MW变速恒频控技术 .docx
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1、精品名师归纳总结一 沟通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固性特点的动力源,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取一部分,可用风能利用系数Cp 来描述:Cp=Pm/ Pw ( 1)其中: Pm 为风力机吸取且输出的机械功率。Pw 为通过浆叶输入风力机的功率。故系数Cp 反映了风力机吸取利用风能的效率。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 亲热相关,如图 1 所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比,
2、即 =R /V=R2 n/60V( 2)式中 R 为叶轮的半径, 为叶轮旋转的角速度,n 为叶轮的转速,V 为风速。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结所示。风力机的风能利用系数Cp 与叶尖速比亲热相关,风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 1 风力机的风能利用系数从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比 m 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)。风力机从风能中吸取的功率,即风力机的输出功率为:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结mP1SV 3 C2p( 3)可编辑资料 - - - 欢迎下载
3、精品名师归纳总结式中 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,运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 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,即可得到正确功率曲线 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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Pk n 3k3( 可编辑资料 -
4、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结maxm式中 n 为风力机轴转速,m为风力机机械角速度。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由此可见,实现最大风能捕获的关键是把握风力机转速。风力机按浆叶节距角调剂方式分定浆距和变浆距两种类型。由于在极对数确定的情形下,如要输出电能频率恒定,必需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 值偏离正确值。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2 中两个风速: V1 =6m/s, V 2=8m/s。变浆距风力机在额定风速下可作变速运行,把
5、握风力机的轴转速,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动身点。随着风电机组单机容量的增大,运行成本已被提到重要的位置,追踪最大风能以提高发电效率的把握方式才是风力发电的最优发电方式。图 2 风力机的能量曲线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把握的总体方案是:额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆距运行,由发电机把握子系统来把握转速,调剂风力机叶尖速比,从而实现正确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,由风力机把握系统通过调剂节距角来转变风能系数,从而把握风电机组的转速
6、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,这种情形下变速恒频风力发电系统的把握目标就是追踪与捕获最大风能。为此,必需争论风电系统最大风能捕获运行的把握机理和把握方法。实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速把握。本争论中,风电机组转速的把握是通过调剂发电机输出有功功率,从而调剂发电机电磁阻转矩实现的。沟通励磁变速恒频发电方案中接受双馈异步发电机,由由双馈发电机的功率关系可知:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结P1PePPMe1PP2ePcu 1Pm sP 2sP fe 1Pm1
7、s( 5)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中: 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 为发电机转可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结差率。 PM , Pm ,Pm 分别为发电机输入机械功率,机械损耗和吸取的净机械功率。P2, P2功率和转子损耗。为发电机转子可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3令上式中的 P = P=K ,可得:MmaxmPk3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1PmaxPmP1s1s 6可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结PPcu 1PmPf
8、e11s可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在变速发电运行中,通过实时检测转速m,按( 6)式运算出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3 定性的说明:假设原先在风速V3 下风力机稳固运行在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稳为Pa,风力机将稳固运行在 转速 1 上。假如某时刻风速上升至V2,风力机运行至B 点,其输出功率由Pa 突变至Pb ,由于调剂过程的滞后,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
9、B C 和 A C 曲线增速。到达风力机功率曲线与正确曲线相交的C 点时,功率将再一次达到平稳,转速稳固在对应于风速V2 的正确转速2上。同理也可以分析从风速V1 到 V2 的逆调剂过程。图 3 风力机的功率特性3 沟通励磁变速恒频发电原理变速恒频发电可接受两种形式。一是使用传统直流励磁的同步发电机,在追踪最大风能捕获的变速运行中,发电机输出变频的沟通电能,经过整流,得到直流形式的电能,再经过有源逆变,变为电网频率的恒频沟通电能。这种交直交变换形式的变速恒频发电方式需要接受发电机全额功率的变频装 置,这对机组容量日益增加大的大型风力发电系统是难以实现的,由于变频装置成本高,制造困难。另外一种方
10、式是接受双馈型异步发电机,转子侧供以三相沟通励磁。发电机把握系统依据风力机的转速变化实时的调剂转子励磁电流的频率,实现发电机定子侧电能的恒频输出。作为发电机转子侧励磁电源的变频器的容量为发电机的转差功率,随发电机变速范畴而定。例如在同步速上下30%范畴变速恒频发电运行时,变频器功率容量为大约发电机额定容量的1/3。由此可见,沟通励磁应是变速恒频发电的优选 方案。沟通励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图4 所示,发电机一般为三相绕线式异步发电机,定子绕组并网,转子绕组外接三相转差频率的变频器,实现沟通励磁。当风速变化引起发电机转速可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结n 变化时,应
11、把握转子电流的频率f 2 使定子输出频率f1 恒定。依据可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结f1pf mf 2 7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结关系,当发电机的转速n 低于气隙旋转磁场的转速n1 时,发电机处于亚同步速运行,此时变频器向发电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结机转子供应正相序励磁,式(7)取正号。当发电机转速n 高于气隙旋转磁场的转速n1时,发电机处可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结于超同步速运行,式(7)取负号。当发电机转速n 等于气隙旋转磁场的转速n1 时,发电机处于同步可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结
12、速运行,f20 ,变频器应向转子供应直流励磁。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在不计铁耗和机械损耗的情形下,可以得到转子励磁双馈发电机的能量流淌关系:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结PmechP2P1Pcu1Pcu2( 8)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结P2sP1Pcu1Pcu2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中 Pmech 为转子轴上输入的机械功率,P2 为转子励磁变频器输入的电功率,P1 为定子输出的电功率,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Pcu1 为定子绕组
13、铜耗, Pcu2为转子绕组铜耗, s 为转差率。图 4 沟通励磁发电机等号左侧以输入功率为正,右侧以输出功率为正,在忽视定、转子绕组铜耗条件下,可近似为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结P2sP1( 9)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由式( 9)可知,当电机处于亚同步状态时,s0 , P20 ,变频器向转子绕组输入电功率。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结当电机处于超同步状态时,s0 ,P20 ,变频器向转子绕组输入电功率。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结综上可知,在变速恒频风力发电中
14、,由于风能的不稳固性和追踪最大风能的要求,电机转速在不断的变化,而且经常在同步速上、下波动,这就要求转子沟通励磁电源不仅要有要良好的变频输入输出特性,而且要有能量双向流淌的才能。4.沟通励磁变速恒频发电运行试验变速恒频发电试验在一台试验室3KW 4 极双馈异步发电机上进行,转子接受双PWM变频器作沟通励磁电源,分别进行了亚同步速(n=1200r/min )同步速( n=1500r/min )及超同步速(n=1650r/min ) 发电运行,图 5图 7 分别给出了变频器输出的沟通励磁电流励磁电压PWM波形发电机输出电压和电网的波形。an=1200r/minan=1500r/minan=1650
15、r/min图 5 亚同步同步和超同步速下发电机转子励磁电流可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结an=1200r/minan=1500r/minan=1650r/min图 6 亚同步同步和超同步速下发电机转子励磁线电压PMW波形an=1200r/minan=1500r/minan=1650r/min图 7 亚同步同步和超同步速下发电机定子输出电压(上)和电网电压(下)从试验波形可以看出,它们的频率关系符合沟通励磁变速恒频发电理论。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结二沟通励磁发电机变速恒频运行把握实现最大风能捕获和追踪的关键是依据风速调剂发电机的转速,这是通过调剂发电机输
16、出有功功率,把握发电机电磁阻转矩来实现的。变速恒频发电运行发电机输出有功功率P无功功率 Q的独立调剂又是通过矢量变换把握策略对发电机进行把握,进而把握励磁用双PWM变频器的输出电压来完成的。实现沟通励磁发电机矢量变换把握涉及定子磁链定向时发电机的数学模型,矢量变换把握系统结构优化。1. 定子磁链定向 m-t 坐标系中双馈型异步发电机数学模型按发电机惯例选择如图1 所示坐标系。图中, m-t 为两相同步速旋转坐标系,m 轴定在定子磁链矢量1 的方向。这样mt轴上的磁链重量分别为: m1= 1, t1 =0。忽视发电机定子电阻,发电机感可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结应电动势 E1
17、 等于定子侧端电压U1。由于UE 1落后于1 90,故91324E 1 和U 1 位于 t轴的负方向,从而有Um1=0,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结t1 =- U1 关系。忽视定子电阻时发电机电压和磁链方程为图 1 坐标变换系统可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结U 111p10( 1)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结U m2r2I m 2pm2st 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结U t2r2 I t 2pt 2sm2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结I m 2I t 21 LsLmLsI t1LmI m11 (
18、 2)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结m 2Lm I m1t 2Lm I t1Lr I m 2Lr I t 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中 Ls, L r ,Lm 为发电机定、转子等效自感和互感。r2 为转子绕组电阻。Im1, I t1, Im2, I t2 为定、转子电流的 m、 t 轴重量。 1 , s 为同步角速度及转差角速度。p 为微分算子。从( 1)式可看出,不计定子电阻影响时,发电机的定子磁链 1 为常数,其值为定子电压与同步角速度之比。2. 发电机矢量变换把握系统按 Um1=0, Ut1=-U 1 关系,发电机的功率方程为可编辑资料 - -
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