几种变速频风力发电系统控制方案的对比分析.doc

《几种变速频风力发电系统控制方案的对比分析.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、几种变速频风力发电系统控制方案的对比分析作者：马洪飞徐…文章来源：转载点击数：1224更新时间：2007-3-12摘要：闸明了为最大限度利用风能，风力发电系统应用变速恒频控制策略，并分析了变速磁双馈发电机、无刷双馈发电机和永磁发电机的变速恒频风力发电系统进行了性能对比分析。关键词：风力发电；变速恒频控制策略；方案对比分析一、引言广泛应用的常规能源（如石油、天然气、煤及核能等）是有限的并会产生污染。而洁净的可再生能源（如太阳能、潮汐能及风能等）最近一些年来得到了长足的发展，其中风能作为一种洁净无污染的可再生能源，是目前最具有大规模开发利用前景的能源，也是一种最具有竞争力的非

2、常规能源。风力发电是风能的主要形式，风力发电对电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。风力机的功率与风速的三次方成正比，即P=1/2CpAρυ3式中：ρ--空气密度；υ--风速；A--风力机的扫掠面积；C--风力机的输出功率系数（一般Cp=1/3~2/5，最大可达16/27=0.59）当风速在一定范围变化时，若允许风力机做变速

3、运行，则能达到更好利用风能的目的。这是由于风力机的输出功率系数Cp在某一确定的尖速比（叶轮尖的线速与风速的比值）TSR（tipspeedratio）下达到最大值，如图1所示。恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然Cp不可能保持在最大值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风力机的转速可变，可以通过适当的控制，使风力的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。由于变速恒频控制能够获取风力机的最大输出功率，从而最大限度的捕获风能，所以，风力发电系统采用变速恒频控制方案。二、变速恒频风力发电系统的功

4、率转换子系统在变速恒频风力发电系统中，需要一种功率转换装置将发电发出的电能控制为恒频。变速恒频风力发电系统中功率转换子系统如图2所示，其主要组成环节及作用如下：1、发电机把风力机输出的机械能转变为电能。2、发电机侧变流器由自关断器件（如GTR、IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。3、直流环节一般直流环节的电压控制为恒定。4、网侧变流器由自在断器件构成的DC/AC变流器，采用某月种控制方法使直流电转变为三相弦波交流电（如50Hz、690V的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。5、变压器通过变压器以及一些开关

5、设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV或33kV等）。其中2~4可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交-直-交变频器，也有采用交-交变频器。另外，在有的方案中发电机的全部功率通过变频器进行转换，而有的方案只有部分功率通过变频器进行转换。变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：1、最大限度的捕捉风能。2、较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。3、采用一定的控制策略（如矢量PWM）可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统可起功率因数补偿的作用。4、采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率

6、，降低成本。三、风力发电系统的4种变速恒频方案1、笼型异步发电机变速恒频风力发电系统系统如图3所示，采用的发电机为笼型转子，其变速恒频控制策略在定子电路实现。由于风速的不断变化，所以实际上笼型风力发电机发出的电频率是变化的，即为变频的。通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频控制的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量与发电机的容量相同，使整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其是对于大容量风力发电系统。2、交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统图4交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统系统如图

7、4所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子的频率f2，可使定子频率f1恒定，即应满足f1=pfm±f2（2）式中：f1--定子电流频率，与电网频率相同；fm--转子机械频率，fm=n/60；p--电机的极对数；f2--转子电流频率当发电机的转速n小于定子转磁场的转速n1时，即n＜n1处于同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网，式（2）取正号；当n＞n1时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能