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交流励磁发电机变速恒频运行原理.doc
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交流励磁发电机变速恒频运行原理.doc
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交流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﹑不稳定性特征的动
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收一部分,可用风能利用系数 C
p
来描述:
C
p
=P
m
/ P
w
(Ⅰ—1)
其中:P
m
为风力机吸收且输出的机械功率;P
w
为通过浆叶输入风力机的功率。故系数 C
p
反映了风力机吸
收利用风能的效率。
风力机的风能利用系数 C
p
与风力机的一个重要运行参数叶尖速比λ密切相关,如图Ⅰ—1 所示。叶尖
速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比,即
λ=RΩ/V=R2πn/(60V) (Ⅰ—2)
式中 R 为叶轮的半径,Ω为叶轮旋转的角速度,n 为叶轮的转速,V 为风速。
风力机的风能利用系数 C
p
与叶尖速比密切相关,风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图Ⅰ—1 所示。
能捕获的关键是控制风力机转速。
风力机按浆叶节距的磁链分量分别为:
Ψ
m1
=
Ψ
1
,
Ψ
t1
=
0
。忽略发电机定子电阻,发电机感应电动势
E
1
等于定子侧端电压
U
1
。因为
1
E
�
落后于
1
�
�
90°,故
1
E
�
和位于 t 轴的负方向,从而有
U
m1
=0,
U
t1
=-
U
1
关系
。
忽略定子电阻时发电机电压和磁链方程为
[9][13][24]
式中 L
s
,L
r
,L
m
为发电机定、转子等效自感和互感;r
2
为转子绕组电阻;I
m1
,I
t1
,I
m2
,I
t2
为定、转子电流
的 m、t 轴分量;
ω
1
,
ω
s
为同步角速度及转差角速度;p 为微分算子。从(Ⅱ—1)式可看出,不计定子电
阻影响时,发电机的定子磁链
Ψ
1
为常数,其值为定子电压与同步角速度之比。
�
�
�
�
�
�
�
�
�
���
���
�
�
22222
22222
1
1
1
1
0
msttt
tsmmm
pIrU
pIrU
p
U
���
���
�
�
�
(Ⅱ—1)
�
�
�
�
�
�
�
�
�
���
���
�
��
212
212
12
112
)(
1
trtmt
mrmmm
t
m
s
t
ms
m
m
ILIL
ILIL
I
L
L
I
IL
L
I
�
�
�
(Ⅱ—2)
2
2.发电机矢量变换控制系统
按 U
m1
=0,U
t1
=-U
1
关系,发电机的功率方程为
可以看出,有功功率 P﹑无功功率 Q 分别与定子电流在 m、t 轴上的分量成正比,调节转矩电流分量 I
t1
和励磁电流分量 I
m1
可分别独立调节 P 和 Q。
由前面发电机的电压和磁链方程可以导出
其中
2m
U
�
﹑
2t
U
�
是分别与 I
m2
﹑I
t2
具有一阶微分关系的电压分量,
△
U
m2
﹑
△
U
t2
为电压补偿分量。即
其中:a=-L
m
/L
s
,b=L
r
-L
m
2
/L
s
。
2m
U
�
﹑
2t
U
�
为实现转子电压﹑电流解耦控制的解耦项,
△
U
m2
﹑
△
U
t2
为消除转子电压﹑电流交叉耦合
的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后,既简化了控制,又能保证控制的精度和动态响应的
快速性。
按(Ⅱ—1)式~(Ⅱ—6)式可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统框图,如图Ⅱ
—2 所示。
�
�
�
��
��
11
11
m
t
IUQ
IUP
(Ⅱ—3)
�
�
�
��
�
�
��
�
�
222
222
ttt
mmm
UUU
UUU
(Ⅱ—4)
�
�
�
��
�
��
�
222
222
)(
)(
tt
mm
IbpRU
IbpRU
�
�
�
���
���
212
22
msst
tsm
IbwawU
IbwU
�
(Ⅱ—5)
(Ⅱ—6)
图Ⅱ—2 变速恒频风力发电机矢量控制系统框图
3
系统采用双闭环结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。在功率环中,有功功率指令 P*按(Ⅰ
—6)式计算得到,无功功率指令 Q*可根据电网对无功功率的要求计算,也可从发电机的功率消耗角度来
计算
[2]
。指令 P*﹑Q*与功率反馈值 P
、Q 进行比较,差值经 PI 型功率调节器运算,输出定子电流无功分
量及有功分量指令 I
*
m1
和 I
*
t1
。I
*
m1
和 I
*
t1
按(Ⅱ—2)式计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令
I
*
m2
和 I
*
t2
,I
*
m2
和 I
*
t2
和转子电流反馈量比较后的差值送入 PI 型电流调节器,调节后输出电压分量 U
m2
ˊ﹑U
t2
ˊ,加上电压补偿分量就可获得转子电压指令 U
m2
*﹑U
t2
*,旋转变换后得到发电机转子三相电压控
制指令 U
a
*﹑U
b
*﹑U
c
*。
系统所采用的定子磁链观测器为较为实用的 u-ω型磁链观测器,其运算关系如图Ⅱ—3 所示。由于发
电机定子磁链矢量
1
�
�
超前于定子端电压矢量
1
U
�
90°空间角,若电压矢量
1
U
�
相角为
θ
u
,则定子磁链矢
量
s
�
�
的相角
θ
s
为
定子磁链矢量
s
�
�
的幅值
Ψ
1
可根据(Ⅱ—1)式求出。
3.变速恒频风力发电系统运行仿真
(1)仿真参数
三相绕线式异步发电机
四极,额定功率 2.1kw
额定电压 220V/额定频率 60Hz
定子电阻 r
1
和漏感 L
1σ
分别为 0.435ohm,2mH
转子电阻 r
2
和漏感 L
2σ
分别为 0.816ohm,2mH
互感 L
m
=69.31mH
转动惯量 J=0.089 kg·m
2
风力机
浆叶半径 R=2.3m
额定功率 2.2kw
最佳风能系数 C
pmax
和最佳叶尖速比λ
opt
分别为 0.43 和 9
变速齿轮箱
增速比 K=7.846
(2)风力机模型
风力机模型如图Ⅱ—4 所示。输入为角速度
ω
m
和风速 v,输出为驱动转矩
T
L
。
��� 90
us
��
(Ⅱ—7)
图Ⅱ—3 u-ω型定子磁链观测器
图 Ⅱ—4 风力机模型结构
4
设空气密度
ρ=
1.25kg/m
3
,无功功率参考值 Q*=350w。由于风力机与发电机轴间通过一增速比
N=7.864 的变速齿轮箱连接,故发电机角速度
ω
r
和风力机角速度
ω
m
关系为
ω
r
=
Nω
m
=7.846
ω
m
。对应风速 v
的发电机理论最佳角速度
ω
ropt
为
假定第 10 秒时风速由 4m/s 升至 6.8m/s,按上式得到两风速下发电机的理论最佳转速分别为 122.8rad/s
和 208.7rad/s。
(3)仿真结果
在仿真中采用空载并网方式并网(详情参见第三部分),并网前,发电机空载运行角速度为 167.5rad/s,
0.5 秒时刻并入电网。
·图Ⅱ—5 风速变化时发电机转速调节的过程。第一次调节是从并网时刻的 167.5rad/s
开始,5 秒后转速达到稳定;第二次调节开始于风速发生阶跃的 10 秒时刻,在 15 秒时刻转速趋于平稳,
调节后两个最佳角速度分别稳定在 122.6rad/s 和 207.92rad/s,与理论计算值非常吻合。
·图Ⅱ—6 和图Ⅱ—7 追踪最大风能过程中发电机和风力机功率和转矩的调节过程。
v
v
RN
v
opt
ropt
7.30
846.387.2
*9
���
�
�
图Ⅱ—7 发电机输出有功功率 P
1
和风力机输出机械功率 P
m
图Ⅱ—5 风速 v 和发电机角速度
ω
r
图Ⅱ—6 发电机的电磁转矩 T
e
和风力机拖动转矩 T
L
5
·图Ⅱ—8 发电机定子电流波形。在最大风能追踪控制下,发电机输出有功功率相应地变化,在电
网电压恒定情况下表现为定子电流的幅值相应地变化,整个过程中定子电流频率始终保持恒定(60Hz)。
·图Ⅱ—9 转子电流的变化过程。随着发电机转速的变化,转子电流频率相应地变化,转速过同步
点时其频率为零
。
·图Ⅱ—10 发电机定子侧的输出功率功率。随着风速的变化发电机输出有功功率P相应变化的时候,
无功功率Q不受其影响,保持设定的 350Var 不变,实现了 P 和 Q 的解耦控制
·图Ⅱ—11 追踪最大风能过程中发电机转子侧功率 P
2
的流向的变化。当发电机亚同步速运行时,
P
2
>0,表示功率从电网流向发电机;超同步运行时时,P
2
<0,表示功率从发电机流向电网,采用功率可双向
流动的双 PWM 变频器作为发电机转子侧的交流励磁电源,不但改善了电能的质量,而且很好地解决了发
电机运行在亚同步和超同步转速下的功率流向问题。
图Ⅱ—10 发电机输出有功功率 P 和无功功率 Q
图Ⅱ—9 发电机转子电流 i
2
图Ⅱ—8 发电机定子电流 i
1
图Ⅱ—11 发电机转子侧有功功率 P
2
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