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风电厂中的双馈异步发电机

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/4/23 15:07:17   

  所属频道:  风力发电    关键词:  风电机组 发电机 电容器

双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机,按转子类型分为有刷和无刷两种,无刷发电机即为鼠笼型发电机,由于鼠笼型风力发电机励磁控制困难,无法最大限度的利用风能,所以目前很少应用;有刷发电机即为双馈异步发电机,具备易于控制转矩和速度、能工作在恒频变速状态、电机可以超同步和超容量运行、驱动变流器的总额定功率可以降低到电机容量的1/4等方面的优点,是本文介绍的重点。

双馈异步发电机变速恒频风力发电机的核心部件。此类发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成,冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连,转子绕组通过变频器与电网连接,转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节,机组可以在不同的转速下实现恒频发电,满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁,发电机和电力系统构成了"柔性连接",即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流,精确的调节发电机输出电压,使其能满足要求。

异步电动机运行时,电磁转矩和转向相同,即转差率>0;异步发电机运行时,电磁转矩和转速方向相反,转差率<0,发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时,在转子中会形成一个低速旋转磁场,这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加,使其等于定子的同步转速,从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时,转速随之而变化,相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度,就会使定子输出频率保持恒定。

双馈发电机通过控制转子励磁,使定子的输出频率保持在工频。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时,发电机处于亚同步速运行,为了保证发电机发出的频率与电网频率一致,需要变频器向发电机转子提供正相序励磁,给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流,此时转子的制动转矩与转子的机械转向相反,转子的电流必须与转子的感应电动势反方向,转差率减小,定子向电网馈送电功率,而变频器向转子绕组输入功率。当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时,发电机处于超同步运行状态,为了保证发电机发出的频率与电网频率一致,需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流,此时变频器向发电机转子提供负相序励磁,以加大转差率,变频器从转子绕组吸收功率;当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时,发电机处于同步速运行,变频器应向转子提供直流励磁,此时,转子的制动转矩与转子的机械转向相反,与转子感生电流产生的转矩方向相同,定子和转子都向电网馈送电功率。

为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获,满足电网对输入电力的要求,风力发电机必须变速恒频运行;为了控制发电机转速和输出的功率因数,必须对发电机有功功率、无功功率进行解耦控制。这一过程是采用磁场定向的矢量变换控制技术,通过对用于励磁的PWM变频器各分量电压、电流的调节来实现。

调节励磁电流的幅值、频率、相序,确保电发电机输出功率恒压。同时采用矢量变换控制技术,实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。调节有功功率可调节风力机转速,进而实现捕获最大风能的追踪控制;调节无功功率可调节电网功率因数,提高风电机组及所并电网系统的动、静态动行稳定性。

根据双馈式异步发电机数学模型和发电机的功率方程可知:有功功率、无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比,调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别独立调节有功功率和无功功率。根据双馈式异步发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理,可设计出交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统,系统采用双闭环结构,外环为功率控制环、内环为电流控制环。整个控制系统可分为三个单元,它们分别接受风速和转速信号,有功功率指令和无功功率指令,并产生一个综合信号送至励磁控制装置,改变励磁电流的大小,频率和相位满足系统控制的需要。

其中有功功率指令和无功功率指令的产生步骤是:分别设定有功功率和无功功率的参考值,并与转子电流反馈量比较或获得转子电压指令,经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量。

现有的双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升压后直接与电网并联,加之在转速控制系统中采用了电力电子装置,会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时,还必须从电网吸收滞后的无功功率,使功率因数恶化,加重了电网的负担。因此必须进行无功补偿,提高功率因数,通常都是在风电场母线集中处安装电容器组。但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约,无法实现最佳补偿状态。目前,一种基于电力电子逆变技术的无功补偿装置——静止同步补偿器——很有可能将取代传统的电容器补偿方式。

当风力发生变化发电机组突然切出时会对电网造成较大的冲击,另外有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题,运行可靠性差,需要经常维护,其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机,并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。

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