双馈风力发电机组 「双馈风力发电机的工作原理图」

上文《打破日本垄断 超越THS 的自带混动调磁电机》提出了最先进的自动分流混动调磁电机，取消了行星排混动器，在技术上性能上完全超越了THS 混动系统。

调磁电机还可以作为双馈风力发电机，成为风力发电行业最先进的技术。替代传统双馈异步发电机，避免集电环电刷的耗损，提高效率。

风力发电机需要较宽的风轮机转速容许范围，这样对风速变化的适应性好，风能可利用时间长，发电效率高。传统上主要采用双馈异步发电机，约占风力发电机的80%，其结构如下：

图1

图中1为带励磁绕组的转子，3为外定子，4为电网，5为风轮机，6为三套集电环电刷，7为变流器。风轮机与转子连接，外定子绕组与电网联网，转子励磁绕组通过集电环电刷与变流器及电网联接。

其运动方程为：外定子电磁场转速=转子机械转速+转子励磁绕组转速，转子机械转速=风轮机转速。原理是：当风轮机转速变化时，通过变流器管理转子励磁绕组转速的正负大小，维持外定子电磁场转速稳定，维持发电频率稳定，实现发电频率同步并网。

传统双馈异步风力发电机性能不错，缺点是转子励磁绕组与变流器的电路连接必须经过三套集电环电刷，运行时电刷损耗不小，维护保养成本不低。

最新发明的双馈调磁电机，在风轮机转速容许范围问题上与传统双馈异步发电机性能相当，由于结构优化，可以免除集电环电刷，运行效率更高。

双馈调磁电机有三种部件：内定子、调磁环和外定子。遵循三元一次运动方程：2*调磁环转速=1*内定子电磁场转速+1*外定子磁场转速。如下图：

图2

图中1为内定子，2为调磁环，3为外定子，4为电网，5为风轮机，7为变流器。外定子绕组与电网联网，内定子绕组经变流器与电网联接。使调磁环连接风轮机，调磁环转速=风轮机转速。

双馈调磁电机原理是，内定子电磁场被调制成调制磁场与外定子磁场同步，外定子磁场被调制成调制磁场与内定子电磁场同步，电机效率与传统同步电机类似。当风轮机转速变化时，通过变流器管理内定子电磁场转速的正负大小，维持外定子磁场转速稳定，维持发电频率稳定，实现频率同步并网。

双馈调磁电机三种发电模式与传统双馈异步发电机的发电模式完全对应：

亚同步模式。风轮机转速小于同步转速，外定子发电频率有小于同步频率的趋势。变流器向内定子绕组供交流电，内定子电磁场反转带动外定子磁场增速。外定子发电频率增大，实现发电频率同步并网。超同步模式。风轮机转速大于同步转速，外定子发电频率有大于同步频率趋势。内定子绕组被调制磁场切割发电，调节内定子电磁场正向转速，使外定子磁场减速，外定子发电频率减小，实现发电频率同步并网。同步模式。风轮机转速等于同步转速，外定子发电频率等于同步频率。变流器向内定子绕组供直流电，外定子实现发电频率同步并网。

在亚同步模式，变流器所需功率可取自电网。在超同步模式，内定子所发电力可经变流器流向电网。在同步模式，风轮机及调磁环转速是外定子磁场转速的1/2，相当于增速2倍发电。

当变流器额定容量为外定子额定容量的1/3时，双馈调磁电机转差率为正负33%，发电时风轮机转速容许变化范围为2倍。当变流器额定容量为外定子额定容量1/2时，转差率为正负50%，风轮机转速容许变化范围为3倍。

上述双馈调磁电机，需要新发明具体结构来实现所述运动方程，实现其功能性能。新发明结构源于同心磁齿轮。同心磁齿轮是Atallah和Howe2001年的发明，在电磁专业中是令人惊异的发明，结构新颖高效。主要用于传动，也可用于混动。

同心磁齿轮具有三个环，内环、外环设置有磁极对，中环有调磁块是调磁环。三个环电磁互感，转速相互牵制，遵循运动方程：a*调磁环转速=b*内环转速+c*外环转速，例如a=2，b=c=1。如图：

图3

图中1为内环，有一对磁极对，2为调磁环，有两块调磁块，3为外环，有一对磁极对。

保留中环调磁环结构，内、外环改为三相交流内、外定子，用内、外电磁场转动代替内、外环转动，就发明了双馈调磁电机。如图：

图4

图中1为内定子，2为调磁环，3为外定子。

相比同心磁齿轮，调磁电机在内、外定子电磁场均引入了电动力，电机的功能性能大为扩展。

与传统双馈异步发电机相比，双馈调磁电机加设了调磁环，其内定子绕组代替了传统的转子励磁绕组，内定子绕组可直接联接变流器，无需集电环电刷。避免了电刷的机械磨损及维保，提高了效率。

传统双馈异步电机只有定子和转子两个部件，转子励磁绕组必须通过集电环电刷才能外接。相比之下，具备内定子、调磁环和外定子的双馈调磁电机是风力发电行业的重大创新，从此双馈风力发电不再受制于集电环电刷。