第3章　雙饋風力發電機

3.1　雙饋風力發電機結構與基本原理

3.1.1　概述

現在關于雙饋風力發電機的名稱很多，如“雙饋電機”“雙饋發電機”“雙饋風力發電機”“雙饋異步發電機”“雙饋異步風力發電機”等，嚴格意義上它們的含義不完全相同，但是在風力發電的特定范疇內，這些名稱實際所指的相同，均是指以風力機驅動的雙饋發電機。雖然雙饋發電機還可用于其他場合，但本書主要定位于風力發電場合，因此，除特殊需要，本書統一用“雙饋風力發電機”這一名詞。雙饋風力發電機實質上是繞線型轉子異步電機，由于其定子、轉子都能向電網饋電，故簡稱雙饋風力發電機。雙饋風力發電機雖然屬于異步風力發電機的范疇，但是由于其具有獨立的勵磁繞組，可以像同步電機一樣施加勵磁，調節功率因數，所以又稱為交流勵磁電機，也有的稱為異步化同步電機。

雙饋風力發電機的定子繞組直接與電網相連，轉子繞組通過變頻器與電網連接，轉子繞組電源的頻率、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節，機組可以在不同的轉速下實現恒頻發電，滿足用電負載和并網的要求。由于采用了交流勵磁，發電機和電力系統構成了“柔性連接”，即可以根據電網電壓、電流和發電機的轉速來調節勵磁電流，精確調節發電機輸出電壓，使其滿足要求。

當雙饋風力發電機作異步電動機運行時，電磁轉矩和轉速方向相同，即轉差率s＞0；當雙饋風力發電機作異步發電機運行時，電磁轉矩和轉速方向相反，轉差率s＜0，發電機的功率隨該負轉差率絕對值的增大而提高。當雙饋風力發電機的轉子繞組通過三相低頻電流時，在轉子中會形成一個低速旋轉磁場，這個磁場的旋轉速度與轉子的機械轉速相疊加，使其等于定子的同步轉速，從而在發電機定子繞組中感應出相應于同步轉速的工頻電壓。當風速變化時，轉速隨之而變化，相應地改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度，使定子輸出頻率保持恒定。

雙饋風力發電機通過控制轉子勵磁使定子的輸出頻率保持在工頻。當發電機的轉速低于氣隙旋轉磁場的轉速時，發電機處于亞同步速運行，為了保證發電機發出的頻率與電網頻率一致，需要變頻器向發電機轉子提供正相序勵磁，給轉子繞組輸入一個使旋轉磁場方向與轉子機械轉速方向相同的勵磁電流，此時轉子的制動轉矩與轉子的機械轉速方向相反，轉子的電流必須與轉子的感應電動勢反方向，轉差率減小，定子向電網饋送電功率，而變頻器向轉子繞組輸入功率。當發電機的轉速高于氣隙旋轉磁場的轉速時，發電機處于超同步運行狀態，為了保證發電機發出的頻率與電網頻率一致，需要給轉子繞組輸入一個旋轉磁場方向與轉子機械方向相反的勵磁電流，此時變頻器向發電機轉子提供負相序勵磁，以加大轉差率，變頻器從轉子繞組吸收功率；當發電機的轉速等于氣隙旋轉磁場的轉速時，發電機處于同步速運行，變頻器應向轉子提供直流勵磁，此時，轉子的制動轉矩與轉子的機械轉速方向相反，與轉子感生電流產生的轉矩方向相同，定子和轉子都向電網饋送電功率。

雙饋風力發電機通過調節勵磁電流的幅值、頻率和相序，確保發電機輸出功率恒壓，同時采用矢量變換控制技術實現發電機有功功率、無功功率的獨立調節。雙饋風力發電機通過調節有功功率可調節風力機轉速，進而實現捕獲最大風能的追蹤控制；而調節無功功率可調節電網功率因數，提高風力發電機組及所并電網系統的動態、靜態運行穩定性。根據雙饋風力發電機數學模型和發電機的功率方程可知，調節轉矩電流分量和勵磁電流分量可分別實現有功功率和無功功率的獨立調節。此外，現有的雙饋風力發電機發出的電能是經變壓器升壓后直接與電網并聯，而且在轉速控制系統中采用了電力電子裝置，因此會產生電力諧波。發電機在向電網輸出有功功率的同時，必須從電網吸收滯后的無功功率，這使功率因數惡化，加重電網的負擔。因此雙饋風力發電系統必須進行無功補償，提高功率因數。

3.1.2　類型與結構

3.1.2.1　類型

雙饋風力發電機按冷卻介質分為風冷雙饋風力發電機和水冷雙饋風力發電機兩類，如圖3-1所示，按冷卻方式可分為水冷、空空冷和空水冷三種結構。

3.1.2.2　結構

水冷雙饋風力發電機外部結構以及風冷雙饋風力發電機內部結構分別如圖3-2、圖3-3所示。

3.1.2.3　型號、結構型式、主要參數和定額

1.型號

雙饋風力發電機的型號由產品代號、冷卻方式代號、規格代號、特殊環境代號四部分依次排列組成（參照GB/T　4831—1984《電機產品型號編制方法》），具體形式如下：

示例：1500kW空空冷雙饋異步風力發電機，4極，高原型。型號為SKYF　KK 1500—4—G。

2.結構型式要求

（1）發電機的外殼防護等級應不低于GB/T　4942.1—2006《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼）—分級》中IP　54的規定，接線盒的防護等級應不低于GB/T　4942.1—2006中IP　54的規定要求，集電環室防護等級應不低于GB/T　4942.1—2006中IP　23的規定，或根據不同的使用環境條件與整體機組要求協調確定。主、輔助接線盒內和機座上應設計可靠接地端子，并用GB　14711—2006《中小型旋轉電機安全要求》規定的符號或圖形標志標明，接地端子須保證與接地導線具有良好的連接和足夠的連接面積。接線盒內的電氣間隙和爬電距離應符合GB　14711—2006的規定。

（2）使用環境為海上的發電機應符合GB/T　7060—2008《船用旋轉電機基本技術要求》的規定，防腐等級應不低于C4。

（3）發電機的冷卻方式應符合GB/T　1993—1993《旋轉電機冷卻方法》的規定。超出標準規定范圍的冷卻方式應與用戶協商確定，初級或次級冷卻介質不得對產品或周圍環境造成危害，如果采用液體冷卻應無滲漏、腐蝕、凍結等問題。

（4）發電機的結構及安裝型式應符合GB/T　997—2008《旋轉電機結構型式、安裝型式及接線盒位置的分類（IM代碼）》的規定。

（5）發電機內部應設置停機加熱裝置，集電環室內宜設置停機加熱裝置（與用戶協商）。加熱裝置的容量應使發電機機殼內的溫度至少高于發電機所處周圍溫度5K，但不得使加熱裝置溫度超過附件絕緣的允許溫度。

（6）發電機定子繞組、軸承及電刷等部位應裝設用于監測發電機工作狀態的傳感器。

（7）發電機軸承室應設置自動或手動注油潤滑型式。

（8）對于SKYFKS系列發電機，空—水冷卻器必須經過水壓試驗，試驗水壓應不低于工作水壓的兩倍，并需裝設泄漏擋板，防止管子漏水而滴入發電機繞組。空—水冷卻器應有可拆卸的水箱或蓋板，便于定期檢查和修理。

3.主要參數

發電機的電壓等級、輸出功率等級和中心高參數優先推薦值見表3-1。

3.1.2.4　電氣運行條件、溫升限值與效率

1.電氣運行條件

（1）在額定電壓允差為±10%或額定頻率允差為±2%的電網供電條件下，發電機應能正常工作。

（2）變頻器供電時尖峰電壓VPEAK及電壓變化率dv/dt在下列極限以內：

VPEAK≤3UN

dv/dt≤2000V/μs

當發電機需要在超出上述一個或多個限值條件下運行時，其特殊要求可以由用戶和制造商協商。

（3）一般性能。發電機的一般性能應符合GB/T　23479.1—2009《風力發電機組　雙饋異步發電機第1部分：技術條件》中的規定。

2.溫升限值

發電機絕緣等級一般為F級、H級。發電機在環境空氣溫度為40℃下額定運行時，其各部分的溫升限值應符合表3-2的規定。

3.效率

發電機在額定工況時的效率應不低于96%，當用戶有特殊要求時，發電機的效率和效率曲線應與用戶協商確定。

3.1.3　基本原理與運行狀態

1.基本原理

雙饋風力發電機在結構上類似繞線型異步電機，定子側直接接入三相工頻電網，而轉子側通過變頻器接入電網。因為定子與轉子兩側都有能量的饋送，所以稱為雙饋電機。

同步發電機在穩態運行時，其輸出電壓的頻率f與發電機的極對數p及發電機轉子的轉速n有嚴格固定的關系，即

可見，在發電機轉子轉速不能恒定時，同步發電機不可能發出恒頻電能。

繞線型轉子異步電機的轉子上嵌裝有三相對稱繞組，在該三相對稱繞組中通入三相對稱交流電流，則將在電機氣隙內產生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電流的頻率及電機的極對數有關，即

從式（3-2）可知，改變頻率f2即可改變n2。因此，只要調節轉子電流的頻率f2，就可以使電網頻率f1不變，即

異步電機定、轉子電流頻率的關系為

式（3-4）表明，在異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入轉差頻率（sf1）的電流，則在異步電機的定子繞組中就能產生50Hz的恒頻電動勢。即異步電機定子繞組的感應電動勢頻率將始終維持f1不變。

2.三種運行狀態

根據轉子轉速變化，雙饋風力發電機可有以下三種運行狀態：

（1）亞同步運行狀態。在此種狀態下n＜n1，由轉差頻率為f2的電流產生的旋轉磁場轉速n2與轉子的轉速方向相同，因此有n＋n2＝n1。

（2）超同步運行狀態。此種狀態下n＞n1，改變通入轉子繞組頻率為f2的電流相序，則其所產生的旋轉磁場的轉向與轉子的轉向相反，因此有n-n2＝n1。為了實現n2轉向反向，在由亞同步運行轉向超同步運行時，雙饋風力發電系統必須能自動改變其相序；反之亦然。

（3）同步運行狀態。此種狀態下n＝n1，轉差頻率f2＝0，這表明此時通入轉子繞組的電流的頻率為0，即直流電流，因此與普通同步發電機一樣。

3.1.4　基本方程式、等效電路

下面從等效電路的角度分析雙饋風力發電機的特性。首先，作如下假定：

（1）只考慮定轉子的基波分量，忽略諧波分量。

（2）只考慮定轉子空間磁勢基波分量。

（3）忽略磁滯、渦流、鐵耗。

（4）變頻電源可為轉子提供能滿足幅值、頻率、功率因數要求的電源，不計其阻抗和損耗。

（5）設三相繞組對稱，在空間互差120°電角度，所產生的氣隙磁動勢沿氣隙圓周按正弦規律變化。

（6）不考慮頻率變化與溫度變化對繞組電阻的影響。

在等效電路中，發電機定子側電壓電流的正方向按發電機慣例，轉子側電壓電流的正方向按電動機慣例，電磁轉矩與轉向相反為正，轉差率s按轉子轉速小于同步轉速為正，參照異步電機的分析方法，可得雙饋風力發電機的等效電路，如圖3-4所示。

根據等效電路圖，可得雙饋風力發電機的基本方程式為

3.1.5　定、轉子電流計算

由于RmXm，忽略Rm，當磁路不飽和時，可以認為等效電路由兩個電路疊加而成，是分別作用的結果，如圖3-5所示。

以定子電壓為參考相量，相差θ電角度，由等效疊加電路可求得雙饋風力發電機定子電流為

轉子電流為

其中

定子、轉子電流均由兩部分組成：一部分為定子側加電壓轉子短路時的定子和轉子電流，此電流相當于普通感應電機內的電流；第二部分為轉子側加電壓定子側短路時的定子和轉子電流。所以，轉子電流可看成由兩個分量組成：一個分量是傳統感應電機由定子電壓決定的電流分量另一個是由轉子外加勵磁電壓所產生的電流分量定子電流其中的分量只取決于定子電壓轉差率s和電機參數，為不可控分量，而則由轉子勵磁電壓的大小以及與的相位差來決定，為可控分量。交流勵磁發電機的有功功率、無功功率調節，實際上就是通過改變轉子勵磁電壓的大小和相位來改變的大小及相位，從而改變定子電流的大小及相位，實現有功功率、無功功率的控制。

3.1.6　頻率、繞組歸算

1.頻率歸算

由以上分析可知，轉子轉動后轉子回路參數的頻率為f2＝sf1，而定子回路參數的頻率仍為f1，兩者不相同，而不同頻率的物理量所列出的方程式是不能聯立求解的，也得不到統一的等效電路，為此需要把轉子頻率變換成與定子電路相同的頻率，這就是頻率歸算。

因為轉子不動時定子、轉子電路具有相同的頻率，因此只要保證轉子磁動勢F2不變，就可以用一個靜止的轉子來代替旋轉的轉子，而定子側各物理量不發生任何變化，即對電網等效。

轉子轉動時（轉子電流頻率為f2），設感應電機的轉子繞組端電壓為此時根據基爾霍夫第二定律，可寫出轉子繞組一相的電壓方程為

圖3-4所示為與式（3-8）相對應的轉子等效電路。

2.繞組折算

假設異步電機轉子相數m2，每相串聯匝數N2，基波繞組系數kw2，在一般情況下m2、N2、kw2與定子的m1、N1、kw1不同。為了得到等效電路，必須先將異步電機轉子繞組折算成一個相數為m1、匝數為N1、繞組系數為kw1的等效繞組，即用一個相數為m1、匝數為N1、繞組系數為kw1的等效轉子繞組來替代原來的轉子繞組，保持極對數不變。折算前后要求轉子上各功率不變，主磁通不變。

由于轉子是通過轉子磁動勢F2對定子起作用的，為了滿足上述要求，折算條件為：折算前后轉子磁動勢F2不變、轉子上各有功功率、無功功率保持不變。

與變壓器一樣，轉子側的物理量、參數折算到定子側，用該量符號右上角加“′”來表示。

（1）轉子電流的折算。折算前后F2不變，即F′2＝F2，則轉子電流折算值I′2滿足

得

則得到電流平衡方程式為

（2）轉子電動勢的折算。由于折算前后定轉子磁動勢不變，從而F0不變，主磁通不變，則折算后轉子繞組電動勢應滿足

可得

根據等效電路的轉子電壓方程，再次改寫為

（3）轉子阻抗的折算。折算前后轉子回路有功功率不變，以轉子相電阻為例

得

由轉子漏電抗無功功率相等，得到

折算前后轉子回路功率因數不變，因為

總之將轉子電路中各量折算到定子方時：①電動勢、電壓應乘以ke；②電流除以ki；③電阻、電抗、阻抗乘以keki。

3.1.7　雙饋電機在風力發電中的應用

雙饋風力發電機是風力發電機的發展方向之一。因為風速的不穩定性，因此要想使電機轉子轉速恒定以達到像同步電機一樣發出恒定頻率的電能是不可能的。從上面分析可知，雙饋風力發電機轉子繞組接一個頻率、幅值、相序和相位均可調節的三相逆變電源，只要調節轉子電流頻率就可達到發出恒頻電能的目的，即變速恒頻風力發電系統。

圖3-6為典型的變速恒頻風力發電系統示意圖（實際上網側變頻器后一般還有升壓變壓器），主要由風力機、增速箱、雙饋風力發電機、雙向變頻器和控制系統組成。

雙饋風力發電機在亞同步運行及超同步運行時的功率流向如圖3-7所示，圖中Pem為發電機的電磁功率，不計定子繞組損耗時等于從定子輸出到電網的電功率。s為電機的轉差率，Pmec為輸入機械功率。

風速較低（n＜n1），電機運行在亞同步狀態時，s＞0，需要從電網向電機轉子繞組饋入電功率。風力發電機經轉子傳遞給定子的功率為Pem（忽略電機損耗），轉子需要輸入的電功率為sPem，所以發電機傳給電網的總功率只有Pem-sPem＝（1-s）Pem。

風速較高（n＞n1），電機運行在超同步狀態時，s＜0，轉子繞組向外（電網）供電。風力發電機經轉子傳遞給定子的功率為Pem（忽略電機損耗），轉子輸出到電網的電功率為｜s｜Pem，所以發電機傳給電網的總功率為Pem＋｜s｜Pem＝（1＋｜s｜）Pem。

以一個雙饋電機在風力發電系統中應用實例來分析在不同風速下定子、轉子及輸出功率的關系。該電機主要參數：額定功率為1501kW；額定轉速為1440r/min；額定效率為97.1%；額定頻率為60Hz；額定功率因數為1.0；定子電壓為575V；轉子電壓為376V；定子電流為1287.2A；轉子電流為396.5A；定子輸出功率為1263kW；轉子輸出功率為247.8kW。該發電機在不同轉速下的基本運行特性見表3-3。

顯然在電機轉速低于1200r/min，即亞同步運行時，轉子外接電源送入功率；在高于1200r/min，即超同步運行時，表明轉子可向電源送出功率，即定子、轉子同時發電。