【文章內(nèi)容簡介】 輪箱增速后轉(zhuǎn)速 會升高，帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)電場并網(wǎng)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電能會經(jīng)過風(fēng)電場內(nèi)部的升壓站升壓后與電網(wǎng)相連接。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類型 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括兩 大類：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由普通異步發(fā)電機(jī)（即鼠籠式異步發(fā)電機(jī) )組成。該種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)輪來完成功率的調(diào)節(jié)，其控制比較簡單，但是其葉片的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，如果調(diào)節(jié)出現(xiàn)了失誤會引起非常嚴(yán)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 10 重的后果。另外，該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以通過改變定子繞組的極對數(shù)使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于兩種不同轉(zhuǎn)速 (雙速異步發(fā)電機(jī) )，達(dá) 到充分利用低風(fēng)速時風(fēng)能的目的。當(dāng)進(jìn)入高風(fēng)速時，該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將不能追求最優(yōu)而是采用功率的最大限制，調(diào)節(jié)的靈活度以及范圍是有限的。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)兩種。這類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)的逐漸成熟而被廣大用戶積極使用，其中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用最為廣泛。該種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是由變頻裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)的，轉(zhuǎn)速也可得到調(diào)節(jié)，最終可以達(dá)到無功功率的平衡以及風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大的目的，使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速 范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行，提高風(fēng)能利用效率。 隨著大規(guī)模電力電子技術(shù)的發(fā) 展，雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為發(fā)電設(shè)備的主要選擇方向之一。該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不必使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，而是通過其他控制方式使得頻率保持恒定。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳值，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最佳利用。為了控制風(fēng)電機(jī)組的功率和轉(zhuǎn)速，并且防止風(fēng)電機(jī)組因超出功率極限和轉(zhuǎn)速極限運(yùn)行而造成可能的事故，該 類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將釆用以下控制方案：風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下時按優(yōu)化槳 距角定槳距運(yùn)行，轉(zhuǎn)速由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)來控制，同時調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的葉尖速比，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最大風(fēng) 能系數(shù)和最佳功率曲線追蹤的目的。該種發(fā)電機(jī)在低于額定風(fēng)速下運(yùn)行既 經(jīng)濟(jì)又高效，而且這也是其主要的工作方式。此時，追蹤與捕獲最大風(fēng)能就是該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)。該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下： (1)采用該風(fēng)力發(fā)電技術(shù)運(yùn)行效率高。由于風(fēng)輪變速運(yùn)行，因此，可在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)保持最大功率點(diǎn)和最佳的葉尖速比運(yùn)行，從而使機(jī)組發(fā)電效率得到了提高，風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件也得到了優(yōu)化。在不同的風(fēng)速下，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 11 風(fēng)力機(jī)都會有一個最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下對風(fēng)能的捕獲效率最高，所以需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠運(yùn)行在這個轉(zhuǎn)速下，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以隨風(fēng)速的改變調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行于最佳轉(zhuǎn)速，而普通異步 發(fā)電機(jī)只能固定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，一 旦風(fēng)速發(fā)生變化，風(fēng)力機(jī)就會偏離最佳轉(zhuǎn)速，使得運(yùn)行效率降低， 浪費(fèi)了風(fēng)力資源。 (2)采用該風(fēng)力發(fā)電技術(shù)使得功率因數(shù) 可調(diào)。該類風(fēng)力發(fā)電通過在異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻 電流來實(shí)現(xiàn)交流勵磁，并且控制勵磁電流的頻率、幅值、相位，從而 實(shí)現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。另外，采用矢量變換控制技術(shù)控制有功功率，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲的追蹤控制；而采用矢量變換控制技術(shù)控制無功功率使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到調(diào)節(jié)，從而提高了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。 (3)采用 該風(fēng)力發(fā)電技術(shù)使變槳 距調(diào)節(jié)更加簡單。當(dāng)風(fēng)速很高時，可以通過調(diào)節(jié)槳距角來限制最大輸出功率，當(dāng)風(fēng)速很低時，裝距角是固定的。 (4)采用該風(fēng)力發(fā)電技術(shù)使得風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了很好的柔性連接，在并網(wǎng)操作及運(yùn)行上較普通異步發(fā)電系統(tǒng)更容易。 本次畢業(yè)設(shè)計 將以雙饋異步 風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速恒頻運(yùn)行的基本原理 雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交 交變頻器或交 直 交變頻器供以低頻電流 [8]。轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)速度rn 、轉(zhuǎn)子外加勵磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度 en 與定子同步磁場的旋轉(zhuǎn)速度 sn 之間的關(guān)系為： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 12 r e sn n n?? （ ） 當(dāng)風(fēng)速變化時，轉(zhuǎn)速 rn 隨之而變化。在 rn 變化的同時，通過改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度 en ，可以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，達(dá)到保持輸出頻率恒定不變的目的。與轉(zhuǎn)子相連接的雙電壓源變換器是電力電子電源變換裝置，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，其輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一，其容量一般不超過發(fā)電機(jī)額定功率的 30%。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，變速運(yùn)行的范圍比較寬，定子輸出電壓和頻率可以維持不變，既可調(diào)節(jié)電 網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制、減小變流器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩? 與式 ()相對應(yīng)： 0rs? ? ??? () 其中 ： r? 為轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度， s? 為定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速 度， 0? 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場角速度，即轉(zhuǎn)差角速度，超同步運(yùn)行時為負(fù)，亞同步運(yùn)行時為正。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間以 00 2 f?? ? 的速度旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)速 度 s? 應(yīng)該是： 0 0 0 0(1 )sr ss? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 其中： s 為變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。 按照通常轉(zhuǎn)差率的定義： srsnns n?? () 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。如果交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 13 于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同，而當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，則二者的旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù) 2 f??? 可推 出勵磁電流頻率和定子電流頻率之間存在如下關(guān)系： 0sf f s? （ ） 其中： sf 為轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率， 0f 為定子電流的頻率。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)類似繞線式感應(yīng)電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子上都具 有三相對稱繞組，且磁路、電路對稱，氣隙分布均勻。與繞線式感應(yīng) 電機(jī)的不同之處在于轉(zhuǎn)子繞組增加了電刷和滑 環(huán)。當(dāng)采用交流勵磁時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵磁頻率有關(guān)，因此雙饋發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系 既 不同于感應(yīng)發(fā)電機(jī)又不同于同步發(fā)電機(jī)，而是同時具有二者的某些特點(diǎn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的示意圖如圖 所示 。 圖 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖 由圖 可以看出，在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電 機(jī)的定子直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)過交 直 交變流器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機(jī)交流勵磁，勵磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其勵磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交 直 交變流器由兩組電壓源 PWM 變換器組山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 14 成，可實(shí)現(xiàn)四象限 運(yùn)行。一般情況下，電網(wǎng)側(cè)變流器的主要任務(wù)是保證電流波形和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線電壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及為轉(zhuǎn)子回路提供勵磁，同時調(diào)節(jié)定子無功功率。 風(fēng)輪機(jī)采用變槳距控制，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，槳距角為 0176。，變槳距裝置不動作，采用最大功率跟蹤策略來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕捉；當(dāng)風(fēng)速增加到額定風(fēng)速以上時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定功率附近。但 由于風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量較大，因此，變槳距裝置動作具有一定的時延。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效 電路 雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī) T 型等值電路如圖 所示。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈正方向如圖所示并符合右手螺旋定則，圖中參數(shù)為繞組折算后到定子側(cè)的參數(shù) [6]。 sUsR 1sX 1rX rRssE mI rErUsmR mX 圖 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的 T 型等效電路圖 忽略鐵心損耗，根據(jù)等效電路可列以下方程： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 15 11()()()rs s s s srr r rr s ms m mrsU E I R jXU RE I jXssI I IE I jXEE? ? ? ???? ? ??????????? ???? （ ） 其 中 : sU 、rU分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電壓向量， sE 、 rE 分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢向量， sI 、 rI 、 mI 分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流和勵磁電流向量， 1sX 、 1rX 、 mX 分別為定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗、 勵磁電抗。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系 雙饋型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，其發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路具有功率雙向流動的能力，這使得發(fā)電機(jī)既能運(yùn)行在次同步模式，也能夠運(yùn)行在超同步模式。雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況主要分為四種：次同步電動，次同步發(fā)電，超同步電動，超同步發(fā)電。在不同的運(yùn)行工況具有不同的功率傳遞關(guān)系，下面從雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路來研究其功率平衡關(guān)系。 根據(jù)功率守恒關(guān)系，經(jīng)氣隙 磁場傳遞的電磁功率從定子方和轉(zhuǎn)子方可以分別表示 ： *2= + P + P = R e ( U I ) + R + Pe s C u F e s s s s F eP P I （ ） 2*rRU= + R e( I )rrerPIss （ ） 式（ ）又可以重寫為 2 * *r 1 s= R + R e ( U I ) + R e ( U I )e r s s r rPI s () 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 16 由上式可以看出， 2RssI 、 2rRrI 分別為定、轉(zhuǎn)子銅耗， FeP 為定子鐵耗，*Re(UI )ss 為定子端輸出的有功功率， *Re(UI )rr 為勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路輸入的功率，記為 rP ； 21rrs RIs??+ *Re(UI )rr 即 mecP ， 為發(fā)電機(jī)軸所產(chǎn)生的機(jī)械功率。 式（ ）又可以重寫為 2*r= R + R e(U I )e r r rsP I （ ） 因此可以得出： = 1smec ePP（ ） （ ） 2rr=s +RerP P I （ ） 由此得出，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，雙饋異步發(fā)電機(jī)的能量傳遞和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。在忽略 定轉(zhuǎn)子回路損耗及鐵耗的情況下，可以得出定轉(zhuǎn)子回路功率關(guān)系的表達(dá)式為： rP = ssP （ ） 當(dāng) 0s 1，雙饋電機(jī)處于次同步運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng) s0 時，雙饋機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)。圖 即為不同運(yùn)行狀態(tài)下雙饋機(jī)的實(shí)際功率流向。 a)次同步發(fā)電運(yùn)行功率關(guān)系 b)次同步電動運(yùn)行功率關(guān)系 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行理論 17 c) 超同步發(fā)電運(yùn)行功率關(guān)系 d) 超同步電動運(yùn)行功率關(guān) 系 圖 不同運(yùn)行狀態(tài)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流向示意圖 從上圖可以看出，當(dāng) 0s1，雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行在次同步發(fā)電狀態(tài)時 rsP 0, mecP 0,發(fā)電機(jī)定子端向電網(wǎng)輸出有功功率，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路潰入功率，如圖 a)所示；當(dāng) s0，超同步發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時， rsP 0, mecP 0, ，發(fā)電機(jī)定子端向電網(wǎng)輸出有功功率，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸入功率，如圖 c)所示。實(shí)際上，雙饋電機(jī)在滑差為 0 的情況下也可實(shí)現(xiàn)發(fā)電，這時轉(zhuǎn)子勵磁電流為直流電，轉(zhuǎn)子回路潰入電網(wǎng)的有功功率為 0，雙饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等同于同步發(fā)電機(jī)，由于其特殊性，一般不將其列為一種獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)。對于雙饋電機(jī)的次同步和超同步電動運(yùn)行狀態(tài)，分別如圖 b)、 d)所示，這里不作深入討論。