双馈异步发电机(金风)

1、双馈发电机介绍双馈发电机介绍工作原理工作原理 双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源接入两个独立的三相对称电源,定子绕组接入工频电源定子绕组接入工频电源,转转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流电源交流电源,即采用交直交或交交变频器给转子绕组即采用交直交或交交变频器给转子绕组供电的结构供电的结构,如图所示。如图所示。 其中其中,转子外加电压的频率转子外加电压的频率在任何情况下必须与转在任何情况下必须与转子感应电动势的频率保持一致子感应电动势的频率保持一致,当改

2、变转子外加电压的幅当改变转子外加电压的幅值和相位时即可以改变电机的转速及定子的功率因数。值和相位时即可以改变电机的转速及定子的功率因数。系统原理图系统原理图 如果在三相对称绕组中通入三相对称交流电如果在三相对称绕组中通入三相对称交流电,则将在电机则将在电机气隙内产生旋转磁场。气隙内产生旋转磁场。 此旋转磁场的转速与所通入的交流电频率此旋转磁场的转速与所通入的交流电频率f 2 及电机的极及电机的极对数对数p 有关有关,即即n2 = 60f 2/ p。 式中式中: n2 为绕线转子三相对称绕组通入频率为为绕线转子三相对称绕组通入频率为f 2 的三相的三相对称电流后所产生的旋转磁场对称电流后所产生的

3、旋转磁场, 相对于转子本身的旋转速度。相对于转子本身的旋转速度。 从上式可知从上式可知,改变频率改变频率f 2 , 即可改变即可改变n2 。 若改变通入转子三相电流的相序若改变通入转子三相电流的相序, 还可以改变转子旋转还可以改变转子旋转磁场的方向。磁场的方向。 因此因此,若设若设n1 为对应于电网频率为为对应于电网频率为50Hz ( f 1 =50Hz) 时异步发电机的同步转速（磁场的转速）时异步发电机的同步转速（磁场的转速）, 而而n 为异步电机转子本身的旋转速度为异步电机转子本身的旋转速度,则只要维持则只要维持n + n2 = n1 为常数为常数,则异步电机定子绕组的感应电则异步电机定子

4、绕组的感应电势的频率始终维持为势的频率始终维持为f 1 不变。不变。 f 2 = p ( n1 - n) / 60 = pn1/ 60 ( n1 - n) / n1 = sf 1 。 可见可见,在异步电机转子以变化的转速转动时在异步电机转子以变化的转速转动时, 只要只要在转子绕组中通入滑差频率在转子绕组中通入滑差频率( sf 1) 的电流的电流,则则在异步电机的定子绕组中就能产生在异步电机的定子绕组中就能产生50Hz 的恒频的恒频电势。电势。 当在转子绕组中串入频率与其感应电势的频率相当在转子绕组中串入频率与其感应电势的频率相同、相位与幅值可调电压同、相位与幅值可调电压2 后后,通过改变串入电

5、压通过改变串入电压2 与与转子电动势相角关系及其幅值大小转子电动势相角关系及其幅值大小,即可将异步发电机调即可将异步发电机调整为整为超同步发电机、亚同步发电机、同步发电机超同步发电机、亚同步发电机、同步发电机三种状态。三种状态。其中其中,适当调整转子外加电压适当调整转子外加电压2 与与E2S 的相位关系时可提的相位关系时可提高电机的功率因数、改善电网特性。高电机的功率因数、改善电网特性。 双馈风力发电机的功率传递关系如下双馈风力发电机的功率传递关系如下:(1) 亚同步发电区亚同步发电区(1 S 0) :在此种状态下转子转速在此种状态下转子转速n n1 同同步转速步转速,由滑差频率为由滑差频率为

6、f 2 的电流产生的旋转磁场转速的电流产生的旋转磁场转速n2 与与转子的转速方向相同转子的转速方向相同,因此因此n + n2= n1 。此时的电磁此时的电磁功率功率Pem 0 ,由电机定子绕组馈入电网；转差功率由电机定子绕组馈入电网；转差功率Ps 0 ,由电由电网通过变频器提供给转子绕组网通过变频器提供给转子绕组,电机实际发电功率为电机实际发电功率为(1 - S) Pem ,如图。如图。(2) 超同步发电区超同步发电区( S n1 同同步转速步转速,改变通入转子绕组的频率为改变通入转子绕组的频率为f 2 的电流相序的电流相序,则其则其所产生的旋转磁场转速所产生的旋转磁场转速n2 的转向与转子的

7、转向相反的转向与转子的转向相反,因此因此有有n - n2 = n1 。为了实现。为了实现n2反向反向,在由亚同步运行转在由亚同步运行转向超同步运行时向超同步运行时,转子三相绕组必须能自动改变其向序转子三相绕组必须能自动改变其向序;反反之之,也是一样。此时的电磁功率也是一样。此时的电磁功率Pem 0 ,由转子绕组经变频器将其馈由转子绕组经变频器将其馈入电网入电网,电机实际发电功率为电机实际发电功率为(1 + | S| ) Pem ,如图。如图。(3) 同步运行区同步运行区: 此种状态下此种状态下n = n1 ,滑差频率滑差频率f 2 = 0 ,这表明此时这表明此时通入转子绕组的电流的频率为通入转

8、子绕组的电流的频率为0 ,也即是直流电流也即是直流电流,因此与因此与普通同步发电机一样。普通同步发电机一样。 此时此时, S = 0 , Pem = Pmec ,机械能全部转化为电能机械能全部转化为电能并通过定子绕组馈入电网并通过定子绕组馈入电网,转子绕组仅提供电机励磁。转子绕组仅提供电机励磁。与基本恒速运行的风力发电机组相比较与基本恒速运行的风力发电机组相比较,双馈异步风力发电机组双馈异步风力发电机组有以下主要特点有以下主要特点:发电机可以在超同步和亚同步速广泛区域内运行发电机可以在超同步和亚同步速广泛区域内运行,而且功而且功率因数可以调节率因数可以调节,整个系统具有较好的特性。整个系统具有

9、较好的特性。(2) 通过调节转子电压的频率、幅值、相位等实现系统的变通过调节转子电压的频率、幅值、相位等实现系统的变速恒频功能。速恒频功能。 由电机学原理可知由电机学原理可知,异步电机频率具有下述关系异步电机频率具有下述关系:f 1 = f m f R (超同步时取超同步时取- ,亚同步时取亚同步时取+ ) ;f 1 定子电压频率定子电压频率;f m 主轴传动的机械频率主轴传动的机械频率;f R 电机工作的转差频率。电机工作的转差频率。 当转子旋转速度变化时当转子旋转速度变化时,只要相应地改变转子磁只要相应地改变转子磁势的频率势的频率,即可使定子频率为一常数即可使定子频率为一常数,实现变速恒频

10、功能。实现变速恒频功能。 (3) 并网运行时发电机和风力机的功率特性可获得最佳匹并网运行时发电机和风力机的功率特性可获得最佳匹配。配。图为不同风速时风力机输出机械功率与转速的关系曲图为不同风速时风力机输出机械功率与转速的关系曲线。线。 曲线曲线Pm ( n) 是各风速下功率曲线顶点连线是各风速下功率曲线顶点连线,即为风力即为风力机在各种风速下的最大功率输出曲线。机在各种风速下的最大功率输出曲线。 可以看出可以看出, Pm ( n) 近似与转速的三次方成正比例。采近似与转速的三次方成正比例。采用双馈风力发电系统时用双馈风力发电系统时,通过控制转子励磁电压通过控制转子励磁电压(或电流或电流) 的频

11、率、幅值、相位和相序的频率、幅值、相位和相序,使发电机的功率特性按图中使发电机的功率特性按图中Pem ( n) 曲线变化曲线变化,从而实现了在多种风速下发电机与风从而实现了在多种风速下发电机与风力机功率特性的最佳匹配力机功率特性的最佳匹配,使风力发电系统获得最大风能使风力发电系统获得最大风能利用率。利用率。变频器容量的选择变频器容量的选择 根据实际风速的要求和风力发电机转速范围较根据实际风速的要求和风力发电机转速范围较窄的特点窄的特点,电机转速一般为电机转速一般为(0.7-1.3) 倍额定转速倍额定转速,即电机即电机转差功率在转差功率在35 % Pem之间。转差功率大小决定了变频之间。转差功率

12、大小决定了变频器容量的大小器容量的大小,因此因此,双馈异步风力发电机变频器容量仅为双馈异步风力发电机变频器容量仅为发电机功率的发电机功率的1/41/3。适用范围适用范围 由于风力机及电机本身的结构特点由于风力机及电机本身的结构特点,双馈风力发电机适用双馈风力发电机适用范围一般选定在下述范围内范围一般选定在下述范围内: 功率功率:3003000kW 电压电压:400690V(常用常用) 功率因数功率因数:0.9 (滞后滞后) 0.9 (超前超前) 转差率转差率: 25 %(最大最大35 %) 双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研究热点之一究热点之一,我国已

13、有部分地区的风力发电场开始使用这我国已有部分地区的风力发电场开始使用这种风力机系统。相对于传统的恒速风力机种风力机系统。相对于传统的恒速风力机,其性能优势体其性能优势体现在现在: 控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功率和无功功率率和无功功率,参与系统的无功调节参与系统的无功调节,提高系统的稳定性提高系统的稳定性; 不需要无功补偿装置不需要无功补偿装置; 可以追踪最大风能可以追踪最大风能 ,提高风能利用率提高风能利用率; (4) 降低输出功率的波动和机组的机械应力降低输出功率的波动和机组的机械应力; (5) 在转子侧控制功率因数在转子侧

14、控制功率因数,可提高电能质量可提高电能质量,实现安全、便捷实现安全、便捷并网并网;( 6) 其变频器容量仅占风力机额定容量的其变频器容量仅占风力机额定容量的25%左右左右,与其他全与其他全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。 因此因此,目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制的双馈式风力机控制的双馈式风力机,但其主要缺点在于控制方式相对复但其主要缺点在于控制方式相对复杂杂,机组价格昂贵。机组价格昂贵。从上面的分析看出从上面的分析看出,双馈风力发电机有诸多的优点双馈风力发电机有诸多的优点,下面下面介绍介绍1500kW 575V 样机的技术要点样机的技术要点:型式型式:三相绕线型异步发电机三相绕线型异步发电机规格规格:YRKK500 6 1500kW575V