雙饋電機(jī)的原理
目前的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速恒頻系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)多采用同步電機(jī)或異步感應(yīng)電機(jī)。在風(fēng)電機(jī)組向恒頻電網(wǎng)送電時(shí)，不需要調(diào)速，因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率將強(qiáng)迫控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下維持或近似維持同一轉(zhuǎn)速。
效率下降，被迫降低出力，甚至停機(jī)，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機(jī)都可以在不同的風(fēng)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速變化做相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，機(jī)組效率提高。同時(shí)，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(1) 雙饋電機(jī)的工作特性
雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵(lì)，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。
當(dāng)雙饋電機(jī)定子對稱三相繞組由頻率為f1(f1=p·n1/60)的三相電源供電時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n＝(l-s)n1(s為轉(zhuǎn)差率，n1為氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步速率)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場應(yīng)保持相對靜止，即應(yīng)滿足:
ωr＝ω1-ω2
其中:ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率;
ω1是定子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率;
ω2是轉(zhuǎn)子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率。
由此可得轉(zhuǎn)子供電頻率f2＝s·f1，此時(shí)定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速n1旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止。
與同步電機(jī)相比，雙饋電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)量有三個(gè):一是與同步電機(jī)一樣，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值;二是可以改變勵(lì)磁電流的頻率；三是可以改變勵(lì)磁電流的相位。通過改變勵(lì)磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
這樣在負(fù)荷突然變化時(shí)，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負(fù)荷，對電網(wǎng)的擾動遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的。而同步電機(jī)的可調(diào)量只有一個(gè)，即勵(lì)磁電流的幅值，所以調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵(lì)磁一般只能對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。
與之不同的是雙饋電機(jī)的勵(lì)磁除了可以調(diào)節(jié)電流幅值外，亦可以調(diào)節(jié)其相位，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流的相位改變時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個(gè)位移，改變了雙饋電機(jī)電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機(jī)的功率角。所以雙饋電機(jī)不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。
一般來說，當(dāng)電機(jī)吸收電網(wǎng)的無功功率時(shí)，往往功率角變大，使電機(jī)的穩(wěn)定性下降。而雙饋電機(jī)卻可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的相位，減小機(jī)組的功率角，使機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負(fù)荷下降，電網(wǎng)電壓過高的困難。
與之相比，異步發(fā)電機(jī)卻因需從電網(wǎng)吸收無功的勵(lì)磁電流，與電網(wǎng)并列運(yùn)行后，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機(jī)較同步電機(jī)和異步電機(jī)都有著更加優(yōu)越的運(yùn)行性能。
(2) 風(fēng)力發(fā)電中雙饋電機(jī)的控制
在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，最充分地利用風(fēng)能資源，有著十分重要的意義。任何一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都包括作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機(jī)。
其中，作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其效率在很大程度上決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，而風(fēng)力機(jī)的效率又在很大程度上取決于其負(fù)荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個(gè)風(fēng)力機(jī)是如何精細(xì)地設(shè)計(jì)和施工建造，若它處于過載或久載的狀態(tài)下，都會損失其效率。從風(fēng)力機(jī)的氣動曲線可以看出，存在一個(gè)最佳周速比λ，對應(yīng)一個(gè)最佳的效率。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳控制是維持最佳周速比λ。
另外，由于要考慮電網(wǎng)對有功功率和無功功率的要求，所以風(fēng)力機(jī)最佳工況時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)由其氣動曲線及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化應(yīng)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，依靠轉(zhuǎn)子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動。
通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、頻率及相位角，達(dá)到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機(jī)組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。圖2是按這種控制思路得出的風(fēng)力發(fā)電雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。
整個(gè)控制系統(tǒng)可分為三個(gè)單元:轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元、電壓調(diào)整單元(無功功率調(diào)整)。它們分別接受風(fēng)速和轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個(gè)綜合信號，送給勵(lì)磁控制裝置，改變勵(lì)磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電;無風(fēng)時(shí)，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補(bǔ)償裝置。
(3) 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用前景廣闊
綜上所述，將雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)、機(jī)組效率低等問題。另外，由于雙饋電機(jī)對無功功率、有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高發(fā)電質(zhì)量。與同步機(jī)交一直一交系統(tǒng)相比，還有變頻裝置容量小(一般為發(fā)電機(jī)額定容量的10～20%)、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，更適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用，同時(shí)也降低了造價(jià)。
將雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，無論從經(jīng)濟(jì)性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優(yōu)勢，具有很強(qiáng)的競爭力，有利于風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化的進(jìn)程，其發(fā)展前景十分廣闊。一般多應(yīng)用于1.5mw雙饋異步發(fā)電機(jī)。
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