動比很大的行星齒輪傳動機構。復合聯軸器將2個不同的單元連接起來，使傳動鏈不中

8、斷。發電機將高速軸上輸入的機械能轉變為電能的轉換裝置。在MW級風能發電系統中最常用的為雙饋發電機。偏航控制和風的速度一樣，風的方向也是經常發生變化的，為了最大限度地利用風能，必須使風輪在運行中始終對準風的方向，所以必須設置偏航控制。塔架它是為了將風輪安裝到一定高度，以便接收到額定風速的承重機構，結構雖然相對簡單，但卻是風力發電機組中給運輸和吊裝帶來較大困難的一個構件。2變速風力機驅動雙饋異步發電機原理現代MW級以上的大型并網風力發電機組多采用風力機葉片槳距可以調節及變速運行的方式，這種運行方式可以實現優化風力發電機組內部件的機械負載及優化系統內的電網質風力機變速運行時將使與其連接的發電機也作量

9、。眾所周知，變速運行，因此必須采用在變速運轉時能發出恒頻恒壓電能的發電機，才能實現與電網的連接。將具有繞線轉子的雙饋異步發電機與應用最新電力電子技術的IGBT變頻器及PWM控制技術結合起來，就能實現這一目的，即變速恒頻發電系統。2.1雙饋異步發電機原理眾所周知，同步發電機在穩態運行時，其輸出端電壓的頻率與發電機的極對數及發電機轉子的轉速有著嚴格固定的關系：即f1=pn1式中f1為發電機輸出電壓頻率，Hz；P為發電機60的極對數；n1為發電機旋轉速度，rmin。顯而易見，在發電機轉子變速運行時，同步發電機不可能發出恒頻電能，由電機結構知，繞線轉子異步電機的轉子上嵌裝有三相對稱繞組，根據電機原理可

10、知，在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，將在電機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的頻率及電機的極對數有關。創新技術2010年第1期TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGY17即：n2=60f2p組的頻率為f2的電流相序，則其所產生的旋轉磁場轉速n2的轉向與轉子的轉向相反，因此有n-n2=n1。為了實現n2轉向反向，在由亞同步運行轉向超同步運行時，轉子三相繞組必須能自動改變其相序；反之，也是一樣。雙饋異步電機除定子向電網饋送能量外，轉子也經過循環變速器向電網饋送一部分電能。2.2.3同步運行狀態此種狀態下n=n1，轉差頻率f2=0。這表即是直流電流，因此明此

11、時通入轉子繞組的電流的頻率為0，與普通同步發電機一樣。雙饋發電機是通過對其轉差頻率的控制，來實現發電機的其轉子與功率雙饋調速。發電機的定子繞組直接與電網相連，變頻器相連，而變頻器的另一端也與電網相連。功率變頻器將電網的頻率與發電機的機械角頻率解耦，其中，由于功率繞組、控制繞組以及發電機轉子的頻率之間存在相互依賴關系，將轉差率的電流或者電壓加到控制繞組中，只需要小功率的變頻裝置就可以實現發電機功率的恒頻輸出；通過改變勵磁電流的幅無功功率的獨立調節。值和相位實現發電機有功、2.32.3.1雙饋異步發電機與電網并聯運行雙饋異步發電機與電網并聯功率調節在采用變槳距式中n2為繞線轉子異步電機轉子的三相對

12、稱繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后，產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度，rmin；P為繞線轉子異步電機的極對數；f2為繞線轉子異步電機轉子的三相對稱繞組通入三相對稱交流電的頻Hz。率，從式中可知，改變頻率f2，即可改變n2，而且若改變通入轉子三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的轉向。因此，若設n1為對應于電網頻率為50Hz時異步發電機的同步轉則只要維持n±n2=速，而n為異步電機轉子本身的旋轉速度，n1為常數，則異步發電機定子繞組的感應電勢如同同步發電機一樣，其頻率將始終維持f1不變。n-n異步電機的轉差率s=1，則異步電機轉子三相繞組內1通入的電流頻率應為：f2=pn2

13、=60n1-n"pn1p!60=60×n1-n=sf1n1公式中，異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入轉差頻率（即sf1）的電流，則在異步電機繞組中就能產生50Hz的恒頻電勢。2.22.2.1根據雙饋異步電機轉子轉速的變化，雙饋異步發電機的亞同步運行狀態此種狀態下n<n1，由轉差頻率為f23種運行狀態的電流產生的旋轉磁場轉速n2與轉子的轉速方向相同，因此有n+n2=n1。定子向電網饋送能量，而轉子需要饋入能量，從而定子輸出頻率在亞同步情況下也能保持恒定。2.2.2超同步運行狀態此種狀態下n>n1，改變通入轉子繞風力機的風力發電系統中，由

14、于變槳距調節有滯后時間，特別在慣量大的風機中，滯后現象更為突出，在陣風或風速變化頻繁時，會導致漿距大幅度頻繁調節，發電機輸出功率也將大幅度波動，對電網造成不良影響。因此單純靠變槳距來調節風力機的功率輸出，并不能實現發電機輸出功率的穩定性，利用具有轉子電流控制器的轉差可調節異步電機與變槳距風力機配臺，共同完成發電機輸出功率的調節，則能實現發電機功率的穩定輸出。圖2變槳距風力機轉差可調異步發電機控制原理框圖額定風速時，通過轉速控制環節、功率控制環節及RCC控制環節將發電機的轉差調到最小，轉差率在1%，同時通過變槳距機構將葉片功角調至零，并保持在零附近，以便最有效地吸發電機的輸出功率達到額定收風能。

15、當風速達到額定風速時，值。當風速超過額定風速時，如果風速持續增加，風力機吸收的風能不斷增大，風力機軸上的機械功率輸出大于發電機輸圖2為雙饋異步發電機啟動及并網后的運行狀況。S代表機組啟動并網前的控制方式，屬于轉速反饋控制。R代表發電機并網后的控制方式，即功率控制方式。當風速達到啟動風速時，風力機開始啟動，隨著轉速的升高，風力機的葉片節距角連續變化，使發動機的轉速上升到給定轉速值（同步轉速），發電機并入電網。當發電機并入電網后，發電機的轉差率較小，當風速低于182010年第1期TIANJINSCIENCE&TECHNOLOGY創新技術出的電功率，則發電機的轉速上升，反饋到轉速控制環節后，

16、轉速控制輸出將使變槳距機構動作，改變風力機葉片攻角，以保證發電機為額定輸出功率不變，維持發電機在額定功率下運行。當風速處于不斷的短時上升和下降時，通過轉子電流控制環節的作用即可維持異步發電機的輸出功率恒定，從而減少對正是由于轉子電流控制環節的動電網的擾動影響。必須指出，作時間較變槳距機構的動作時間要快，才能實現借助轉子電流控制保證發電機的輸出功率恒定。2.3.2雙饋異步發電機與電網并聯頻率和電壓調節雙饋異步發電機輸出端頻率的控制是靠控制發電機轉子電流的頻率，采用最新電力電子器件IGBT及PWM控制技術變頻器實現的。控制可以獲得正弦形轉子電流，電機內不會產生低次諧雙饋異波轉矩，同時能實現功率因數

17、的調節，原理如前所述。步發電機輸出端電壓的控制是靠控制發電機轉子電流的大小來實現。當發電機的負載增加時，發電機輸出端電壓降低，此信息由電壓檢測獲得，并反饋到控制轉子電流大小的電路，即通過控制轉子變頻器使發電機轉子電流增加。定子繞組的感應電動勢增高、發電機輸出端電壓恢復到額定電壓。反之亦然。調節，即減少風力機葉片槳距的調節次數，這對槳距調節機構是有利的：可以降低風力發電機組運轉時的噪聲水平；降低機組劇烈的轉矩起伏，從而減小所有部件的機械應力，為減輕部由于風力件質量或研制大型風力發電機組提供了有力的保證。機變速運行，其運行速度能夠在一個較寬的范圍內被調節到風力機的最優化效率數值，從而獲得較高的系統效率。實現了發電機低起伏的平滑電功率輸出，達到優化系統內的電網質量，并可實現同時減小發電機溫度變化的目的。與電網連接簡單，功率因數的調節。可實現獨立運行，幾個相同的獨立運行機組也可實現并聯運行。4結束語綜上所述，