双馈风力发电机运行原理及发电控制技术研究

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时间:2018-07-24

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1、双馈风力发电机运行原理及发电控制技术研究  摘要:随着化石燃料储量的减少,在电力工业中风能发电技术变得越来越重要,而风力发电机也因此得到了广泛的应用。但目前,我国风力发电机的相关技术、应用广度和发展速率与国外相比仍存在明显差距。为了迅速推广风力发电机的应用与发展,本文将以双馈风力发电机为例,向读者简要介绍其运行原理及相关控制技术。  关键词:双馈风力发电机;运行模式;控制技术  中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:1001-828X(2013)06-0-01  据调查,世界各国在风力发电中每年投入的资金总额已接近一千亿美元。全球范

2、围内,已开始进行研究和采用风力发电技术的国家约有一百个。由此可见,在化石燃料日渐减少的现状下,风力发电技术极有可能与其它可再生能源(比如太阳能、水力等)发电技术一同取代火力发电。  在风力发电技术研究中,最基本的一个环节就是风力发电机的研究与应用。到目前为止,常见的风力发电机有定桨定速型、变浆变速型等多种类型,而在后一种类型中,大部分都采用了双馈式设计。下面,笔者将以此类风力发电机为例,简明扼要地介绍其组成结构、优点、运行原理以及相关控制技术。  一、双馈风力发电机的结构与特点  顾名思义,“双馈”指的就是电机的定子与转子均可完成电力供应过

3、程。一般来说,双馈式发电机的主要部件有定、转子及其接线盒,传动机构、滑环系统与冷却设备等。其中,转子结构主要存在成型绕组、矩形半线圈、散嵌绕组等形式;滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环座、滑环维护罩等部分,而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型;冷却设备主要分为风冷式、水冷式等多种形式。  从性质上区分,双馈式发电机应当归入异步式发电机的范畴,但这类发电机又拥有与同步式发电机相似的激磁绕组来调控励磁过程及功率因数。因此,这种发电机兼有同步和异步式发电机的优点。  这类发电机体积小、成本低、无功功率的调节方式简便易行、抗电磁干扰

4、能力较强。同时,发电机的励磁过程与所连接的供电网络关系不大,可以直接由转子所处电路完成。因此,发电机输出能量的稳定性较强,在其工作过程一般不会使电网产生大幅波动。系统可以通过控制发电机励磁过程来快速、精确地调节发电机运转状态参数以及功率因数。另外,双馈式发电机还对风力变化有着出色的适应能力和维持输出电能稳定的能力。  二、双馈风力发电机的运行原理  双馈发电机的定子与供电网络相连,而转子则先与双脉冲宽度调制变流器相连,然后再接入相应的供电网络中。所以,与发电机的定子端相关的电力参数不会变化,与转子端相关的电力参数可以通过双脉冲宽度调制变流器

5、进行调节。另外,在整个工作过程中,发电机的转子部分通过交流电完成励磁过程,这保证了发电机具有足够的稳定性和较强的适应能力,同时对于降低发电成本来说也具有重要意义。  根据定子磁场转动速率与转子磁场转动速率的关系,这类发电机的运转模式一般分为以下几种:  (1)超同步模式。在定子磁场转动速率低于转子磁场转动速率的情况下,转轴的输出功率高于定子磁场运动所产生的功率。而转子所在电路不但不需要供电网络提供直流励磁电流,还能够借助双脉冲宽度调制变流器为供电网络供给电能。因此,在这种工作模式下,发电机能够同时利用定子所在电路与转子所在电路向供电网络输送

6、电能。这种模式即为发电机的正常工作模式。  (2)同步模式。在定子磁场转动速率与转子磁场转动速率相等的情况下,转轴的输出功率也与定子磁场运动所产生的功率不相上下。此时,发电机只能利用定子所在电路向供电网络提供电能,而转子所在电路不能参与其中,只能接受供电网络所提供的直流励磁电流。这种状态下,三者转动速率相同,因此,发电机以同步模式进行工作。  (3)亚同步模式。当定子磁场转动速率高于转子磁场转动速率时,转轴的输出功率低于定子磁场运动所产生的功率。因此,在这种工作模式下,供电网络需要借助双脉冲宽度调制变流器为转子所在电路供给电能,而电能输送任

7、务由定子所在电路一方承担。这种工作模式又叫做补偿发电模式。  实际应用中,双馈式发电机的工作模式与环境因素有关:在风力较小的情况下,发电机以亚同步模式工作;而在风力足够时,发电机就会以正常状态(超同步模式)进行工作。  三、双馈风力发电机的控制技术  桨叶在风力作用下转动时,它所产生的动能会带动发电机转子运转。根据定子磁场转动速率、转子转动速率、以及转子磁场转动速率之间的关系调节转子转动速率和电流频率,就可以完成对双馈式发电机的基本控制。  常用的风力发电机的控制技术主要有以下几类:  (1)矢量控制技术。这种控制技术的核心内容是:根据发电

8、机的定子端输入电流的频率、相位、幅值等参数构建起相应的电流矢量,通过适当的控制算法将直流量转变成交流量,进而控制发电机机械部分的工作状态及功率因数,进而提高能量转化效率,为供电网

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