垂直轴离网型异步电机风力发电系统控制和能量管理策略.pdf

第37卷第14期 V01．37 电力系统自动化 No．14 2013年7月25日 AutomationofElec仃icPoWer Systems July25，2013 DOI：10．7500／AEPS201212106 垂直轴离网型异步电机风力发电系统控制和能量管理策略 徐培凤1’2，刘贤兴1’2，施凯h2 (1．江苏大学电气信息工程学院，江苏省镇江市212013； 2．机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室(江苏大学)，江苏省镇江市212013) 摘要：为解决传统离网型小风电系统风能利用范围有限、蓄电池充放电控制不合理等问题，研制了 基于垂直轴的离网型异步电机风力发电系统，异步电机发电运行转速范围更宽，通过灵活的控制策 略，对有功和无功功率同时进行调节，实现能量双向流动，同时解决机组以及蓄电池的协调控制，且 能电动运行，帮助垂直轴风力机实现自启动。发电机采用转差频率控制，在风速和负载变化时通过 脉宽调制变换器调节输出功率，母线上的卸荷器辅助完成对蓄电池充放电电流的分段限流控制，共 同实现整个系统的功率平衡和稳定运行。对5．5kW样机系统进行了实验研究，结果证明了系统 设计和控制策略的正确性和可行性。 关键词：异步发电机；风力发电系统；垂直轴；离网；转差频率控制；分段限流控制 0 引言 永磁同步电机通常采用直驱结构，低风速下运行效 率较高，无需励磁，控制简单，但是稀土材料日益昂 风能作为最清洁的可再生能源之一，近年来发 贵，造成电机成本过高，电机的磁通难以调节，使得 展迅猛。虽然风力是不稳定的，但却是可以预测的， 电机控制不够灵活；采用“不控整流+DC—DC”系统 对于深受环境和气候影响的地方，在风力较大的时 结构，需要使用一个可控部件同时实现最大功率点 候，可利用风力发电来直接或者辅助供电；在风力减 跟踪(MPPT)控制、蓄电池控制以及负载跟随的功 弱时，由电网或者蓄电池满足用电需求。将风电作 能，系统很难运行在最佳工作状态，并且永磁发电机 为生产或生活供电的有效后备，与水利或者电网等 存在齿槽定位力矩，用于垂直轴机型需要自启动辅 供电可实现互补，相得益彰。 助装置[2。3]，这将带来新的问题。 目前，商用风力发电机组大多采用水平轴风力 SCIG结构简单，耐用易维护，价格低廉，并且 机，其原因在于技术相对成熟。而传统的垂直轴风 随着稀土永磁材料价格的不断攀升，其成本优势也 力机虽然效率较低，无法充分利用风能，但是也有其 更加明显。SCIG最早于20世纪80年代被丹麦风 自身的诸多优点：无需对风，没有调向装置，结构简 力机制造商用于风力发电，时至今日，SCIG依然占 单，齿轮箱和发电机可以安装在地面上，十分便于维 有相当的市场份额，Bonus公司一直都坚持将其作 护，且启动转矩小，发电噪音低，适于