【文章內(nèi)容簡介】 跟隨風速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；在額定風速以上時，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風力機獲取能量，保證發(fā)電機功宰輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來響應快速變化的風速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動作，堤高傳動系統(tǒng)的柔性。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風電技術發(fā)展的主要方向 。 變速恒頻的優(yōu)點是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功宰的變化，可以最大限度的吸收風能，因而效率較高。控制系統(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復雜。 變速恒頻風力發(fā)電技術 發(fā)電機及其控制系統(tǒng)是風力發(fā)電系統(tǒng)的另一大核心部分，它負責將機械能轉換為電能，風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)的運行狀況和控制技術，也決定著整個系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機的運行特征和控制技術，風力發(fā)電技術可分為恒速恒頻 (Constant Speed Constant Frequency，簡稱 CSCF)風力發(fā)電技術和變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，簡稱 VSCF)風力發(fā)電技術。 恒速恒頻風力發(fā)電技術 恒速運行的風力機轉速不變，而風速經(jīng)常變化， cp 值往往偏離其最大值，使風力機常常運行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機，并網(wǎng)后在電機機械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行，異步發(fā)電機的轉子速度高于同步轉速。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風速而增加時，發(fā)電機的輸出功率及其反轉矩也相應增大。當轉子速度高于 同步轉速 3%5%時達到最大值，若超過這個轉速，異步發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉矩減小，導致轉速迅速升高，引起飛車，這是十分危險的。 變速恒頻風力發(fā)電技術 雖然目前大多數(shù)采用異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但作為一種新型發(fā)電技術，變速恒頻發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術，非常適用于風力、水力等綠色能源開發(fā)領域，尤其是在風力發(fā)電方面，變速恒頻體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性和廣闊的應用前景。 (1)風能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源。傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運行在同步轉速上，當 風速改變時風力機就會偏離最佳運行轉速，導致運行效率下降，不但浪費風力資源，而且增大風力機的磨損。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風力機轉吉林電子信息職業(yè)技術學院 7 速，使之始終運行在最佳轉速上，從而提高了機組發(fā)電效率，優(yōu)化了風力機的運行條件。 (2)變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機的轉子側施加三相低頻電流實現(xiàn)交流勵磁，控制勵磁電流的幅值、頻率、相位實現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。同時采用矢量變換控制技術，實現(xiàn)發(fā)電機輸出有功功率、無功功率解藕 (簡稱 P、 Q 解藕 )控制?？刂朴泄β士烧{(diào)節(jié)風力發(fā)電機組轉速 ，實現(xiàn)最大風能捕獲的追蹤控制；調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風力發(fā)電機組及電力系統(tǒng)運行的動、靜態(tài)穩(wěn)定性。 (3)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。變速恒頻發(fā)電技術的諸多優(yōu)點使其受到了人們的廣泛關注，它越來越多地被應用到風力發(fā)電中。變速恒頻發(fā)電風力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，有的是通過發(fā)電機與電力電子裝置相結合實現(xiàn)變速恒頻，有的是通過改造發(fā)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻。 圖 磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng) 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要有 以下幾種： (1)交 直 交風力發(fā)電系統(tǒng) 這種系統(tǒng)中的變速恒頻控制是在電機的定子電路中實現(xiàn)的。由于風速的不斷變化，風力機和發(fā)電機也隨之變速運行。發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器變換成直流電，然后通過逆變器變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。因此，變頻器的容量和發(fā)電機的容量相同。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響；同時由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵式逆變器，雖然可調(diào)節(jié)無功功率，但有高頻電流流向電網(wǎng)。這類系統(tǒng)可以采用同步發(fā)電機、籠型異步發(fā)電機、繞線式異步發(fā)電機和永磁發(fā)電機。 (2)磁場調(diào)制 發(fā)電機系統(tǒng) 這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由一臺專門設計的高頻交流發(fā)電機和一套電力電子變換吉林電子信息職業(yè)技術學院 8 電路組成，圖 示出磁場調(diào)制發(fā)電機單相輸出系統(tǒng)的原理方框圖及各部分的輸出電壓波形。發(fā)電機本身具有較高的旋轉頻率? r，與普通同步電機不同的是，它不用直流勵磁，而是用頻率為? m的低頻交流勵磁 (?m即為所要求的輸出頻率，一般為 50 Hz)，當頻率? m 遠低于頻率? r 時，發(fā)電機三個相繞組的輸出電壓波形將圖 電機系統(tǒng)是由頻率為 (?m+?r)和 (?m?r)的兩個分量組成的調(diào)幅波，如圖 (b)所示，這個調(diào)幅波的包絡 線的頻率是? m，包絡線所包含的高頻波的頻率是? r。將三個相繞組接到一組并聯(lián)橋式整流器，得到如圖 (c)所示的基本頻率為? r的全波整流正弦脈動波。再通過晶閘管開關電路使這個正弦脈動波的一半反向，得到圖 (d)。最后經(jīng)濾波器濾去紋波，即可得到與發(fā)電機轉速無關、頻率為? m 的恒頻正弦波輸出，如圖 (e)所示。輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位，正是這一特點使得磁場調(diào)制發(fā)電機非常適合于并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)。與交 直 交系統(tǒng)相比，磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)的特點是： ①由于經(jīng)橋式整流器后得到的是正 弦脈動波，輸入晶閘管開關電路后基本上是在波形過零點時作開關換向，因而換向簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高； ②晶閘管開關電路輸出波形中諧波分量很小，且諧波頻率很高，很易濾去，可以得到相當好的正弦輸出波形； ③磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)的輸出頻率在原理上與勵磁電流頻率相同，因而這種變速恒頻風力發(fā)電機組與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行簡單可靠。這種發(fā)電機系統(tǒng)的主要缺點與交 直 交系統(tǒng)類似，也是電力電子變換裝置處在主電路中實現(xiàn)全功率變換，因而容量較大； ④發(fā)電機要經(jīng)特殊設計，不能利用通常形式的發(fā)電機。 (3)交流勵磁雙饋型 異步發(fā)電系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用轉子交流勵磁的雙饋型異步發(fā)電機，雙饋型異步發(fā)電機的定子并到電網(wǎng)上，轉子通過一勵磁變換器和進線電抗器與電網(wǎng)相連。當風速變化引起發(fā)電機轉速變化時，控制轉子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應滿足： f1 = pn f m + f 2 (14) 式中：? m為轉子機械頻率， m=nm/60， m為發(fā)電機機械轉速； pn 為電機的極對數(shù)；? n?1 為電網(wǎng)頻率； ?2 為轉子電流頻率。 發(fā)電機的機械轉速和電轉速之間的關系為 nr =pnnm 或ω r=pnω m。當發(fā)電機的轉速 nr 小于同步轉速 n1時，處于亞同步狀態(tài)，此時勵磁變換器向發(fā)電機轉子提供交流勵磁，電機由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當 nr n1 時，處于超同步狀態(tài)，此時發(fā)電機同時由定子和轉子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵磁變換器的能量流向逆向；當 nr =n1 時，處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機作為同步電機運行， f2=0，勵磁變換器向轉子提供直流勵磁。由式 (14)可知，當發(fā)電機的轉速 nm變化時，即 pn?m變化時，若控制? 2相應變化，可使? 1 保持恒定不變，實現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子吉林電子信息職業(yè)技術學院 9 電路實現(xiàn)的，流過轉子電路的 功率是由發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵磁變換器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，成本將會大大降低。交流勵磁雙饋型異步發(fā)電機的控制方案除了可實現(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現(xiàn) P、 Q解耦控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔?。雙饋型異步發(fā)電機對轉子側勵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。 此 系統(tǒng)采用的是雙 PWM 型交 直 交變換器，它由兩個 PWM 型變換器組成：靠近發(fā)電機的稱為機側變換器，靠近電網(wǎng)的稱為網(wǎng)側變換器。 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)電機較理想的一種勵磁變換器。勵磁電源除了采用交 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，嚴重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進行諧波抑制。 12 脈波、 72 管的交一交變頻器結構符合勵磁電源要求，但結構和控制復雜。矩陣式交 交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結構簡單，但控制方法還不成熟，需要依賴更加成熟的雙向開關器件。 (4)無刷雙饋型發(fā)電機系統(tǒng) 這種系統(tǒng)采用的發(fā)電機為無刷雙饋型發(fā)電機。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)電機轉子為特殊設計的籠型結構，取消了電刷和滑環(huán)，轉子的極數(shù)應為定子兩個繞組極對數(shù)之和。 無刷雙饋型發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于交流勵磁雙饋型異步發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機的運行機制有著區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現(xiàn)變速恒頻控制。對于無刷雙饋型發(fā)電機，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數(shù)； pc 為定子控制繞組的極對數(shù)； fm 由于其與電網(wǎng)相連，與電網(wǎng)頻率相同。超同步時，式 (16)取“ +”；亞同步時，取“ ”。由式 (16)可知，當發(fā)電機轉速氣變化時，即幾變化時，若控制關相應變化，可使其保持恒定不變，實現(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)電機容量的一小部分。 無刷雙饋型發(fā)電機具有與有刷雙饋型異步發(fā)電機相同的特性，但沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機的成本，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。只是目前仍處于實驗研究階段，尚未進入工程實用階段。 如果將風力機和發(fā)電機直接禍合，省去變速齒輪箱，這樣可以大大降低成本，減少維護，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免變速箱漏油的問題；交流勵磁雙饋型異步發(fā)電吉林電子信息職業(yè)技術學院 10 機系統(tǒng)和無刷雙饋型異步發(fā)電機系統(tǒng)的變換器容量僅為系統(tǒng)總容量的一部分，所以這兩種方案適用于大、中容量的風力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案例如交 直 交系統(tǒng)適用于小容量的風力發(fā)電系統(tǒng) 。風力發(fā)電系統(tǒng)還可以采用其他電機，變磁阻電機，雙速異步電機，但是它們的技術目前還不夠成熟，需要進一步的研究開發(fā)。 第二章 變速恒頻風力發(fā)電電機及其系統(tǒng) 變速恒頻發(fā)電技術的諸多優(yōu)點受到了人們的廣泛關注，使它越來越多地被應用到大型風力發(fā)電機組中。自上世紀 90 年代開始，國外新建的大型風力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是 MW 級以上的大容量風電系統(tǒng)。 變速恒頻風力發(fā)電機組的運行原理 風力機的作用是從空氣中獲取能量，將風能轉化為動能。根據(jù)空氣動力學的原理，風力機的功率與風速的三次方成正比，風輪葉片從 風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為風速，單位 m/s ； A 為風力機的掃掠面積，單位 m2 ； Cp 為風力機的輸出功率系數(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為風力機機械角速度； R為風輪半徑。根據(jù)槳葉節(jié)距角β為一定時 ,風力機 CPλ曲線可知：對于一臺確定的風力機 ,在槳葉節(jié)距角β不變時總有一個對應著最佳功率系數(shù) CPmax 的最佳葉尖速比λ opt,此時風力機的轉換效率最高。換而言之 ,對于一個特定的風速 v,風力機只有運行在 一個特定的轉速ω下才會有最高的風能轉換效率。 恒速恒頻的風力機轉速保持不變，而風速又經(jīng)常變化，顯然 Cp 不可能保持在最大值。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風力機和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。可以通過適當?shù)目刂?，使風力機的轉速可變，使風力機的尖速比處于或接近于最佳值，從而最大限度的利用風能。 變槳距風力機的風能利用系數(shù) CP 與尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線性關系。對于不同的節(jié)距角，風機擁有不同的效率。 變速風力發(fā)電機組的運行根據(jù)不同的風況可分三個不同階段。第一階段是起動階段，發(fā)電機轉速從靜止上 升到切入速度。在切入速度以下，發(fā)電機并沒有工作，機組在風力作用下作機械轉動，并不涉及發(fā)電機變速的控制，因此對該階段不作討論。第吉林電子信息職業(yè)技術學院 11 二階段是風力發(fā)電機組切入電網(wǎng)后運行在額定風速以下的區(qū)域，風力發(fā)電機組開始獲得能量并轉換成電能，從理論上來說，根據(jù)風速的變化風輪可以運行在任何轉速下，