第四节 基于感应发电机的发电系统
在风力发电中，应用笼型感应发电机发展了多种形式的风力发电机组，如图1-6、图1-8、图1-11a等。有的机型曾经主导市场，有的仍在风电场服役，有的机型正在开发。
一、感应发电机
感应发电机属于异步发电机，具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容易等优点。
1．基本结构
感应发电机可分为笼型和绕线转子型两种，首先介绍笼型感应发电机。图3-17为笼型感应发电机剖面图，其基本结构如图3-18所示。
图3-17 笼型感应发电机剖面图
笼型感应发电机由定子和转子两部分组成，定、转子之间有气隙。
定子铁心的作用是作为笼型感应发电机中磁路的一部分和放置定子绕组。为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲出许多形状相同的槽。定子绕组是笼型感应发电机的电路部分，其主要作用是感应电动势，通过电流以实现机电转换。定子绕组的槽内布置分为单层和双层两种。容量较大的感应发电机一般都采用双层短距绕组。定子绕组在槽内部分与铁心之间必须可靠绝缘。
图3-18 笼型感应发电机的基本结构
转子铁心也是作为笼型感应发电机中磁路的一部分，大型笼型感应发电机的转子铁心套在转子支架上。在转子铁心上开有槽，用以放置转子绕组。笼型感应发电机的转子绕组不必由外接电源供电，因此可以自行闭合而构成短路绕组。最简单的转子绕组结构是：每个转子槽中嵌入金属（铝或铜）导条。在两端用铝或铜端环将导条短接，如图3-19所示。
图3-19 笼型转子
a）带铁心 b）除去铁心
笼型感应发电机的定子和转子之间必须有一定的气隙，气隙的大小对发电机的性能有很大的影响。为了降低空载电流和提高功率因数，在工艺允许的情况下，气隙应尽可能地小。
笼型感应发电机的冷却风扇与转子同轴，安装在非驱动端侧，基座上有定位孔，外盖上有吊装孔，定子接线盒起到保护接线作用。
绕线转子感应发电机的定子与笼型感应发电机相同，转子绕组电流通过集电环和电刷流入流出。图3-20为三相绕线转子绕组接线图。
图3-20 三相绕线转子感应发电机绕组接线
2．工作原理
定子上有三相绕组，它们在空间上彼此相差120°电角度，每相绕组的匝数相等。转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，形成一个闭合的绕组。当定子绕组接入频率恒定的对称三相交流电网上时，定子三相绕组中便有对称的三相电流通过，它们联合产生一个定子旋转磁场，用S、N极表示。设定子旋转磁场以转速n1（称同步转速）沿反时针方向旋转，如图3-21所示。
图3-21 笼型感应发电机的工作原理
如果转子在风力机的带动下，以高于同步转速n1的转速向相同方向恒速旋转，则转子导体切割磁力线而感生电动势。电动势的方向可以用右手定则确定。如图3-21中的叉和点所示。在该电动势的作用下，转子导体内便有电流通过，电流的有功分量与电动势同相位。于是，转子导体电流与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力fem的作用，电磁力fem的方向可以用左手定则确定，如图3-21所示。电磁力fem所产生的电磁力矩Mem的方向与转子转向相反，Mem对风力机是制动转矩，转子从风力机吸收机械功率。另一方面，由于定子上与转子电流的有功分量i2a相平衡的电流i1a与电动势e1同方向，功率e1i1a是正值，也就是说，定子绕组向电网输出电功率，感应发电机运行于发电状态。
感应电机可以工作在不同的状态。当转子的转速小于同步转速时（n＜n1），电机工作在电动状态，电机中的电磁转矩为拖动转矩，电机从电网中吸收无功功率建立磁场，吸收有功功率将电能转化为机械能；当感应电机的转子在风力机的拖动下，以高于同步转速旋转时（n＞n1），电机运行在发电状态，电机中的电磁转矩为制动转矩，阻碍电机旋转，此时电机需从外部吸收无功电流建立磁场（如由电容提供无功电流），而将从风力机中获得的机械能转化为电能提供给电网。此时电机的转差率为负值，一般其绝对值在2%～5%之间，并网运行的较大容量感应发电机的转子转速一般在（1～1.05）n1之间。
3．电流、转矩-转速特性
感应发电机的电流、转矩-转速特性曲线如图3-22所示，图中，Ik为极限电流，Mk为极限转矩，ω1为同步角频率。
图3-22 感应发电机的电流、转矩-转速特性曲线
图3-22中描述的是感应发电机的电流和转矩根据转速不同的变化情况，其中转子的转速范围涵盖了逆同步转速（s=2）到双倍同步转速（s=-1）之间的区间，图中也标出了转子固定不动时的工况（s=1）。并网后，发电机运行在曲线上的直线段，即发电机的稳定运行区域。发电机输出的电流大小及功率因数决定于转差率s和发电机的参数，对于已制成的发电机其参数不变，而转差率大小由发电机的负载决定。当风力机传给发电机的机械功率和机械转矩增大时，发电机的输出功率及转矩也随之增大，由图3-22可见，发电机的转速将增大，发电机从原来的平衡点A1过渡到新的平衡点A2，继续稳定运行。但当发电机输出功率超过其最大转矩对应的功率时，随着输入功率的增大，发电机的制动转矩不但不增大反而减小，发电机转速迅速上升而出现飞车现象，十分危险。因此，必须配备可靠的失速叶片或限速保护装置，以确保在风速超过额定风速及阵风时，从风力机输入的机械功率被限制在一个最大值范围内，从而保证发电机输出的功率不超过其最大转矩所对应的功率。
当电网电压变化时，将会对并网运行的感应发电机有一定的影响。因为发电机的电磁制动转矩与电压的平方成正比，当电网电压下降过大时，发电机也会出现飞车；而当电网电压过高时，发电机的励磁电流将增大，功率因数下降，严重时将导致发电机过载运行。因此，对于小容量的电网，或选用过载能力大的发电机，或配备可靠的过电压、欠电压保护装置。
二、并网方式
大型感应发电机通常采用晶闸管软并网。晶闸管软并网是在感应发电机的定子和电网之间每相串入一只双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程，如图3-23所示。并网过程如下：当风力机将发电机带到同步转速附近时，在检查发电机的相序和电网的相序相同后，发电机输出端的断路器闭合，发电机经一组双向晶闸管与电网相连，在微机的控制下，双向晶闸管的触发延迟角由180°到0°逐渐打开，双向晶闸管的导通角则由0°到180°逐渐增大，通过电流反馈对双向晶闸管的导通角实现闭环控制，将并网时的冲击电流限制在允许的范围内，从而感应发电机通过晶闸管平稳地并入电网。并网的瞬态过程结束后，当发电机的转速与同步转速相同时，控制器发出信号，利用一组接触器将晶闸管短接，感应发电机的输出电流将不经过双向晶闸管，而是通过已闭合的接触器流入电网。但在发电机并入电网后，应立即在发电机端并入功率因数补偿装置，将发电机的功率因数提高到0.95以上。
图3-23 大型感应发电机经晶闸管软并网
在并网过程中，电流互感器电路测出发电机的实际输出电流信号，经整流、滤波和A-D转换后送至控制器，与基准值比较，并将此比较值作为晶闸管控制角大小的依据，将此信号经D-A转换送至触发板与采样的同步电压信号共同产生晶闸管的触发信号。通过这种限流控制方式实现发电机的软并网，其软并网系统控制结构如图3-24所示。
图3-24 软并网系统控制结构
三、并网运行时的无功功率补偿
感应发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场和满足漏磁的需要。一般大中型感应发电机的励磁电流约为其额定电流的20%～30%，如此大的无功电流的吸收，将加重电网无功功率的负担，使电网的功率因数下降，同时引起电网电压下降和线路损耗增大，影响电网的稳定性。因此，并网运行的感应发电机必须进行无功功率的补偿，以提高功率因数及设备利用率，改善电网电能的质量和输电效率。目前，调节无功的装置主要有同步调相机、有源静止无功补偿器、并联补偿电容器等。其中以并联电容器应用的最多，如图3-23所示，因为前两种装置的价格较高，结构、控制比较复杂，而并联电容器的结构简单、经济、控制和维护方便、运行可靠。并网运行的感应发电机并联电容器后，它所需要的无功电流由电容器提供，从而减轻电网的负担。
在无功功率的补偿过程中，发电机的有功功率和无功功率随时在变化，普通的无功功率补偿装置难以根据发电机无功电流的变化及时地调整电容器的数值，因此补偿效果受到一定的影响。为了实现无功功率及时和准确的补偿，必须计算出任何时刻的有功功率、无功功率，并计算出需要投入的电容值来控制电容器的投入数量，而这些大量和快速的计算及适时地控制，目前可通过DSP（数字信号处理器）和计算机来实现。