9.1.5  抽水电机和风力发电机

一般来说，感应电动机通常指具有笼型转子的交流电动机。在大型感应电动机中，为了对转子绕组也能供电，所以转子侧也具有和定子侧同样的绕组，此时称为绕线式感应电动机。外部电源通过电刷和滑环对转子绕组供电，给电动机的定子和转子分别施加频率为ω₁和ω₂的三相交流电，两个绕组分别形成以ω₁和ω₂速度旋转的旋转磁场。旋转磁场互相作用产生电磁转矩，转子则以两者的旋转磁场速度之和（ω₁+ω₂）或者速度之差（ω₁-ω₂）旋转。将这样的装置称为交流励磁同步电动机（AC excited synchronous machine）或双馈异步感应电动机（doubly fed induction machine）。

对于交流励磁同步电动机，一般是给定子绕组施加商用电源，给转子绕组通过逆变器施加低频电压。转子绕组相当于同步电动机的励磁绕组，所以称为交流励磁同步电动机。通过改变转子绕组的频率ω₂即可控制转速。此方式的特征是在转子绕组上的输入输出电功率与频率几乎成正比。在电源频率ω₁左右比较小的范围内进行转速控制的场合，由于对转子施加低频电源，且转子绕组的输入输出功率与频率同比例即可，所以为转子侧供电的逆变电源容量可以很小。其应用实例有储能抽水发电电动机和串级调速系统（scherbius system），调速范围在几个百分点左右。串级调速系统多用于净水厂管道的送水泵。在超过千kW大型风力发电机的应用中，调速范围有时会达到百分之几十。

在此分析储能抽水电机的应用实例。水力发电站包括具有大坝的上水蓄水池和下游的下水蓄水池。夜间当电力系统的电力仍有剩余时，电动机拖动水轮机，将下池水吸到上水池，在白天电力消耗高峰时，放水通过水轮机拖动抽水发电机进行发电。当水轮机作为水泵使用时，其转速比由电源频率决定的同步速度稍高为好，从而只需要在极小范围内进行速度控制。图9.9所示为基于交-交变频器的交流励磁抽水发电系统结构图。(https://www.daowen.com)

图9.9 抽水发电系统结构图（包括三相电路的简化电路图）

抽水发电系统的应用中，发电机为50Hz，360MVA，16极，345～405r/min；励磁用交交变频器为4Hz，51.1MVA；水轮机作为水泵时轴输入功率为330MW，作为水轮机时轴输出功率为309MW。

抽水发电机除了将电能储存为势能之外，也可以用于调整功率因数和提高输电电网的稳定性，因此，也可以使用GTO逆变器系统来代替交-交变频器以提高系统的动态性能。