风力发电专业毕业论文-变速恒频风力发电技术研究

风力发电专业毕业论文-变速恒频风力发电技术研究内容摘要：

跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功宰输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，堤高传动系统的柔性。 变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。 变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功宰的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。 控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。 变速恒频风力发电技术 发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。 根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频 (Constant Speed Constant Frequency，简称 CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，简称 VSCF)风力发电技术。 恒速恒频风力发电技术 恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化， cp 值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。 恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。 当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。 当转子速度高于 同步转速 3%5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。 变速恒频风力发电技术 虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。 (1)风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。 传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当 风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。 采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转吉林电子信息职业技术学院 7 速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。 (2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。 同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解藕 (简称 P、 Q 解藕 )控制。 控制有功功率可调节风力发电机组转速 ，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 (3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。 变速恒频发电技术的诸多优点使其受到了人们的广泛关注，它越来越多地被应用到风力发电中。 变速恒频发电风力发电系统有多种形式，有的是通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频。 图 磁场调制发电机系统 变速恒频风力发电系统主要有 以下几种： (1)交 直 交风力发电系统 这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。 由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速运行。 发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器变换成直流电，然后通过逆变器变换为恒定电网频率的交流电。 因此，变频器的容量和发电机的容量相同。 这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。 这类系统可以采用同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和永磁发电机。 (2)磁场调制 发电机系统 这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换吉林电子信息职业技术学院 8 电路组成，图 示出磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图及各部分的输出电压波形。 发电机本身具有较高的旋转频率ƒ r，与普通同步电机不同的是，它不用直流励磁，而是用频率为ƒ m的低频交流励磁 (ƒm即为所要求的输出频率，一般为 50 Hz)，当频率ƒ m 远低于频率ƒ r 时，发电机三个相绕组的输出电压波形将图 电机系统是由频率为 (ƒm+ƒr)和 (ƒmƒr)的两个分量组成的调幅波，如图 (b)所示，这个调幅波的包络 线的频率是ƒ m，包络线所包含的高频波的频率是ƒ r。 将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到如图 (c)所示的基本频率为ƒ r的全波整流正弦脉动波。 再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图 (d)。 最后经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为ƒ m 的恒频正弦波输出，如图 (e)所示。 输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网型风力发电系统。 与交 直 交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是： ①由于经桥式整流器后得到的是正 弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时作开关换向，因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高； ②晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，可以得到相当好的正弦输出波形； ③磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行简单可靠。 这种发电机系统的主要缺点与交 直 交系统类似，也是电力电子变换装置处在主电路中实现全功率变换，因而容量较大； ④发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。 (3)交流励磁双馈型 异步发电系统 该系统采用转子交流励磁的双馈型异步发电机，双馈型异步发电机的定子并到电网上，转子通过一励磁变换器和进线电抗器与电网相连。 当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足： f1 = pn f m + f 2 (14) 式中：ƒ m为转子机械频率， m=nm/60， m为发电机机械转速； pn 为电机的极对数；ƒ nƒ1 为电网频率； ƒ2 为转子电流频率。 发电机的机械转速和电转速之间的关系为 nr =pnnm 或ω r=pnω m。 当发电机的转速 nr 小于同步转速 n1时，处于亚同步状态，此时励磁变换器向发电机转子提供交流励磁，电机由定子发出电能给电网；当 nr n1 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变换器的能量流向逆向；当 nr =n1 时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行， f2=0，励磁变换器向转子提供直流励磁。 由式 (14)可知，当发电机的转速 nm变化时，即 pnƒm变化时，若控制ƒ 2相应变化，可使ƒ 1 保持恒定不变，实现了变速恒频控制。 由于这种变速恒频控制方案是在转子吉林电子信息职业技术学院 9 电路实现的，流过转子电路的 功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一部分，因此图中所示的双向励磁变换器的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。 交流励磁双馈型异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变换器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现 P、 Q解耦控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。 双馈型异步发电机对转子侧励磁变换器的主要要求是输入、输出特性好，功率可以双向流动。 此 系统采用的是双 PWM 型交 直 交变换器，它由两个 PWM 型变换器组成：靠近发电机的称为机侧变换器，靠近电网的称为网侧变换器。 双 PWM型变换器输入输出特性好，能量可以双向流，是双馈型异步发电机较理想的一种励磁变换器。 励磁电源除了采用交 直 交变换器外，也可以采用交 交变换器。 6 脉波、 36 管的交 交变换器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。 12 脉波、 72 管的交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构和控制复杂。 矩阵式交 交变换器的输入、输出特性较好，功率可以双向流，主电路结构简单，但控制方法还不成熟，需要依赖更加成熟的双向开关器件。 (4)无刷双馈型发电机系统 这种系统采用的发电机为无刷双馈型发电机。 其定子 有两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。 无刷双馈型发电机转子为特殊设计的笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。 无刷双馈型发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈型异步发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。 对于无刷双馈型发电机，有： f p 177。 f c = ( p p + pc ) f m (15) 式中： fp 为定子功率绕组电流频率； fc为定子控制绕组电流频率； pp 为定子功率绕组的极对数； pc 为定子控制绕组的极对数； fm 由于其与电网相连，与电网频率相同。 超同步时，式 (16)取“ +”；亚同步时，取“ ”。 由式 (16)可知，当发电机转速气变化时，即几变化时，若控制关相应变化，可使其保持恒定不变，实现了变速恒频控制。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈型发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的 pc /(pp +pc)小双向变换器的容 量也仅为发电机容量的一小部分。 无刷双馈型发电机具有与有刷双馈型异步发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。 只是目前仍处于实验研究阶段，尚未进入工程实用阶段。 如果将风力机和发电机直接祸合，省去变速齿轮箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免变速箱漏油的问题；交流励磁双馈型异步发电吉林电子信息职业技术学院 10 机系统和无刷双馈型异步发电机系统的变换器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案例如交 直 交系统适用于小容量的风力发电系统。 风力发电系统还可以采用其他电机，变磁阻电机，双速异步电机，但是它们的技术目前还不够成熟，需要进一步的研究开发。 第二章 变速恒频风力发电电机及其系统 变速恒频发电技术的诸多优点受到了人们的广泛关注，使它越来越多地被应用到大型风力发电机组中。 自上世纪 90 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是 MW 级以上的大容量风电系统。 变速恒频风力发电机组的运行原理 风力机的作用是从空气中获取能量，将风能转化为动能。 根据空气动力学的原理，风力机的功率与风速的三次方成正比，风轮叶片从 风中获取的能量公式为： 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为空气密度，单位 kg/m3； v为风速，单位 m/s ； A 为风力机的扫掠面积，单位 m2 ； Cp 为风力机的输出功率系数（一般 Cp=1/32/5，最大不超过 16/27=），它是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数；ω为风力机机械角速度； R为风轮半径。 根据桨叶节距角β为一定时 ,风力机 CPλ曲线可知：对于一台确定的风力机 ,在桨叶节距角β不变时总有一个对应着最佳功率系数 CPmax 的最佳叶尖速比λ opt,此时风力机的转换效率最高。 换而言之 ,对于一个特定的风速 v,风力机只有运行在 一个特定的转速ω下才会有最高的风能转换效率。 恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然 Cp 不可能保持在最大值。 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。 可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。 变桨距风力机的风能利用系数 CP 与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。 对于不同的节距角，风机拥有不同的效率。 变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段。 第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上 升到切入速度。 在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制，因此对该阶段不作讨论。 第吉林电子信息职业技术学院 11 二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能，从理论上来说，根据风速的变化风轮可以运行在任何转速下，。