有刷雙饋式異步發(fā)電機(jī)
雙饋式異步發(fā)電機(jī)實(shí)際是異步感應(yīng)電機(jī)的一種變異，雙饋異步發(fā)電機(jī)通常為4極或6極，轉(zhuǎn)速為1500r/min、1000r/min，如此高的轉(zhuǎn)速是通過多級(jí)增速齒輪箱來實(shí)現(xiàn)的。這種發(fā)電機(jī)始于上世紀(jì)80年代，日本日立公司、東芝公司和前蘇聯(lián)在這種發(fā)電機(jī)的研制和開發(fā)中都作出了顯著的貢獻(xiàn)。目前美國GE能源、德國Fuhrländer等公司的很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，采用變速雙饋風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案。我國甘肅蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司、北車集團(tuán)永濟(jì)電機(jī)廠、四川東風(fēng)電機(jī)廠有限公司也都先后研制成功了兆瓦級(jí)雙饋式異步發(fā)電機(jī)。
雙饋式電機(jī)分鼠籠式和繞線式兩種。但是，鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)因其無法最大限度地利用風(fēng)能，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中沒有得到廣泛應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中多選用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機(jī)相似，由繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和在轉(zhuǎn)子電路上帶交流勵(lì)磁器組成，定子、轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)導(dǎo)入，這種帶滑環(huán)的雙饋式電機(jī)被稱之為有刷雙饋發(fā)電機(jī)。
雙饋式電機(jī)的定子接入電網(wǎng)，通過PWM(脈寬調(diào)制)AC-DC-AC變頻器向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流，為了獲得較好的輸出電壓電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的1/3。其容量一般不超過發(fā)電機(jī)額定功率的30%，通常只需配置一臺(tái)1/4功率的變頻器。其原理圖如圖1所示。
雙饋式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械速度是允許隨著風(fēng)速而變化的。通過對(duì)發(fā)電機(jī)的控制使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比，從而使整個(gè)運(yùn)行速度的范圍內(nèi)均有最佳功率系數(shù)。
雙饋式異步發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行是建立在異步電機(jī)基礎(chǔ)上的，眾所周知異步電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。我們將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速ns的差值定義為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比的百分值定義為轉(zhuǎn)差率。在作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只能是略低于同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)差率＞0。而作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速總是略高于同步轉(zhuǎn)速，其電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)差率＜0，發(fā)電機(jī)的功率隨該負(fù)轉(zhuǎn)差率絕對(duì)值的增大而提高。
當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過三相低頻電流時(shí)，在轉(zhuǎn)子中會(huì)形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相疊加，使其等于定子的同步轉(zhuǎn)速，從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之而變化，相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度，就會(huì)使定子輸出頻率保持恒定。
當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行，為了保證發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率與電網(wǎng)頻率一致，需要變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供正相序勵(lì)磁，給轉(zhuǎn)子繞組輸入一個(gè)其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械方向相同的勵(lì)磁電流，此時(shí)，轉(zhuǎn)子的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)子的電流必須與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)反電動(dòng)勢反方向，轉(zhuǎn)差率減小，定子向電網(wǎng)饋送電功率，而變頻器向轉(zhuǎn)子繞組輸入功率；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行，為了保證發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率與電網(wǎng)頻率一致，需要給轉(zhuǎn)子繞組輸入一個(gè)其旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械方向相反的勵(lì)磁電流，此時(shí)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供負(fù)相序勵(lì)磁，以加大轉(zhuǎn)差率，變頻器從轉(zhuǎn)子繞組吸收功率；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于同步速運(yùn)行，變頻器應(yīng)向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)，轉(zhuǎn)子的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)向相反，與轉(zhuǎn)子感生電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩同方向，定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋送電功率。
綜上可知，在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和捕獲最大風(fēng)能的要求，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在不斷的變化，而且經(jīng)常在同步速上、下波動(dòng)，這就要求轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電源不僅要有良好的變頻輸入、輸出特性，而且要有能量雙向流動(dòng)的能力。在目前電力電子技術(shù)條件下，可采用IGBT器件(絕緣柵雙極晶體管)構(gòu)成的PWM整流—PWM逆變型式的AC-DC-AC變頻器作為其勵(lì)磁電源。
為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的最大能量的追蹤和捕獲，滿足電網(wǎng)對(duì)輸入電力的要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須變速恒頻運(yùn)行；為了控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出的功率因數(shù)，必須對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率進(jìn)行解耦控制。這一過程是采用磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，通過對(duì)用于勵(lì)磁的PWM變頻器各分量電壓、電流的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。
調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相序，確保電發(fā)電機(jī)輸出功率恒壓。同時(shí)采用矢量換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)有功功率可調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲追蹤控制；調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風(fēng)電機(jī)組及所并電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)動(dòng)行穩(wěn)定性。
根據(jù)雙饋式異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和發(fā)電機(jī)的功率方程可知：有功功率、無功功率分別與定子電流在m、t軸上的分量成正比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。根據(jù)雙饋式異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和交流電機(jī)矢量變換控制原理，可設(shè)計(jì)出交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向的矢量變換抑制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。整個(gè)控制系統(tǒng)可分為三個(gè)單元，它們分別接受風(fēng)速和轉(zhuǎn)速信號(hào)，有功功率指令和無功功率指令，并產(chǎn)生一個(gè)綜合信號(hào)送至勵(lì)磁控制裝置，改變勵(lì)磁電流的大小，頻率和相位滿足系統(tǒng)控制的需要。
其中有功功率指令和無功功率指令的產(chǎn)生步驟是：分別設(shè)定有功功率和無功功率的參考值，并與轉(zhuǎn)子電流反饋量比較或獲得轉(zhuǎn)子電壓指令，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換就得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電壓控制量。
現(xiàn)有的雙饋式異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能都是經(jīng)變壓器升壓后直接與電網(wǎng)并聯(lián)，加之在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中采用了電力電子裝置，會(huì)產(chǎn)生電力諧波。同時(shí)發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，還必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，使功率因數(shù)惡化，加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。因此必須進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，通常都是在風(fēng)電場母線集中處安裝電容器組。但這種補(bǔ)償方式受電容器的級(jí)數(shù)和容量等的制約，無法實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償狀態(tài)。目前，一種基于電力電子逆變技術(shù)的無功補(bǔ)償裝置—靜止同步補(bǔ)償器很有可能將取代傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償方式。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)生變化發(fā)電機(jī)組突然切出時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大。另外有刷雙饋發(fā)電機(jī)存在滑環(huán)和變速箱的問題，運(yùn)行可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，其維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用遠(yuǎn)高于無齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且這種結(jié)構(gòu)不適合運(yùn)行在環(huán)境比較惡劣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。