异步发电机与风电
异步发电机与风电
徐启发
常规电厂：火电、水电和核电，可以很方便的控制原动机的输入，保持发电机在额定转速，因此，常规发电机都采用同步发电机。风电项目，由于风力的不确定和多变性，很难保持在固定的转速，因此，风力发电大多采用异步发电机。
实现异步发电其实很简单。下图为异步电机电磁转矩与转速的关系曲线. 我们通常用的异步电动机是从电网吸收有功，带动转子转动，如果在转子上接入原动机，由原动机带动转子转动，当转速超过同步转速时，由于转子磁场切割定子绕组的方向改变，电机转向电网输送有功，这就是异步发电机了。
异步电机电磁转矩与转速的关系曲线
从上图可以看出，转子转差率S=(nN-n)/nN,当S>-Sm时，电机电磁转矩随转速上升而上升，当S-Sm时，发电机才能保持稳定发电。
通常的鼠笼式电机的Sm约为0.1，这极大地限制了发电机的工作范围，为了充分的利用风能，人们设计出不同类型饿风力发电机，以扩大发电机的工作范围。
绕线式发电机。
绕线式发电机的原理是基于极限转差率Sm和转子电阻的关系，即转子电阻
增大，Sm会相应增加，将转子绕组改为绕线式绕组，在转子回路中串入适当的电阻，Sm相应增大，从而扩大发电机的工作范围，通过调节转子电阻，可以调整发电机的运行状况，达到最大输出功率，如下图。
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绕线式异步电机运行状态
绕线式发电机Sm可以达到0.3—0.5.
永磁发电机
从上文可以知道，扩大发电机的工作范围除了改变转差率外，还可以改变发电机的额定频率，随着大型换流（整流-逆变）装置的出现，永磁式风力发电机得到广泛应用。
永磁发电机实际上是同步发电机，只是其发电频率随转速变化而变化，通过整流在逆变为50Hz的标准频率，如下图所示。
永磁发电机示意图
永磁发电机的工作范围基本不受限制，但其容量受换流器的容量的限制。 双馈式异步发电机
双馈式异步发电机结合了绕线式发电机和永磁发电机的优点，其原理图如下
图。
双馈式异步发电机原理示意图
双馈式异步发电机利用换流器给转子绕组交流励磁，补偿转子的转差，保持转子磁场以发电机额定转速旋转，从而实现相当于同步发电机的发电效果。通过改变转子励磁的方向和频率，甚至可以在欠速（转速低于额定转速）状态下实现发电。
双馈式异步发电机采用四象限换流器，即可以将系统电源变换给转子励磁，也可以将转子电流转换为50Hz的系统电能。这种发电机存在两种工作状态： 欠速工作状态：当转子转速低于额定转速时，由换流器吸取系统电能给转子励磁，以保证定子同步发电。发电机主磁场主要由转子电流建立。有功功率只由定子输出。
超速工作状态：发电机主磁场由定子电流建立，转子绕组切割磁场产生电流经转换后输送到系统，通过调整转子的输出电流可以调整发电机的发电状态。在这种运行状态，定子和转子同时向系统输送有功。
无论在哪种运行状态，发电机都必须从系统吸收无功以建立磁场，所以在发电机现场必须配备相应的无功补偿。