双馈风力发电机工作原理范文

《能源与节能杂志》2014年第八期

1变速恒频的原理

为解决风机并网与风能利用系数降低的矛盾，前人对变速恒频型风机进行了大量研究，应伟航[1]研究了变速恒频型双馈风力发电机的开发方法，张劲松等对双馈型风力发电机并网的方法进行了仿真实验研究。采用变速恒频风力发电系统，风机在运行过程中转速可随风速的变化而变化，同时保持所发出电能的频率恒定为工频50Hz。这样，在不同风速下都能保持风能利用系数的最大值，有效地扩宽风速利用范围。基于以上理念，风力发电可采用变速恒频的发电机。双馈发电机就是变速恒频的发电机，此种机型变速恒频的原理如下。

双馈发电机的转子为绕线式，其上加有频率可调的交流励磁，通过调节转子上励磁电流的频率，实现变速恒频。之所以称为双馈电机，是因为它的定子和转子都能向电网馈电。双馈电机的定子和转子绕组都是对称的三相绕组，设电机的磁极个数为2p，也就是p对磁极，根据旋转磁场理论，当在定子的绕组上加上对称的三相电压时，就会在电机的气隙中产生旋转的磁场。若用n1（r/min）表示此旋转磁场的转速，它与电网频率f1（Hz）及电机的极对数p（对）的关系如下。则定子绕组可发出频率为f1的电能。可见，只要使n±n2保持不变且等于n1，就可使风机发出频率等于电网频率的电能。当风速变化引起风机转速n变化时，立即改变转子绕组的励磁电流的频率f2，就可改变n2，使n2改变为n±n2=n1，就可使风机输出电能的频率保持不变。这就是双馈型风力发电机变速恒频的原理。由式（7）可知，双馈电机运行时，只要在转子绕组中通入转差频率为f1S的电流，就可在双馈电机的定子绕组中产生频率为f1的电势。因此，通过调节转子电流的励磁频率，就可在变速运行的风机上实现恒频输出了。

2双馈型电机的运行状态

根据双馈电机转子转速的不同，双馈发电机有三种运行状态：亚同步运行、超同步运行和同步运行。

2.1亚同步运行状态当电机转子本身的旋转速度n小于n1，转差率S大于0，由转差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相同，因此有n±n2=n1。此种运行状态称为亚同步运行状态。

2.2超同步运行状态当电机转子本身的旋转速度n大于n1，转差率S小于0，改变通入转子绕组的频率为f2的电流相序，使其所产生的旋转磁场的转速n2与转子的转速方向相反，此时n-n2=n1。此种运行状态称为超同步运行状态。

2.3同步运行状态当电机转子本身的旋转速度n等于n1，转差率S等于0，转差频率f2为0，即此时需通入频率f2=0的励磁电流，也即直流电流。此时的双馈发电机与普通的同步电机一样。此种运行状态称为同步运行状态。

3双馈发电机的功率传输关系

馈发电机有多种运行状态，不同的运行状态下，功率的传输方向也不同。若用Pmech（kW）表示风力机轴上输入的净机械功率，用P1（kW）表示发电机定子向电网输出的电磁功率，用P2（kW）表示转子输入或输出的电磁功率，用S表示转差率。转差率既可大于0，也可等于或小于0。若用n1（r/min）表示定子旋转磁场的转速，用n2（r/min）表示转子旋转磁场的转速，用n（r/min）表示电机转子的机械转速。当n<n1时，S取正；反之，当n>n1时，S取负。P2也称为转差功率，它与定子的电磁功率P2存在如下关系。

4结语

为解决风机并网与风能利用系数降低的矛盾，采用双馈发电机，此种机型可实现变速恒频运行，从而更加有效地利用风能。而加强对可再生能源的开发与研究，也顺应了时代的发展趋势。在环保意识逐渐加强、技术水平不断提高的当今社会，双馈发电机的开发与研究也将进一步进行，以后有望出现性能更优的双馈发电机。

作者：孙毅单位：湖南水利水电职业技术学院