交流励磁发电机变速恒频运行原理(升华版).doc

交流励磁发电机变速恒频运行原理 1.风力机最大风能捕获运行机理 风力是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性﹑爆发性﹑不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集﹑高效利用的问题。 由空气动力学原理，通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分，可用风能利用系数Cp来描述： Cp=Pm/ Pw （1）Pm为风力机吸收且输出的机械功率；Pw为通过浆叶输入风力机的功率。故系数Cp反映了风力机吸收利用风能的效率。 风力机的风能利用系数Cp与风力机的一个重要运行参数叶尖速比λ密切相关，如图Ⅰ—1所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即 λ=RΩ/V=R2πn/(60V) （Ⅰ—2） 式中R为叶轮的半径，Ω为叶轮旋转的角速度，n为叶轮的转速，V为风速。 风力机的风能利用系数Cp与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图Ⅰ—1所示。 从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比λm下，风能利用系数才能达最大值Cpmax，即获得最大风能利用（捕获）。 风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为： （Ⅰ—3） 式中ρ为空气密度，S为风力机叶轮的扫掠面积， V为风速。对于一个确定的风力机，从不同的风速和转速查得对应的Cp值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机输出功率和风力机轴转速之间的关系曲线，如图Ⅰ—2所示。 可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点Pmax，对应于图Ⅰ—1的最大风能利用系数Cpmax。将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线Popt，运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率输出Pmax 式中n为风力机轴转速，ωm为风力机机械角速度。 由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。 风力机按浆叶节距角调节方式分定浆距和变浆距两种类型。由于在极对数一定的情况下，若要输出电能频率恒定，必须要求发电机作恒速运行，这样定浆距风力机额定风速以下恒速运行时只有一个风速对应于Cpmax点，输出功率最大，其他风速下Cp值偏离最佳值。即使利用双速风力发电机也只能捕获两个风速下的最大风能，输出最大功率，比如图Ⅰ—2中两个风速：V1=6m/s，V2=8m/s。变浆距风力机在额定风速下可作变速运行，控制风力机的轴转速，使之始终跟踪最大风能曲线Popt，从而在不断变化的风速下均能获得最大风能的捕获和利用，这就是风力机变浆距﹑变速运行的基本出发点。随着风电机组单机容量的增大，运行成本已被提到重要的地位，追踪最大风能以提高发电效率的控制方式才是风力发电的最优发电方式。 2.风力机最大风能捕获运行机制 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。 实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控制。本研究中，风电机组转速的控制是通过调节发电机输出有功功率，从而调节发电机电磁阻转矩实现的。 交流励磁变速恒频发电方案中采用双馈异步发电机，由由双馈发电机的功率关系可知： 式中：P1 ，Pcu1, ，Pfe1分别为发电机定子的输出功率，铜耗，铁耗；Pe为发电机电磁功率；s为发电机转差率；PM ，，Pm分别为发电机输入机械功率，机械损耗和吸收的净机械功率；P2，为发电机转子功率和转子损耗。 令上式中的PM= Pmax=Kω3m，可得： 在变速发电运行中，通过实时检测转速ωm，按（Ⅰ—6）式计算出P1作为发电机的有功功率指令P*，实现最大风能的追踪和捕获。追踪最大风能的过程可由图Ⅰ—3定性地解释：假设原先在风速V3下风力机稳定运行在Popt曲线的A点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡为Pa，风力机将稳定运行在转速ω1上。如果某时刻风速升高至V2，风力机运行至B点，其输出功率由Pa突变至Pb，由于调节过程的滞后，发电机仍将暂时运行在A点，此时发电机的输入功率大于输出功率，功率的失恒导致转速上升。在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着B→C和A→C曲线增速。到达风力机功