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《能源與節(jié)能雜志》2014年第八期
1變速恒頻的原理
為解決風(fēng)機(jī)并網(wǎng)與風(fēng)能利用系數(shù)降低的矛盾，前人對(duì)變速恒頻型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量研究，應(yīng)偉航[1]研究了變速恒頻型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)方法，張勁松等對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。采用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速的變化而變化，同時(shí)保持所發(fā)出電能的頻率恒定為工頻50Hz。這樣，在不同風(fēng)速下都能保持風(fēng)能利用系數(shù)的最大值，有效地?cái)U(kuò)寬風(fēng)速利用范圍。基于以上理念，風(fēng)力發(fā)電可采用變速恒頻的發(fā)電機(jī)。雙饋發(fā)電機(jī)就是變速恒頻的發(fā)電機(jī)，此種機(jī)型變速恒頻的原理如下。
雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為繞線式，其上加有頻率可調(diào)的交流勵(lì)磁，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻。之所以稱(chēng)為雙饋電機(jī)，是因?yàn)樗亩ㄗ雍娃D(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電。雙饋電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組都是對(duì)稱(chēng)的三相繞組，設(shè)電機(jī)的磁極個(gè)數(shù)為2p，也就是p對(duì)磁極，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論，當(dāng)在定子的繞組上加上對(duì)稱(chēng)的三相電壓時(shí)，就會(huì)在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。若用n1（r/min）表示此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，它與電網(wǎng)頻率f1（Hz）及電機(jī)的極對(duì)數(shù)p（對(duì)）的關(guān)系如下。則定子繞組可發(fā)出頻率為f1的電能。可見(jiàn)，只要使n±n2保持不變且等于n1，就可使風(fēng)機(jī)發(fā)出頻率等于電網(wǎng)頻率的電能。當(dāng)風(fēng)速變化引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，立即改變轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流的頻率f2，就可改變n2，使n2改變?yōu)閚±n2=n1，就可使風(fēng)機(jī)輸出電能的頻率保持不變。這就是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻的原理。由式（7）可知，雙饋電機(jī)運(yùn)行時(shí)，只要在轉(zhuǎn)子繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率為f1S的電流，就可在雙饋電機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生頻率為f1的電勢(shì)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁頻率，就可在變速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)恒頻輸出了。
2雙饋型電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)
根據(jù)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不同，雙饋發(fā)電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：亞同步運(yùn)行、超同步運(yùn)行和同步運(yùn)行。
2.1亞同步運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度n小于n1，轉(zhuǎn)差率S大于0，由轉(zhuǎn)差頻率為f2的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相同，因此有n±n2=n1。此種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為亞同步運(yùn)行狀態(tài)。
2.2超同步運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度n大于n1，轉(zhuǎn)差率S小于0，改變通入轉(zhuǎn)子繞組的頻率為f2的電流相序，使其所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相反，此時(shí)n-n2=n1。此種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為超同步運(yùn)行狀態(tài)。
2.3同步運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度n等于n1，轉(zhuǎn)差率S等于0，轉(zhuǎn)差頻率f2為0，即此時(shí)需通入頻率f2=0的勵(lì)磁電流，也即直流電流。此時(shí)的雙饋發(fā)電機(jī)與普通的同步電機(jī)一樣。此種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為同步運(yùn)行狀態(tài)。
3雙饋發(fā)電機(jī)的功率傳輸關(guān)系
饋發(fā)電機(jī)有多種運(yùn)行狀態(tài)，不同的運(yùn)行狀態(tài)下，功率的傳輸方向也不同。若用Pmech（kW）表示風(fēng)力機(jī)軸上輸入的凈機(jī)械功率，用P1（kW）表示發(fā)電機(jī)定子向電網(wǎng)輸出的電磁功率，用P2（kW）表示轉(zhuǎn)子輸入或輸出的電磁功率，用S表示轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率既可大于0，也可等于或小于0。若用n1（r/min）表示定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，用n2（r/min）表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，用n（r/min）表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。當(dāng)n<n1時(shí)，S取正；反之，當(dāng)n>n1時(shí)，S取負(fù)。P2也稱(chēng)為轉(zhuǎn)差功率，它與定子的電磁功率P2存在如下關(guān)系。
4結(jié)語(yǔ)
為解決風(fēng)機(jī)并網(wǎng)與風(fēng)能利用系數(shù)降低的矛盾，采用雙饋發(fā)電機(jī)，此種機(jī)型可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，從而更加有效地利用風(fēng)能。而加強(qiáng)對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)與研究，也順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。在環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)、技術(shù)水平不斷提高的當(dāng)今社會(huì)，雙饋發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)與研究也將進(jìn)一步進(jìn)行，以后有望出現(xiàn)性能更優(yōu)的雙饋發(fā)電機(jī)。
作者：孫毅單位：湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院