风力发电技术专题 论文.doc

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1、双馈式变速变距型风力发电机能量转换关系仿真摘要：根据双馈式变速变距型风力发电机的设计特点和能量传输特性，机组可以在可变的叶轮转速和可调的桨距角下运行，通过改变桨距角调整叶轮的能量捕获，通过叶轮转速的变化，可以使双馈发电机运行在同步速之下或同步速之丄，采用仿真工具可以描绘出整个机组的能流关系曲线。关键词：风电机组变速变距双馈发电机能量转换Abstract:ThisWindTurbinecanoperateinvariablespeedandrotorpitch.Changingrotorpitchundervariablewindspeedcanreg

2、ulatethepowercapture・Thedoublyfedgeneratorcanoperateinunder-synchronousspeedandsuper-synchronousspeedaccordingtothevariablerotorspeed.Usingthesimulatetools,wecangetthepowerconversioncurveofthewholewindgenerationset.Keywords:windgenerationset,variablespeedvariablepitch,doublyfed

3、generator,powerconversion.一、引言风力发电机是一种把风力资源转换为电能的机械装置。FI前，世界上大中型风力发电机组主要有两种型式：一-类是定桨距失速调节型，属于恒速机型，这类风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低；另一类就是变速变距型，叶轮转速可以跟随风速的变化在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行，从而使cp在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大，发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网［1］。相比之下，变速型风力发电机具有不

4、可比拟的优势。变速型风力发电机根据采用的发电机形式不同有笼型异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机等。双馈式变速恒频风电机组需采用的变流器容量小，可实现有功、无功功率的灵活控制，有功率因数可调的优点，成为大型变速恒频风电机组采用的主要型式。本文针对有刷双馈变速变距型风力发电机的结构特点，研究其能量传输过程。二、叶轮能量捕获系统风力机通过叶轮来捕获流动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这利机械能传输到发电机，由发电机通过内部的电磁关系，把机械能变为电能输出。结构简图如图1所示。ffl1:风力发电机能童转换姑构简图设VI为风轮前方远处的风速

5、，V为通过风轮截而A的实际速度，V2为风轮后方远处的风速。显然，在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能E[2],即：(1)mV；/nV/12通常速度V是已知的，所以E可以看成是V2的函数，求其导数dE/dV2,并使之为零，则得到风轮可能吸收到的最大风能为：•'2：3=—这个最大能量只有在工作屮毫无损失的风轮即理想风轮屮才能得到，并转变为风轮的机械能。我们取单位吋间内风轮所吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能Ein之比风能利用系数Cp,即：这就是给岀的理想风轮的最大理论效率，贝兹极限。这表示，即使毫无损失的吸

6、收风的全部能量，也只能有59%的能量可以为风力机所用，但贝兹理论屮,没有考虑到不可避免的涡流损失,认为在高的叶尖速比入＞3时，叶片翼形优化,涡流损失很小。根据贝兹理论，风轮可捕获的机械转动能量可表示为[3](5)其中:P:空气密度(kg/m3)A：风轮截面积(m2)V：风速(m/s)变速变距风力发电机屮，风能利用系数Cp是叶尖速比和桨距角的函数,叶尖速比入的定义：V60V其'中：Q：叶轮資转用建度(rad/s)r(6)r:叶轮半f上(m)n:叶轮转it(rpm)在叶尖速比入在6〜8的变化范围内吋可以保持最佳，最佳值为0.4〜0.5之间。考虑到机械传输

7、的能量损失和传输效率，齿轮箱传输系统传输效率n1为0.93,传输到发电机侧的机械能为：三、双馈发电机能流关系绕线式双馈发电机的结构形式如图2所示，叶轮作为原动机带动发电机旋转，定子侧连接电网，转子侧通过可逆变频器与电网相连，运行范围内，调整转子侧三相励磁电压、电流的频率、幅值、相位、相序，保证定子侧恒频恒压输岀。3相町斓频率转子侧励磁频率f2与定子侧电网频率fl满足关系式:(8)双馈电机内的能流关系与转差率有关，根据叶轮转速范I韦I，经齿轮箱传输到发电机，可以得出双馈发电机的转差S变化范I韦I，计算依据：打"=〃八(9)n—G一©$=_=__-(10

8、)其中：W*:发电机转建(rpm)no:发电机同步转連(rpm)齿轮箱传输比：发电机资转商转ji(rad/s