交流励磁变速恒频发电机理解析

1.交流励磁变速恒频发电基本原理

变速恒频风力发电机组结构图如图4-3所示。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率（此功率可正可负）。

双馈风力发电机建立在交流励磁基础上，在异步发电机转子中施加三相低频交流电流实现励磁，调节励磁电流的幅值、频率和相序，保证发电机输出恒频恒压；同时采用矢量变换控制技术，实现发电机有功和无功功率的解耦并可独立调节。

图4-3　变速恒频风力发电机组结构图

当风速变化引起发电机转速n变化时，应控制转子电流频率f2，使定子输出频率f1恒定，f1与f2的关系为

式中　p——电机极对数；

fm——电机同步转速对应的比例系数，fm=n1/60。

当发电机转速n低于气隙旋转磁场的同步转速n1时，发电机处于亚同步速运行，此时转子侧励磁变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（4-36）取正号，转子侧励磁变频器向转子输入电功率；当发电机转速n高于气隙旋转磁场的同步转速n1时，发电机处于超同步速运行，此时转子侧励磁变频器向发电机转子提供负相序励磁，式（4-36）取负号，转子侧励磁变频器向转子输出电功率，转子能量回馈给电网；当发电机转速n等于气隙旋转磁场的同步转速n1时，发电机处于同步速运行，此时转子侧励磁变频器向发电机转子提供直流励磁，f2=0。

2.风力机的功率和转矩

风力发电机组的输出功率主要受可利用的风能、发电机的功率曲线和发电机对变化风速的响应能力三个因素的影响。风力机从风能中捕获的功率和转矩为

式中　Pr——风力机吸收功率，W；(www.xing528.com)

Tm——风力机转矩，N·m；

ρ——空气密度，kg/m3；

Cp——风能利用系数，最大值是贝兹极限59.3%，Cp（β，λ）=λCT（β，λ）；

CT——气动转矩系数；

β——桨距角，（°）；

R——叶片半径，m；

vw——上风向风速，m/s；

λ——叶尖速比，λ=ωR/vw。

根据空气动力学理论有以下关系

Cp（β，λ）曲线如图4-4所示。

由式（4-37）和式（4-38）可知，在风速给定的情况下，风力机获得的功率取决于风能利用系数Cp。如果在任何风速下风力机都能在Cpmax点运行，就可以增加其输出功率。根据图4-4可知，在任何风速下，只要λ=λopt，就可维持风力机在Cpmax下运行，即稳态运行时，对于固定的桨距角β，存在最优叶尖速比λopt和最大风能利用系数Cpmax。因此，风力发电机转速必须随风速变化而变化，从而保持λopt不变。