双馈发电机原理讲解.doc

一 双馈发电机原理讲解二 风力发电机的主要类型1 异步发电机l 笼鼠式异步发电机特点：应用于早期的风力发电机，离网型的小型发电机，结构简单，性能稳定，成本低。缺点：并网运行时，转速必须超过同步转速，在风速较小的时候效率很差。一般做成大小两个发电机，或者改变定子绕组以改变同步转速，按照风速段转换。l 绕线转子异步发电机特点：转子绕组外接电阻，在风速变化的时候，改变外接电阻的大小以控制输出的功率。风速大的时候多余的能量可以消耗在转子电阻上。l 双馈异步发电机特点：使用双馈变频器对转子进行交流励磁，随着转子物理转速的变化，改变交流励磁的交流电的频率，幅值，相序以及相位，以使定子输出的电压幅值和电流频率保持恒定，同时可以向电网输出感性或容性的无功。2 同步发电机l 永磁同步发电机特点：转子由永磁材料制成，结构简单，不易损坏和维护方便，容量可以做到很大。转子可以做成很多级，这样可以使其同步转速降低，配合全功率变流器，在低风速的时候也可以发电。一般用于海上风机。l 直流励磁同步发电机特点：现在的水力和火力发电机组使用的形式，转子由直流励磁，改变励磁电流的大小，可以调节输出的功率大小和因数。三 双馈异步发电机原理1 旋转磁场旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组由电网提供的三相电压是对称三相电压，由于对称三相绕组组成的三相负载是对称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，所以，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。2 旋转磁场的转速和转向以异步电动机为例，说明旋转磁场的转速和方向同励磁电流的关系。 t=0 时，合成磁场方向：向下 t=60时，合成磁场方向顺时针转过60。t=120时，合成磁场方向顺时针又转过60，共120 。t= 180时，合成磁场方向顺时针又转过60，共180 。当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。一个电流周期，旋转磁场在空间转过360。则一个电流周期，旋转磁场在空间转过360。则/P（转/分）旋转磁场的旋转方向由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时，即将三相电源中任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。3 变速恒频发电原理风力发电一个不同于火力发电和水力发电的地方，就是风力的随机变化性。风速随机变化，风向也随机变化，这样发电机获得的机械能是不稳定的，发电机转子的机械转速会在大范围内变化，假如使用同步发电机，那么输出的电压幅值和频率都是不稳定的。为了弥补转子速度和同步转速之间的转速差，可以在转子绕组中进行交流励磁，根据上面的旋转磁场的论述，交流励磁电流会在转子绕组中感应出一个相对自身旋转的磁场。这样转子中的磁场相对于定子的实际转速就有两个部分组成，一个是转子的机械转速，一个是电磁转速。二者的矢量和构成产生定子中感应电动势的实际转速。当发电机并网发电时，发电机的同步转速是恒定的，同电网频率和定子极对数有关。60fs/Ps= nr+60fr/Pr 式中： fs为定子电压频率； Ps为电机定子的极对数；Pr为电机转子的极对数； nr为双馈发电机的转速； fr为转子励磁电流频率。 由上式可知，当转速nr发生变化时，若调节fr变化，可使fs保持恒定不变，实现双馈发电机的变速恒频控制。4 双馈变频器工作原理上面讲到，双馈异步发电机在形式上和绕线转子电动机是一致的，要实现风力发电机组的变速恒频发电控制，转子绕组经过滑环，由双馈变频器提供交流励磁，双馈变频器由电网供电。 双馈发电机组原理图双馈变频器电路拓扑结构图4.1双馈变频器的结构双馈变频器一般使用交直交这种形式，两边各有一个PWM变流器，和电网连接的一般称为网侧变流器，和转子连接的一般称为转子侧变流器，中间使用直流环节将两边连接起来。变流器可以实现整流和逆变这两种基本的功能。功率元件一般使用IGBT，并同二极管反并联。中间回路使用电容建立直流环节。4.2工作原理电网的三相交流电经过网侧变流器的整流作用，在中间环节建立起来直流电压。此时转子侧变流器处于逆变状态，将中间直流电压逆变为三相交流电压，输出给转子绕组进行励磁。“双馈”其本意是能量的双向反馈，上面讲到的情况是能量流动的一种形式，属于电网给变频器供电，变频器对转子绕组进行励磁，对转子绕组进行馈电。能量的流向是从电网流向转子。另外的一种形式是发电机转子处于发电状态，向双馈变频器输出能量，此时转子侧变流器处于整流状态，中间直流环节不变，网侧变流器处于逆变状态，将中间直流母线电压逆变为和电网电压幅值和频率一致的交流电，将能量反馈给电网。以上就是双馈异步发电的简单理论原理。5 双馈发电机的三种工作状态按照发电机转子转速和同步转速之间的关系，双馈发电机有三种不同的工作状态。它的这种特点，使双馈发电机组能在很宽的一段风速范围内稳定发电。这也是它比常规异步发电机性能先进的地方。5.1亚同步状态转子的机械转速小于发电机的同步转速。（0S1）双馈变频器对双馈异步发电机的转子进行励磁的最终目的，就是在转子绕组中产生一个旋转的磁场，这个磁场的转速和转子的机械转速合成为转子发电的实际转速，以便达到电机的同步转速。使异步发电机像同步发电机一样运行。此时的能量流动关系是，变频器给转子供电，能量由电网流向转子。定子输出的能量由两部分组成，一是轮毂传递的机械能，一是转子从电网得到的能量。而输送到电网的能量是机械能。5.2同步状态转子的机械转速等于发电机的同步转速。（S=0）双馈变频器给转子以直流励磁，此时双馈异步发电机就是同步发电机运行。除了转子绕组的一些损耗外，转子不消耗能量用于励磁发电。机械能全部转化为电能从定子输出到电网。5.3超同步状态转子的机械转速大于发电机的同步转速。（S0）此时发电机定子和转子都处于发电状态，转子侧变流器处于整流状态，网侧变流器处于逆变状态。转子发出的电能反馈给电网。一般的双馈发