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1、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来描述：PC =P / P(11)p m w其中：P为风力机吸收且输出的机械功率；P为通过浆叶输入风力机的功率。故系数C mwp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与风力机的一个重要运行参数叶尖速比A密切相关，如图I P1所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即入=RQ /V=
2、R2n n/(60V)(I2)式中R为叶轮的半径，Q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 p如图I 1所示。图I 1风力机的风能利用系数从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比A 下，风能利用系数才能达最大值C ，即 mpmax获得最大风能利用(捕获)。风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为：1P = P SV 3 C(I3)m 2P式中P为空气密度，S为风力机叶轮的扫掠面积，V为风速。对于一个确定的风力机，从不 同的风速和转速查得对应的C值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机 p输出功率和
3、风力机轴转速之间的关系曲线，如图12所示。可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点P ，对应于图11的最大风能利用系数C。将各个风速下的最大功maxpmax率点连接成线，即可得到最佳功率曲线P t,运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能 opt捕获，有最大功率输出PmaxP = kn3 二 kw 3(I 4)max式中n为风力机轴转速，3为风力机机械角速度。m由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。风力机按浆叶节距角调节方式分定浆距和变浆距两种类型。由于在极对数一定的情况 下，若要输出电能频率恒定，必须要求发电机作恒速运行，这样定浆
4、距风力机额定风速以下 恒速运行时只有一个风速对应于C点，输出功率最大，其他风速下C值偏离最佳值。即pmaxp使利用双速风力发电机也只能捕获两个风速下的最大风能，输出最大功率，比如图12中 两个风速：V=6m/s, V2=8m/s。变浆距风力机在额定风速下可作变速运行，控制风力机的 轴转速，使之始终跟踪最大风能曲线P t，从而在不断变化的风速下均能获得最大风能的捕 opt获和利用，这就是风力机变浆距、变速运行的基本出发点。随着风电机组单机容量的增大, 运行成本已被提到重要的地位，追踪最大风能以提高发电效率的控制方式才是风力发电的最 优发电方式。图12风力机的能量曲线2风力机最大风能捕获运行机制变
5、速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是:额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆 距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的 追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节 距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率 极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式, 也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最 大风能。为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控
6、制。本研究中，风电机组转速的控制 是通过调节发电机输出有功功率，从而调节发电机电磁阻转矩实现的。交流励磁变速恒频发电方案中采用双馈异步发电机，由由双馈发电机的功率关系可知:P1 0 , P 0，变频器向转子绕组2输入电功率；当电机处于超同步状态时，s 0, P ,$監11 1 1 11 1 1 111IJDS1, ?QO,nnV, 25,(a)n=1200r/min广厂g,1 1 11二11 1 1 11 1 1 1M1Kr1111(a)n=1650r/min(a)n=1500r/min图I 5亚同步、同步和超同步速下发电机转子励磁电流(a)n=1200r/min图16亚同步、同步和超同步速下发电机转子励磁线电压PMW波形111111111111AL .V X/ 7r.ZK：Z：.严、/ 、w 7 J；7 ?-1-U-i) TDS210.CH1 5 V 10 mS : ITDS21Q1.CH2. 5 .V ilfl.niS i .,.(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图17亚同步、同步和超同步速下发电机定子输出电压（上）和电网电压（下）从实验波形可以看出，它们的频率关系符合交流励磁变速恒频发电理论。
