双馈风机.docx

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双馈风机

当前风机主要有三大类：

鼠笼（传统，异步），双馈（主流，异步），直驱（新兴，同步）

双馈：

定子与转子均能向电网馈电

异步电机：

异步电机是由定子侧接入三相交流电源，定子绕组流过的三相对称电流产生三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。

该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。

根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转。

异步电动机的转速小于定子旋转磁场的转速，有个转差，从而叫做异步电动机，因其由转子绕组感应生成，又称感应电机。

异步电机的同步转速，即旋转磁场的转速为：

n=60f/p

由上面可以看出，改变异步电机的供电频率可以改变其同步转速，从而实现转速运行，即变频调速。

（一般用作电动机，不用做发电机）

同步电机：

同步电机同样是由定子侧送入三相交流电，不同的只是在转子侧同时通一个直流电流，产生相对定子方向不变的磁场，这个磁场的旋转的速度和由定子产生的旋转磁场的速度是相等的，这个磁场旋转的速度和由定子产生的旋转磁场的速度是相等的，（电枢绕组的磁场旋转速度与转子旋转方向一致）所以是同步电机，转子转速n与磁极对数p，电源频率f，满足np=60f，故电源频率一定时，转速不变，与负载无关，因此稳定性高，过载能力强。

同步电机与异步电机的区别：

从供电方面所，异步电机只是在定子侧加上电压（也有转子上加电压的），而同步电机要在定子和转子上都加上电压。

也就是所异步电机是单边励磁，同步电机是双边励磁。

同步电机就是靠励磁电流运行的，如果没有励磁，电机就是异步的。

冲转速来说，异步电机的转速至于负荷大小用惯，而同步电机的转速只与定子供电的频率有关。

转差率：

转差率又称“滑差率”。

异步电机转速n与同步转速n0之差对同步转速之比。

S=（n0-n）/n0。

S不大时与电机的输出功率或转矩成正比。

电学原理：

定子绕组通入三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子导体，产生感应电动势，感应电动势在导体闭合回路内产生感应电流，转子电流与定子磁场相互作用产生电磁力，带动转子旋转，这个旋转的方向与定子的旋转磁场的方向一致。

无外力影响的情况下，转子旋转的速度低于定子磁场旋转的速度。

定子磁场旋转的速度与转子旋转的速度之差与定子磁场的旋转速度之比，就是转差率。

转差率S是异步电动机的一个重要参数，其大小可反映异步电动机的各种运行情况和转速的高低。

异步电动机负载越大，转速就越低，其转差率就越大；反之，负载越小，转速就越高，其转差率就越小。

异步电动机带额定负载时，其额定转速很接近同步转速，因此转差率很小，一般为0．01～0．06。

双馈风机的原理图

双馈的含义：

定子与转子均能向电网馈电

双馈异步风力发电机的原理：

双馈异步风力发电机就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。

如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。

 双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。

我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。

双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。

同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。

交流励磁电机的可调量有三个：

一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。

这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。

通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的目的。

这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。

改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位臵上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。

这说明电机的功率角也可以进行调节。

所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。

交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。

但是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策略。

双馈发电机的特点：

（1）由上图可以看出双馈风机的定子直接与电网相连，转子采用变频器供电，因此系统中的变频器容量取决于发电机运行时的最大转差功率，一般为最大转差功率的25%~35%。

因此变频器的最大容量仅为发电机的额定容量的1/4~1/3.如此可降低系统的费用。

（2）具有变速恒频的特点，实现方式：

设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速n1称为同步转速，它与电网频率f1及电机的极对数p的关系如下：

n1=60f1/p

同样在转子三相对称绕组上通入频率为f2的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为：

改变频率f2，即可改变n2，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。

因此，若设n1为对应于电网频率为50Hz时双馈发电机的同步转速，而n为电机转子本身的旋转速度，则只要维持n+n2=n1=常数，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机一样，其频率维持f1不变。

双馈电机的转差率S=（n1-n）/n1，则双馈电机转子三相绕组而通入的电流频率应为：

f2=pn2/60=f1s。

这也表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕绕组而通入转差频率（即f1s）电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的横频电势，所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速横频发电

最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点：

（1）风力发电机单机容量稳步变大。

现在单机容量已达到兆瓦级； 

（2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。

目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术；     

（3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效； 

（4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。

这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高。

风力发电机的气动功率调节方式：

气动功率调节是风力发电的关键技术之一。

风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。

功率调节方式主要有三种。

（1）定桨距失速调节 

（2）变桨距调节

（3）主动失速调节

变速横频风力发电机的几种形式：

在风力发电机与电网并网时，要求风力发电频率与电网频率一致。

由于变速变频发电系统中风力发电频率随风速而变，不能和电网频率始终保持一致，不能实用。

但如果允许风力发电机在一定的风速范围内做变速运行，则能达到更好利用风能的目的。

基于上述考虑，发展了变速恒频发电系统。

近年来，研究较多的交流电机变速恒频风力发电系统主要有以下四种形式。

根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：

1. 亚同步运行状态：

在此种状态下n

磁场转速n2与转子的转速方向相同，因此有n+n2=n1。

2. 超同步运行状态：

在此种状态下n>n1，改变通入转子绕组的频率为f2的电

流相序，则其所产生的旋转磁场的转速n2与转子的转速方向相反，因此有n-n2=n1。

3. 同步运行状态：

在此种状态下n=n1，转差频率f2=0，这表明此时通入转

子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。

下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。

首先，作如下假定：

1. 只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量 

2. 只考虑定转子空间磁势基波分量 

3. 忽略磁滞、涡流、铁耗 

4. 变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻

抗和损耗。

发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率S按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，可得双馈发电机的等效电路

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