基于双馈异步发电机的风力发电系统

基于双馈异步发电机的风力发电系统双馈异步发电机是一种绕线转子异步发电机功率等级通常在几百千瓦至几兆瓦之间定子只能将风力机功率传输给电网，流动是单向的转子回路中，功率流动是双向的转子传送的最大功率大约为定子额定功率的30%当实际风速比发电机额定转速低时，由于是变速运行，它比相同功率等级的定速风力发电系统可捕获更多风能系统可以在无需其他设备的条件下，向电网传输超前或滞后的无功功率这些特点使双馈异步发电机风力发电系统成为当前风电行业的最佳选择之一1双馈异步发电机的超同步和亚同步运行图为一个双馈异步发电机风力发电系统的机械功率与转差率s的特性曲线机械功率为负值时，双馈异步发电机工作在发电模式双馈异步发电机转速是可调的，所以通过最大功率点跟踪控制算法来获得最大风能当系统工作在系统功率-转速曲线的最大功率点时，发电机从机械轴上获得的机械功率和转速的三次方成正比上图所示的转速范围是，它对应了整个转速范围的58%，这个转速范围对于风力发电系统运行已经足够，这是因为发电机转子速度，变为额定速度的42%时，系统发出的功率为，仅为额定功率的7.4%当发电机发出的额定功率时，对应的额定转差率为-0.2，这表示系统工作的额定稳定工作点从动态特性看，转差率最高可运行至-0.3（大约为同步速度的30%以上），所以转子电路中的变流器按照能够满足定子额定功率的30%进行设计即可。根据转子速度判断，双馈异步发电机风力发电系统有两种运行模式，1）超同步模式，发电机工作在同步速之上2）亚同步模式，发电机工作在同步速以下。转差率在超同步模式时为负值，而在亚同步模式下为正值图示为双馈异步发电机风力发电系统中的功率流向，省略了转子回路谐波滤波器和电网侧变压器，以简化分析通过转差率是正值还是负值，可知道转子电路是从电网接受功率或输送功率到电网超同步模式下，系统从发电机轴获得的机械功率既可以通过定子回路，也可以通过转子回路传输到电网中，转子功率可通过转子回路的变流器，传输到电网，而定子功率可直接传输到电网，如果忽略发电机和变流器的损耗，系统传输到电网中的功率就是上图的机械功率亚同步模式下，转子可从电网中吸收有功功率，机械功率，和转子功率都是通过定子传输到电网尽管定子功率是和之和，但不会超过额定功率，因为在亚同步模式下，系统从发电机轴上获得的机械功率比起处于超同步模式要小。如果忽略损耗，系统传输到电网中的所有功率等于输入的机械功率并且亚同步模式下，发电机会发出更少的功率，因此变流器的功率等级应取决于超同步模式下的额定转差率或最大转差率，这时变流器将处理最大转差率，例如阵风使暂态过程中发电机最大转差率为，因此变流器需传送的功率大约为定子最大功率的0.3倍2双馈异步发电机的单位功率运行从转子侧变流器稳态等效阻抗入手分析单位功率因数下的双馈异步发电机风力发电系统的运行2.1带转子侧变流器的双馈异步发电机稳态等效电路为研究稳态特性，在等效电路分析中，转子侧变流器可等效为一个阻抗转子侧变流器等效阻抗折算到定子侧的转子侧变流器等效阻抗假定定子工作在单位功率因数状态，发电机气隙功率基于异步电机理论，气隙功率将8-4带入8-3中从8-5中得求解8-6得励磁支路两端电压定子电压和电流定子电压和电流相位差为180，双馈异步发电机工作在发电模式，定子功率因数为=1励磁电流转子电流转子电压从式8-12得在等效电路中折算会回原电路稳态电路的分析当转差率从+0.3变为-0.3时，转子电流增大，转子电压减小，转差率变为0时，转子电压为0，转差率为负时，转子电压继续增大超同步模式时，转子侧变流器等效电阻为正值，表明有正向功率从发电机转子流向变流器亚同步模式下，为负值，变流器向发电机转子传送功率2.2双馈异步发电机风力发电系统的转矩-转差率特性整个转子回路电阻是和之和，电抗是图示为一组运行在超同步模式、同步模式和亚同步模式下，双馈异步发电机典型的转矩-转差率特性，在不同的和下，可获得不同的转矩-转差率特性曲线运行上无论转差率正负，都工作在发电模式，向电网传输机械功率发电机的电磁转矩2.3双馈异步发电机风力发电系统在时稳态分析1sPF3超前和滞后功率运行发电机运行在超前或滞后功率下，定子电流为双馈异步发电机工作在0.95超前功率因数和滞后功率因数下，超同步模式和亚同步模式时变流器等效阻抗，一旦变流器等效阻抗确定，双馈异步发电机风力发电系统的稳态运行就可以获得所示为双馈异步发电机工作在超前功率因数0.95时，计算得到的变流器等效阻抗和转矩-转差率特性曲线采用滞后功率因数0.95时发电机的转矩-转差率曲线4双馈异步发电机风力发电系统定子电压定向控制4.1定子电压定向控制的原理发电机定子直接和电子相连，因此其电压和频率在额定运行状况下是恒定的，因此，双馈异步发电机非常便于使用定子电压定向控制（SVOC）4.2系统控制框图4.3双馈异步发电机风力发电系统的暂态特性4.4双馈异步发电机风力发电系统的稳态性能