無刷雙饋型變速恒頻系統

雙饋電機的無刷化可采用兩種方式:

( 1) 雙電機級聯式
級聯式雙饋感應電機是一種過渡形式, 它由兩臺繞線式感應電機同軸串聯而成, 具有兩套分離的定、轉子繞組,兩臺電機通過轉軸和轉子電路的連接實現機械、電氣上的一體化, 以消除電刷。其中一臺機的定子直接連電網, 另一臺繞線式感應電機的定子通過變換器供電, 兩臺電機的轉子繞組不用滑環電刷而直接相聯, 控制變換器既可實現整個級聯電機的控制。由于其中一臺作為功率電機, 一臺作為控制電機, 因而控制與功率是獨立的磁路, 很容易實現有功、無功功率的解耦。但是數量巨大的繞組數, 使得在機組上的損耗很大, 所以效率低。

示意圖如圖4 所示。

( 2) 單電機無刷雙饋
系統如圖5 所示。采用單電機的無刷雙饋電機是在定子上安裝兩套極數不同的繞組, 一為功率繞組, 直接接電網; 另一為控制繞組, 通過雙向變換器接電網。兩套定子繞組在電路和磁路方面是解耦的。其發電機轉子為特殊設計無刷的籠型結構或者磁阻式結構, 轉子極數為定子兩個繞組極數之和, 通過限制磁通路徑, 以產生交、直軸方向上的磁阻差別, 來調制定子繞組產生的極數不同的氣隙磁場。

圖5 無刷變速恒頻發電系統
無刷雙饋電機中定子的功率繞組和控制繞組的作用,相當于繞線式雙饋電機的定子繞組和轉子繞組, 單電機的無刷化比雙電機方案體積小、成本低, 其缺點是電機的設計比雙電機復雜。雖然兩種電機的運行機制不同, 但在控制上可以通過和繞線式雙饋電機同樣的策略實現:
fp±fc=( Pp+Pc ) fm式中: fp 是定子功率繞組電流頻率, 與電網頻率相同; fc是定子控制繞組電流頻率; Pp 是定子功率繞組的極對數; Pc是定子控制繞組的極對數。超同步時, 取“+”, 亞同步時取“- ”。當發電機轉速nm 變化時, 即fm 變化時, 若控制fc 相應發生變化, fp 將保持恒定不變, 從而實現了變速恒頻控制。此系統控制方案是在定子側實現的, 但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋型發電機總功率的一小部分, 這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的Pc / (Pp+Pc) , 雙向變換器的容量也僅為發電機容量的一小部分。這種控制方案除了可實現變速恒頻控制, 變頻器容量只占系統容量的一小部分, 還可以實現有功、無功功率的靈活控制, 對電網而言可起到無功補償的作用, 同時發電機本身沒有滑環和電刷, 既降低了電機的成本, 又提高了系統運行的可靠性。由于無刷雙饋電機兼有籠型、繞線型異步電機和電勵磁同步電機的共同優點, 還可以調節功率因數和運行速度, 因此非常適合于變速恒頻風力發電系統。該項技術目前在國內不是十分成熟, 處于理論研究階段, 尚未進入工程實用階段。