风力发电中的双馈感应发电机应用

在变速恒频控制的笼型感应发电机组的介绍中已知，为了实现风力发电机组的功率优化控制，必须使机组转速能够快速跟踪风速的变化。为此，只需在发电机与电网之间接入并网变流器，使发电机与电网之间解耦，就允许发电机变速运行了。这时，由于并网变流器通过的是发电机的全部输出功率，因此，变流器的容量较大、成本较高。

当变速恒频风力发电机组不需要大范围的变速运行，而只需要在一定的范围内实现变速控制时，可选择双馈感应发电机。双馈感应发电机的定子绕组直接与电网相连，用于变速恒频控制的变流器接到发电机转子绕组与电网之间。这时，需要对双馈感应发电机实行转数和转矩的四象限控制。采用双馈感应发电机的变速恒频风力发电机组的构成如图7-18所示。

图7-18 变速恒频控制的双馈感应发电机组

1.双馈感应发电机的基本结构

双馈感应发电机的定子结构与笼型感应发电机基本相同，读者请参见图7-9的定子部分。二者在结构上的区别主要表现在转子绕组结构的不同，前者为绕线型转子绕组，后者为笼型短路绕组。绕线型转子绕组的结构与定子绕组没有区别，也是用绝缘导线绕制成线圈后嵌入转子铁心槽中，其相数和极数都与定子绕组相同。为了改善转子的动、静平衡，常采用波绕组，三相绕组大多采用接法。

为了使三相转子绕组与外部控制电路（并网变流器等）相连接，需要在非轴伸端的轴上装设三个集电环，将转子绕组的三个出线端分别接到三个集电环上，再通过电刷引出。

双馈感应发电机的基本结构如图7-19所示。双馈感应发电机的定转子绕组的接线示意图如图7-20所示。

图7-19 双馈（绕线转子）感应发电机的结构特点

图7-20 双馈感应发电机绕组接线示意图

集电环和电刷是双馈感应发电机的薄弱环节，需要经常维护和检修。能否使双馈感应发电机实现无刷化呢？应该说，这是一个令人期待的课题。

2.双馈感应发电机运行原理

双馈（绕线转子）感应发电机的运行原理与笼型感应发电机相似，只是由于转子使用了绕线型绕组，才使之可以实现双馈运行。所谓双馈就是电机的定子和转子都可以馈电的一种运行方式，而馈电一般是指电能的有方向传送。对于双馈感应发电机来说，定、转子的馈电方向都是可逆的，在定子边，当电能的传送方向为电机→电网方向时，电机为发电机运行，反之则为电动机运行；在转子边，在电机侧变流器的控制下，电能传送的方向也是可逆的。因此，双馈感应发电机的运行状态可以用功率传递关系来加以说明，如图7-21所示。图中，P为发电机的输出功率、S为转差率、SP为转差功率，为变流器的电机侧电压。为了清楚起见，分析时不计发电机和变流器的损耗。

采用双馈发电机时，需要控制的只是转差功率SP，正常运行时，转差功率一般不超过发电机额定功率的30％，使变速恒频双馈感应发电机组的控制成本大为降低，这也是双馈感应发电机在大型发电机组中的应用日益广泛的主要原因。

图7-21 双馈感应发电机的运行状态和功率传递关系

可以看出，双馈感应发电机并网运行时，可以有5种运行状态。第Ⅰ象限的图①、②为电动机运行状态，其中，图①为亚同步电动机状态，在这种状态下，定子从电网输入电功率P，其中，大部分（1-s）P转换成机械功率从轴上输出，另一部分转差功率sP通过变流器馈入电网；图②为超同步电动机状态，在这种状态下，定子从电网输入电功率P，转子通过变流器从电网输入转差功率sP，二者之和（1+s）P都转换成机械功率从轴上输出。处于电动机运行状态的风力发电机组实际上变成了一台巨大的风扇，需要消耗电网的电能，风力发电机组不应运行在这一状态。

第Ⅱ象限的图③、④为发电机运行状态，其中，图③为超同步发电机状态，在这种状态下，发电机从风力机输入机械功率（1+s）P，其中，大部分转换成电功率P从定子馈入电网，另一部分转差功率sP通过变流器馈入电网；图④为亚同步发电机状态，在这种状态下，发电机从风力机输入机械功率（1-s）P，转子通过变流器从电网输入电功率sP，二者之和P都转换成电功率从定子端口馈入电网。(www.xing528.com)

发电机的电磁制动状态应处于第Ⅳ象限（图中未画出），这种状态时，定子从电网输入电功率P，转子从轴上吸收机械功率（s-1）P，二者之和全部转换成转差功率sP通过变流器馈入电网。由于电磁制动运行时，转差率s＞1，要求变流器容量大于发电机的额定容量，因此，双馈感应发电机不允许运行在这一状态。

3.运行特性

双馈感应发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过集电环、电刷和变流器与电网相连。转子绕组的等效电路如图7-22所示。

根据图7-22，可以写出双馈感应发电机的转子电流I₂的表达式如下：

式中 E_2s——转子的感应电动势（V），E_2s=sE₂，其中s为转差率；

E₂——转子绕组的开路电动势（V）；

R₂——转子绕组每相电阻（Ω）；

X_2s——转差率为s时的转子每相绕组漏电抗，X_2s=sX₂₀，其中X₂₀为s=1时的转子每

相漏电抗（Ω）。

图7-22 转子绕组等效电路

可以看出，转子电流I₂的大小和相位不仅取决于，而且与电机侧变流器提供的励磁电压有关。调节励磁电压的幅值或相位，就可以改变转子电流和电磁转矩，也就调节了发电机的转速，并使双馈发电机工作于任意有功无功组合状态。当时，双馈感应电机的特性与笼型感应电机完全相同，对应的机械特性称为自然特性（参见图7-23的曲线1），转差率s的大小完全取决于负载的大小。作电动机运行时，转差率为正值，在0＜s＜1的范围内变化。若减小电动机负载直至空载时，则空载运行时的转差率为s≈0，转子电流亦为I₂≈0，电机转速近似为同步速，即n≈n₀。这时，如果在电机旋转方向上施加一个外力（例如由风力机施加的机械转矩），电机的转速就会超过同步转速，这时的转差率变为负值，感应电机变为发电机运行。所施加的外力越大（例如风速越大），转差率的绝对值越大，发电机的负载也就越大。下面着重分析电机侧变流器的电压时的情况。

电机作电动机运行时，当减小U_f而使转子电流I₂减小时（参见式（7-46）），由于电磁转矩减小，电动机的转速将有所下降，由于此时的机械特性曲线低于自然特性曲线，因此电机处于亚同步电动机运行状态（参见图7-23的曲线2）。若减小电动机的负载直至空载，则空载转速n₀′＜n₀（亚同步）。这时，如果在电机旋转方向上施加一个外力（例如由风力机施加的机械转矩），电机的转速就会超过n₀′，虽然这时电机的转差率仍然在0＜s＜1的范围内，但由于机械特性曲线已经进入第Ⅱ象限，电机已经变为发电机运行，即运行于亚同步发电机状态。所施加的外力越大（例如风速越大），转差率越小，发电机的负载也就越大。改变U_f就改变了n₀′，也就改变了发电机的转速。U_f的幅值越大，则发电机的转速越低。

增大U_f而使转子电流I₂增大时，感应电动机的电磁转矩（驱动性质）将随之增大，使机组的转速上升，由于此时的机械特性曲线高于自然特性曲线，因此电机处于超同步电动机运行状态（参见图7-23曲线3）。若减小电动机的负载直至空载，则空载转速n₀″＞n₀（超同步）。这时，如果在电机旋转方向上施加一个外力（例如由风力机施加的机械转矩），电机的转速就会超过n₀″，这时，电机的机械特性曲线进入第Ⅱ象限，电机变为发电机运行，即运行于超同步发电机状态，此时的转差率为负值，即s＜0。所施加的外力越大（例如风速越大），转差率越小（绝对值越大），发电机的负载也就越大。改变U_f的幅值，就改变了n₀″，也就改变了发电机的转速。U_f的幅值越大，则发电机的转速越高。

显然，若改变变流器电压U_f的相位，也同样可以调节发电机转速，这里不再分析。

由于变流器容量（0.3P_N）的限制，使双馈感应发电机的转速调节范围受到了限制。然而，s=±0.3的调速范围已经基本满足了变速恒频风力发电机组对转速控制特性的要求，足够充分地体现出变速恒频机组的所有优点，正因如此，使变速恒频双馈感应发电机组的应用日益广泛。

图7-23所示为双馈感应发电机的机械特性曲线，其中，曲线1为自然特性，曲线2为亚同步特性，曲线3为超同步特性。