双馈风力发电机的基本原理「双馈发电机」

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双馈发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点。可广泛应用于风力以及抽水蓄能等新型可再生能源发电系统中。

双馈风力发电机具有如下优点：

1. 双馈风力发电机定子的输出功率是恒频恒压的交流电，可直接并网；转子的转差功率经过变换后也可以与并入电网。

2. 双馈风力发电机仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率一般为总功率的20%以内，即需要整流逆变容量非常小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小。

3. 双馈风力发电机在变速运转时发出的电高频谐波含量低，风能利用充分；而同步风力发电机发出的电在整流逆变过程中会产生高频谐波电流流入电网，使电网的品质变坏，而风能利用相对要差一些。

4. 双馈风力发电机的转速受转子上所接变频器控制，在风速较高时不会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较高；而同步风力发电机的转速受外界风速决定，当风速较高时会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较差。

另一方面，双馈风力发电机也具有如下缺点：

1. 转子需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，成本昂贵。

2. 转子绕组接双向变频器，控制系统采用SPWM或IGBT，变速运行范围只能控制在同步转速的±35%以内。

3. 发电机需要安装滑环系统，必须定期维护、检修和更换。

4. 控制回路会在转轴上感应产生一定程度的轴向电压，必须对轴承部份进行绝缘处理或采用绝缘轴承，而如陶瓷滚子轴承等绝缘轴承成本昂贵。

三相双馈风力发电机从电机结构上与三相绕线式异步电动机相似，发电机主要运行在较大转差的三相交流励磁发电机状态下，其励磁方式主要是跟踪发电机转速变换情况，在电力电子器件的控制下，随着变换交流励磁电流的频率进行交流励磁，保证发电机定子产生的电能在频率上与工频50Hz一致，电能电压可以在一定的范围内可控可调，从而调节双馈发电机的运行工况，并入电网向电网输送符合质量标准的交流电能。转子的转差功率则通过电力电子器件的变换成为工频50Hz电能向电网输送。双馈风力发电机系统原理图如图1所示。

图1 双馈风力发电系统原理图

双馈风力发电机的基本结构如图2所示：

图2 双馈风力发电机基本结构图

如图2所示，发电机主要由定子、转子、滑环、接线盒、编码器、润滑系统等组成，具体结构如下：

1．发电机为箱式结构，卧式安装。主体采用空-水冷却形式，内部空冷，外部水冷。

2. 定子机座为箱式结构，采用钢板焊接而成。定子铁心采用内压装结构，直接将片叠入机座，然后将定子压圈与机座辐板焊牢。

3. 定子采用开口槽，定子线圈采用成形线圈，双层叠绕，F级绝缘。定子铁心和线圈进行2次VPI真空压力整体浸漆。

4. 转子采用闭口平底槽，转子线圈采用优质铜母排，双层波绕，H级绝缘。因发电机堵转电压为1924V，并且考虑到转子外接变频器，且为旋转部件，因此转子对地绝缘按3000V级考虑。转子铁心与转子绕组同样采用VPI真空压力整体浸漆。

5. 转轴采用“光轴”结构，即转子片直接套在转轴上。轴采用耐低温合金锻钢，以便于满足风力发电机能在-50℃～ 50℃范围内正常运行。

6．因飞逸转速最高为2650r/min，因此转子引出铜条及电缆的固定是一道难题，引出铜条的固定在上下左右都要定位，防止其位移。电缆采用平衡环固定，另外每根电缆至少再用两个线夹固定，避免电机运行时电缆有移位或甩动的现象。无纬带的厚度也相应增强，转子线圈端部加钢带箍2圈。

7．设计要求轴承理论寿命为150,000小时，经计算并保留余量的情况下，选取两端均为FAG深沟球轴承；同时，为防止转子调频时引起的轴电流，前后轴承均采用陶瓷滚子轴承，且转轴接地。

8. 发电机安装有自动加脂设备和手动加脂接口，可实现在一定周期内自动加注油脂，有效减少维护工作。尾端安装有光电编码器，用于监控发电机运行过程中的机械转速和旋转方向。

9. 发电机机座下部两侧设计有防潮加热器，以便停机时防潮使用。定子绕组每相3只，共9只Pt100测温元件，轴承每端2只，共4只Pt100测温元件，以便监控发电机运行时的绕组和轴承温度。且定子每相设计有1只高压温度开关，以便于绕组温度过高时可以自动切断。所有元件均引至专门的辅助接线盒内，并有相应标记。

10. 定、转子接线盒内各安装3根铜母线，发电机定子采用母排引出至定子接线盒内，转子采用电缆引出至转子接线盒内。且定、转子接线盒内均安装有避雷器，以避免因雷击产生的电涌对发电机造成损坏。

9．计算满载定子绕组温升76K，转子绕组温升88K。

风力发电机一般安装在户外，在结构设计过程中，充分考虑发电机运行环境的极端恶劣。冰冻不至于影响设备运行，腐蚀盐雾等对发电机结构不会产生危害。同时还对结构部件进行了大量的静、动态计算，疲劳强度校核，冲击、波动载荷计算，使发电机整体结构安全可靠。

（编自《电气技术》，原文标题为“2MW双馈发电机的研制和开发”，作者为吴世展。）