交流励磁双馈风力发电机的设计分析

黑龙江 贾魁

交流励磁双馈风力发电机的设计分析

黑龙江 贾魁

风力发电以其清洁、无污染、建设周期短、运营成本低等优点，现已成为发展新能源和可再生绿色能源的重点领域。交流励磁双馈风力发电机系统由于其发电机能在一定的转差范围内都可以对电网正常发电，在允许的风速下可实现对风能的最佳利用，因而目前在国内、外已被广泛研究，并在变速恒频风力发电方面具有较好的应用前景。本文针对风力机的结构和特点，分析了风力机的运行原理，此外还分析了交流励磁双馈风力发电机的特点及其运行原理。

功率调节；风力发电机；电磁转矩；交流励磁；变速恒频

一、风力发电在国内外的现状

近年来，由于对能源的渴求，人们无节制地开采石油、煤炭、天然气等这些埋藏在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重地污染了我们的生存空间，恶化了自然环境，而且带来了更可怕的恶果——能源枯竭。为此，各国政府纷纷制定自己的能源政策和政府税收补贴，从而使风能、原子能、太阳能、潮汐能、地热能等能源的开发利用得以迅速发展。特别是现代科学技术的迅速发展，空气动力学和尖端航天技术应用于新型风电机组的开发研制，使风电事业在短暂的一二十年的时间里，有了长足发展。中小型机组技术稳定，装机成本已趋合理，与此同时，许多发达国家厂商的大型机组已投放市场，尤其是一些兆瓦级的大型风力机组研制试运行成功，使风力发电在公用电网中占有一席之地。

1.国际风电发展现状

自80年代中期以来，风力发电步伐越来越快，其主要发展趋势是：（1）为了充分发挥风力发电的优势，尽量降低发电成本，在中型机、小型机成熟的基础上，向大型、巨型机发展。（2）大力发展风电场，增加装机容量，在研制大型风力机的同时，风电场也获得巨大的发展。（3）风电成本逐渐下降，具有与常规能源竞争的优势。（4）高科技越来越多地应用于风力发电，提高了风力发电的可靠性和发电效率，如微机控制技术、风力/柴油并网技术、电力电子储能技术和交流励磁发电机的应用，大大提高了风力发电系统的可靠性、稳定性和发电效率。

2.国内风电发展现状

在我国，目前大多数的发电站是用传统的能源进行发电，这不仅对环境造成了污染，而且引起了我国的能源危机，使我国能源问题面临严峻的挑战。国内对双馈发电机的研究始于八十年代中期。其中:华北电力大学王仁洲教授领导的课题组，开展了双轴励磁发电机及其励磁控制的研究，受到了国家自然科学基金的资助；研制了100MW双轴励磁同步发电机的动态物理模型；进行了双轴励磁发电机的基本方程及其暂、稳态特性的分析；研究了双轴励磁发电机同频异步稳定运行的物理特性。我国能自主生产并已产业化的双馈风力发电机单机容量为600kW－750kW，1.5MW以上的双馈电机还没有完全产业化，同时国内巨大的风电开发前景形成了对兆瓦级双馈风力发电机的巨大市场需求，因此，对兆瓦级双馈风力发电机进行研究依然迫切而必要。

3.风力发电机组技术

风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术发展的必然趋势，也是风力发电中的关键核心技术。功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式：一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。

并网型风电机组技术主要有两类：恒速恒频风电机组技术和变速恒频风电机组技术。恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，使风力机常常运行于低效状态。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。

二、交流励磁双馈风力发电机结构及原理

1.系统结构

传统的同步电机转子安装励磁绕组，采用直流励磁；传统的异步电机没有专门的励磁绕组，其磁场由定子励磁电流建立。而双馈发电机的定、转子均为三相对称绕组，都参与励磁，它兼有异步电机和同步电机的特点，如果从发电机转速是否和同步转速一致来看，双馈发电机应当被称为异步发电机，所以双馈发电机可以称为交流励磁同步发电机，或称为同步感应发电机，又可以称为异步化同步发电机。确切地说，它是具有同步发电机特性的交流励磁双馈异步发电机。但和普通的交流电机相比，它有许多自身的特点。

因此，目前在兆瓦级变速恒频风电机组中，交流励磁双馈风力发电机应用最为广泛。

2.运行原理

在不同风速下，交流励磁双馈风力发电机的运行状态如下：

①当发电机转子转速低于同步转速时，即0＜s＜1，转子绕组通过变频器向电网吸收电能，电机处于亚同步转速；

②当发电机转子转速高于同步转速时，即s＜0，转子绕组通过变频器向电网送出电能，电机处于超同步转速；

③当发电机转子转速等于同步转速时，即s=0，变流器向转子提供直流励磁，此时发电机处于同步转速。

在变速恒频双馈发电机组中，当风速变化时，双馈发电机的转速n也相应变化，由计算得知只要相应地改变转子励磁电流的频率就可以使定、转子磁场保持相对静止，而产生恒定的电磁转矩进行机电能量转换，也就可以保持双馈风力发电机定子恒频发电。

三、双馈交流励磁发电机的电磁设计特点

交流励磁风力发电机转子上采用三相对称分布的励磁绕组，对称交流励磁，且励磁电压的大小、频率、相位、相序都可以控制。双馈式风力发电机定子通过变压器直接和电网相连，转子通过变流器和变压器再和电网相连。由于其转子励磁绕组为多相对称绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，可通过调节励磁电压幅值、频率、相位来控制发电机励磁磁场大小、相对转子本体的位置和电机的转速，由于交流励磁发电机励磁控制自由度的增加，使得交流励磁风力发电机具备其优良特性:良好的稳定性及转速适应能力；独立的有功、无功调节能力；较强的进相运行能力。

四、总结

本文主要是对变速恒频兆瓦级交流励磁双馈发电机的电磁设计提供了理论基础，并对交流励磁双馈风力发电机电磁设计与计算机的有机结合做铺垫。但由于时间仓促，作者在叙述中，没有对双馈风力发电机的计算进行详细研究分析，对于兆瓦级双馈风力发电机还有很多内容需要深入探讨。

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（作者单位：哈尔滨劳动技师学院）

（编辑 王旸）