变速恒频风力发电技术研究毕业论文

变速恒频风力发电技术研究毕业论文内容摘要：

14 式中： ?m 为转子机械频率， m nm/60， m 为发电机机械转速； pn 为电机的极对数； ?n?1 为电网频率； ?2 为转子电流频率。 发电机的机械转速和电转速之间的关系为 nr pnnm 或ω r pnω m。 当发电机的转速 nr 小于同步转速 n1 时，处于亚同步状态，此时励磁变换器向发电机转子提供交流励磁，电机由定子发出电能给电网；当 nr n1 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变换器的能量流向逆向；当nr n1 时， 处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行， f2 0，励磁变换器向转子提供直流励磁。 由式 14 可知，当发电机的转速 nm 变化时，即 pn?m 变化时，若控制 ?2 相应变化，可使 ?1 保持恒定不变，实现了变速恒频控制。 由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一部分，因此图中所示的双向励磁变换器的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。 交流励磁双馈型异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变换器的容量外，在磁场定向矢量控制 下还可实现 P、 Q 解耦控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。 双馈型异步发电机对转子侧励磁变换器的主要要求是输入、输出特性好，功率可以双向流动。 此系统采用的是双 PWM 型交 直 交变换器，它由两个 PWM 型变换器组成：靠近发电机的称为机侧变换器，靠近电网的称为网侧变换器。 双 PWM 型变换器输入输出特性好，能量可以双向流，是双馈型异步发电机较理想的一种励磁变换器。 励磁电源除了采用交 直 交变换器外，也可以采用交 交变换器。 6 脉波、 36 管的交 交变换器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。 12 脉 波、 72 管的交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构和控制复杂。 矩阵式交 交变换器的输入、输出特性较好，功率可以双向流，主电路结构简单，但控制方法还不成熟，需要依赖更加成熟的双向开关器件。 4 无刷双馈型发电机系统 这种系统采用的发电机为无刷双馈型发电机。 其定子有两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。 无刷双馈型发电机转子为特殊设计的笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。 无刷双馈型发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流 励磁双馈型异步发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。 对于无刷双馈型发电机，有： f p 177。 f c p p + pc f m 1 5 式中： fp 为定子功率绕组电流频率； fc 为定子控制绕组电流频率； pp 为定子功率绕组的极对数； pc 为定子控制绕组的极对数； fm 由于其与电网相连，与电网频率相同。 超同步时，式 16 取“ +”；亚同步时，取“ ”。 由式 16 可知，当发电机转 速气变化时，即几变化时，若控制关相应变化，可使其保持恒定不变，实现了变速恒频控制。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈型发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的 pc / pp +pc 小双向变换器的容量也仅为发电机容量的一小部分。 无刷双馈型发电机具有与有刷双馈型异步发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。 只是目前仍处于实验研究阶段，尚未进入工程实用阶段。 如果将风力机和发电机直接祸合，省去变速齿轮箱 ，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免变速箱漏油的问题；交流励磁双馈型异步发电机系统和无刷双馈型异步发电机系统的变换器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案例如交 直 交系统适用于小容量的风力发电系统。 风力发电系统还可以采用其他电机，变磁阻电机，双速异步电机，但是它们的技术目前还不够成熟，需要进一步的研究开发。 第二章 变速恒频风力发电电机及其系统 变速恒频发电技术的诸多优点受到了人们的广泛关注，使它越来越多地被应用到大型风力发电机组中。 自 上世纪 90 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是 MW 级以上的大容量风电系统。 变速恒频风力发电机组的运行原理 风力机的作用是从空气中获取能量，将风能转化为动能。 根据空气动力学的原理，风力机的功率与风速的三次方成正比，风轮叶片从风中获取的能量公式为： 1p1 c p Aρ v3 （ 2―1） C5C p λ , β C1 λ i? C3 β ? C4 e λ i + C6λ （ 2―2） λ i ?3λ + β + 1 （ 2―3） λ ω R / v （ 2―4） 其中ρ为空气密度，单位 kg/m3； v 为风速，单位 m/s ； A 为风力机的扫掠面积，单位 m2 ； Cp 为风力机的输出功率系数（一般 Cp 1/32/5，最大不超过16/27 ），它是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函 数；ω为风力机机械角速度；R 为风轮半径。 根据桨叶节距角β为一定时 ,风力机 CPλ曲线可知：对于一台确定的风力机 ,在桨叶节距角β不变时总有一个对应着最佳功率系数 CP 的最佳叶尖速比λ opt,此时风力机的转换效率最高。 换而言之 ,对于一个特定的风速 v,风力机只有运行在一个特定的转速ω下才会有最高的风能转换效率。 恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然 Cp 不可能保持在最大值。 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。 可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。 变桨距风力机的风能利用系数 CP 与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。 对于不同的节距角，风机拥有不同的效率。 变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段。 第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。 在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制，因此对该阶段不作讨论。 第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能，从理论上来说，根据风速的变化风轮 可以运行在任何转速下，但是由于受到运行转速的限定，不得不将该阶段分成两个区域，即变速运行区域和恒速运行区域。 在变速区域时应保持 CP 恒定为最大值，必须使变速发电机转以便最大限度地获取能量。 为了使风轮能在 CP 最大区运行，速能够被控制以跟踪风速的变化。 当风速不断增大时，风力发电机转速会达到其极限值，因此风力发电机组开始运行在在恒速区域下，发电机转速为其额定转速，其 CP 降低，但发电机输出功率仍旧增加。 在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度 和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三个运行阶段，该阶段称为功率恒定区。 图 为三个运行区域的 CP 变化情况图。 图 为三个运行区域的 CP 值变化情况图 变速风力发电机组的桨叶节距角开始是恒定的。 当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速， P 值不断上升， C 风力发电机组开始做发电运行。 通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进入 CP 恒定区（ CP Cp）这时机组在最佳状态下运行。 在变速运行区，发电机转速总是跟从风速的变化而变化，此时风力机能获得最大的风 能。 根据方程 2― 1 2― 3 ,令λ λ opt，则可得风力机运行在曲线上输出的最大功率的方程为： Popt ρ AC p Rω w 3 / 2λ opt kω w3 （ 2― 5） 可以看出，在同一风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪曲线，必须在风速变化时及时调整转速，保持最佳叶尖速比。 以 Popt 为指令调节发电机输出功率，即可实现最大功率俘获的目的。 风机转速ω可以通过风力机桨叶变节距调节 ,也可以通过控制发电机输出功率调节。 采用风力机变节距调速的困难 在于风速难检测 ,调速精度低 ,变距系统结构复杂 ,维护困难。 为避免这些问题 ,在很多情况下通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁阻转矩 ,进而调节发电机的转速。 在 Cp 恒定区，风力发电机组受到给定的功率一转速曲线控制 Popt 的给定参考值随转速变化，由转速反馈算出 Popt，连续控制发电机输出功率，使其跟踪 Popt 曲线变化。 用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。 随着风速增大，转速亦增大，最终达到一个允许的最大值，这时，只要功率低于允许的最大功率，转速便保持恒定。 在转速恒定区，保持转速恒定，随着风速增大 ， Cp 值减少，但功率仍然增大。 达到功率极限后，机组进入功率恒定区，这时随风速的增大，转速必须降低，使尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，从而使风力发电机组在更小的 Cp 值下作恒功率运行。 高于额定风速时，变速风力发电机组的变速能力主要用来提高传动系统的柔性。 为了获得良好的动态特性和稳定性，在高于额定风速的条件下采用节距控制得到了更为理想的效果。 在变速风力机的开发过程中，对采用单一的转速控制和加入变桨距控制两种方法均作了大量的实验研究。 结果表明：在高于额定风速的条件下，加入变桨距调节的风力发电机组，显著提高了传 动系统的柔性及输出的稳定性。 因为在高于额定风速时，我们追求的是稳定的功率输出。 采用变桨距调节，可以限制转速变化的幅度。 当桨叶节距角向增大方向变化时， Cp 值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。 采用转矩与节距双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应的控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。 因此风力发电系统的总体控制如图 所示。 根据变速风力发电机组在不同区域的运行，我们将基本控制策略确定为：低于额定风速时，通 过对变频器进行控制，从而控制发电机的电磁转矩，以改变发电机的转速，从而能在在变速运行区域跟踪 Cp 曲线，风力发电机受到给定的功率 转速曲线控制，获得最大能量。 在转速恒定区域，保持发电机转速恒定，功率在到达极限值之前仍一直增大。 风力机在高于额定风速时，进入功率恒定区，通过对桨距角和发电机的电磁转矩的控制，跟踪 P 曲线，并保持输出稳定。 变速恒频发电风力发电系统有多种形式：交―直―交系统，变流励磁发电系统、无刷双馈电机系统、开关磁阻电机系统、磁场调制发电系统、同步异步变速恒频发电系统。 这些变速恒频发电系统有的是通过改 造发电机本身结构而实现变速恒频的，有的则是发电机与电力电子装置、微机系统相结合而实现变速恒频的，各有各的特点，适用场合也不一样。 以下就常用的风力发电系统的 5 种变速恒频控制方案进行简单的论述。 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 该系统采用的发电机为笼型转子。 其变速恒频控制策略在定子电路实现。 由于风速的不断变化，导致风力机以及发电机的转速也随之变化，所以实际上笼型风力发电机发出的电压频率是变化的。 可通过定子绕组与电网间的变频器，把变频的电压转换为与电网频率相同的恒频电压。 尽管实现了变速恒频控制， 具有变速恒频控制的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量要求与发电机的容量相同，使整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其是对于大容量风力发电系统。 采用的发电机为笼型转子 , 风力机通过变速箱拖动发电机的转子 , 而电机的定子绕组通过变频器和电网相连接。 由于风速的不断变化 , 风力机及发电机的转速也随之变化 , 既电机发出来的电是变频的。 采用转子磁链定向的矢量控制以及网侧 PWM 整流的方法把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能 , 这样就实现变速恒频。 由于其控制策略在定子侧实现。