第四節(jié) 基于感應發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)

在風力發(fā)電中，應用籠型感應發(fā)電機發(fā)展了多種形式的風力發(fā)電機組，如圖1-6、圖1-8、圖1-11a等。有的機型曾經(jīng)主導市場，有的仍在風電場服役，有的機型正在開發(fā)。

一、感應發(fā)電機

感應發(fā)電機屬于異步發(fā)電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易等優(yōu)點。

1．基本結(jié)構(gòu)

感應發(fā)電機可分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子型兩種，首先介紹籠型感應發(fā)電機。圖3-17為籠型感應發(fā)電機剖面圖，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。

籠型感應發(fā)電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙。

定子鐵心的作用是作為籠型感應發(fā)電機中磁路的一部分和放置定子繞組。為了嵌放定子繞組，在定子鐵心內(nèi)圓沖出許多形狀相同的槽。定子繞組是籠型感應發(fā)電機的電路部分，其主要作用是感應電動勢，通過電流以實現(xiàn)機電轉(zhuǎn)換。定子繞組的槽內(nèi)布置分為單層和雙層兩種。容量較大的感應發(fā)電機一般都采用雙層短距繞組。定子繞組在槽內(nèi)部分與鐵心之間必須可靠絕緣。

轉(zhuǎn)子鐵心也是作為籠型感應發(fā)電機中磁路的一部分，大型籠型感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子鐵心套在轉(zhuǎn)子支架上。在轉(zhuǎn)子鐵心上開有槽，用以放置轉(zhuǎn)子繞組。籠型感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組不必由外接電源供電，因此可以自行閉合而構(gòu)成短路繞組。最簡單的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)是：每個轉(zhuǎn)子槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條。在兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接，如圖3-19所示。

籠型感應發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子之間必須有一定的氣隙，氣隙的大小對發(fā)電機的性能有很大的影響。為了降低空載電流和提高功率因數(shù)，在工藝允許的情況下，氣隙應盡可能地小。

籠型感應發(fā)電機的冷卻風扇與轉(zhuǎn)子同軸，安裝在非驅(qū)動端側(cè)，基座上有定位孔，外蓋上有吊裝孔，定子接線盒起到保護接線作用。

繞線轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機的定子與籠型感應發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子繞組電流通過集電環(huán)和電刷流入流出。圖3-20為三相繞線轉(zhuǎn)子繞組接線圖。

2．工作原理

定子上有三相繞組，它們在空間上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有導體，導體兩端用短路環(huán)連接起來，形成一個閉合的繞組。當定子繞組接入頻率恒定的對稱三相交流電網(wǎng)上時，定子三相繞組中便有對稱的三相電流通過，它們聯(lián)合產(chǎn)生一個定子旋轉(zhuǎn)磁場，用S、N極表示。設(shè)定子旋轉(zhuǎn)磁場以轉(zhuǎn)速n₁（稱同步轉(zhuǎn)速）沿反時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖3-21所示。

如果轉(zhuǎn)子在風力機的帶動下，以高于同步轉(zhuǎn)速n₁的轉(zhuǎn)速向相同方向恒速旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子導體切割磁力線而感生電動勢。電動勢的方向可以用右手定則確定。如圖3-21中的叉和點所示。在該電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導體內(nèi)便有電流通過，電流的有功分量與電動勢同相位。于是，轉(zhuǎn)子導體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用使轉(zhuǎn)子導體受到電磁力f_em的作用，電磁力f_em的方向可以用左手定則確定，如圖3-21所示。電磁力f_em所產(chǎn)生的電磁力矩M_em的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，M_em對風力機是制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子從風力機吸收機械功率。另一方面，由于定子上與轉(zhuǎn)子電流的有功分量i_2a相平衡的電流i_1a與電動勢e₁同方向，功率e₁i_1a是正值，也就是說，定子繞組向電網(wǎng)輸出電功率，感應發(fā)電機運行于發(fā)電狀態(tài)。

感應電機可以工作在不同的狀態(tài)。當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時（n＜n₁），電機工作在電動狀態(tài)，電機中的電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，電機從電網(wǎng)中吸收無功功率建立磁場，吸收有功功率將電能轉(zhuǎn)化為機械能；當感應電機的轉(zhuǎn)子在風力機的拖動下，以高于同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時（n＞n₁），電機運行在發(fā)電狀態(tài)，電機中的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，阻礙電機旋轉(zhuǎn)，此時電機需從外部吸收無功電流建立磁場（如由電容提供無功電流），而將從風力機中獲得的機械能轉(zhuǎn)化為電能提供給電網(wǎng)。此時電機的轉(zhuǎn)差率為負值，一般其絕對值在2%～5%之間，并網(wǎng)運行的較大容量感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在（1～1.05）n₁之間。

3．電流、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

感應發(fā)電機的電流、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3-22所示，圖中，I_k為極限電流，M_k為極限轉(zhuǎn)矩，ω₁為同步角頻率。

圖3-22中描述的是感應發(fā)電機的電流和轉(zhuǎn)矩根據(jù)轉(zhuǎn)速不同的變化情況，其中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍涵蓋了逆同步轉(zhuǎn)速（s=2）到雙倍同步轉(zhuǎn)速（s=-1）之間的區(qū)間，圖中也標出了轉(zhuǎn)子固定不動時的工況（s=1）。并網(wǎng)后，發(fā)電機運行在曲線上的直線段，即發(fā)電機的穩(wěn)定運行區(qū)域。發(fā)電機輸出的電流大小及功率因數(shù)決定于轉(zhuǎn)差率s和發(fā)電機的參數(shù)，對于已制成的發(fā)電機其參數(shù)不變，而轉(zhuǎn)差率大小由發(fā)電機的負載決定。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率和機械轉(zhuǎn)矩增大時，發(fā)電機的輸出功率及轉(zhuǎn)矩也隨之增大，由圖3-22可見，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速將增大，發(fā)電機從原來的平衡點A₁過渡到新的平衡點A₂，繼續(xù)穩(wěn)定運行。但當發(fā)電機輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩對應的功率時，隨著輸入功率的增大，發(fā)電機的制動轉(zhuǎn)矩不但不增大反而減小，發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升而出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，十分危險。因此，必須配備可靠的失速葉片或限速保護裝置，以確保在風速超過額定風速及陣風時，從風力機輸入的機械功率被限制在一個最大值范圍內(nèi)，從而保證發(fā)電機輸出的功率不超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應的功率。

當電網(wǎng)電壓變化時，將會對并網(wǎng)運行的感應發(fā)電機有一定的影響。因為發(fā)電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，當電網(wǎng)電壓下降過大時，發(fā)電機也會出現(xiàn)飛車；而當電網(wǎng)電壓過高時，發(fā)電機的勵磁電流將增大，功率因數(shù)下降，嚴重時將導致發(fā)電機過載運行。因此，對于小容量的電網(wǎng)，或選用過載能力大的發(fā)電機，或配備可靠的過電壓、欠電壓保護裝置。

二、并網(wǎng)方式

大型感應發(fā)電機通常采用晶閘管軟并網(wǎng)。晶閘管軟并網(wǎng)是在感應發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導通角控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程，如圖3-23所示。并網(wǎng)過程如下：當風力機將發(fā)電機帶到同步轉(zhuǎn)速附近時，在檢查發(fā)電機的相序和電網(wǎng)的相序相同后，發(fā)電機輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，在微機的控制下，雙向晶閘管的觸發(fā)延遲角由180°到0°逐漸打開，雙向晶閘管的導通角則由0°到180°逐漸增大，通過電流反饋對雙向晶閘管的導通角實現(xiàn)閉環(huán)控制，將并網(wǎng)時的沖擊電流限制在允許的范圍內(nèi)，從而感應發(fā)電機通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)。并網(wǎng)的瞬態(tài)過程結(jié)束后，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同時，控制器發(fā)出信號，利用一組接觸器將晶閘管短接，感應發(fā)電機的輸出電流將不經(jīng)過雙向晶閘管，而是通過已閉合的接觸器流入電網(wǎng)。但在發(fā)電機并入電網(wǎng)后，應立即在發(fā)電機端并入功率因數(shù)補償裝置，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上。

在并網(wǎng)過程中，電流互感器電路測出發(fā)電機的實際輸出電流信號，經(jīng)整流、濾波和A-D轉(zhuǎn)換后送至控制器，與基準值比較，并將此比較值作為晶閘管控制角大小的依據(jù)，將此信號經(jīng)D-A轉(zhuǎn)換送至觸發(fā)板與采樣的同步電壓信號共同產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號。通過這種限流控制方式實現(xiàn)發(fā)電機的軟并網(wǎng)，其軟并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3-24所示。

三、并網(wǎng)運行時的無功功率補償

感應發(fā)電機在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率來建立磁場和滿足漏磁的需要。一般大中型感應發(fā)電機的勵磁電流約為其額定電流的20%～30%，如此大的無功電流的吸收，將加重電網(wǎng)無功功率的負擔，使電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，同時引起電網(wǎng)電壓下降和線路損耗增大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，并網(wǎng)運行的感應發(fā)電機必須進行無功功率的補償，以提高功率因數(shù)及設(shè)備利用率，改善電網(wǎng)電能的質(zhì)量和輸電效率。目前，調(diào)節(jié)無功的裝置主要有同步調(diào)相機、有源靜止無功補償器、并聯(lián)補償電容器等。其中以并聯(lián)電容器應用的最多，如圖3-23所示，因為前兩種裝置的價格較高，結(jié)構(gòu)、控制比較復雜，而并聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、控制和維護方便、運行可靠。并網(wǎng)運行的感應發(fā)電機并聯(lián)電容器后，它所需要的無功電流由電容器提供，從而減輕電網(wǎng)的負擔。

在無功功率的補償過程中，發(fā)電機的有功功率和無功功率隨時在變化，普通的無功功率補償裝置難以根據(jù)發(fā)電機無功電流的變化及時地調(diào)整電容器的數(shù)值，因此補償效果受到一定的影響。為了實現(xiàn)無功功率及時和準確的補償，必須計算出任何時刻的有功功率、無功功率，并計算出需要投入的電容值來控制電容器的投入數(shù)量，而這些大量和快速的計算及適時地控制，目前可通過DSP（數(shù)字信號處理器）和計算機來實現(xiàn)。