據(jù)調(diào)查，世界各國在風(fēng)力發(fā)電中每年投入的資金總額已接近一千億美元。全球范圍內(nèi)，已開始進(jìn)行研究和采用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的國家約有一百個(gè)。由此可見，在化石燃料日漸減少的現(xiàn)狀下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)極有可能與其它可再生能源(比如太陽能、水力等)發(fā)電技術(shù)一同取代火力發(fā)電。
在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究中，最基本的一個(gè)環(huán)節(jié)就是風(fēng)力
發(fā)電機(jī)的研究與應(yīng)用。到目前為止，常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有定槳定速型、變漿變速型等多種類型，而在后一種類型中，大部分都采用了雙饋式設(shè)計(jì)。下面，筆者將以此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，簡明扼要地介紹其組成結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)、運(yùn)行原理以及相關(guān)控制技術(shù)。
一、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
顧名思義，“雙饋”指的就是電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均可完成電力供應(yīng)過程。一般來說，雙饋式發(fā)電機(jī)的主要部件有定、轉(zhuǎn)子及其接線盒，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑環(huán)系統(tǒng)與冷卻設(shè)備等。其中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要存在成型繞組、矩形半線圈、散嵌繞組等形式;滑環(huán)系統(tǒng)主要包括碳刷、刷架、滑環(huán)、滑環(huán)風(fēng)扇、滑環(huán)座、滑環(huán)維護(hù)罩等部分，而滑環(huán)又分為熱套式和環(huán)氧澆注式兩種類型;冷卻設(shè)備主要分為風(fēng)冷式、水冷式等多種形式。
從性質(zhì)上區(qū)分，雙饋式發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)歸入異步式發(fā)電機(jī)的范疇，但這類發(fā)電機(jī)又擁有與同步式發(fā)電機(jī)相似的激磁繞組來調(diào)控勵(lì)磁過程及功率因數(shù)。因此，這種發(fā)電機(jī)兼有同步和異步式發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。
這類發(fā)電機(jī)體積小、成本低、無功功率的調(diào)節(jié)方式簡便易行、抗電磁干擾能力較強(qiáng)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁過程與所連接的供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系不大，可以直接由轉(zhuǎn)子所處電路完成。因此，發(fā)電機(jī)輸出能量的穩(wěn)定性較強(qiáng)，在其工作過程一般不會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生大幅波動(dòng)。系統(tǒng)可以通過控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過程來快速、精確地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)以及功率因數(shù)。另外，雙饋式發(fā)電機(jī)還對(duì)風(fēng)力變化有著出色的適應(yīng)能力和維持輸出電能穩(wěn)定的能力。
二、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理
雙饋發(fā)電機(jī)的定子與供電網(wǎng)絡(luò)相連，而轉(zhuǎn)子則先與雙脈沖寬度調(diào)制變流器相連，然后再接入相應(yīng)的供電網(wǎng)絡(luò)中。所以，與發(fā)電機(jī)的定子端相關(guān)的電力參數(shù)不會(huì)變化，與轉(zhuǎn)子端相關(guān)的電力參數(shù)可以通過雙脈沖寬度調(diào)制變流器進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，在整個(gè)工作過程中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分通過交流電完成勵(lì)磁過程，這保證了發(fā)電機(jī)具有足夠的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)于降低發(fā)電成本來說也具有重要意義。
根據(jù)定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率與轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率的關(guān)系，這類發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式一般分為以下幾種：
(1)超同步模式。在定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率低于轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率的情況下，轉(zhuǎn)軸的輸出功率高于定子磁場運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的功率。而轉(zhuǎn)子所在電路不但不需要供電網(wǎng)絡(luò)提供直流勵(lì)磁電流，還能夠借助雙脈沖寬度調(diào)制變流器為供電網(wǎng)絡(luò)供給電能。因此，在這種工作模式下，發(fā)電機(jī)能夠同時(shí)利用定子所在電路與轉(zhuǎn)子所在電路向供電網(wǎng)絡(luò)輸送電能。這種模式即為發(fā)電機(jī)的正常工作模式。
(2)同步模式。在定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率與轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率相等的情況下，轉(zhuǎn)軸的輸出功率也與定子磁場運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的功率不相上下。此時(shí)，發(fā)電機(jī)只能利用定子所在電路向供電網(wǎng)絡(luò)提供電能，而轉(zhuǎn)子所在電路不能參與其中，只能接受供電網(wǎng)絡(luò)所提供的直流勵(lì)磁電流。這種狀態(tài)下，三者轉(zhuǎn)動(dòng)速率相同，因此，發(fā)電機(jī)以同步模式進(jìn)行工作。
(3)亞同步模式。當(dāng)定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率高于轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率時(shí)，轉(zhuǎn)軸的輸出功率低于定子磁場運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的功率。因此，在這種工作模式下，供電網(wǎng)絡(luò)需要借助雙脈沖寬度調(diào)制變流器為轉(zhuǎn)子所在電路供給電能，而電能輸送任務(wù)由定子所在電路一方承擔(dān)。這種工作模式又叫做補(bǔ)償發(fā)電模式。
實(shí)際應(yīng)用中，雙饋式發(fā)電機(jī)的工作模式與環(huán)境因素有關(guān)：在風(fēng)力較小的情況下，發(fā)電機(jī)以亞同步模式工作;而在風(fēng)力足夠時(shí)，發(fā)電機(jī)就會(huì)以正常狀態(tài)(超同步模式)進(jìn)行工作。
三、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)
槳葉在風(fēng)力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率、以及轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)速率之間的關(guān)系調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率和電流頻率，就可以完成對(duì)雙饋式發(fā)電機(jī)的基本控制。
常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)主要有以下幾類：
(1)矢量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)的核心內(nèi)容是：根據(jù)發(fā)電機(jī)的定子端輸入電流的頻率、相位、幅值等參數(shù)構(gòu)建起相應(yīng)的電流矢量，通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴▽⒅绷髁哭D(zhuǎn)變成交流量，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)機(jī)械部分的工作狀態(tài)及功率因數(shù)，進(jìn)而提高能量轉(zhuǎn)化效率，為供電網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定、可靠的電能輸入。一般而言，這種控制技術(shù)適合于風(fēng)力不大的地區(qū)。
(2)模糊控制技術(shù)。這種技術(shù)屬于智能化控制的范疇，一般是利用軟件來模擬人類思維方式，依靠相關(guān)經(jīng)驗(yàn)或處理辦法來根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向的變化作出控制反應(yīng)。這種情況下所得到的控制數(shù)據(jù)往往只是能夠維持系統(tǒng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)的、接近系統(tǒng)最優(yōu)值的一個(gè)合理值。所以，這種控制技術(shù)的應(yīng)用狀況對(duì)開發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)和預(yù)設(shè)的控制規(guī)則有明顯的依賴性。這種技術(shù)一般適合于風(fēng)力較大的區(qū)域。
(3)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于直接通過調(diào)控輸入轉(zhuǎn)矩，結(jié)合相關(guān)分析理論來控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。利用這種技術(shù)，可以在不進(jìn)行復(fù)雜矢量建模和運(yùn)算的前提下，直接出計(jì)算轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而控制輸出電能的參數(shù)及穩(wěn)定性。
當(dāng)然，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)還有很多種，例如滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、H∞魯棒控制技術(shù)等，由于文章篇幅有限，此處不再過多介紹。
雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)融合了同步式與異步式兩類發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楣╇娋W(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定、可靠、高效的電能供應(yīng)，擁有極為廣闊的發(fā)展前景。隨著制造工藝和相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化，這類發(fā)電機(jī)必將在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
