雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作者：Rui Melicio , V.M.F. Mendes摘要：本文介紹了一項(xiàng)研究，結(jié)果有關(guān)于一個(gè)能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，該系統(tǒng)動(dòng)力由 轉(zhuǎn)子通過(guò)AC-AC變流器連接到電網(wǎng)的雙饋異步發(fā)電機(jī)提供。研究人員提出了一種趨勢(shì)，就是越來(lái)越多的風(fēng)力渦輪機(jī)可以在世界各地被觀 察到。此外，因?yàn)樾枰Ｗo(hù)我們的棲息地，現(xiàn)在存在一些意識(shí)，就是關(guān)于將清潔 的環(huán)境要求放入考慮之中。可再生能源不會(huì)有助于增強(qiáng)溫室效應(yīng)，特別是風(fēng)力發(fā)電，正在成為整個(gè)系統(tǒng) 的重要組成部分。因此，有關(guān)風(fēng)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更好的認(rèn)識(shí)是 重要的。關(guān)鍵詞：風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，交流，交流轉(zhuǎn)換器。1、

2、簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)電在歐洲不斷向前發(fā)展，跟隨著的是2001/77/CE指令。國(guó)家和客戶對(duì) 提供所需要的能源感興趣，將清潔環(huán)境的需求放入考慮之中。可再生能源不會(huì)增 強(qiáng)溫室效應(yīng)，特別是風(fēng)力發(fā)電，正在成為整體組合系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，WECS，研究集中在自治系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)連接系統(tǒng)。一個(gè)自治系統(tǒng)，直接向客戶供應(yīng)電力，該系統(tǒng)在輸電線路交通不便的區(qū)域尤 其具有吸引力，但自治系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電需要其它能源的補(bǔ)充，因?yàn)轱L(fēng)是一種不可預(yù) 知的能量源。因此，它不能保證連續(xù)供電。然而，與電網(wǎng)聯(lián)系著的系統(tǒng)具有這樣 的優(yōu)勢(shì)，就是能確保連續(xù)供電，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)能不足以滿足需求時(shí)電網(wǎng)能滿足需求。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

3、之間的對(duì)比表明，可變速率減少機(jī)械 壓力：陣風(fēng)可以被吸收，由塔背壓引起扭矩和功率脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這種背壓導(dǎo) 致顯著的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其速度等于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速乘以轉(zhuǎn)子葉片數(shù)。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 通過(guò)一個(gè)AC-AC變換器連接到電網(wǎng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，使用電磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 有以下優(yōu)點(diǎn)：只有通過(guò)轉(zhuǎn)子注入的電能才需要轉(zhuǎn)換器的處理，這意味著更低的變流成本； 改進(jìn)后的系統(tǒng)效率和功率因數(shù)控制可以以更低的成本實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換器只提供激 發(fā)能量。因此，近年來(lái)利用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，配備了雙饋感應(yīng)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一對(duì)風(fēng)能的最有效的配置轉(zhuǎn)換。預(yù)計(jì)到2010年，葡萄牙將有3750兆瓦風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生于政府的63/2003決

4、議。(表一)顯示了2004年12月葡萄牙、馬德拉群島及亞速爾群島已裝入和正在建設(shè) 階段的風(fēng)能容量。葡萄牙的水力發(fā)電平均一年約占其發(fā)電總量的20.25%。同時(shí)，在葡萄牙， 風(fēng)能約占其消耗的總能量的1.7%。這個(gè)總數(shù)數(shù)字仍然遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到按照指令 2001/77/CE確定的既定目標(biāo)，能源生產(chǎn)總量的39%。表一：風(fēng)電2004年12月風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)葡萄牙馬德拉亞速爾群島總計(jì)保守值(MW)746. 00.01.8747.8實(shí)際設(shè)立(MW)505.59.65.3520.4葡萄牙的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是并網(wǎng)系統(tǒng)，最近一年的統(tǒng)計(jì)顯示，雙饋異步發(fā)電機(jī) 系統(tǒng)是最近安裝和正在施工建設(shè)階段的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的首選。本文介紹了有關(guān)研究結(jié)

5、果為由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供能量的風(fēng)能供電系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)行為，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)由于其優(yōu)勢(shì)，成為葡萄牙風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的首選配置。我們選擇的案例，如圖1所示，所研究的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，由一個(gè)擁有可變速 雙饋異步發(fā)電機(jī)的電網(wǎng)組成。圖一雙饋異步電機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)該系統(tǒng)配有控制器，即：瀝青控制器，速度控制器和電壓控制器。2、公式渦輪模型是基于以下幾方面：渦輪機(jī)的機(jī)械功率是：Pm= 1 pnD2V3Cp(P，氣)(1)其中？為空氣密度，D是風(fēng)機(jī)葉片直徑掃過(guò)的區(qū)域，V是風(fēng)速度，Cp本是功率系數(shù)， 我們認(rèn)為他是這樣定義的：Cp (。，2 =0.73(151Q 寸0.002 P - 13.2 e XXV i/這里氣=110.0

6、35(X + 0.08 P ) 6 3 + 1)(2 )X為葉尖速比，P為轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角度，3是機(jī)械角速度。該功率系數(shù)函數(shù) m（2），如圖二所示參數(shù)化的俯仰角的功能。Tip speed ratio圖二功率系數(shù)在較低的風(fēng)速，俯仰角設(shè)置為空值，因?yàn)?，最大功率系?shù)得到了這個(gè)角度。因此，最大功率系數(shù)通過(guò)以下非線性數(shù)學(xué)計(jì)算程序計(jì)算：s.tr 1、=max 110 .23 一 0.11976 e T8.4G/X-0.003)弗JX河這里給出 C（0,X） =0.4412因?yàn)槿雘pt=6.9只有當(dāng)風(fēng)的價(jià)值速度比額定風(fēng)速更大時(shí)俯仰角控制操作。世界一半以上領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商使用雙饋電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。這是

7、 由于這一事實(shí)，即電力電子轉(zhuǎn)換器要處理的只有一小部分（20%-30% ）的總功 率，即滑動(dòng)的功率。這意味著，如果速度是在各地同步轉(zhuǎn)速的土 30%范圍時(shí)，轉(zhuǎn) 換器有30%的渦輪機(jī)額定功率等級(jí)，減少了電力電子變換器中的損失，相比一個(gè) 系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)換器有處理的總權(quán)力。此外，該轉(zhuǎn)換器的成本變得低。雙饋電磁感應(yīng) 發(fā)電機(jī)已在風(fēng)力渦輪機(jī)中已經(jīng)使用了一段較長(zhǎng)的時(shí)間。在過(guò)去，AC-AC轉(zhuǎn)換器連 接到轉(zhuǎn)子，由一個(gè)整流器和逆變器基于品閘管的橋梁組成。如今，AC-AC轉(zhuǎn)換器 都配備了雙定向的絕緣柵雙極型品體管，連接變速雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子到電網(wǎng) 上。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：d3 r/dt=2Pa /（J3其中J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由于

8、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和P是轉(zhuǎn)子加速機(jī)械動(dòng)力。本文研究的案a例展示的是轉(zhuǎn)子角速度在0.73 3 r0.3w區(qū)域。使用電動(dòng)機(jī)慣例，雙饋異步發(fā)電機(jī)的方程，如下：dA ds/dt=Uds-Rsids+3A qsdA qs/dt=Uqs-Rsiqs+3A dsdA dr/dt=Udr-Rridr+s3A qrdA qr/dt=Uqr-Rriqr+s3A 定定子電值所標(biāo)注的下標(biāo)為s,轉(zhuǎn)子電值所標(biāo)識(shí)的下標(biāo)為r,U為電壓，R是電阻，i是一個(gè)電流，A為磁通鏈。3是定子電氣頻率，S是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率。磁通鏈這這樣 定義的：A ds=Lsids+MidrA qs-Lsiqs+MiqrA dr=Lridr+MidsA qr=Lriqr

9、+MiqsLs，Lr和M分別是定子，轉(zhuǎn)子漏感及定子和轉(zhuǎn)子之間的互電感。定子和轉(zhuǎn)子有 功功率是這樣給出：Ps = 3/2(Udsids+Uqsiqs)Pj3/2(Udridr+%iP轉(zhuǎn)子加速機(jī)械功率：Pa =Ps 弋 土我們忽略了機(jī)械損耗，由于小值通常達(dá)到這個(gè)損失。3、案例研究此次仿真的主要目的是評(píng)估雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)于大風(fēng)的行為。我們認(rèn) 為，風(fēng)速變化如圖3所示。日 IIIIIL0123456Fig. 3. Wind speed.t國(guó)圖三風(fēng)速由于風(fēng)速變化導(dǎo)致的機(jī)械功率如圖4所示012345 S 7Fig. 4. Mechanical power圖四機(jī)械功率Fig. 5. Stator powe

10、r.圖五定子電圖5和圖6分別顯定子電和轉(zhuǎn)子動(dòng)力的運(yùn)行狀況。Fig. 6. Rotoi powerOOOOOOOOOOOOOOOO98765432t國(guó)圖六轉(zhuǎn)子功率圖7顯示了由于功率慣慣例，導(dǎo)致的通過(guò)差分定子電源的轉(zhuǎn)子電力注入電網(wǎng)的輸 出功率。1234567t間 Fig. 7. Output power圖七輸出功率圖8顯示了為了限制機(jī)械功率漂移而增加的相應(yīng)的俯仰角。圖八俯仰角圖九渦輪轉(zhuǎn)子速度圖9和圖10顯示渦輪轉(zhuǎn)子的速度和轉(zhuǎn)子滑速。該風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率為850千瓦，并且渦輪機(jī)的額定風(fēng)速為11.4米/秒。 圖3,意味著對(duì)于渦輪機(jī)而言，機(jī)械功率趨向于高于額定功率，但是由于傾斜角 度的控制，如圖9,增

11、強(qiáng)的機(jī)械功率偏移被控制在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，如圖4。隨后，隨 著風(fēng)速的下降，機(jī)械功率降低，俯仰角返回空值。4、結(jié)論風(fēng)力發(fā)電在歐洲不斷向前發(fā)展，放松管制為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了很好的投資 機(jī)會(huì)。因此，可以預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，風(fēng)力發(fā)電將是總發(fā)電組合中的一個(gè)重要組成 部分。由于電力電子學(xué)的進(jìn)步發(fā)展，使用可變速的雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò) AC-AC轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)是得天獨(dú)厚的，這提高了功率效率轉(zhuǎn)換。如果沒(méi)有控制，在風(fēng)力渦輪機(jī)中，由于風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速，機(jī)械功率就 會(huì)超過(guò)額定功率。因此，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)操作是不可持續(xù)的，就是要面對(duì)的一個(gè)選 擇。對(duì)于水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)，俯仰角控制是用來(lái)控制機(jī)械功率頂峰的一種方法， 在不停

12、止風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的情況下恢復(fù)正常功率。我們的案例研究表明，俯仰角的 控制可以限制機(jī)械功率的漂移，但是根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，反應(yīng)需要時(shí)間來(lái)捕捉 正常操作條件。由于超同步發(fā)電機(jī)模式，這里轉(zhuǎn)子的速度比定子的電氣同步速度 大，滑動(dòng)為負(fù)，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)提供電能，此模式是一個(gè)非常高效的發(fā)電方式。相反， 如果滑動(dòng)為正，轉(zhuǎn)子接收來(lái)自電網(wǎng)的電能，但定子不斷向電網(wǎng)提供電能，這是， 亞同步生成模式。參考文獻(xiàn)：PETERSON ANDREAS,HARNEFORS LENNART,THIRINGER TORBJORN, “風(fēng)力渦輪機(jī) 采用雙饋感應(yīng)電機(jī)當(dāng)前控制評(píng)價(jià)方法” ,IEEE期刊.電力電子，卷20,頁(yè)碼 227-235,2005 年1 月.MULLER S,DEICKE M,DE DONCKER, RIK W. “雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng) “，IEEE行業(yè)應(yīng)用雜志，馬尤/俊昊德2002年.INEGI, Parques Eolicos em Portugal, Dezembro de 2004.SLOOTWEG J G，HAAN S W H,POLI