风力发电技术专题论文

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上，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.Changingrotorpitchundervariablewindspeedcanregulatethepowercapture.Thedoublyfedgeneratorcanoperateinunder-synchronousspeedandsuper-synchronousspeedaccordingtothevariablerotorspeed.Usingthesimulatetools,wecangetthepowerconversioncurveofthewholewindgenerationset.Keywords:windgenerationset,variablespeedvariablepitch,doublyfedgenerator,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。目前，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，齿轮箱再把这种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。设Ｖ1为风轮前方远处的风速，Ｖ为通过风轮截面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：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：这个最大能量只有在工作中毫无损失的风轮即理想风轮中才能得到，并转变为风轮的机械能。我们取单位时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：这就是给出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，但贝兹理论中，没有考虑到不可避免的涡流损失，认为在高的叶尖速比λ＞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]其中：ρ：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中，风能利用系数Cp是叶尖速比和桨距角的函数，叶尖速比λ的定义：在叶尖速比λ在6～8的变化范围内时可以保持最佳，最佳值为0.4～0.5之间。考虑到机械传输的能量损失和传输效率，齿轮箱传输系统传输效率η1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出。转子侧励磁频率f2与定子侧电网频率f1满足关系式：双馈电机内的能流关系与转差率有关，根据叶轮转速范围，经齿轮箱传输到发电机，可以得出双馈发电机的转差s变化范围，计算依据：双馈电机与普通异步电机不同，不论在何种转速下，都能通过调节转子励磁电压、电流的频率、幅值、相位，使其工作在发电状态下，忽略掉定、转子的铜耗、铁损，可以认为原动机输入的机械能、励磁功率和发电输出电磁功率之间关系为[45]：发电机电磁转矩关系四、特性曲线以1MW双馈式变速恒频风力发电机组的设计为例，机组设计参数：额定功率1000kW切入风速2.5m/s额定风速12m/s切出风速25m/s叶轮半径31m齿轮箱传输比53.16传输系统效率0.93发电机参数：发电机转速范围700～1300rpm发电机额定转速1000rpm发电机额定功率1000kW发电机效率0.975定子侧电网电压/频率690V（线电压）/50Hz据叶片设计特性曲线如图3所示，叶轮在风速4～12m/s的范围内时，风能利用率Cp在0.4以上，能量捕获率较大，最佳值出现在风速5～8m/s的范围内，此时，叶尖速比变化范围为6～8。整个叶轮转速范围限制在13～24.5rpm范围内。图3：叶轮特性曲线（a,b,c,d,e）按照不同叶尖速比和桨距角下的风能利用系数CP值，根据前面所述，利用MATLAB的仿真工具计算整个机组的能量转换关系，能流关系和发电机励磁特性变化如图4、5、6、7、8、9、10、11、12、13所示.五、结论在此变速变距型风力发电机组中，额定风速以下，机组按照最大能量捕获、最大功率输出的方式运行，在此范围内，叶轮能量捕获效率最大，发电机输出电磁功率由原动机、转子励磁共同提供。额定风速之上，机组调节叶片桨距角，进入变距限速运行方式，风能利用系数迅速降低，叶轮捕获的机械功率基本维持不变，此时ｓ0，发电机超同步运行，这时，转子和定子都从原动机吸收能量。无论那种情况下，转子侧输出、输入功率始终保持为左右。本机组采用了变速变距型叶片和双馈发电机的结构型式，在转子励磁调节下，使发电机跟随叶轮的旋转，在何种转差下都能保持发电状态，功率、功率因数可调，控制灵活，同时由于其可以控制在发电机同步速之上运行，提高了发电效率。参考文献[1].廖勇杨顺昌交流励磁发电机运行及控制原理电工技术学报1997.10p21-25[2].倪受元风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性太阳能学报p12～p16[3].Y.D.SongandB.Dhinakaran“NonlinearVariableSpeedControlofWindTurbines”Proceedingofthe1999IEEEInternationalConferenceonControlApplications,p814～p819[4].变速恒频双馈发电机运行原理及稳态性能分析韦忠朝等华中理工大学学报1996.5p34-37最后，感谢叶老师这半个多学期的教学和指导。这期间学生我深深感受到了叶老师治学严谨，诚恳育人的工作作风，给自己留下了永久的记忆。这是自己选择这门课后除了学习到很多风电知识之外最重要的收获。课程论文格式要求（封皮的背面）：1．课程论文采用统一封面，以左侧为准装订成册。2．课程论文一律使用标准A4复印纸打印或使用标准A4复印纸手写稿形式上交。3．论文打印的格式要求：论文标题（使用隶书二号加黑；一级标题、二级标题、三级标题分别使用宋体三号、四号及小四号并加加黑）摘要、关键字（需使用宋体小四号）正文（使用宋体小四号，行距20磅）参考文献（使用宋体五号）