【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 刷雙饋型發(fā)電機(jī)，有：f p 177。 f c = ( p p + pc ) f m (15) 式中： fp為定子功率繞組電流頻率；fc為定子控制繞組電流頻率；pp為定子功率繞組的極對(duì)數(shù)；pc為定子控制繞組的極對(duì)數(shù)；fm由于其與電網(wǎng)相連，與電網(wǎng)頻率相同。超同步時(shí)，式(16)取“+”；亞同步時(shí)，取“”。由式(16)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速氣變化時(shí)，即幾變化時(shí)，若控制關(guān)相應(yīng)變化，可使其保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。盡管這種變速恒頻控制方案是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋型發(fā)電機(jī)總功率的一小部分，這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的pc /(pp +pc)小雙向變換器的容量也僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分。無刷雙饋型發(fā)電機(jī)具有與有刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)相同的特性，但沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。只是目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段。如果將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)直接禍合，省去變速齒輪箱，這樣可以大大降低成本，減少維護(hù)，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免變速箱漏油的問題；交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變換器容量?jī)H為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠?，所以這兩種方案適用于大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案例如交直交系統(tǒng)適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還可以采用其他電機(jī)，變磁阻電機(jī)，雙速異步電機(jī)，但是它們的技術(shù)目前還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究開發(fā)。第二章 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電電機(jī)及其系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注，使它越來越多地被應(yīng)用到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。自上世紀(jì) 90 年代開始，國(guó)外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是 MW 級(jí)以上的大容量風(fēng)電系統(tǒng)。風(fēng)力機(jī)的作用是從空氣中獲取能量，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的原理，風(fēng)力機(jī)的功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)輪葉片從風(fēng)中獲取的能量公式為： 1p1 = c p Aρ v3 （2—1） C5C p (λ , β ) = C1 (λi? C3 β ? C4 )e λi + C6λ （2—2） λi=?3λ + β + 1 （2—3） λ = ωR / v （2—4）其中ρ為空氣密度，單位kg/m3；v為風(fēng)速，單位m/s ；A為風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，單位m2 ； Cp 為風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)（一般Cp=1/32/5，最大不超過16/27=），它是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)；ω為風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度；R為風(fēng)輪半徑。根據(jù)槳葉節(jié)距角β為一定時(shí),風(fēng)力機(jī)CPλ曲線可知：對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī),在槳葉節(jié)距角β不變時(shí)總有一個(gè)對(duì)應(yīng)著最佳功率系數(shù)CPmax的最佳葉尖速比λopt,此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率最高。換而言之,對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)速v,風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速ω下才會(huì)有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。恒速恒頻的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常變化，顯然Cp不可能保持在最大值。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近于最佳值，從而最大限度的利用風(fēng)能。變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP與尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線性關(guān)系。對(duì)于不同的節(jié)距角，風(fēng)機(jī)擁有不同的效率。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行根據(jù)不同的風(fēng)況可分三個(gè)不同階段。第一階段是起動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止上升到切入速度。在切入速度以下，發(fā)電機(jī)并沒有工作，機(jī)組在風(fēng)力作用下作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，并不涉及發(fā)電機(jī)變速的控制，因此對(duì)該階段不作討論。第二階段是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能，從理論上來說，根據(jù)風(fēng)速的變化風(fēng)輪可以運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速下，但是由于受到運(yùn)行轉(zhuǎn)速的限定，不得不將該階段分成兩個(gè)區(qū)域，即變速運(yùn)行區(qū)域和恒速運(yùn)行區(qū)域。在變速區(qū)域時(shí)應(yīng)保持CP恒定為最大值，必須使變速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)以便最大限度地獲取能量。為了使風(fēng)輪能在CP最大區(qū)運(yùn)行，速能夠被控制以跟蹤風(fēng)速的變化。當(dāng)風(fēng)速不斷增大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到其極限值，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始運(yùn)行在在恒速區(qū)域下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速，其CP降低，但發(fā)電機(jī)輸出功率仍舊增加。在更高的風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下，這個(gè)限制就確定了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的第三個(gè)運(yùn)行階段，該階段稱為功率恒定區(qū)。圖 為三個(gè)運(yùn)行區(qū)域的CP變化情況圖。圖 為三個(gè)運(yùn)行區(qū)域的CP值變化情況圖變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角開始是恒定的。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由零增大到發(fā)電機(jī)可以切入的轉(zhuǎn)速， P值不斷上升，C風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始做發(fā)電運(yùn)行。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸進(jìn)入CP恒定區(qū)（CP=Cpmax）這時(shí)機(jī)組在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。在變速運(yùn)行區(qū)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速總是跟從風(fēng)速的變化而變化，此時(shí)風(fēng)力機(jī)能獲得最大的風(fēng)能。根據(jù)方程(2—1)(2—3),令λ=λopt，則可得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在曲線上輸出的最大功率的方程為：Popt = ρ AC pmax ( Rωw )3 / 2λopt = kω w3 （2—5）可以看出，在同一風(fēng)速下，不同的轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，要想追蹤曲線，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比。以Popt為指令調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，即可實(shí)現(xiàn)最大功率俘獲的目的。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω可以通過風(fēng)力機(jī)槳葉變節(jié)距調(diào)節(jié),也可以通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率調(diào)節(jié)。采用風(fēng)力機(jī)變節(jié)距調(diào)速的困難在于風(fēng)速難檢測(cè),調(diào)速精度低,變距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維護(hù)困難。為避免這些問題,在很多情況下通過控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁阻轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在Cp恒定區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到給定的功率一轉(zhuǎn)速曲線控制Popt的給定參考值隨轉(zhuǎn)速變化，由轉(zhuǎn)速反饋算出Popt，連續(xù)控制發(fā)電機(jī)輸出功率，使其跟蹤Popt曲線變化。用目標(biāo)功率與發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)功率之偏差驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到平衡。隨著風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速亦增大，最終達(dá)到一個(gè)允許的最大值，這時(shí)，只要功率低于允許的最大功率，轉(zhuǎn)速便保持恒定。在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，保持轉(zhuǎn)速恒定，隨著風(fēng)速增大，Cp值減少，但功率仍然增大。達(dá)到功率極限后，機(jī)組進(jìn)入功率恒定區(qū)，這時(shí)隨風(fēng)速的增大，轉(zhuǎn)速必須降低，使尖速比減少的速度比在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)更快，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在更小的Cp值下作恒功率運(yùn)行。高于額定風(fēng)速時(shí)，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速能力主要用來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性。為了獲得良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，在高于額定風(fēng)速的條件下采用節(jié)距控制得到了更為理想的效果。在變速風(fēng)力機(jī)的開發(fā)過程中，對(duì)采用單一的轉(zhuǎn)速控制和加入變槳距控制兩種方法均作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在高于額定風(fēng)速的條件下，加入變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，顯著提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性及輸出的穩(wěn)定性。因?yàn)樵诟哂陬~定風(fēng)速時(shí)，我們追求的是穩(wěn)定的功率輸出。采用變槳距調(diào)節(jié)，可以限制轉(zhuǎn)速變化的幅度。當(dāng)槳葉節(jié)距角向增大方向變化時(shí)，Cp值得到了迅速有效的調(diào)整，從而控制了由轉(zhuǎn)速引起的發(fā)電機(jī)反力矩及輸出電壓的變化。采用轉(zhuǎn)矩與節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，雖然增加了額外的變槳距機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但由于改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，仍然被普遍認(rèn)為是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理想的控制方案。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體控制如圖 。根據(jù)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同區(qū)域的運(yùn)行，我們將基本控制策略確定為：低于額定風(fēng)速時(shí)，通過對(duì)變頻器進(jìn)行控制，從而控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而能在在變速運(yùn)行區(qū)域跟蹤C(jī)pmax曲線，風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到給定的功率轉(zhuǎn)速曲線控制，獲得最大能量。在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)域，保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，功率在到達(dá)極限值之前仍一直增大。風(fēng)力機(jī)在高于額定風(fēng)速時(shí)，進(jìn)入功率恒定區(qū)，通過對(duì)槳距角和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的控制，跟蹤Pmax曲線，并保持輸出穩(wěn)定。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式：交—直—交系統(tǒng)，變流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，各有各的特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不一樣。以下就常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 5 種變速恒頻控制方案進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。 籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為籠型轉(zhuǎn)子。其變速恒頻控制策略在定子電路實(shí)現(xiàn)。由于風(fēng)速的不斷變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以實(shí)際上籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓頻率是變化的。可通過定子繞組與電網(wǎng)間的變頻器，把變頻的電壓轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電壓。盡管實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制，具有變速恒頻控制的一系列優(yōu)點(diǎn)，但由于變頻器在定子側(cè)，變頻器的容量要求與發(fā)電機(jī)的容量相同，使整個(gè)系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加，尤其是對(duì)于大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 。采用的發(fā)電機(jī)為籠型轉(zhuǎn)子, 風(fēng)力機(jī)通過變速箱拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子, 而電機(jī)的定子繞組通過變頻器和電網(wǎng)相連接。由于風(fēng)速的不斷變化, 風(fēng)力機(jī)及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化, 既電機(jī)發(fā)出來的電是變頻的。采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制以及網(wǎng)側(cè) PWM 整流的方法把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能, 這樣就實(shí)現(xiàn)變速恒頻。由于其控制策略在定子側(cè)實(shí)現(xiàn), 變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量之比大于 100%, 使整個(gè)系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加(尤其對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))。 而且由于變頻器直接和電網(wǎng)相連接, 不可避免地對(duì)電網(wǎng)造成一些諧波污染。但鼠籠式異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)和適宜惡劣的工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn), 得到了廣泛的應(yīng)用, 特別是在離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,目前多用于 100KW 以下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 永磁發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)與籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制也是在定子電路實(shí)現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機(jī)變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變與電網(wǎng)同頻的交流電， 因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低， 使發(fā)電機(jī)體積大、成本高，但由于省去了價(jià)格較高的齒輪箱，使整個(gè)系統(tǒng)的成本還是降低了。 交流勵(lì)磁雙饋型變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)與繞線式異步發(fā)電機(jī)類似，但轉(zhuǎn)子上需要有 3 個(gè)或 4 個(gè)滑環(huán)。饋電方式則和雙饋電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相似，即定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則由一套交—交或交—直—交變頻器提供頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出， 還通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無