【文章內(nèi)容簡介】 14 式中： ?m 為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率， m nm/60， m 為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速； pn 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； ?n?1 為電網(wǎng)頻率； ?2 為轉(zhuǎn)子電流頻率。 發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和電轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為 nr pnnm 或ω r pnω m。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 nr 小于同步轉(zhuǎn)速 n1 時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)勵(lì)磁變換器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng) nr n1 時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵(lì)磁變換器的能量流向逆向；當(dāng)nr n1 時(shí)， 處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行， f2 0，勵(lì)磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。由式 14 可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 nm 變化時(shí)，即 pn?m 變化時(shí)，若控制 ?2 相應(yīng)變化，可使 ?1 保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵(lì)磁變換器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，成本將會(huì)大大降低。交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制、減小變換器的容量外，在磁場定向矢量控制 下還可實(shí)現(xiàn) P、 Q 解耦控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。雙饋型異步發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器的主要要求是輸入、輸出特性好，功率可以雙向流動(dòng)。 此系統(tǒng)采用的是雙 PWM 型交 直 交變換器，它由兩個(gè) PWM 型變換器組成：靠近發(fā)電機(jī)的稱為機(jī)側(cè)變換器，靠近電網(wǎng)的稱為網(wǎng)側(cè)變換器。雙 PWM 型變換器輸入輸出特性好，能量可以雙向流，是雙饋型異步發(fā)電機(jī)較理想的一種勵(lì)磁變換器。勵(lì)磁電源除了采用交 直 交變換器外，也可以采用交 交變換器。 6 脈波、 36 管的交 交變換器輸出電壓富含低次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)行諧波抑制。12 脈 波、 72 管的交一交變頻器結(jié)構(gòu)符合勵(lì)磁電源要求，但結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。矩陣式交 交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結(jié)構(gòu)簡單，但控制方法還不成熟，需要依賴更加成熟的雙向開關(guān)器件。 4 無刷雙饋型發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 這種系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無刷雙饋型發(fā)電機(jī)。其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一為控制繞組，通過雙向變換器接電網(wǎng)。無刷雙饋型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為特殊設(shè)計(jì)的籠型結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。 無刷雙饋型發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流 勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。對(duì)于無刷雙饋型發(fā)電機(jī)，有： f p 177。 f c p p + pc f m 1 5 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)的變換器容量僅為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠郑赃@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)。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理 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 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) CP 的最佳葉尖速比λ opt,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)速從靜止上升到切入速度。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 Cp）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 λ opt，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 p Rω w 3 / 2λ opt 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 ,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 所示。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 Cp 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 P 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?？赏ㄟ^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)