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正文內(nèi)容

基于matlab的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真技術研究(編輯修改稿)

2024-12-09 08:36 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ,改變了以往恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電概念,在變水頭的水力發(fā)電、能量隨機變化的風力發(fā)電,以及艦船、飛機、車輛等變速主軸驅(qū)動的特殊發(fā)電場合中獲得了越來越廣泛的應用,并表現(xiàn)出了卓越的運行性能,成為電力技術研究中的熱點。在發(fā)電過程中讓風力機轉速隨風速而變化,而通過其它控制 方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻的特點是風力機和發(fā)電機的轉速可在很大的范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風力機轉速可變,可以通過適當?shù)目刂?,使風力機葉尖速比處于或接近最佳值,從而最大限度地利用風能。同時在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比,從而提高了風力機的運行效率,從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外,這種風力機在結構上和實用中還有很多的優(yōu)越性。 當風力發(fā)電機采取變速運行時,由風速躍升所產(chǎn)生的巨大風能,部分被加速旋轉的風輪所吸收,以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中,從而避 免主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力;當風速下降時,在電力電子裝置的調(diào)控下,將高速風輪所釋放的能量轉變?yōu)殡娔?,送入電網(wǎng)。在這里,風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到了緩沖作用,使風力機內(nèi)部能量傳輸部件承受的應力變化比較平穩(wěn),防止破壞性機械應力的產(chǎn)生,從而使風電機組的運行更加平穩(wěn)和安全。變速運行還有一個好處是,可以降低風力機在低風速運行時的噪音,并可使風輪設計突破原有的框框。采用變速恒頻發(fā)電技術,可使發(fā)電機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接,比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作及運行 [6]。 采用這種交 流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機系統(tǒng)有如下優(yōu)點: (1)允許原動機在一定范圍內(nèi)變速運行,簡化了調(diào)整裝置,減少了調(diào)速時的機械應力。同時使機組控制更加靈活、方便,提高了機組運行效率。 (2)調(diào)節(jié)勵磁電流幅值,可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率;調(diào)節(jié)勵磁電流相位,可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應用矢量控制可實現(xiàn)有、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。 (3)需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分,使變頻裝置體積減 7 小,成本降低,投資減少。 (4)可以實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。 正因為這些優(yōu)點,使得交流勵磁雙饋發(fā)電機成為變速恒頻風力發(fā)電領域應用的主流發(fā)電機。 本課 題主要 研究 內(nèi)容 交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)是目前具有廣泛應用前景的變速恒頻風力發(fā)電技術。由于勵磁 變流器 只傳遞轉差功率,降低了 變流器 的容量,從而降低了 變流器 成本,尤其適合兆瓦級風力發(fā)電應用。通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率,能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機同步轉速上下較大范圍內(nèi)的變速恒頻運行。在風速變化的情況下,實時調(diào)節(jié)風力機轉速,使其始終運行在最佳轉速上,實現(xiàn)了最大風能追蹤控制:通過矢量變換控制,可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功和無功功率,不僅能夠補償電網(wǎng)的無功需求,還能提高電力系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。 本課題研究方案采用交流勵磁 的繞線式雙饋感應發(fā)電機 (DFIG),首先 學習了解交流勵磁變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的 相關 工作原理,建立 雙饋 發(fā)電機的數(shù)學模型,然后在 MATLAB 中 用 SIMULINK 搭建其 仿真 模型 ; 基于坐標變換技術和電機矢量控制理論,進行了電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側變流器矢量控制設計和定子磁鏈定向的轉子側變流器矢量控制設計的研究 ;結 MATLAB 中 其他已有成熟模塊建立雙饋風力 發(fā)電系統(tǒng)仿真模型 , 仿真了 在風速發(fā)生變化時,通過變流器調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率,使系統(tǒng)輸出電能保持恒定頻率 ,通過矢量變換控制,可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功和無 功功率 。 8 第 2 章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 的 結構特點和基本原理 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構特點 圖 21 雙饋風力發(fā)電 系統(tǒng)結構 雙饋風力發(fā)電 系統(tǒng)結構圖如圖 21 所示 。 系統(tǒng)包括 風力機 , 齒輪 箱,雙饋感應發(fā)電機, 變流 器 ,控制器 等, 其 主要作用是從風中捕獲能量并將其轉換成電能。當風作用在葉片上帶動葉片的旋轉從而產(chǎn)生相應的轉矩,該轉矩驅(qū)動輪軸 轉動,由于風能密度低,葉片旋轉速度會比較 慢 ,一般為 1030 轉/分鐘,為了使其旋轉速度達到雙饋感應發(fā)電機的轉速要求,在風力機和雙饋感應發(fā)電機之 間 裝有一 個變速 箱來進行變速, 變速 箱的 變比由 風 力機和 雙 饋發(fā)電機的轉速要求確定, 變速 箱的低速軸通過低速聯(lián)軸器和風力機相連,而其高速軸通過高速聯(lián)軸器和雙饋感應發(fā)電機的轉子相連,帶動發(fā)電機的轉子旋轉.從而將葉片吸收的風能轉換成機械能。雙饋感應發(fā)電機吸收機械能后.在變 流 器的控制作用下,負責將機械能轉換成符 合 電 網(wǎng) 規(guī)則的電能傳送至電網(wǎng)。 風力機最大風能捕獲原理 風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉換的首要部件,用以截獲流動空氣的動能, 9 并將風力機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉換為機械能。它不僅決定整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率,而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、 可靠運行,是風力發(fā)電系統(tǒng)中關鍵部件之一。 根據(jù)貝茲理論,風力機捕獲的風能功率為: ? ? 3,21 AvCP pr ???? (21) 式中: ρ —— 空氣密度; v —— 風速; A —— 風力機掃掠面積; Cp —— 風力機的功率系數(shù);它是葉尖速比 λ 和漿葉節(jié)距角 β的函數(shù),其中 vRm??? , ωm 為風力機機械角速度 ,R 為風輪半徑。 由式 (21)可見, 在風速給定的情況下,風輪獲得的功率將取決于風能利用系數(shù) Cp。如果在任何風速下,風力機都能在 Cpmax點運行,便可增加其輸出功率。根據(jù)圖 21b),在任何風速下,只要使得風輪的葉尖速比 λ = λopt ,就可維持風力機在 Cpmax下運行。因此,風速變化時,只要調(diào)節(jié)風輪轉速,使其葉尖速比保持λopt不變,就可獲得最佳的風能利用系數(shù)。由式 (21)可知風力發(fā)電機組的輸出功率是風速的立方函數(shù),即風速越大,機組輸出的電功率越大。然而,實際系統(tǒng)中存在兩個限制:一是電氣回路中各電氣裝置及元件的最大功率限制,二是風力機組的 各轉動部件尤其是風輪,存在一個轉速上限。 風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù) Cp的無因次性能曲線來表示,如圖22a)所示。風能利用系數(shù) Cp是風機葉尖速比 λ的函數(shù),同時也是槳葉節(jié)距角 β的函數(shù),理論上最大為 ,也稱為 Betz極限。從圖中可以看出,當槳葉節(jié)距角逐漸增大時,該曲線將顯著減小 。 若保持節(jié)距角不變,圖 22a)的一簇曲線就變成了圖 22b)的一條曲線 [7]。 10 a) b) c) 圖 22 風力機特性曲線 圖 22c) 是一組在不同風速 (v1v2v3)下風力機的輸出功率特性, Popt 曲線是各風速下最大輸出功率點的連線 ,即最佳功率曲線。風力機運行在 Popt 曲線上將會輸出最大功率 Pmax,其值為: 3max mkP ?? (22) 式中:max321 popt CRAk ??????????? 可以看出 ,在同一個風速下,不同轉速會使風力機輸出不同的功率,要想追蹤 Popt 曲線,必須在風速變化時及時調(diào)整 轉速 ωm,保持最佳葉尖速比。 當達到起始風速后,風輪轉速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉速后,風力發(fā)電機組開始發(fā)電運行,通過對發(fā)電機的轉速的控制, Cp 不斷上升,直至 11 Cp=Cpmax,進入 Cp 恒定區(qū),這時機組在最佳狀態(tài)下運行這段區(qū)域主要是發(fā)電機組機械轉矩(即有功功率給定值)使轉速隨著風速而變化,使 λ=λopt,實現(xiàn)最大風能捕獲 [8]。 對于每個風速,都有一個相對應的最佳風機轉速,可得: ?? 260R vNn opt? ( 23) 式中: n —— 電機轉速; N —— 齒輪箱傳速比。 雙饋 感應 發(fā)電機的運行原理 雙饋發(fā)電機結構類似于繞線式感應電機,其定子和轉子上均放置對稱三相繞組,其定子與普通交流電機定子相似,只是轉子繞組上加有滑環(huán)和電刷,這樣轉子側既可以輸入電能也可以輸出電能。因采用交流勵磁,轉子的轉速與勵磁電流的頻率有關,從而使得雙饋發(fā)電機的內(nèi)部電磁關系既不同于 感應 電機又不同于同步電機。雙饋發(fā)電機在正常工作時,其定子繞組接工頻電網(wǎng),轉子繞組經(jīng)一個頻率、幅值、相位可調(diào)的三相變頻電源供電,如圖 23。 圖 23中 f. f2分別為雙饋發(fā)電機定、轉子電壓和電流的頻率, n1為定子磁場的旋轉轉速,即同步轉速, n2為轉子磁場相對于轉子的旋轉轉速, nr為雙饋發(fā)電機轉子的轉速。 雙饋發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時,定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場在空間上保持相對靜止。當定子旋轉磁場在空間上以 ω1的速度旋轉時,則轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉速度 ω2應為: sr 112 ???? ??? ( 24) 其中, ωr為轉子機械旋轉角速度 , s為雙饋發(fā)電機的轉差率。 12 f1 n1 f2 n2 圖 23 雙饋發(fā)電機結構簡圖 按照通常轉差率的定義有: 11nnns r?? ( 25) 轉子轉差角速度與 s成正比。若雙饋發(fā)電機的轉子轉速低于同步轉速,那么轉子旋轉磁場和旋轉方向相同,如果轉子的轉速高于 同步轉速,那么二者的旋轉方向相反。根據(jù) ω=2πf 推出勵磁電流頻率和定子電流頻率之間存在如下關系: sff 12? ( 26) 當雙饋發(fā)電機的轉速發(fā)生變化時,只要改變通入電機轉子里面勵磁電流的頻率 f2就可以保持電機定子側頻率 f1不變,即保持電機輸出電壓的頻率恒定;通過改變通入電機轉子里面勵磁電流的幅值、相位就可以改變定子側電壓幅值 [910]。 雙饋 感應發(fā)電機功率流動特點 電機是一 種機電能量轉換裝置 ,各種電機中都存在一個機電耦合場 氣隙磁原動機 勵磁變壓器 勵磁 變流器 13 場。對雙饋發(fā)電機來說 ,從轉子輸入的機械能 ,克服氣隙磁場中導體所受的電磁力而做功 ,使導體不斷地感應電勢 ,從而源源不斷地發(fā)出電能 ,實現(xiàn)機械能到電能的轉換。 根據(jù)功率守恒,經(jīng)氣隙傳遞的電磁功率從定子方表示為: fecuem ppPP ??? 11 ( 27) 同時,也可以從轉子方的功率來表示 : ? ? sRIIUP em 222*22Re ?? ( 28) 按照一般感應電機的分析方法,對 R2 和 U2 進行分解,可將上式改寫為: ? ? ? ? ? ? ?????? ??????? *22*22222222 1ReRe1 IUs sIUIRs sIRP em ( 29) 式中: ? ?*22Re IU —— 勵磁系統(tǒng)輸入轉子的電功率; ? ? 2221 IRs s?? —— 軸上機械功率。 當 0s1 時,軸上機械功率為負, 表示它將消耗電磁功率并將其轉化機械功率從軸上輸出;當 s0 時,此項為正,表示它將把軸上的機械功率轉化為電磁功率。 對于傳統(tǒng)感應發(fā)電機,電磁功率、總機械功率、轉子銅耗有如下關系: ? ?? ?2211cumecemmecemcups sPPsPsPp????? (210) 顯然式 (210)對雙饋電機并不適合,但如果認為廣義銅耗為: 14 ? ?*22222*2 Re IUIRPcu ??? (211) 則由式 (211)可得: ? ?? ?*22222 Re1 IUIRsP em ??? (212) 所以: ? ?emcuemmec sPP PsP ? ??*21 (213) 由此可得雙饋發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輸入電機的功率: ? ? 222*222 Re IRsPIUP em ??? (214) 雙饋電機由于轉子側可以輸入 (出 )入交流電,因此它具有了與一般感應發(fā)電機和同步發(fā)電機不同的特點。一般感應電機在轉子轉速低于同步轉速時處于電動狀態(tài),當轉子速高于同步轉速時處于發(fā)電狀態(tài)。而交流勵磁雙饋電機除具有上述兩種工作狀態(tài)以外,還具有另外兩種狀態(tài) :即超同步電動工況和亞同步發(fā)電工況。在不同的工況運行時,具有不同的功率傳遞關系。忽略電機定轉子銅損耗、鐵損耗及各種機械摩擦損耗等,只研究電磁功率 Pem 、機械功率Pmec=(1s)Pem和轉差功率 Ps=sPem流向確定其運行狀態(tài)。 (1) 轉子 運行于亞同步速的電動狀態(tài)
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