知識貼:雙饋發電機的基本概念、原理和結構

2020-12-05 電氣新科技

雙饋發電機是結合了異步發電機和同步發電機的優點而發展起來的一種新型發電機。具有良好的調速性能、有功和無功功率獨立可調、改善電網功率因數、提高系統的穩定性以及相對較小的勵磁容量等優點。可廣泛應用於風力以及抽水蓄能等新型可再生能源發電系統中。

雙饋風力發電機具有如下優點：

1. 雙饋風力發電機定子的輸出功率是恆頻恆壓的交流電，可直接併網；轉子的轉差功率經過變換後也可以與併入電網。

2. 雙饋風力發電機僅需對轉子功率進行變頻控制，而轉子功率一般為總功率的20%以內，即需要整流逆變容量非常小，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統體積小。

3. 雙饋風力發電機在變速運轉時發出的電高頻諧波含量低，風能利用充分；而同步風力發電機發出的電在整流逆變過程中會產生高頻諧波電流流入電網，使電網的品質變壞，而風能利用相對要差一些。

4. 雙饋風力發電機的轉速受轉子上所接變頻器控制，在風速較高時不會造成發電機飛車，因此該類發電機的可靠性較高；而同步風力發電機的轉速受外界風速決定，當風速較高時會造成發電機飛車，因此該類發電機的可靠性較差。

另一方面，雙饋風力發電機也具有如下缺點：

1. 轉子需要採用雙向變頻器，變速恆頻控制迴路多，控制技術複雜，成本昂貴。

2. 轉子繞組接雙向變頻器，控制系統採用SPWM或IGBT，變速運行範圍只能控制在同步轉速的±35%以內。

3. 發電機需要安裝滑環系統，必須定期維護、檢修和更換。

4. 控制迴路會在轉軸上感應產生一定程度的軸向電壓，必須對軸承部分進行絕緣處理或採用絕緣軸承，而如陶瓷滾子軸承等絕緣軸承成本昂貴。

三相雙饋風力發電機從電機結構上與三相繞線式異步電動機相似，發電機主要運行在較大轉差的三相交流勵磁發電機狀態下，其勵磁方式主要是跟蹤發電機轉速變換情況，在電力電子器件的控制下，隨著變換交流勵磁電流的頻率進行交流勵磁，保證發電機定子產生的電能在頻率上與工頻50Hz一致，電能電壓可以在一定的範圍內可控可調，從而調節雙饋發電機的運行工況，併入電網向電網輸送符合質量標準的交流電能。轉子的轉差功率則通過電力電子器件的變換成為工頻50Hz電能向電網輸送。雙饋風力發電機系統原理圖如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電系統原理圖

雙饋風力發電機的基本結構如圖2所示：

圖2 雙饋風力發電機基本結構圖

如圖2所示，發電機主要由定子、轉子、滑環、接線盒、編碼器、潤滑系統等組成，具體結構如下：

1．發電機為箱式結構，臥式安裝。主體採用空-水冷卻形式，內部空冷，外部水冷。

2. 定子機座為箱式結構，採用鋼板焊接而成。定子鐵芯採用內壓裝結構，直接將片疊入機座，然後將定子壓圈與機座輻板焊牢。

3. 定子採用開口槽，定子線圈採用成形線圈，雙層疊繞，F級絕緣。定子鐵心和線圈進行2次VPI真空壓力整體浸漆。

4. 轉子採用閉口平底槽，轉子線圈採用優質銅母排，雙層波繞，H級絕緣。因發電機堵轉電壓為1924V，並且考慮到轉子外接變頻器，且為旋轉部件，因此轉子對地絕緣按3000V級考慮。轉子鐵心與轉子繞組同樣採用VPI真空壓力整體浸漆。

5. 轉軸採用「光軸」結構，即轉子片直接套在轉軸上。軸採用耐低溫合金鍛鋼，以便於滿足風力發電機能在-50℃～+50℃範圍內正常運行。

6．因飛逸轉速最高為2650r/min，因此轉子引出銅條及電纜的固定是一道難題，引出銅條的固定在上下左右都要定位，防止其位移。電纜採用平衡環固定，另外每根電纜至少再用兩個線夾固定，避免電機運行時電纜有移位或甩動的現象。無緯帶的厚度也相應增強，轉子線圈端部加鋼帶箍2圈。

7．設計要求軸承理論壽命為150,000小時，經計算並保留餘量的情況下，選取兩端均為FAG深溝球軸承；同時，為防止轉子調頻時引起的軸電流，前後軸承均採用陶瓷滾子軸承，且轉軸接地。

8. 發電機安裝有自動加脂設備和手動加脂接口，可實現在一定周期內自動加注油脂，有效減少維護工作。尾端安裝有光電編碼器，用於監控發電機運行過程中的機械轉速和旋轉方向。

9. 發電機機座下部兩側設計有防潮加熱器，以便停機時防潮使用。定子繞組每相3隻，共9隻Pt100測溫元件，軸承每端2隻，共4隻Pt100測溫元件，以便監控發電機運行時的繞組和軸承溫度。且定子每相設計有1隻高壓溫度開關，以便於繞組溫度過高時可以自動切斷。所有元件均引至專門的輔助接線盒內，並有相應標記。

10. 定、轉子接線盒內各安裝3根銅母線，發電機定子採用母排引出至定子接線盒內，轉子採用電纜引出至轉子接線盒內。且定、轉子接線盒內均安裝有避雷器，以避免因雷擊產生的電湧對發電機造成損壞。

9．計算滿載定子繞組溫升76K，轉子繞組溫升88K。

風力發電機一般安裝在戶外，在結構設計過程中，充分考慮發電機運行環境的極端惡劣。冰凍不至於影響設備運行，腐蝕鹽霧等對發電機結構不會產生危害。同時還對結構部件進行了大量的靜、動態計算，疲勞強度校核，衝擊、波動載荷計算，使發電機整體結構安全可靠。

（編自《電氣技術》，原文標題為「2MW雙饋發電機的研製和開發」，作者為吳世展。）

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