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双馈风力发电机运行原理及发电控制技术研究

2016-04-19 14:58:17来源:论文网浏览: 评论:0

  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,为供电网络提供稳定、可靠的电能输入。一般而言,这种控制技术适合于风力不大的地区。

  (2)模糊控制技术。这种技术属于智能化控制的范畴,一般是利用软件来模拟人类思维方式,依靠相关经验或处理办法来根据风力、风向的变化作出控制反应。这种情况下所得到的控制数据往往只是能够维持系统顺利运转的、接近系统最优值的一个合理值。所以,这种控制技术的应用状况对开发人员经验和预设的控制规则有明显的依赖性。这种技术一般适合于风力较大的区域。

  (3)直接转矩控制技术。这种技术的关键在于直接通过调控输入转矩,结合相关分析理论来控制发电机的运转状态。利用这种技术,可以在不进行复杂矢量建模和运算的前提下,直接出计算转矩参数,进而控制输出电能的参数及稳定性。

  当然,双馈式风力发电机的控制技术还有很多种,例如滑模变结构控制技术、H∞鲁棒控制技术等,由于文章篇幅有限,此处不再过多介绍。

  双馈式风力发电机融合了同步式与异步式两类发电机的优点,能够为供电网络提供稳定、可靠、高效的电能供应,拥有极为广阔的发展前景。随着制造工艺和相关控制技术的发展与优化,这类发电机必将在风力发电领域发挥更重要的作用。

 

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