风力发电中的笼型感应发电机应用

20世纪70年代末～90年代初，笼型感应发电机是大中型风力发电机组的主流机型，这是因为当时只有笼型感应发电机组解决了运行的可靠性问题，同时，笼型感应发电机组还具有结构简单、控制方便等一系列优点。近年来，笼型感应发电机也开始在变速恒频风力发电机组中得到了应用。

1.笼型感应发电机的基本结构与运行原理

（1）基本结构

笼型感应发电机的结构与笼型感应电动机基本相同，主要由定子和转子两部分以及其他结构件构成，定子与转子之间有一个不大的气隙。定、转子又分别由各自的铁心和绕组构成。笼型感应发电机的转子绕组为短路绕组，由若干个铜（或铝）制导条和前后两个短路端环组成，由于形状像一个笼子，故而得名。笼型感应发电机的定、转子结构特点及其所起的作用如图7-9所示，笼型绕组与笼型转子结构如图7-10所示。

图7-9 感应发电机的结构特点

图7-10 笼型感应发电机的转子结构

a）笼型绕组（铜） b）铸铝转子

（2）运行原理

风力发电中使用的大中型感应发电机一般均与电网并联运行，这里只讨论感应发电机并网运行的情况。

由电工原理可知，转差率s是感应电机的一个重要参量，根据它的数值可以判定电机的运行状态。转差率的定义如下式：

式中 n₁——同步转速（r/min）；

n——电机转子的实际转速（r/min）

当原动机（风力机）驱动感应电机旋转，转速超过同步转速，即n＞n₁，s＜0时，感应电机进入发电机状态，这时，感应发电机把从风力机输入的机械功率转换成电功率输出给电网。同时，发电机产生的制动性质的电磁转矩与风力机驱动性质的机械转矩相平衡，以便维持风力发电机组的稳定运行。

有些风力机的自起动能力较差，这时，首先需要使感应电机作电动机运行，直至机组转速超过同步转速后，才转换为发电机运行。风力感应发电机从电动起动到发电运行的过程与起重机下放重物的过程非常相似。电动起动是指风力发电机组从静止状态起动时，首先把感应发电机当作电动机接到电网上驱动风力机起动旋转。起初，在电动机驱动转矩和风力机的双重作用下，风力发电机组快速起动，在感应电机转速加速到同步转速之前，始终处于电动机运行状态。随着机组转速的升高，感应电机转速很快超过了同步转速，这时，在风力机的作用下，感应电机从电动机状态自动转变为发电机状态。

风力感应发电机的上述基本运行状态归纳在表7-5中。

表7-5 风力感应发电机的基本运行状态

由上表中还可以看出，当发电机转速恰好等于同步转速，即n=n₀，转差率s=0时，由于转子导体与气隙旋转磁场之间相对静止，转子绕组的感应电动势和电流均为0，因此，根据电磁感应定律和电磁力定律，其电磁功率和电磁转矩也都为0，可见，同步运行状态实际上是一个不稳定运行状态。也就是说感应发电机或者因风力较大，使n＞n₁，而运行于发电状态；或者因风力过小，使n＜n₁，因运行于电动状态而使风力发电机组停机。

2.定桨距风力发电机组与笼型感应发电机

（1）定桨距风力发电机组

所谓定桨距就是风力机风轮的叶片与轮毂之间为刚性连接，叶片的迎风角不能随风速的变化而变化。定桨距风力发电机组由于结构简单、控制方便而得到了广泛应用。

定桨距风力发电机组需要配套的发电机具有恒转速特性，并网运行的感应发电机能够满足这一要求。采用感应发电机并网运行有一系列优点：笼型感应发电机的结构简单、价格便宜；不需要严格的并网装置，可以较容易地与电网联接；感应发电机并网运行时，转速近似是恒定的，但允许在一定范围内变化，因此可吸收瞬态阵风能量。

采用感应发电机的主要缺点是需要从电网吸收感性无功电流来励磁，加重了电网对感性无功功率的负担，因此，常需要对感应发电机进行无功补偿。

另外，在低风速运行段，定桨距风力发电机组还面临系统效率低下的问题。这种效率低下反映在两个方面，一方面是定桨距风力机的转速不能随风速的变化而自动调整，使风轮在低风速时的风能-机械能转换效率很低；另一方面，感应发电机轻载时的机械能-电能转换效率也很低，这样一来，使得整个风力发电机组在低风速段的效率十分低下。为了充分利用低风速段的风能，常采用双速感应发电机。双速感应发电机常做成4/6极，在高风速段，发电机在4极下运行；在低风速段，发电机切换成6极下运行。这种发电机变极运行方式不仅使风力机的风能-机械能转换效率大幅度提高，也使发电机效率能够保持在较高水平。

（2）双速感应发电机的结构特点

目前，笼型感应发电机大多采用双速型，可以制成双绕组双速型，也可制成单绕组双速型。所谓双绕组双速就是在定子铁心槽中嵌放两套相互独立的绕组，一套为4极绕组，另一套为6极绕组。在高风速段，4极绕组工作，发电机输出的功率较大；在低风速段，切换到6极绕组工作，发电机输出的功率较小。也就是说，表面上双绕组双速电机是一台发电机，实际上是两台额定功率和额定转速不同的发电机切换运行。显然，对于其中的每一个转速的发电机而言，其有效材料和空间都没有得到充分利用，因此，双绕组双速型感应发电机的经济性较差，也很难获得理想的运行特性。

所谓单绕组双速就是在定子铁心中只嵌放一套绕组，构成了一种极数的感应发电机，但是，当按照一定规律将其中一半线圈反向联结，而线圈在电机槽中的空间位置原封不动，就可以使这套绕组变成另一种极数的发电机。这种将一半线圈反向联结，因而将发电机从4极改变为6极（或反之）的变极方法称为反向法变极，可以方便地通过接触器的触点从外部来改变绕组的接线来实现。与双绕组双速发电机相比，单绕组双速发电机的有效材料利用率高，体积小、重量轻、变速特性良好，得到了广泛应用。单绕组双速感应发电机的缺点是6极时感应电动势的波形稍差，即电动势中的谐波含量稍大，因此供电质量稍差，这里不作详细分析。(www.xing528.com)

下面以一个最简单的4/2变极的感应电机为例，来说明反向法单绕组变极的原理。

图7-11 4极时的U相绕组及其气隙磁场

a）U相绕组的联接 b）4极气隙磁场

图7-11所示为一台4极感应电机，定子为单层绕组，图中只画出了U相绕组的两个线圈组，为了清楚起见，每个线圈组用一个集中线圈来表示。

可以看出，当两个线圈组顺着电流方向如图7-11a所示串联联接时，在气隙中形成了一个4极磁场，这时，这台电机是4极的。

所有线圈在槽中的位置不变，通过外部接触器的切换，将线圈组2反接，使线圈组2中的电流反向，则气隙中的磁场从4极变成了2极，如图7-12所示。当然，这台感应电机也从4极变成了2极。图7-12中给出了使线圈组2中电流反向的两种接法，其变极效果是完全一样的。

定桨距风力发电机组中的感应发电机常采用的4/6变极，与上面介绍的4/2变极相比，实现单绕组4/6变极要稍微麻烦些，需要按照一定规则对绕组进行仔细排列，由于有关知识的专业性很强，绕组排列过程又比较繁琐，这里就不再一一说明。

双速发电机的转子均为笼型绕组，这是因为笼型绕组的极数是不固定的，能够随定子极数的改变而改变，当定子绕组进行极数切换时，转子的极数也随之自动进行了切换。

（3）运行特性

双速感应发电机的应用较为广泛，性能也更为优良。图7-13示出了双速感应发电机输出功率随风速变化的关系曲线。当发电机采用4/6变极时，图中的“大发电机”是指功率较大的4极发电机，而“小发电机”则是指功率较小的6极发电机。可以看出，根据风速适时进行变极切换，可以使低速段的风-电转换效率明显提高。

3.变速恒频控制的笼型感应发电机组

（1）变速恒频控制

近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变速恒频控制技术在风力发电中得到了广泛应用。风力发电机组实现变速控制的目的在于使机组获得最大功率输出。要想使风力发电机组实现变速运行，关键在于使发电机与电网解耦，也就是说，使发电机转速与电网频率无关。为此，可在发电机与电网之间接入并网变流器，如图7-14所示。

图7-12 2极时的U相绕组及其气隙磁场

a）U相绕组的联结 b）2极气隙磁场

图7-13 双速感应发电机的功率-风速特性

图7-14 变速恒频控制的笼型感应发电机组

由图7-14可见，并网变流器需要由两个变流器以及直流环节构成。发电机侧变流器主要用于发电机的转速控制，以便实现风力发电机组功率的优化控制；电网侧变流器则主要用于恒频恒压控制，以便使风力发电机组能够并网运行。由于连接两个变流器的是中间直流环节，使发电机的转速可以根据功率给定随意调节，而不必受电网频率的约束。

采用变速恒频控制的风力发电机可以采用感应发电机，也可采用同步发电机。如果采用低速多极发电机与风力机直接耦合，还可以取消齿轮箱，使风力发电机组的结构得以简化，运行的可靠性也大大增强。

（2）笼型感应发电机

变速恒频控制风力发电机组采用的笼型感应发电机，在结构上与普通笼型感应电机基本相同，只是发电机设计时，需要注意到变速（变频）运行对发电机性能的影响。

笼型感应发电机的输出电功率与转差率之间的关系如图7-15所示。可以看出，感应发电机的正常运行范围基本上是在OA范围内，在A点附近达到最大值后，随着转差率绝对值的增大，输出功率明显下降，这是因为发电机的无功电流和内部损耗增加得更快，使输出电功率不增反降。

图7-15 感应发电机的功率-转差率特性