請問雙饋式異步發電機的工作原理

題目：

請問雙饋式異步發電機的工作原理

解答：

雙饋電機的原理
目前的風電機組多採用恆速恆頻系統,發電機多採用同步電機或異步感應電機.在風電機組向恆頻電網送電時,不需要調速,因爲電網頻率將強迫控制風輪的轉速.在這種情況下,風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉速.效率下降,被迫降低出力,甚至停機,這顯然是不可取的.與之不同的是,無論處於亞同步速或超同步速的雙饋發電機都可以在不同的風速下運行,其轉速可隨風速變化做相應的調整,使風力機的運行始終處於最佳狀態,機組效率提高.同時,定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變,既可以調節電網的功率因數,又可以提高系統的穩定性.
(1) 雙饋電機的工作特性
雙饋電機的結構類似於繞線式感應電機,定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵,所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源激勵,一般採用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流.
當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率爲f1(f1=p•n1/60)的三相電源供電時,由於電機轉子的轉速n＝(l-s)n1(s爲轉差率,n1爲氣隙中基波旋轉磁場的同步速率).爲了實現穩定的機電能量轉換,定子磁場與轉子磁場應保持相對靜止,即應滿足:
ωr＝ω1-ω2
其中:ωr是轉子旋轉角頻率;
ω1是定子電流形成的旋轉磁場的角頻率;
ω2是轉子電流形成的旋轉磁場的角頻率.
由此可得轉子供電頻率f2＝s•f1,此時定轉子旋轉磁場均以同步速n1旋轉,兩者保持相對靜止.
與同步電機相比,雙饋電機勵磁可調量有三個:一是與同步電機一樣,可以調節勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位.通過改變勵磁頻率,可調節轉速.這樣在負荷突然變化時,迅速改變電機的轉速,充分利用轉子的動能,釋放和吸收負荷,對電網的擾動遠比常規電機小.另外,通過調節轉子勵磁電流的幅值和相位,可達到調節有功功率和無功功率的目的.而同步電機的可調量只有一個,即勵磁電流的幅值,所以調節同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償.與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調節電流幅值外,亦可以調節其相位,當轉子電流的相位改變時,由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位置就產生一個位移,改變了雙饋電機電勢與電網電壓向量的相對位置,也就改變了電機的功率角.所以雙饋電機不僅可調節無功功率,也可調節有功功率.一般來說,當電機吸收電網的無功功率時,往往功率角變大,使電機的穩定性下降.而雙饋電機卻可通過調節勵磁電流的相位,減小機組的功率角,使機組運行的穩定性提高,從而可多吸收無功功率,克服由於晚間負荷下降,電網電壓過高的困難.與之相比,異步發電機卻因需從電網吸收無功的勵磁電流,與電網並列運行後,造成電網的功率因數變壞.所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優越的運行性能.
(2) 風力發電中雙饋電機的控制
在風力發電中,由於風速變幻莫測,使對其的利用存在一定的困難.所以改善風力發電技術,提高風力發電機組的效率,最充分地利用風能資源,有著十分重要的意義.任何一個風力發電機組都包括作爲原動機的風力機和將機械能轉變爲電能的發電機.其中,作爲原動機的風力機,其效率在很大程度上決定了整個風力發電機組的效率,而風力機的效率又在很大程度上取決於其負荷是否處於最佳狀態.不管一個風力機是如何精細地設計和施工建造,若它處於過載或久載的狀態下,都會損失其效率.從風力機的氣動曲線可以看出,存在一個最佳周速比λ,對應一個最佳的效率.所以風力發電機的最佳控制是維持最佳周速比λ.另外,由於要考慮電網對有功功率和無功功率的要求,所以風力機最佳工況時的轉速應由其氣動曲線及電網的功率指令綜合得出.也就是說,風力發電機的轉速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調整,依靠轉子動能的變化,吸收或釋放功率,減少對電網的擾動.通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制.可以改變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角,達到調節其轉速、有功功率和無功功率的目的,既提高了機組的效率,又對電網起到穩頻、穩壓的作用.圖2是按這種控制思路得出的風力發電雙饋電機控制系統框圖.

整個控制系統可分爲三個單元:轉速調整單元、有功功率調整單元、電壓調整單元(無功功率調整).它們分別接受風速和轉速、有功功率、無功功率指令,並產生一個綜合信號,送給勵磁控制裝置,改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角,以滿足系統的要求.由於雙饋電機既可調節有功功率,又可調節無功功率,有風時,機組併網發電;無風時,也可作抑制電網頻率和電壓波動的補償裝置.
(3) 雙饋風力發電機組應用前景廣闊
綜上所述,將雙饋電機應用於風力發電中,可以解決風力機轉速不可調、機組效率低等問題.另外,由於雙饋電機對無功功率、有功功率均可調,對電網可起到穩壓、穩頻的作用,提高發電質量.與同步機交一直一交系統相比,還有變頻裝置容量小(一般爲發電機額定容量的10～20%)、重量輕的優點,更適合於風力發電機組使用,同時也降低了造價.
將雙饋電機應用於風力發電的設想,不僅在理論上成立,在技術上也是可行的.與現有的風力發電技術相比,無論從經濟性,還是可靠性來看,都具有無可替代的優勢,具有很強的競爭力,有利於風電機組國產化的進程,其發展前景十分廣闊.一般多應用於1.5mw雙饋異步發電機.