雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理及發(fā)展前景

曾勝

（五凌電力有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410000）

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理及發(fā)展前景

曾勝

（五凌電力有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410000）

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)研究方向?；陔p饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，對(duì)其發(fā)展前景提出了展望。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子、定子電流頻率與電網(wǎng)頻率的步調(diào)一致，以及變頻器對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行的幅度、頻率及相位的合理控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的變速、恒頻需求；網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)亞同步、超同步等工作運(yùn)行狀態(tài)的切換。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)前景被看好。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電流頻率；變流器；變頻器；發(fā)電技術(shù)

引言

全球能源危機(jī)及環(huán)境污染使得人們開始重視各種可再生清潔能源，隨著科技水平的提升，風(fēng)力發(fā)電發(fā)電技術(shù)不僅受到關(guān)注，而且其發(fā)電量在整個(gè)電力系統(tǒng)中占據(jù)的比重越來(lái)越大。風(fēng)力發(fā)電借助于風(fēng)力來(lái)推動(dòng)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供能量，從而將其捕獲的風(fēng)能先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，最后經(jīng)變流器、變壓器等將其并入電網(wǎng)。但是，現(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中依舊存在著諸多技術(shù)問(wèn)題，并制約了全球風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[1-5]。

1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由轉(zhuǎn)子、定子與氣隙三部分構(gòu)成。在發(fā)電機(jī)的鐵心上也分布著同種形狀的凹槽，主要作用在于嵌入定子繞組，并使得通過(guò)定子的電流有效產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子中同樣嵌入了由絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的三相繞組，并將其連接到轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)，再借助于電刷將其引出。在一般的工作情況下，直接將轉(zhuǎn)子用變換器連接到電網(wǎng)中，從而借助轉(zhuǎn)子供于交流磁場(chǎng)。圖1所示為雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 機(jī)體工作原理

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，通過(guò)不同構(gòu)件間的相互作用實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化，為發(fā)電機(jī)正常工作提供了可靠保障。其主要工作原理是：通過(guò)葉輪的實(shí)際作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并在主軸傳動(dòng)鏈的作用下，逐漸提高齒輪箱運(yùn)行速度，直到其滿足發(fā)電機(jī)正常工作速度。此時(shí)，通過(guò)勵(lì)磁變流器的勵(lì)磁作用，將發(fā)電機(jī)定子電能在一定時(shí)間內(nèi)全部并入電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子將處于發(fā)電狀態(tài)，利用變流器向電網(wǎng)饋電。同時(shí)，通過(guò)齒輪作用實(shí)現(xiàn)齒輪箱速度的動(dòng)態(tài)變化，在保持電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，結(jié)合變頻器的作用輸出穩(wěn)定的正弦波，促使轉(zhuǎn)子側(cè)可以發(fā)出電流，保持風(fēng)能高效利用。

定子與轉(zhuǎn)子中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相對(duì)靜止的一種狀態(tài)，而在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變化頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電流頻率之間的關(guān)系為

其中，f1為定子電流頻率，Hz；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率，Hz；p為發(fā)電機(jī)自身的磁極對(duì)數(shù)；n為發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。分析式（1）可以得知，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)子電流頻率的調(diào)節(jié)來(lái)保證定子電流頻率的穩(wěn)定，從而確保整個(gè)定子的電流頻率能夠與電網(wǎng)頻率保持一致，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。

根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的區(qū)別，一般也將雙饋式發(fā)電機(jī)分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即亞同步狀態(tài)、超同步狀態(tài)與同步狀態(tài)。在研究過(guò)程中，用P2表示發(fā)電機(jī)發(fā)電軸上的機(jī)械公路，用Pem表示從轉(zhuǎn)子傳遞到定子上的電磁功率，用sPem表示其轉(zhuǎn)子輸入輸出的所有功率。具體如圖2所示。

圖2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理表示圖

1.2 變流器工作原理

雙饋式異步電機(jī)定子繞組需要連接在電網(wǎng)中，而為了充分產(chǎn)生交流勵(lì)磁，就需要將電子繞組連接在一個(gè)具有可調(diào)頻率的三相電源上。當(dāng)負(fù)載變化引起了轉(zhuǎn)子電流頻率進(jìn)一步變化時(shí)，就能夠有效改變勵(lì)磁電流頻率，并且使得定子輸出頻率不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的變化而改變，有效保證定子輸出頻率的穩(wěn)定性，并充分保證其頻率與電網(wǎng)頻率保持一致。而在此過(guò)程中，借助于變流器的種種功能，在能夠很好地保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變速的同時(shí)，輸出頻率也保持不變。目前我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，經(jīng)常用到背恒壓源PWM進(jìn)行電路調(diào)制，從而發(fā)揮變流器的角色。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常會(huì)用到兩組PWM進(jìn)行電路調(diào)制，并且將其靠近電網(wǎng)的部分稱為網(wǎng)側(cè)變流器，而靠近轉(zhuǎn)子側(cè)的則稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。

在電機(jī)工作與亞同步運(yùn)行狀態(tài)中，電網(wǎng)通常會(huì)借助變流的方式向轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行供電，這時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器就會(huì)處于整流狀態(tài)中，而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則工作在逆變狀態(tài)中。在電流經(jīng)過(guò)變流器后，就能夠有效控制其幅度、相位及頻率，并使得定子電流達(dá)到恒定狀態(tài)。而當(dāng)電機(jī)處于超同步工作狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變工作狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)子側(cè)變流器處于整流狀態(tài)。轉(zhuǎn)子回路則借助于變流器的變流作用，向電網(wǎng)合理回饋工頻電能。

1.3 控制方式

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)與繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的工作原理非常相似，都是將電子繞組連接到對(duì)稱的三相電源上，并且電源頻率相對(duì)固定。但這兩者之間還是存在較大區(qū)別：雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組還需連接到一個(gè)可以調(diào)節(jié)頻率的三相交流電源上，并且借助于變頻器提供一個(gè)頻率相對(duì)較低的電流。

一般情況下，電網(wǎng)對(duì)電能的要求在于上網(wǎng)電壓的變化率與其頻率的變化率，其大小都與發(fā)電器的輸出電壓有著很大關(guān)系，這也就要求對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行有效控制。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中進(jìn)行電壓控制的主要方式在于借助變頻器對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行幅度、頻率以及相位三者的合理控制，并且有效調(diào)整勵(lì)磁控制器的給定值，從而達(dá)到變速、恒頻的目的。一般情況下，轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁控制器需要進(jìn)行下述幾方面的控制：① 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快慢往往直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)子電壓的頻率，因此應(yīng)當(dāng)確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能夠保持在一定范圍之內(nèi)；② 利用定子輸出有功功率的調(diào)節(jié)，能夠很好地改變整個(gè)轉(zhuǎn)子電壓所在相位，這就需要保證定子有功功率達(dá)到勵(lì)磁控制器所能夠控制的有功功率；③ 通過(guò)對(duì)定子上無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，能夠有效進(jìn)行轉(zhuǎn)子電壓幅值調(diào)節(jié)，因此在勵(lì)磁控制器工作過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證定子輸出電壓能夠快速跟蹤到勵(lì)磁控制所給定的電壓值。

2 前景展望

隨著我國(guó)制造工藝及復(fù)合材料的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量得到了迅速提高，有效降低了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的成本。20世紀(jì)80年代，商品化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量?jī)H有55 kW，而現(xiàn)階段有些廠家甚至已經(jīng)研制出容量達(dá)10 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，且必將繼續(xù)增大。

發(fā)電機(jī)容量、變頻器容量、發(fā)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度等都可能會(huì)影響或限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作，具體工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速的情況。為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作，應(yīng)采取合理的功率調(diào)節(jié)手段調(diào)整其風(fēng)能捕捉效率。一般情況下，功率調(diào)節(jié)主要有變槳距失速調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)、定漿距失速調(diào)節(jié)等方式，能夠更好地將風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收的風(fēng)能始終控制在一定負(fù)荷范圍之內(nèi)，保證設(shè)備正常工作。

就運(yùn)行方式而言，電網(wǎng)運(yùn)行頻率是恒定的，這也就要求發(fā)電機(jī)能夠保持輸出頻率恒定。在早期的恒速、恒頻狀況下，通常會(huì)采用主動(dòng)失速調(diào)節(jié)等方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行頻率的恒定保持。而在現(xiàn)階段中，通常會(huì)采用雙饋電機(jī)，借助于風(fēng)速的反饋信號(hào)來(lái)對(duì)控制變頻器進(jìn)行有效控制，從而調(diào)整整個(gè)繞組電流的變速能力，并且使得系統(tǒng)能夠進(jìn)一步保持恒頻運(yùn)行狀態(tài)。未來(lái)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)將會(huì)進(jìn)一步向著變速運(yùn)行的方式轉(zhuǎn)變。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有兩種驅(qū)動(dòng)方式，即雙饋式和直驅(qū)式。雙饋式指通過(guò)齒輪箱的多級(jí)變速進(jìn)行雙饋異步發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，是目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中最為常用的一種驅(qū)動(dòng)形式，其缺點(diǎn)是由于葉輪與風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩者之間變速齒輪箱的存在，導(dǎo)致噪音較大、磨損嚴(yán)重等，降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率。為了減少機(jī)械磨損，需要定期潤(rùn)滑、清洗、維護(hù)。隨著齒輪箱技術(shù)的不斷發(fā)展，齒輪箱效率的增加也使得雙饋式風(fēng)力發(fā)電效率進(jìn)一步提升，同時(shí)由于整機(jī)可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力及價(jià)格成本等方面的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)日益趨于成熟，使得現(xiàn)在全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中雙饋式風(fēng)力發(fā)電超越直驅(qū)式，成為優(yōu)先采用的技術(shù)方案。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高與成熟，雙饋式風(fēng)力發(fā)電必將綻放更大的光彩。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)創(chuàng)新步伐加快，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研發(fā)在發(fā)電機(jī)容量、變頻器容量、發(fā)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度、運(yùn)行方式、驅(qū)動(dòng)方式等方面持續(xù)得到了改進(jìn)，將使得風(fēng)力發(fā)電——這種清潔可再生能源的制造方式所占據(jù)的比例越來(lái)越高。

但現(xiàn)階段所采用的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)中依舊存在著許多不足，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。本文就雙饋式風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了分析，并就其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展開了簡(jiǎn)要闡述，希望為我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電工作提供理論幫助。

[1]王世龍. 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)控制研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2013.

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Operation Mechanism and Development Prospect of Doubly Fed Wind Generator

ZENG Sheng
(Wuling Power Corporation Ltd., Changsha, Hunan,410000, China)

Doubly fed wind generator is the core research direction of all the wind power generation technologies. Based on the operation mechanism of the doubly fed wind generator, its development is prospected. In the double fed wind generator, through consensus on current frequency of rotor and stator and frequency of grid power, as well as reasonable control on amplitude, frequency and phase of excitation current from frequency transformer, demands of speed variance and frequency constancy are realized. Also, through mode conversion of current converters on the grid side and the rotor side, the operation switching between sub synchronous and super synchronous are realized. It is expected that the doubly fed wind generator will continue to develop in the generator capacity, the frequency converter capacity, the mechanical strength of the generator, the operation mode, the driving mode and so on, blooming a more brilliant future for power generation technology.

Wind Power Generation; Doubly Fed Wind Generator; Current Frequency; Current Converter; Frequency Converter; Power Generation Technology

TM315

A

2095-8412 (2016) 06-1101-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.011

曾勝(1980-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，就職于五凌電力有限公司。研究方向：風(fēng)力發(fā)電等新能源的開發(fā)建設(shè)。