带副励磁机的无刷励磁。传统的无刷励磁还需要外界输入三相电。副励磁机的存在,可以使发电机励磁彻底摆脱外电源。所谓副励磁机(pilot exciter),就是一个小型永磁发电机。
静止励磁(static excitation)。励磁功率取自发电机出口的交流电,经静止换流器整流为直流后,再通过滑环和电刷输入到发电机转子励磁绕组的励磁方式。
鼠笼异步发电机风电中常见的异步发电机有两种:双馈异步发电机(DFIG,Double-Fed Induction Generator,转子为绕线型)、鼠笼异步发电机(笼式异步发电机,SCIG,Squirrel-Cage Induction Generator,转子为鼠笼结构)
那何为异步(asynchronous)呢?回顾一下高中物理,问自己这样一个问题:对于一个“被缠绕了线圈的铁芯”(也就是转子),有几种办法让它变成一块磁铁(完成励磁)?
方法一:通电。也就是上述同步发电机的做法。
方法二:电磁感应(Electromagnetic induction)。
首先,发电机的定子与电网相连,通入50Hz的三相交变电流,感应出变化的磁场B1;
其次,转子线圈中就会像上图中的金属块一样,感应出磁场B2,也即完成了对转子的励磁;
*后,励磁后的转子旋转,使得定子线圈切割B2磁场的磁感线,产生感应电流,对外发电。
有两个小问题:①转子电路要闭合,不然不会有感应电流;②转子铁芯不能浑然一块,而是要用彼此绝缘的、薄薄的硅钢片叠成,降低因电涡流导致的铁芯发热损失。定子铁芯同理。
由于定子磁场不断旋转,因而被风机驱动的转子内的磁通量发生了变化,从而产生了感应电流,并进一步生成了感应磁场。
定子绕组切割转子感应出的磁感线,对外发电。
需要说明的是:
(1)定子绕组,在启动时引入三相电,通过电磁感应的方式对转子励磁。发电状态下,通过定子绕组再对外输出电能。由于输出的也是三相电,因此定子绕组时刻会形成一个旋转的磁场。同时,这也表明,如果转子的转速与旋转磁场的转速相同(同步),则转子内磁通量不变,就不会有感应电流了。因此,二者转速必须不一致,也就是“异步”。
(2)启动不一定需要外电网,也可以接电容器。
(3)如果转子转速低于同步转速,则会处于电动机状态,风力发电系统经适当延时后会脱网。
(4)应当深入学习,分析异步发电机的电磁转矩-转速特性曲线。
双馈异步发电机(DFIG),发电机定子接电网,转子接交流励磁变换器,定子转子都参与馈电(向电网送电),所以叫双馈。DFIG兼具同步和异步电机的特性,又可以叫做“交流励磁同步发电机”、“同步感应发电机”、“异步化同步发电机”。
开发这款发电机的目的:实现风机的变速恒频发电。风机转速随自然界的风速不断变化,但这款发电机可以输出恒频电能,并且可实现*大风能追踪所需要的变速恒频运行。
通过高中物理,已知切割磁感线产生的感应电动势为e=nBSωsinωt 。e的频率与转子转速相关,准确的说是与转子上的磁场转速相关。以上所有的同步发电机、鼠笼异步发电机,在转子转速与转子上的磁场转速是绑定的,如果想实现恒频发电,必须配备全功率变化器。
有没有办法使“转子转速”与“转子上的磁场转速”不直接相关,二者分离?答案是,对转子进行交流励磁。
DFIG的三种运行状态(具体的公式在所有讲解双馈发电机的教材中均有详细论证):
(1)亚同步,电网向转子输入“转差功率”;
(2)超同步,转子向电网输出“转差功率”,也就是转子也能馈电;由于转子也要输出三相电,因此转子绕线的接法要符合三相电的要求,这与以上发电机都不一样。
(3)同步,励磁变换器向转子提供直流励磁,DIFG变成了同步发电机。