变速风力发电机（精选12篇）
变速风力发电机 第1篇
随着世界经济的深入发展和国际工业化进程的加快,世界各国对能源的需求越来越大,能源消耗的速度持续增长,煤炭、石油等常规能源逐渐枯竭。为了缓解能源危机,人类越来越重视可再生能源的利用,而风能作为一种取之不尽、清洁无污染、具有大规模开发利用前景的能源,是可再生能源中最廉价、最具潜力的“绿色能源”。风力发电是利用风能的一种有效形式,它将风能通过风力机的转动转化为可方便使用的电能。利用风能发电以其“环保、节能”的特点日益引起众多国家的高度重视。
1 变速恒频风力发电技术的优点
风力发电机主要由风力机、发电机和其他辅助部件组成。大中型风力发电机组大多采用异步发电机,因为它制造简单,并网容易,励磁功率可直接从电网中获得。风力机组主要有两种类型:定桨距失速型风力机和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能,功率调节由风轮叶片来完成,对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂,成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是异步发电机,无论是定桨距还是变桨距风力发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,异步发电机转子的转速变化范围很小,转差率一般为3%～5%,故属于恒速恒频风力发电机。
恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:一是风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;三是并网时可能产生较大的冲击电流。
变速恒频风力发电技术是目前国内外风力发电技术的最优化方案,这是20世纪70年代发展起来的一种新型发电方式,它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中,获得了一种全新的、高品质的电能获取方式。风力机采用变速运行,即风力机叶轮随风速的变化改变其旋转速度,因而保持基本恒定的最佳叶尖速比和最大的风能利用系数。相对于恒速运行方式,变速运行具有如下优点:
a) 风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行,提高了风力机的运行效率,与恒速恒频风电系统相比,理论上年发电量一般可提高20%以上。变速运行的风力机不但年运行小时数较高,而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。
b) 变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接。当风速跃升时,能吸收阵风能量,把能量储存在机械惯性中,减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏,减少机械应力和转子脉动,延长风力机寿命。当风速下降时,高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。
c) 通过矢量控制调节励磁,可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时,还可以调节电网功率因数,提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁,变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接,并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。
d) 可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求,在低风速时,桨距角固定,高风速时,调节桨距角限制最大输出功率。
e) 较宽的转速运行范围,以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用先进的PWM技术,可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率,降低成本。双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网,避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。
另外,变速运行还可以减少运行噪声等其他一些优点。总之,由于这些优点,风电机组正朝着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展。
2 适用于变速恒频风力发电的发电机组
虽然目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统,但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知,这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比λ,从而使风力机的风能利用系数Cp保持最大值不变,风力发电机组输出最大的功率,最大限度的利用风能,提高了风力机的运行效率。自20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级以上大容量风电系统,因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。
可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种如交—直—交系统磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、开关磁阻发电机系统等,这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的,有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点,可以适用于各种不同场合。为充分利用风能,应深入研究各种变速恒频技术。
2.1 交—直—交风力发电系统
这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的(图1)。由于风速的不断变化,风力机和发电机也随之变速旋转,产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电再通过逆变器作有源逆变变换为恒定电网频率的交流电。因此,变频器的容量和发电机系统的容量相同。
这种系统在并网时没有电流冲击,对系统几乎没有影响;同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器,虽然可调节无功功率,但有高频电流流向电网。
在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和永磁发电机。这几种发电机的比较见表1。
2.2 磁场调制发电机系统
这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成,图2示出磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图及各部分的输出电压波形。发电机本身具有较高的旋转频率fr,与普通同步电机不同的是,它不用直流电励磁,而是用频率为fm的低频交流电励磁(fm即为所要求的输出频率,一般为50Hz),当频率fm远低于频率fr时,发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为(fr+fm)和(fr-fm)的两个分量组成的调幅波,如图2(b)所示。这个调幅波的包络线的频率是fm,包络线所包含的高频波的频率是fr。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器,得到如图2(c)所示的基本频率为fm的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向,得到图2(d)。最后经滤波器滤去纹波,即可得到与发电机转速无关、频率为fm的恒频正弦波输出图2(e)。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位,正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。
2.3 交流励磁双馈发电机系统
采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机,其结构与绕线式异步电机类似(图3)。
当风速变化引起发电机转速n变化时,控制转子电流的频率,可使定子频率恒定,即应满足
f1=p×fm+f2 (1)
式中:f1——定子电流频率,与电网频率相同;
fm ——转子机械频率, fm=n/60;
p ——电机的极对数;
f2 ——转子电流频率。
当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时,处于亚同步状态,此时变频器向发电机转子提供交流励磁,发电机由定子发出电能给电网,式(1)取正号;当n>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,变频器的能量流向逆向,式(1)取负号;当n=n1时,处于同步状态,此时发电机作为同步电机运行,f2=0,变频器向转子提供直流励磁。
由式(1)可知,当发电机的转速n变化时,即P×fm变化时,若控制f2相应变化,可使f1保持恒定不变,即与电网频率保持一致,也就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交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该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变频器的容量仅为发电机容量的一小部分,这样变频器的成本将会大大降低。
2.4 无刷双馈发电机系统
发电机为无刷双馈发电机,其定子有两套极数不同的绕组,一个称为功率绕组,直接接电网;另一个称为控制绕组,通过双向变频器接电网,如图4所示。其转子为笼型结构,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。
无刷双馈电机之所以能够实现变速恒频发电,在于其励磁电流能根据转速的变化而变化,保持旋转磁场与“功率绕组”的相对转速恒定。功率机定子绕组的电频率为:undefined,当电机转速nr变化时,只要控制励磁机的输入电流频率fc,即可使功率机输出电频率保持在fp不变,从而实现变速恒频发电运行。
2.5 开关磁阻式风力发电系统
开关磁阻式变速恒频风力发电系统如图5所示。
开关磁阻电机是一种适用于风力发电并速运行的同步发电机。与感应发电机相比,开关磁阻电机具有结构简单、控制性能好、转子上没有绕组,不会有异步电机的笼型转子铸造不良、疲劳故障及最高转速的限制问题。开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量的转换核心。由于风力机的功率特性有其自身的特点,为了使开关磁阻发电机与风力机能够良好配合,通过对发电系统的控制,使风力机工作在最佳功率负载上。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组,而是与集中嵌放的定子电枢合二为一,并通过控制器分时控制实现励磁与发电,因而简化了控制系统结构,提高了可靠性。同时因为发电机相绕组间无电磁耦合,容错能力大大增强。由于风力发电机位于户外高空狭小而封闭的机舱内,通风条件差,而发电机大多是密封结构,靠外壳散热,因此要求发电机耐高温性能好,开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势。
3 风力发电的发展趋势
近年来,全球风电技术发展迅猛,风电机组的可靠性大大提高,发电成本显著降低,逐步接近常规能源发电的水平。风电机组的技术发展趋势主要有以下特点:
1) 单机容量持续增大。目前,MW级风电机组已成为风电市场中的主流机型。2005年世界风电市场统计报告表明,1997年以前MW级风电机组的市场份额还不及10%,2001年则超过一半,2003年已达到70.5%,2005年高达76%。近年来,近海风能资源的开发进一步加快了大容量风电机组的发展,世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到5MW,6MW风电机组也已研制成功。
2) 风电机组型式多样化,并逐步从失速型向变速变桨恒频型发展。20世纪八九十年代,以“丹麦概念”为特征的失速型风电机组奠定了现代风力发电机组技术基础。
当今风力发电机组的主流技术是变速变桨技术。变速变桨风电机组的风能转换效率更高,能够有效降低风电机组的运行噪声,具有更好的电能品质;主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷,使得风电机组功率质量比提高。
3) 风力发电从陆地向海面拓展。海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势。
摘要：风力发电正在以前所未有的速度发展,变速恒频风力发电是一门新技术。简要介绍了风力发电机的组成和分类。通过和恒速恒频风力发电机进行比较,分析了变速恒频风力发电技术的优点。比较了几种适适用于变速恒频风力发电的发电机组,对各自的原理进行了比较详细的阐述。最后展望了风力发电的前景。
关键词：风力发电,风力机,变速恒频,发展趋势
参考文献
[1]杨金明,吴捷.风力发电系统中控制技术的最新进展[J].中国电力,2003,36(8):65-67.
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[6]Muljadi E,Butterfield C P.Pitch-controlled variable-speed wind tur-bine generation[J].IEEE Trans On IA,2001,137(1):468-473.
风力发电机设计 第2篇
由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车，所我们在增速器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风轮转速降低直至停止。刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车皮与轮毂不在接触。
滑环是在一绝缘圆筒外壁镶嵌三到四个圆环并相应放置电刷电刷的另一端连接发电机的输出电线电缆，在绝缘圆筒内引线一直通到地面的变电所。
6风力发电机在设计中的3个关键技术问题
6.1空气动力学问题
空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义;另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。
6.2结构动力学问题
准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。
6.3控制技术问题
风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距
“不跟随”的风力发电机 第3篇
但这种自然规律却是风电领域的大敌。当把一个风力发电机置于另一个发电机后时，由于后者受到的风力不连贯，发电效率就会降低，而目前大规模使用的水平轴风力发电机（即转动轴与地面平行）则将这种不利影响进一步放大。因此，在数百公顷土地上列队树立的风车中，后面的风车转动实际很小。
加州理工大学的两位流体力学科学家针对这一问题提出了新的解决方案，从而帮助后面的风车持续受力。罗伯特·惠特尔西和约翰·达比里首先研究出一种新型的垂直轴风力发电机（转动轴与地面垂直），随后通过分析水流对鱼群影响的数据得出结论：模仿鱼鳞状的排列安置风力发电机能获得最大的效率。此外，发电机的转向也非常重要：第一排放置一个顺时针转动的发电机，第二排则放置两个逆时针旋转的发电机，第三批再放三个顺时针旋转的发电机，以此类推。
变速风力发电机组的控制方式 第4篇
变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。
低风速段。实际风速小于额定风速, 按输出功率最大功率要求进行变速控制, 主要是调节发电机转矩使转速跟随风速变化, 以获得最佳叶尖速比, 因此可作为跟踪问题来处理。
高风速段。主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量, 使风力发电机组保持在额定值下发电, 并使系统失速负荷最小化。
可以将风力发电机组作为一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑, 采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术, 根据已知系统的有效模型, 设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。一台变速风力发电机组通常需要两个控制器, 一个通过电力电子装置控制发电机转矩, 另一个通过伺服系统控制桨叶节距。
2 变速发电机及控制方式
为了达到变速控制的要求, 变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。变速发电机目前主要采用双馈异步发电机, 也有采用低速同步发电机。在低于风速时, 通过整流器及逆变器来控制发电机的电磁转矩, 实现对风力机的转速控制;在高于额定风速时, 一般采用节距调节的方法将多余的能量除去, 这时机组有两个控制环同时工作:内部的发电机转速控制环和外部桨叶节距控制环。
3 双馈异步风力发电控制系统
绕线异步电动机的定子直接连接电网, 转子经四象限IG-BT电压型交—直—交静止变频器接电网。
转子电压和频率比例与电机转差率, 随着转速变化而变化, 变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频 (50Hz) 的转差功率, 送至电网。转速高于同步速时, 转差率S<0, 转差功率流出转子, 经变频器送至电网, 电网收到的功率为定、转子功率之和, 大于定子功率;转速低于同步转速时, S>0, 转差功率从电网, 经变频器流入转子, 电网收到的功率为定、转子输出功率之差, 小于定子功率。
4 双馈异步控制系统的运行过程
双馈异步控制系统的运行分为两个阶段:
1) 同步阶段:在此过程中风机已经开始转动, 当其转速大于启动转速后, 充电回路先闭合, 使变频器直流电容电压升高, 当电压大于80%额定值后, 转子回路主接触器闭合, 并且同时断开充电回路接触器。母线电压不断升高至额定值, 这时变频器逆变器开始工作, 电机转子中有电流, 所以在定子中有电压产生, 变频器检测电网电压和电机定子电压, 通过调节控制转子的电压电流, 使这两个电压同步, 并且闭合定子主接触器, 系统便完成了同步切入。
2) 运行阶段:同步切入结束后便进入正常运行阶段, 这时通过上述三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行中, 变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号:功率因数和电机力矩。功率因数信号使变频器输入端的输入功率因数始终为1, 电机力矩使风力发电系统始终随着风速变化而输出最大的额定功率。主要的控制方式可以通过矢量控制和直接力矩控制实现上述功能。
双馈系统在变频器中仅流过转差功率, 其容量小, 通常按发电总功率的25%左右选取, 投资和损耗小, 发电效率高, 谐波吸收方便。由于要求双向功率流过变频器, 它必须是四象限双PWM变频器, 由两套IGBT变换器构成, 价格是同容量单象限变频器的一倍, 而且只能使用双馈电机, 效率较低, 而且有滑环和碳刷, 维护工作量较大。
5 永磁同步全馈风力发电控制系统
用同步发电机发电是今天最普遍的发电方式。然而, 同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的, 如果原动力是风力, 那么变化的风速将给发电机输入变化的能量, 这不仅给风力机带来高负荷和冲击力, 而且不能以优化方式运行。
永磁同步全馈风力发电控制系统采用永磁同步电动机作为发电机, 同步电动机输出的频率和电压随转速变化的交流电, 经一台双象限IGBT电压型交—直—交变频器接至恒压、恒频电网。
永磁同步全馈风力发电控制系统的运行和双馈系统基本类似, 也通过同步切入过程和正常运行阶段, 控制方式也采用上述三段式控制。永磁同步全馈风力发电控制系统发电机发出的全部电功率都通过变频器, 变频器容量需按100%功率选取, 比双馈系统容量大, 投资和损耗大, 使用永磁同步发电机, 电机轻, 取消变速齿轮结构减轻了整机重量, 变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿。
6 目前风力发电的主要方向
(1) 陆地风力发电机组采用1.5/2MW双馈异步发电机组。 (2) 离岸风力发电机组采用4/5MW永磁同步全馈发电机组。 (3) 建设大型或者超大型的风力电场 (有上百台风力机组组成) 。 (4) 风力机组控制系统具有防电压穿透功能。 (5) 风力发电机组在在线发电时可调节功率因数, 在不发电时也可以调节功率因数, 进行无功补偿, 净化电网。
摘要：近年来, 随着风力发电技术的发展, 变速风力发电机组已成为大型并网风力发电机组的主流机型。介绍了变速风力发电机组的两种控制方式:双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统;简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。
关键词：变速风力发电机组,双馈异步发电系统,永磁同步发电系统
参考文献
[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.
风力发电机工作原理 第5篇
2007-04-16 15:57阅读1139评论1
字号： 大中小
现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电
网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。
最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些
问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这
样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向；风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。
早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系
统逐步取代液压变距。
就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网；同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停
另类风力发电机：一颤抖就来电 第6篇
旅游大巴停在广阔的原野上，原野上竖立着一个个巨大的叶片风力发电机，像硕大的风车，很漂亮。游客走下大巴，欣赏着美丽的风景。
“爸爸，你看，那是什么呢？”小朋友指着原野上竖立着的一排“大柱子”问爸爸。这些“大柱子”与叶片风力发电机有明显的区别，更不像风车。
爸爸仔细看了看这些“大柱子”，想了想，说：“应该是没有完工的风力发电机吧，你看都还没有装上叶片。”
其实，原野上的这些一根根“大柱子”不是没有完工的风力发电机，而是无叶片风力发电机，风力发电机家族的新成员！
看似简单，其实真不简单
无叶片风力发电机听着都觉得新鲜，没有叶片，只是一根“大柱子”，如何“借风发电”呢？
“大柱子”风力发电机是意大利科学家研制成功的科技新产品，其主要由两部分构成：第一部分是直观的外形，就是固定在地面上的“大柱子”。“大柱子”正式名称叫“发电桅杆”。发电桅杆由半刚性玻璃纤维制成，并且缠绕着线圈。第二部分是“大柱子”内部放置的磁铁。当然，它“肚子”里的那些磁铁块，你是看不到的。
“大柱子”风力发电机结构就这么简单，简单到没有彼此连接的活动部件，也没有其他发电机里那些齿轮、变速器、链条之类的东西。
发电本领不可小觑
“大柱子”风力发电机简单的结构却是大有“名号”的，这样的结构被称为“磁耦合装置”。
迎风的时候，“大柱子”风力发电机身体两侧就会产生一种叫“漩涡脱落”现象，这种现象会在它身体两侧交替施加压力，让它的身体不断地“颤抖”。它“颤抖”了，身体上的线圈也就随着“颤抖”，并做出“切割”身体内部磁铁“磁力线”的动作，从而产生电流。这个发电过程叫做“磁生电”性质。它颤抖得越厉害，产生的电能就越多。
它身体不会“抖坏”吗？别担心，它是用半刚性璃玻纤维做成的，也是高科技材料，有很强的韧性，抖不坏的。
即使风力不大，“大柱子”风力发电机身体的材料对“小小风”也是很敏感的。迎着“小小风”，它也能抖起来。你快看，它“颤抖”起来了——电流正源源不断地从线圈上产生，然后输送出来，点亮灯泡，启动电脑，还能供电饭锅烧水、做饭哦！
怎么样，“大柱子”风力发电机“颤抖发电”的功夫相当了得吧！
环境友好型产品
有人说，带叶片的风力发电机很漂亮，“大柱子”这样的无叶片风力发电机光秃秃的，一点儿也不好看。
除了在外形上有些“不太美观”外，在“品质”上，“大柱子”风力发电机却是远远超过叶片风力发电机的。
它的结构简单，制造安装都很方便，保养、维修的费用很低。所以它的第一项“好品质”就是实用，不娇气。叶片风力发电机可没有这样的“好品质”，它们结构复杂，安装费事，还常出故障，不易维修。
叶片风力发电机转动的时候，“嗖嗖嗖”的那个巨响吵得旁边的居民根本受不了，也影响周围小动物的正常生活。有叶片风力发电机的地方，小动物都被吓跑了。“大柱子”风力发电机可是很安静的，“颤抖”的时候基本没有噪音，总是“静悄悄”地给人类提供电能。不吵不闹，低调作贡献，这是它的第二项“好品质”。
叶片风力发电机的叶片有几十米长，占地太大。无叶片风力发电机只是一根柱子，占地很少，节约土地和空间。没有旋转叶片，不会“哗哗”转起来像“刀片”，所以不会伤害飞鸟。你可能不知道，有好多飞鸟撞到风力发电机的叶片上丧命了。“大柱子”风力发电机没噪音，省空间，不伤飞鸟，是环境友好型产品。
“大柱子”风力发电机有这么多的好品质，所以坚信它会取代叶片风力发电机，成为环保家族的新秀，成为原野上的新风景……
责任编辑：陆艳
变速风力发电机 第7篇
关键词：风力发电,双馈变速恒频,功率控制扰动
0 引言
在风力发电系统中,风力发电系统主要由风速模型、风轮模型、轴系模型、异步发电机模型和电网模型[1]组成,其中异步发电机模型是整个风力发电系统的核心。在当今的风力发电系统中,使用变速恒频双馈异步风力发电机发电的技术已经成为目前风力发电技术的发展方向,因此对变速恒频双馈异步发电机控制方法的研究已经成为了风力发电系统研究中的一个热点。
多年来一些学者提出了几种不同的关于变速恒频双馈异步风力发电机的功率控制方法,诸如开环解耦控制方法[2]、有功-无功解耦控制方法[3]等,它们都是由在矢量控制方法[4]基础上提出,虽然各种控制方法都有其自身的优点,但是在一些方面还是存在着不足,因此又有人提出了功率控制扰动法[5],它综合了间接磁场控制方法和矢量解耦控制方法,同时采用定子磁链定向矢量变换技术实现双馈异步电机的有功-无功功率的解耦控制,但是这种方法没有加入对由风速变化引起的转矩波动的控制。
因而本文提出一种新的功率控制方法思路,即动态功率控制扰动方法。
1 变速恒频双馈异步风力发电机的基本原理和数学模型
1.1 变速恒频双馈运行原理
运行原理如图1所示。发电机为三相绕线式异步电机,定子绕组并网,转子绕组外接滑差频率电源实现交流励磁。当发电机转子旋转频率fr变化时,控制励磁电流频率f2以保证定子输出频率f1恒定,实现风力发电机的变速恒频控制,即
式中,np为发电机的极对数。
1.2 变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型
交流励磁双馈异步发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量系统,在d-q坐标系下的双馈变速恒频异步发电机的数学模型表示如下:
定子电压方程:
转子电压方程:
子磁链方程:
子磁链方程:
磁转矩方程:
忽略电机定子绕组电阻后,发电机定子磁链和定子端电压矢量之间的相位差正好为90°。
定子磁链定向示意图如2所示。
定子相电压矢量Um正好落在q轴的负半轴上,而d轴分量为0。
此时定子电压方程为:
2 相关控制方法
2.1 矢量控制方法
矢量控制方法利用矢量控制技术综合改变变速恒频双馈异步风力发电机转子励磁电流的相位和幅值,可以实现变速恒频双馈异步风力发电机输出有功功率和无功功率的控制,矢量控制技术强调对控制量的解耦,需要经过多次坐标变换和反变换,因此控制精度较高,但是多次的坐标变换和反变换使系统变的非常复杂,计算量很大;同时,控制过程中电机参数变化对系统控制量的精度也有不可忽视的影响。
因此在矢量控制方法的基础上,一些学者提出了关于功率的解耦控制方法。
2.2 开环解耦控制方法和有功-无功解耦控制方法
开环解耦控制方法从双馈风力发电机的等效电路图出发,将变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型进行3/2坐标变换和极坐标变换并将电网电压定向在d-q坐标下的q轴上,通过等效电路和坐标变换理论形成的这种控制方法,虽然简化了控制系统的复杂性但是由于在电路等效的过程中的一些近似处理,使得系统的控制精度有了明显的下降。
有功-无功解耦控制方法,基于定子磁场定向双馈发电机矢量控制方案,提出了有功-无功双向功率调节的控制方案,此方案结合3/2坐标变换方法和解耦控制理论,实现了对有功-无功的独立解耦控制,但是因其加入解耦控制理论,使的整个过程比较复杂影响了此控制系统的反应速度。
由于以上两种解耦控制方法是在功率处于静态无扰动的情况下提出的,在存在功率扰动的情况下其控制精度下降,因此有的学者提出了功率控制扰动法。
2.3 功率控制扰动法
功率控制扰动法其主导思想是离散迭代控制,风力机在某一特定风速下的功率特性曲线是凸函数,如图3所示。因此可在系统处于稳定时,给转差率一个微小扰动,这一扰动将引起输出功率的变化。若该变化量大于零则在系统趋于稳定时加上与前次同符号的扰动量,直到输出功率变化量开始小于零时才改变下一次扰动量的符号如此反复。风力机的工作点将沿着功率特性曲线移动到最大值附近,并保持一定的波动。
参见图3,假定系统输出功率稳定在a1点,对应的转差率为s1,扰动量在s2和s3之间连续变化,则此时转差率s为:
式中,fm为扰动信号的频率。
由于输出功率与定子电流q轴分量Iqs成正比,测得功率检测回路的功率时,s1由下式决定:
式中,Iqs2和Iqs3分别为功率点a2和a3对应的定子电流q轴分量,K为比例系数。假定定子电流q轴分量与扰动信号的相位差为θ,由于在2πfmt+π/2和2πfmt+3π/2时刻对电流进行采样,系统获得最大功率时,θ=(2n+1)π/2,其中n为整数。
3 发展和展望
功率控制扰动方法利用双馈变速恒频异步风力发电机的功率控制,与变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型结合,实现了变速恒频双馈异步风力发电机的解耦,但是这钟方法提出的功率控制扰动法是基于固定风速时变速异步双馈恒频功率发电机发出的不变功率,也就是在固定功率的情况下提出这钟方法,使的整个控制过程没有实现对变速异步双馈恒频功率发电机的完全解耦,因此在此提出动态功率控制扰动方法的设想,就是在功率变化的情况下用功率控制扰动法结合变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型进行对变速恒频双馈异步风力发电机有功-无功功率的完全解耦。
若验证了此方法的正确性和有效性,对于风力发电系统的有功-无功控制具有指导意义。
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变速风力发电机 第8篇
风力发电目前是我国储量最大、技术相对成熟、适于大规模开发的新能源发电技术。国家气象科学研究院对我国风能资源的评估结果表明[1],我国陆地风能开发量约253 GW,海上风能资源可开发量在750 GW左右,两者总计1 000 GW。
随着全球性环境的恶化,各国都在大力寻找清洁的新型能源。风力发电技术从20世纪80年代成为新能源技术研究中的1个热点,各种新型的风力发电机应运而生。双馈式风力发电机组是这些新型风力发电机的典型代表,在变速恒频的状态下,转子的功率可以实现双向流动,而目前的双馈式风力发电机的变频器大多采用DSP芯片控制的SVPWM方法来实现变频器的控制,这样控制器的成本相对比较高,本文利用新型的单周控制技术对背靠背变频器进行控制,实现双馈式电机的变速恒频运行,根据风速的变化,双馈式电机可以工作在同步、超同步、亚同步3种状态,实现转子侧能量的双向流动[2]。
1 风力发电机模型
风力发电机的电气性能可以通过1种简单的空气动力学模型来描述,风速与风力发电机的机械转矩之间的关系见式(1):
式中:T为风力发电机的机械转矩;ρ为空气密度;v为当前风速;R为风力发电机的叶轮半径;cp为风机的电能转换系数;β为叶片的桨距偏移角;λ为叶尖比率[3]。
在风力发电机中转子转矩与机械转矩之间的关系见式(2):
式中:J为转动惯量;ωg为转子的转速;Tg为转子的转矩;B为阻尼系数[10]。
双馈式风力发电机转子侧采用AC-DC/DC-AC转换器接入电网,定子侧直接并入电网。双馈式风力发电机并网系统如图1所示。其转子侧可以工作在超同步、亚同步与同步3种工作模式,在超同步状态转子侧的励磁功率流向电网,在亚同步状态转子从电网吸收励磁功率,同步状态下无能量流动。
双馈式风力发电机d-q坐标下的等效电路可以用图2来表示:
由等效电路可知
式中:ωe为定子电流对应的角频率;Uqds、Uqdr分别为d-q坐标下定子、转子的电压;rs、rr分别为d-q坐标下定子、转子的电阻;Iqds、Iqdr分别为d-q坐标下定子、转子的电流;ψqds、ψqdx分别为d-q坐标下定子、转子的磁链;s为转差率,式中电磁阻力转矩Te可以表示为:
通过励磁回路在转子上的注入功率为:
通过对双馈电机简易模型的分析,可知双馈电机的转子侧功率在忽略转子铜耗的情况下[11],可以表示为:
双馈式电机的工作方式可以通过检测转子端的d-q坐标系下的电流来判断电机的工作状态,在之前的控制方式中大都采用DSP芯片控制的SVPWM来控制转子侧的功率输送,这种情况下控制设备成本比较高,对算法的稳定性也有较高的要求。本文采用单周控制器,利用电网侧的信号实现同步,控制方法简单[4]。
2 并网控制方式
与传统独立信号为载波实现的空间矢量控制方式不一样,单周控制器以网侧电压信号为载波,快速跟随电压波动进行调整,转子侧变频器采用空间矢量单周控制器来实现频率与功率流动控制,网侧变频器利用单周控制器实现整流与逆变,在不同的运行方式下实现网侧与转子功率的交换。三相并网逆变器见图3,三相电压的划分区间见图4。
2.1 AC-DC/DC-AC变换器控制
在T1区间内,iLb<0,iLa>0,iLc>0,Thn开关管在整个T1区间内一直处于导通,而Tbp在整个T1区间内一直关断,只需控制另外2个开关管Tap和Tcp,使线电流iLa和iLc分别跟随电网电压Ua和uc,Tan和Tcn在整个区间内一直关断[5]。
在这样的情况下,将a桥臂定为Sa,Sa=1表示上桥臂导通,Sa=0表示下桥臂导通,并且同一相的上下2个桥臂不能同时导通。因此在这样的情况下可以将开关管的状态分为6个扇区,如图5所示:
根据电压空间结合可知,开关管可以工作在23=8种工作状态,根据这8种基本电压矢量进行线性组合就可以得到更多的特定基本电压矢量,最终构成1组等幅不同相的电压空间矢量[6]。
双馈式电机变频器的控制分为AC-DC变换与DC-AC变换,利用IGBT电路搭建的三相桥式整流电路是工作在逆变状态还是工作在整流状态与控制角有很大的关系。在101时区时逆变器导通电流途径如图6所示。为了形成SPWM波形,在用180°逆变调制下同一时间每相都只有1只开关管导通,这样就应对每相上下桥臂的开关管作180°的PWM控制。
利用单周控制器的跟随电网电压变换来改变SPWM调制变比可现实DC-AC侧的控制,上述情况也适用其他5个时区。
单周控制器原理如图7所示:当时钟信号来时,RS触发器Q端为高,输出脉宽信号,使开关SW导通,导致负荷电压y(t)变化,y(t)经积分器积分后得Vint,然后至比较器,与参考值Vref比较。若大于参考值,则比较器反转,通达RS触发器的复位端R复位,使Q端变低;关断电路开关SW,而Q端将变高,同时积分器清零。到下1个周期过重复以上动作[7]。
在上述基础上,可用单周控制器来实现空间矢量,在单控制器的比较器侧通入电网频率信号或从调速装置的转差频率信号。通过改变触发时钟和积分器限定值Vint来形成调制波,如图8所示:
Vref的输入为电网频率或转差频率,而空间矢量每个扇区Tpwm期间使用Ux+60°与Ux(Ux为所选取x时刻的电压值,为所选取x+π/3时刻的电压)来进行时间线性组合形成U,电压作用时间为t1,t2。如图5所示,则有:
通过选择t1,t2来决定单周控制触时间,通过Tpwm来决定控制器的Vint与触发时钟频率,从而可以得到SVPWM波形。
2.2 双馈式发电机变速恒频控制
由上可知利用单周控制的变频器,频率的控制完全取决于载波的频率,在电网频率为f1(f1=50 Hz)的同步转速下,异步电机在风力机的带动下的自身旋转速度为n,则只要维持n+n2=n1为常数,其中n1为额定转速,nn为转子当前转速。则异步电机定子绕组的感应电动势和同步发电机一样,其频率将维持在50 Hz不变[8]。
根据双馈异步发电机转子转速的变化,双馈异步发电机有3种运行状态。
(1)亚同步状态:在当风力机的转速运行在亚同步转速即n<n2时,通往转子的交流电频率产生的频率f2与转子的转速方向一致,n+n2=n1。
(2)同步转速状态:n=n1,转子频率为零,电流相当通入直流电,类似普通同步发电机。
(3)超同步转速状态:n>n1时,运行需要控制电频率为f2的交流电来产生与转子转速相反的频率,通过在每相让其滞后180,的相角,n-n2=n1。这时AC-DC变换器的工作方式发生转变,见图9。
而在DC-AC侧的变换器,工作方式与AC-DC变换器的工作方式相反,但是它要跟随电网侧的频率(即f1)[9]。
3 DFIG逆变仿真
图10为双馈式电机的Maltab/simulink仿真图,在这里利用Matlab7.4版本已有风力机与异电机模块作为双馈式风力发电机的仿真模型[10,11],风力机为1.5MW、切入风速为3 m/s、额定风速为11 m/s,发电机为额定输出电压为690 V、额定频率为50 Hz、额定转速为1800 r/min、最大转速为2300 r/min、最小转速为1000 r/min、rs=0.0049Ω;xs=0.056Ω;rr=0.0051Ω;xr=0.048Ω。
图11为风速随机曲线图,是利用随机函数与正弦函数合成而来。图12为双馈式风力发电机在亚同步状态下的定子电流与电压曲线,由图12可知定子出端电压基本保持在690 V,频率稳定在50 Hz。图13和图14表明了转子在亚同步与超同步状态下的电流频率与功率关系,图13和图14对应的风速分别为8m/s与16 m/s时,转子侧电流对应着转差频率为f,转差为s。
由图13可以看出,转子的电流频率为5 Hz左右,而计算频率可以用简化计算公式(11):
由式(11)可以算出转差频率f为5 Hz与电流频率对应,而由功率风曲线可以看出,当前功率为正值,说明在亚同步状态下转从电网吸收功率。
由图14可以看出转子电流频率为6.7 Hz,与公式(11)的计算值基本吻合,转子功率曲线为负值说明这时转子向电网输出功率。证明了单周控制很好地实现双馈式风力发电机的变速恒频控制。
4 结论
通过对双馈式风力发机的模型进行研究,利用单周控制实现发电机的变速恒频控制。改变了传统DSP的SVPMW控制方式,并通过Matlab/Simulink进行仿真研究,证明单周控制可以很好地实现双馈式电机变速恒频控制,并保证转子侧能量的双向流动。
摘要：双馈式风力发电机的变速恒频控制是风力发电系统研究中的热点。在空间矢量控制的基础上,结合异步电机的变速恒频控制理论,通过单周控制技术产生SVPWM波形,对AC-DC/DC-AC变频器进行控制,快速跟踪调节转差频率,实现定子输出电压频率同步电网频率,实现转子功率双向流动。在Matlab/Simulink环境下建立双馈式感应电机、变频器、转子频率控制器的双馈式风力发电机仿真模块并进行仿真研究。证明单周控制器能很好地实现双馈式风力发电机的变速恒频运行。
关键词：双馈式发电机,变速恒频,单周控制,空间矢量控制
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论风力发电双馈机组的变速仿真研究 第9篇
纵观世界范围,能源形势不容乐观,煤炭资源日渐匮乏,石油价格的不断攀升,一方面可以看出全球对于能源的竞争日益激烈,另一个方面也看出能源在人们大范围的使用中在不断地减少,如何在不破坏地球原有的生态环境又能满足人们日益增长的物质要求已经摆在人们的面前,是一个非常普遍又现实的存在,而风能能很好地解决上述的两个矛盾点,不仅资源存储丰富,又能循环利用,同时在各国科学家的努力之下,风能生电的技术应势而生,在全球范围内得到了很好的应用,性价比也非常的高,可以采用很少的资源满足全球范围内人们的日常用电量,避免了对环境的污染,保护了生态,是一种非常实用的技术。
风能发电就是利用风轮收集风能,将其转变为旋转的机械能,通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能,利用电网远距离输送。风力发电是由太阳能转化而来,地球表面温差引起空气流动,具有一定动能,是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源。由于能源和环境等诸多问题的影响,风力发电的发展受到全球性的广泛关注和高度重视。但是自然界的风,方向和速度经常变化,使得风力发电具有间歇性,可控性不如常规性能源。
1 双馈发电机组原理
风力发电就是利用风力带动风车叶片进行旋转,再通过齿轮箱将旋转的速度进行进一步地提升,故而带动发电机达到发电的目的。风力发电系统主要由叶轮,机舱,偏航系统,传动链,主轴,发电机,制动系统和桨距调节装置等硬件设备组成,每一个部分都很重要。其中,叶片是具有空气动力学外形,在气流推动下产生力矩使风轮绕其轴转动的主要原件,获取风能并转化为机械能。齿轮箱是将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。而发电机组在风力发电系统中至关重要,目前在风力发电领域广泛应用的风力发电机组主要有三种类型,即固定转速的异步发电机组、可调速的双馈异步发电机组和永磁直驱同步发电机组。
双馈电机发电的主要原理就是利用变频器调节转子,然后通过励磁电流来达到控制变速时候的频率,使之保持在一定的频率上。在这个过程中,转子电路的功率只相当于流励磁电机发电中的转差功率,而转差功率在整个过程中只占到很小的一部分,所以双馈电机在进行运转时消耗功率较小,降低了成本,同时不限制变频器容量,故采用双馈电机。在进行发电时,不但可以减低能耗,保证工作,同时在工作中创造效率,实现恒频控制,且同时实现一对一的控制,起到了分担电网工作量,稳定电压的效果。风力机的运行特性如图1所示。第一个运行区域是启动阶段,此时电机增速,但没有连接并网,故没有功率输出。第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段又可分为两个区域:变速运行区和恒速运行区。第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时,通过变桨控制,从而保持功率不变。
2 双馈电动机变速仿真
影响风能发电的因素有很多,其中风能的输入功率,叶片的叶尖线速度都与之有着千丝万缕的关系,如何更好地捕获风能,提高风能的效率,同时减小机械应力,是目前迫切需要解决低问题。
根据上述风力发电的基本原理,加上风力机的空气动力学知,可以得出风力机的输入功率为:
由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用,其风能利用系数:
其中,v为风速,ρ为空气密度,R为叶片半径。
风能利用系数是表征风力机效率的重要参数,它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论,定义风力机的另一个重要参数叶尖速比,即叶片的叶尖线速度与风速之比:
变浆距的风能利用系数是叶尖速比和桨叶节距角两者的函数。在定浆距情况下,叶尖速比决定着风能利用系数的大小。
由不同风速下风力机输出功率和转速的关系,可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇,每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax其值为:
在此时,对应的转矩为。
同时以双馈风力发电机组的电机模型建模,以转速ωee旋转的同步坐标系下的等效电路如图2所示。
根据原理对双馈风力发电机组的电机模型进行建模,得到磁链和电压的数学模型如下:
式中,ψ、V、I分别为磁链、电压、电流矢量,R、L为电阻及电感,下标s、r分别表示定、转子侧分量,ωr为转子角速度,Lm为激磁电感。
同时当采用定子磁链定向(即同步坐标系的d轴定向在定子磁链矢量上)时,定子侧的有功和无功可表示为:
且此时的电磁功率和电磁转矩可以表示为:
由上面的几个公式中可以看出双馈电机的定子侧有功(或电磁转矩)、定子侧无功分别由转子电流的q、d轴分量决定。
以16m/s风速条件下风机模型为被控对象进行仿真。由于风轮为一大惯性体,控制延时大,因此要求在控制超调量条件下响应时间越短越好。风机模型中发电机额定转速为1500rpm,最高转速为1800rpm,其最大超调量为20%,为减少干扰信号带来的误差,本文设定最大超调量为10%。根据MATLAB中SIMULINK仿真模块,建立如图3所示的仿真模型图。
在本文中选取参数相同的规格的一组电动机进行仿真比较,在使用过程中,通过改变某些特定参数来进行比较,得到了结果如表1所示的实验数据。
如表1所示,电机组2的电动机最大超调量虽然比最优控制提高3%,但响应时间多了40.1%,在风力发电机组,电机组1这样大惯性系统中起到更好控制效果。电机组2的电动机的转子电流的q轴值值比较偏高,故相对于无功的需要量比较大,而电机组1相对于偏低,故整个动态过去需要量比较小,是可以控制的
同时从上面的分析也可以得到,在某一固定的风速v下,随着风力机转速的变化,风能利用系数的值越高,从而使风力机输出的机械功率也越大,因此转速的变化会导致风力机捕获风能的能力却强,故电机组1的相应时间小于电机组2的电动机,确实是提高了风能转换效率。
3 结束语
随着二十一世纪的到来,各国对于资源的争夺越来越激烈,而风能作为一种存储丰富,对于环境的破坏相对较小的能源,成为了各国争先研究的对象。现在在全球范围内正形成一股应用风能进行发电的研究热潮,可靠风能不仅能降低污染,还不必担心资源的枯竭,是一种可以循环利用的能源,当然在发展过程中也存在着不可以忽视的缺点,造成一些不必要的浪费,针对上述的情况,本文对于风能发电的双馈电动机进行了研究,阐述其原理,且通过选取几个有针对性的对比实验参数,更从数值证明了本文提出的合理控制双馈发电机组的变速的参数确实有比较高的实用价值。
摘要：在经济日益发达的现在,风能发电是一个新兴的研究领域,存在着无限地发展潜能,但在发展的同时也可以看到风能发电的过程也有许多缺陷,像是效率不高等,针对这个情况,本文提出了合理控制双馈发电机组的变速的参数,并通过得到的实验数值,证实了合理提高某些针对性的参数,更能增加双馈发电机组的性能,对整个风能发电起到一定的改善作用,对今后风能在各个领域中的应用起到了承前启后的作用。
关键词：风力发电机组,变速,变桨
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变速风力发电机 第10篇
随着我国风力发电技术的迅速发展,国内建设了一批大规模的并网风力发电工程,对于大功率风力发电机组的需求越来越大。但是随着风力发电机组功率的增加,并入电网时产生的冲击电流也随之增大,严重时可能会导致风力发电系统无法接入电网。目前大型风力发电机组中,双馈感应式变速恒频风力发电机组的应用最广泛,实现变速恒频双馈风力发电机组无冲击电流并网技术越来越重要。
双馈风力发电机组采用的发电机为转子交流励磁的双馈异步发电机(DFIG)[1,2]。定子绕组直接接入电网,转子绕组由一台频率、电压可调的低频交流励磁变频器供给三相低频励磁电流,在转子中形成一个低速旋转磁场,这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速,从而在发电机定子绕组中感应出工频电压。
目前已有不少文献应用矢量控制技术研究了双馈风力发电机的并网控制策略[3,4]。传统的矢量控制结合PI控制来实现双馈风力发电机并网控制,很难做到精确解耦控制。本文采用变结构控制与矢量控制技术相结合的控制策略,来完成发电机组的并网控制,利用Matlab软件建立空载并网仿真模型,研究了变速恒频双馈风力发电机的空载运行及并网全过程。
1 控制策略
1.1 风力发电机空载并网原理
交流发电机的并网条件是,发电机的输出电压与电网电压的幅值﹑频率和相位完全相同。因此,并网之前要对发电机的输出电压进行调节,当满足并网条件时进行并网操作,并网成功后,发电机切换到发电控制。空载运行时,取电网电压的频率、相位、幅值作为控制信息提供给控制系统,据此调节发电机的励磁电压,按并网条件控制发电机定子空载电压。
为了实现双馈风力发电机组并网前的端电压准确调节,并网后的输出有功﹑无功功率的解耦控制,本文采用了电机磁场定向的矢量控制策略。
1.2 DFIG数学模型
定子侧电压、电流正方向取发电机惯例,转子侧电压、电流正方向取电动机惯例,可得到DFIG在定子同步速度m-t两相坐标系下的数学模型[5,6]。
定、转子电压方程为
定、转子磁链方程为
电磁转矩、运动方程为
其中,r1、r2分别为定、转子绕组等效电阻;l1、l2、lM分别为m-t轴定、转子绕组自感及互感;im1、it1、im2、it2、um1、ut1、um2、ut2分别为m-t轴定、转子电流与电压;ψm1、ψt1、ψm2、ψt2分别为m-t轴定、转子磁链;ω1为定子同步电角速度;ω2为转子电角速度;ωs=ω1-ω2为转差角速度;p为微分算子;J为转动惯量;np为电机极对数;Te、Tm分别为电磁转矩和机械转矩。
将式(2)代入式(1)整理得:
空载时,im1=it1=0,代入式(4)化简得:
式(5)即为发电机空载时的数学模型。
1.3 定子磁场定向下发电机空载并网控制策略
为了使定子电压的相位、幅值、频率同电网电压保持一致,满足并网要求,需要根据电网电压的信息对转子励磁电流进行控制。由于大容量发电机在工频下电感远大于电阻,所以电阻可以忽略不计。本文选取m轴方向与定子磁链方向重合,定子端电压u滞后定子磁链ψ190°,Um为三相系统相电压的幅值,Ψ1为定子磁链幅值,如图1所示。
于是,可得:
将式(4)代入式(1),略去定子电阻,得:
式(2)可化简为以下两式:
将式(9)代入式(5)可得:
考虑到实际动态调节过程中的磁场定向误差,it2可能不为零,更通用的转子电压计算公式应为
根据式(6)~(11)可得到变速恒频双馈风力发电机并网控制策略。空载并网时,依据检测到的电网电压,计算出参考定子磁链后对转子电流进行闭环控制。从式(11)可知,转子电压、电流间除一阶微分关系外,还存在着交叉耦合。以往根据式(11)设计PI调节器,转子电流经闭环调节后加上耦合补偿项得到转子电压,很难做到精确解耦控制。本文采用逆系统线性化非线性控制技术实现系统解耦,然后设计系统的变结构控制器完成控制。
1.4 转子电流变结构控制器设计对于转子电压方程
选取状态变量[x1,x2]=[im2,it2],选取输入变量[u1,u2]=[um2,ut2],选取输出变量[y1,y2]=[x1,x2],得到状态变量的表达式为
采用逆系统方法可得其逆系统如下:
则在式(14)中,取把逆系统串联在原系统之后,原系统与逆系统就构成了一个伪线性系统。伪线性系统可解耦成2个独立的子线性系统:
对于式(15)子系统,控制器的设计目标是应用变结构控制原理[7,8],取切换面采用趋近律设计方法[10],令则可得系统的变结构控制律如下:
其中,sgn(s1)为符号函数。
同理,可设计式(16)子系统的控制律:
图2所示为变结构控制与矢量控制相结合的风力发电系统空载并网控制原理图。
2 建模仿真
2.1 系统的仿真模型
本文利用Matlab软件,构建了变速恒频双馈风力发电系统的仿真模型,如图3所示。
发电机空载时定子电压为输出量,并网时定子电压受电网电压的制约,为输入量,为此本文建立了空载与并网2个模型。仿真时,空载模型首先运行,进行并网控制过程仿真;并网过程完成后,将空载运行最后数据转移到并网模型,转入并网运行,实施最大风能追踪控制[9,10],实现有功、无功功率的独立调节。
2.2 系统仿真结果
在Matlab仿真模型基础上,对系统空载、并网过渡过程进行仿真研究。DFIG的仿真参数为:定子绕组电阻R1=1.918 8Ω;转子绕组电阻R2=2.571 2Ω;定子自感L1=0.241 44 H;转子自感L2=0.241 44 H;定、转子互感LM=0.234 0 H;电网电压取Unet=300 V;频率50 Hz;np=2;转动惯量J=0.2 kg·m2。
并网前,取电网电压幅值、频率、相位信息作为控制依据,经过控制系统调节发电机的转子励磁电压,控制发电机的输出定子电压,满足并网条件后进行并网。并网成功后切换为发电控制模式,实施最大风能追踪控制,实现有功、无功功率的独立调节。
2.2.1 变结构控制与矢量控制相结合的并网过程仿真结果
发电机在1 200 r/min转速下空载稳态运行1 s后并网,空载调节过程、结果及并网时刻转子电流过渡过程波形如图4所示。如图4(a)(b)所示,im2很快跟踪到i*m2上,it2也很快稳定且几乎为零,这与前述的控制策略是相符的。如图4(c)(d)所示,定子a相输出电压ua1与电网a相电压uanet的误差绝对值在半个周期之内就达到10 V以下,说明调节过程较快、精度较高。图4(e)为转子a相电流ia2波形,可见并网过渡过程比较平滑,对电网不会造成太大冲击,符合并网要求。
2.2.2 变结构控制与PI控制下并网过程的仿真结果比较
图5(a)(b)分别为发电机在1200 r/min转速下、电网电压稳定在300 V时,变结构控制与PI控制下输出定子电压波形图。可见,变结构控制下比PI控制下的响应速度要快,输出定子电压能迅速跟踪电网电压。图5(c)(d)分别为电压突变时,变结构控制与PI控制下输出定子电压波形图。电网电压在0.15 s突降到额定值的一半,0.3 s恢复后,0.45 s仿真结束。可见,变结构控制对电网电压的变化跟踪迅速,而PI控制对电网电压变化调节缓慢,跟踪效果不理想。
2.2.3 变结构控制下系统空载并网全过程仿真
发电机在1 200 r/min转速下空载稳态运行1 s后实施并网操作。并网运行时,无功功率保持为600 var不变。风速变化如下:初始值给定为7.5 m/s,10 s时由7.5 m/s变为8 m/s,20 s时又变回7.5 m/s,30 s时仿真结束。图6为系统并网全过程仿真结果。
当风速变化时,如图6(a)所示,定子侧有功功率P随着风速的变化而变化,有功功率P能很好地跟踪指令值P*,有功功率指令P*需要从风能追踪的角度求取。如图6(b)所示,定子侧无功功率Q很好地跟踪给定值600 var保持不变,这说明有功功率和无功功率能够实现独立调节。可见,变结构控制方案很好地实现了系统有功功率与无功功率的解耦,并且响应速度快,在风速变化情况下跟踪效果比较理想。转子转速曲线如图6(c)所示,当风速由7.5 m/s变为8 m/s时,电机转速由7.5 m/s风速所对应的最佳转速1225.4 r/min变为8 m/s风速所对应的最佳转速1306.8 r/min;当风速由8 m/s变回7.5 m/s时,电机转速又由1306.8 r/min变回1225.4 r/min。这表明,在风速的变化过程中,控制系统能够实现最大风能捕获。
3 结论
本文建立了变速恒频双馈风力发电系统的完整仿真模型,采用变结构控制与矢量控制相结合的控制策略,对发电机空载运行、并网全过程进行了仿真研究。仿真结果证明,该控制策略能够实现发电系统平滑接入电网;系统并网运行时,有功功率与无功功率能够实现独立调节,完成最大风能追踪控制;该策略与PI控制的策略相比,具有更好的动态响应性能。
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风力发电不如猫 第11篇
一只鸟的3％代表什么意思?天鹅翼展最尖端的7厘米?鸵鸟的右脚?还是平均每具风力发电机造成鸟的死亡数目?据美国国家科学院《风能计划对环境冲击》的报告，是指第三种说法，这是统计30具涡轮扇叶一年对一只鸟杀伤率的数据。
写报告的科学家共搜集了14项自认可信的研究，很自然地对得到的数字附加了许多警告。他们知道死亡率会因地点不同而大有差异，正如哈姆雷特的名旬“一只麻雀的死生，都是命运预先注定的”，因此即使死的是一只秃鹰，也不值得去设法避免。
分析的结论是，不论怎么算，在美国被风力发电扇叶打死的小鸟一年不超过4万只，这个数目显然不能与每年被猫咬死的以“亿”为单位的小鸟比较。执笔者写到，涡轮扇叶虽然比用棒子挥击的伤害大些，最近的研究也发现鸟尸比预期多，但数目仍然微不足道。然而，有关连雀死亡阴影的研究未能平息爱鸟人士的忧虑，这批人看到风力发电机就会反感。以无碳能源来说，风力发电在环保人士眼中声名狼藉，大部分的抱怨都是为了鸟类安全及景观问题。风力发电厂并未拿到完全清白的“健康证书”，正如美国国家科学院报告中所指出的，大部分的资料都有局限性，英国实证保育中心主持人普林也认为证据十分薄弱。
拥有大量会员且颇具实力的英国皇家鸟类保护协会，反对在沿海岸发展大面积风力发电，因为陆地上的小规模装置被证实效果有限。这个组织坚决反对在苏格兰赫布里底群岛中的路易斯岛设立234座风力发电机的计划。
风力发电排名世界第三，仅次于美国、德国的西班牙也表发布研究指称，造成鸟类死亡的数目很小。但是西班牙环境保护论者认为，该数字未说出全部实情，环保顾问卡米尼亚曾监视140座风力发电厂中的70座。他说，2004年发表的研究，野外调查却是在10年前完成的，那个时代的涡轮扇叶要少得多。
卡米尼亚受雇于里奥哈、瓦伦西亚及安达卢西亚三个地方政府。他最近向马德里环保署递出的一项即将发表的报告指出，重点是猛禽被伤害的数量。举例来说，自2000年起，共有886只鲁氏粗毛秃鹫因此死亡。他表示，了解大型鸟类的死亡很重要，这是因为它们的繁衍较慢，只要有少数死亡就会影响到整体数量。
猛禽类在美国也引起重大争议，20世纪80年代开始运作的加州阿特蒙隘口风力发电机就曾有扫落金鹰的记录。但是拥有阿特蒙涡轮发电机的总裁柯埃比则辩称，这种说法是“欲加之罪，何患无辞”。“我听说每年有1000只鸟会撞上华盛顿纪念碑，这是否也应拆除?我们做的是拯救地球的事，甚至也救了鸟类，因为污染对鸟类的伤害是人类的2倍。”
变速恒频双馈风力发电系统控制研究 第12篇
交流励磁变速恒频(ACVSCF)风力发电技术具备运行效率高、电能质量优、变流器容量小等优势,已经成为风力发电领域中应用较为广泛的技术,它可以实现功率的解耦控制和最大风能的跟踪控制[1,2]。在该方案中,将双馈异步发电机(DFIG)的定子接入电网,转子则由电力电子变流器提供励磁电流,当DFIG机械转速发生变化时,实时控制变流器改变转子电流的频率、相位以及幅值实现“交流励磁”,从而保证DFIG在不同工作转速范围内都能正常运行,同时还能实现输出有功和无功功率的解耦。
双馈型风力发电系统是一个系统工程,涉及到电机控制、变流器的控制、无功补偿控制以及电网低压故障控制等。对变流器控制而言,目前一般采用矢量控制技术较为方便,本文在推导基于电动机惯例下的双馈异步发电机数学模型基础上,研究其运行控制原理,给出了基于定子磁链定向控制的矢量控制策略,同时对双馈型风力发电中的低电压穿越(LVRT)问题也作了分析研究和探讨,最后在搭建的样机上做了上述理论分析及实验研究,并给出了相关实验结果。
2 变速恒频风力发电机的原理
交流励磁变速恒频风力发电系统见图1,由背靠背的PWM变流器作为DFIG的励磁源,DFIG定子直接接入电网,而其转子则由PWM变流器提供励磁电流,当风速变化时,通过控制变流器改变励磁电流从而实现变速恒频。
由电机学可知:
式中:f1,f2为DFIG定、转子电流频率;nr为DFIG机械转速;p为DFIG极对数。
定义DFIG转差率为
式中:np为DFIG额定转速。
根据DFIG的原理可知:
P2=sP1 (3)
式中:P1为DFIG定子有功功率;P2为DFIG转子有功功率。
由式(3)可知,当DFIG亚同步运行时,P2>0,DFIG转子通过PWM变流器从电网吸收有功;当DFIG超同步运行时,P2<0,DFIG转子通过PWM变流器向电网回馈有功;当DFIG同步速运行时,P2=0,DFIG转子与电网无任何有功交换;DFIG的运行特征要求励磁变流器具备4象限功率运行,而由IGBT组成的PWM变流器具备能量双向流动、动态响应速度快、开关频率高等优势,可以为DFIG理想的励磁源。
由图1可以看出,网侧变流器的控制目标主要是稳定直流电压、功率因数控制以及低压穿越时的无功补偿(static var generate,SVG)控制;而机侧变流器的控制目标主要是对DFIG进行励磁控制实现变速恒频以及功率解耦控制。
3 dq坐标系下DFIG数学模型
为了推导DFIG的数学模型,将电机控制中的矢量控制技术引入变速恒频风力发电控制系统中,建立二相旋转dq坐标系统,同步旋转坐标系中采取定子磁链定向[3,4,5],将定子磁链Ψ1定向于d轴,d轴逆时针旋转90°为q轴方向。
图2中α1,β1为两相静止坐标系,α1轴为定子A相绕组轴线正方向。α2,β2为以转子旋转角速度ω2为参考的两相旋转坐标系,α2轴为转子A相绕组轴线正方向。θr为α2轴与α1轴的夹角,其角度由光电编码器给出。dq轴为两相同步旋转坐标系,旋转角速度ω1为电网电压角频率,uqs为电网电压的q轴分量,d轴与α1轴的夹角为θs,其角度由控制系统软件对电网电压磁链的锁相定位得到。
忽略双馈电机定转子电阻,在电动机惯例下[5,6],双馈电机的定转子磁链方程为
双馈电机的转子电压方程为
双馈电机定子有功功率和无功功率方程为
式中:Rs,Rr为定转子绕组电阻;Ls,Lr,Lm为dq坐标系下定、转子等效自感和互感;uds,uqs,udr,uqr为定、转子电压的dq轴分量;ids,iqs,idr,iqr为定、转子电流的dq轴分量;Ψds,Ψqs,Ψdr,Ψqr为定、转子磁链的dq轴分量;ω1,ωsl分别为同步转速和转差;σ为漏磁系数,σ=1-L2m/(LsLr)。
图3给出了DFIG的矢量控制框图。
从图3可以看出,DFIG外环控制可以设计为功率环,通过功率环控制给出定子电流dq轴指令,经过运算可以得到转子电流dq轴指令,根据式(5)设计电流内环,并计算相应的转子电压dq轴补偿分量,最后通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制转子侧变流器输出励磁电压。
4 网侧变流器数学模型和控制
网侧变流器拓扑结构如图4所示,va,vb,vc为电网电压;va1,vb1,vc1为逆变器电压;L和R分别为网侧变流器的电感和电阻;ia,ib,ic为网侧电流,以流入变流器为正;C为直流环节的储能电容,Udc是直流环节电压。网侧变换器的控制目标是保持交流侧单位功率因数运行和直流环节电压稳定,根据LVRT的要求还需要在发生电网电压跌落故障情况下作SVG运行以支撑电网电压恢复。
显然采取矢量控制技术更加方便,同时也利于功率的解耦控制,为此将控制系统矢量d轴定向于电网电压矢量位置,而q轴超前d轴90°,进行等幅值dq坐标变化,得到在以电网电压矢量角度θs定向下的电压方程如下[7,8]:
系统传递的有功和无功功率为
可以看出,通过电网电压矢量定向控制可以方便地实现有功和无功的解耦控制。其中3/2是等幅值坐标变化的系数,电网电压角度θs可以通过软件锁相得到,由于电网电压矢量被定向于d轴,因此可以认为网侧变流器的电压矢量为vd,其大小即为相电压幅值且恒定,而vq为0。由式(8)可见,变流器传递的有功与无功和id与iq成正比关系。同时可以得出,通过控制i*q>0则可以使PWM整流器运行在SVG状态。三相PWM整流器控制原理如图5所示。
5 电网低电压控制
DFIG风电机组定子直接并网,通过励磁变流器控制转子电流频率、幅值等来实现定子侧电流的“变速恒频”,这样的结构不能分离DFIG和电网的联系,导致机组对电网故障非常敏感,当发生电网电压骤降故障时定子电流将急剧增大,转子侧也会发生明显的过电流和过电压现象,直流侧电压也将快速升高,同时风电机组机械系统也会产生扭切力冲击。随着DFIG风电机组在电力系统中所占容量的快速提高,发电机与局部电网之间的相互影响也越来越大。为此要求风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行,即要求DFIG风电机组具备低电压穿越能力[9,10],具体要求如图6所示。
在转子侧装设Crowbar电路是一个行之有效的方法,如图1所示,在发生电网电压跌落后,通过开通Crowbar电路的IGBT促使电阻吸收转子回路能量,从而抑制转子过电流现象和直流母线电压的快速上升,Crowbar电路的投入和退出逻辑由转子侧变流器控制。网侧变流器负责在故障期间向电网提供无功功率以支撑电网电压恢复。
6 实验研究
为验证所研究控制算法的正确性,搭建了30 kW变速恒频风力发电控制系统。在该系统中,由异步电动机带动双馈电机模拟变风速运行,DFIG的转子励磁系统由背靠背的PWM变流器构成。双PWM变流器采用全控型器件IGBT,调制方式为SVPWM,其中双变流器中的网侧变流器控制为整流器运行方式[10],开关频率3 000 Hz。机侧变流器控制为逆变器运行方式,开关频率2 000 Hz,采取电动机惯例。DSP控制板卡核心控制器为TI浮点控制器TMS28346。
DFIG的参数为:额定功率30 kW,定子额定电压380 V,定子额定电流71 A,转子额定电流72 A。极对数为2,同步转速1 500 r/min,转子绕组电阻Rr=0.103 Ω,定子绕组电阻Rs=0.097 Ω,转子绕组电感Lr=27.81 mH,定子绕组电感Ls=27.46 mH,转子开路电压314 V。背靠背变流器参数:输入交流额定线电压380 V,额定线电流45.58 A,考虑到DFIG转子开路电压过小,控制直流母线电压为300 V,直流侧电容3 400 μF,交流滤波电感2.5 mH,功率器件为IGBT。
图7给出了双馈电机在转速为1 400 r/min亚同步时网侧PWM变流器的电压和电流波形以及双馈定子侧电压和电流波形。图8给出了双馈电机在转速为1 780 r/min超同步时网侧PWM变流器的电压和电流波形以及双馈定子侧电压和电流波形。对比图7和图8可以看出,当电机处于亚同步运行时,网侧变流器运行在整流状态,表明从电网吸收有功后注入DFIG转子回路。而当电机处于超同步运行时,网侧变流器运行在逆变状态,表明DFIG转子通过网侧变流器向电网回馈有功。图9给出了DFIG在跨越同步转速时的转子电流波形,此时转子电流励磁相序由ABC转变成ACB,从而实现了网侧变流器的能量双向流通,而在整个过程中,双馈电机定子电压和电流波形相位始终一致,表示DFIG定子始终向电网传输有功功率,实验结果符合DFIG的运行特征。
根据交流励磁变速恒频风力发电机的运行特征,在电网发生低电压故障时,转子侧变流器负责Crowbar投入与退出控制,而网侧变流器则需要按照要求作SVG运行。本实验在动态模拟仿真实验室中通过在高压侧模拟三相短路故障的方式模拟电网电压跌落,通过改变短路点,设置电压跌落度为0.4,故障持续时间700 ms,待故障恢复后切换至正常运行模式,图10给出了LVRT实验结果。
从图10的实验结果可以看出,当发生电压跌落时,网侧变流器迅速发出3.2 kvar无功功率,从图10a中可以看出,在电压跌落至0.6标幺值后能上升至0.67标幺值,证明了网侧SVG控制有利于支撑电网电压。而在发生LVRT的过程中,由于Crowbar电路的保护,直流侧电容电压的波动得到抑制,双馈电机转子电流的过电流现象同时得到抑制。在故障消失后恢复至正常运行控制模式,系统运行正常,实验论证了本文提出方案的可行性。
7 结论
随着风电机组装机容量的扩大,风力发电作为新能源产业的优势已经逐步体现出来,而双馈型风力发电系统具有变流器容量小,输入输出特性好等独特的优势,对双馈型风力发电的励磁控制系统而言,主要是针对背靠背PWM变流器的控制研究,包括以下主要技术:1)转子励磁变流器的矢量控制;2)网侧变流器的4象限运行和控制;3)有功和无功功率的解耦控制;4)电网低电压故障时的双变流器控制和SVG运行控制处理。本文对以上技术进行了理论分析和实验研究,论证了技术的正确性和可行性,为兆瓦级大型双馈风力发电机组的工程化实现提供了一定的理论和技术基础。
摘要：设计一套30kW变速恒频双馈异步风力发电机励磁控制实验系统,采用背靠背变流器作为双馈异步电机的励磁源。分析了基于旋转坐标系统下的双馈异步电机的数学模型,采用定子磁链定向方式的控制策略,研究了在电网发生电压跌落时的危害和应对措施。实验结果表明,风力发电机控制性能良好,而在电网低电压故障时变流器的有效控制为保护双馈异步电机和支撑电网起到了一定作用。
关键词：交流励磁,变速恒频,矢量控制,低电压穿越
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