异步发电应用

非并网笼型异步发电机风力发电应用风能是空气在太阳辐射下流动所形成的，利用风能与其他能源相比有突出的优点：蕴藏量大，风能是太阳能的一种转换形式，是典型的取之不尽的可再生能源；无污染，在风能转化为其他形式的能源的过程中不会对环境产生任何有害气体和废料；分布广泛，就地取材，特别是用于生活在高原、岛屿、草原等运输能源不方便的地区使用；适应性强，发展潜力大。风力发低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选。发电机在风力发电系统中的关键设备，从独立和并网运行方式来看，主要有并网运行风电系统和独立运行的非直接并网风电系统两种。直接并网运行的风力发电机类型主要有鼠笼式异步发电机、双馈异步发电机、低速同步发电机等。非并网独立运行的与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。目前主要类型有永磁式直流发电简单、耐用、成本低、体积小、便于维护，在发生短路故障时可以自我保护；特别是随着电力电子技术和控制理论的进步，采用电力电子变换器代替传统电容器提供励磁，突破了电容器励磁调节困难的瓶颈，使笼型异步发电机在风力发电系统中的应用更具有吸引力。以一种3G移动通信基站的新能源供电方案为例，采用风光互补结构，目前均采用组合式机架电源系统，配在线浮充供电制的铅酸蓄电池组组成直流不间断供电系统，电网辅助供电，功率多在数千瓦。系统的组成见图1，主要设备为一个太阳能光电池阵列、一台风力发电机和与之匹配的蓄电池组，另外还有配套的控制器，与电网通过双向AC-DC变换器连接，当新能案可以明显提高供电系统的可靠性，并大大节省电能消耗。光伏板光伏板双向220VACAC-DC•中间直流母线池组直流负载[基站设备]MOSFET模块光伏发电控制器风力发电机控制应用于上述3G通信基站风光互补供电系统中的笼型异步发电机风力发电系统主要包括：风力机、异步发电机、蓄电池组和控制器等几部分。风力机带动异步发电机发电，输出的交流基站的功率大为减少，风力发电机的功率一般为数千瓦。异步风力发电机发电系统控制器硬件电路结构框图如图2中虚线框中所示，主要由以下几部分构成：①DSP主控单元；②由功率MOSFET构成的三相桥式PWM整流及其驱动保护；③检测和保护电路。下面对异步发电机及前述瞬时转矩控制策略在风力发电系统的应用进行简要介绍，主要介绍该系统的性能特点与仿真分析。池组PWM整流器驱动及其保护电路主控单元上位机检测和保护电路异步发电机转速信息控制器风轮机图2基站风光互补供电系统的异步风力发电系统硬件电路结构框图（1）风力机运行特性风力机的主要运行特性可用以下方程描述[31~33]：①叶尖速比与风能利用系数根据风力机的空气动力学特性，风力机输出机械功率可表示为：3AATpT为风轮扫掠面积[m2]，p为空气密度[kg/m3]；v为风速[m/s]。风能利用系数C，输出功率与C成正比，而C是叶尖速比λ的函数，λ可以表示为：ppp负负T为风力机角速度[rad/s]；n为风力机转速[r/min]。当桨距角β变化时，风力机的特性可用如图3所示的风能利用系数与叶尖速比的曲线关系来表示。叶尖速比λ从图2.2中可以看出，在C随着λ的变化过程中，当β一定时，pppp到最大值C的叶尖速比为最佳叶尖速比，记为λ。pmaxopt②最佳运行曲线m-Tp在某一风速下，风力机输出的机械功率随转速的不同而变化，存在一个最佳的转速，在该转速下，风力机输出最大机械功率，它与风速的关系是最佳叶尖速比关系；在不同的风速下，均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率，将这些最大功率点连接起来可以得到一条最大输出机械功率曲线，即最佳功率负载线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均风能追踪控制。不同风速下风力机的功率——转速特性曲线，如图4所示。i风力机输出功率P变桨距定桨距风力机输出功率P变桨距定桨距m风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性和调速装置，捕获的风能和风力机转速受到限制，同时考虑到风场中风速和风向的波动，风力机理论上的输出功率为： |2|0elwindTpwind当风速v低于额定风速v时，输出功率与风速三次方成正比；当风速v高于额定风速v而小于切出风速v时，输出功率等于额定风速，即恒功率输出阶段；当风速v高于切风能的获取将受到机组物理性能的限制。随着风速的增加，输出功率和机组转速将会先后达到电气上限和机械极限。对于定桨距风力发电机组，当风速接近额定点时，风能利用系数开始下降，超过额定风速，桨叶开始失速，风速升高，功率反而有所下降。而对于变桨距风力发电机桨距与定桨距风力机的输出功率曲线示意图。小型风电系统一般采用风能直接驱动异步发电机运行，定桨距控制。最大功率最大功率负载线风速额定风速风速图4输出功率与转速的关系曲线图5变桨距、定桨距风电机组功率曲线图Betz理论证明风能利用系数的理论极限值为0.593。它说明，风力机从自然风可以不予考虑[10]。本文采用如下的C(β,λ)模型：p_______=一__________________123i式中：T为风力机的机械输入转矩[N.m]。TT=pλTwindp=12TTTwindT析可以建立风力机数学模型，其框图如图6所示。Vβ负TT异步发电机作为控制系统中的一个环节，从工作原理看，其真正激励是三相励磁电流和转子角速度；响应是三相电压、三相有功电流和电磁转矩。而异步发电机的三相励磁电流与端电压又有固定的数学关系，于是，将三相励磁电流隐含，把三相电压、转子电角速度作为输入激励，三相电流、电磁转矩和内部的磁链作为输出响应，从而建立风力异步异步发电机的数学模型，建立Matlab仿真模型的方法与前图7非并网小型风力异步发电机系统仿真模型图7即为所搭建的系统仿真模型，从中很容易区分出电路部分与控制信号处理部分。三相变换器为MOSFET模块，连接三相异步发电机与直流侧，直流侧电容容量为22000μF，直流始阶段为异步发电机提供励磁电能，发电稳定后作为系统负载长期在线浮充。异步发电机的转电机控制模块根据发电机转速,运用一定的控制规律(如最大风能追踪策略),控制发电机的输出功率,实际为控制发电机的输出电流,因为直流侧电压由外电路蓄电池决定。控制器模块的其它输入信号分别为发电机的三相电流、定子磁链幅值与相位、定子磁链转速等，发电机的内核控制策略仍是前述的瞬时转矩控制，该策略在风力发电系统的应用在下节阐述。应用于风力发电系统的异步风力发电机与前述独立电源系统的异步发电机的一个显著不同之处在于原动机的差别：独立电源系统的原动机是功率强大的发动机，如航空发动机、战车内燃机等，其运行受发电机的工况影响不大，并且发动机也有其自身的速度调节环节，发电机的转速由拖动发动机决定；而风轮机动力特性则如前图3、图4曲线所示，风力发电未饱和的蓄电池、与大电网并联的并网逆变器。充分利用风能发出更多的电能的另一方面是减少发电过程中的损耗，主要是发电机的损耗，也就是要控制发电机运行于高效率状态。异步发电机在电力电子装置控制下，由于其电磁力矩与内部磁链均受控，在前述异步起动/发适应性修改，以满足风力发电运行的控制要求。最大追踪风能控制实质上就是对系统的功率风能追踪控制。发电机效率最优的本质是发电运行时电机的不变损耗与可变损耗相等，不变损耗与可变损耗主要反映为铁损耗与铜损耗，异步发电机由于其励磁可控，可以通过调整铁损耗和铜损耗的比重，使电机运行于最优效率之下，特别是在低风速运行工况下，提升发电机轻载运行效率，这对可利用风速较低的风能资源不丰富的地区，使风力发电的发电总量将最大风能追踪控制是目前国际上风电研究的热点问题，由于本课题中的效率最优控制是制存在如下方法[36]：直接的实现思想，在能够准确获取风速的前提下，具有很好的准确性和快速性。不过，它需p此在实际应用中受到一定限制。对速度控制而言，该方法省去了风速测量，具有较好的效果和更好的使用价值，在实际应用Δ此该方法获得了较多的应用。以上三种最大风能追踪控制方法均能和瞬时转矩控制相结合。以第二种功率控制算法为例，测量发电机转速（直驱型风轮机转速与发电机转速相等，非直驱型相差齿轮箱速比），根据风力机特性最优功率曲线得到该转速下发电机的最大吸收功率（输入功率），再根据电pp'LmPp2L,pPLl2l1m图8为异步发电机的功率关系图。由图易知，风轮机输出功率P通过轴系传递给发电T械损耗p和杂散损耗p基本是定值，变化不大，但是转子铜损耗不能直接获得，因为转算出发电机的转差率s(注意：发电状态下转差率s为负)，净机械功率与电磁功率的关系由求得异步发电机需要产生的、与风轮机输出功率相匹配的电磁功率P后，再除以发电机的磁链旋转角速度，即得到瞬时转矩控制算法所需的给定转矩T*，按照T*控制发电机电磁功率P为通过气隙传送到定子侧的那部分功率，还要去除消耗于定子铁芯的铁损p和消耗于定子电阻的铜损p后，余下的大部分才成为定子侧的有功功率输出P。发电机最后输出的电功率可以描述为：风力发电机在风速较小的工况下运行说明：由于风能与风速的立方成正比，当风速较低时，定的控制？这就是下文提及的异步发电机的效率最优控制策略。针对基于异步电机发电的独立运行小型风电系统应用瞬时转矩控制策略，转矩环给定转矩由最大追踪风能算法决定，磁链环给定将由发电过程的效率最优控制算法决定。通过恰近似相等，得到系统在此风速下的最优磁通给定Ψs。该方法控制思想简单，易于工难点在于最优磁通的计算，不过由于在最大追踪风能的算法下，不同转速下（风速下）电机工程实现。小于转速变化的机械时间常数，因此效率优化可以在稳态条件下进行。系统的最优磁链给定是在异步电机的稳态数学模型下得到的。异步电机的损耗包括铜与转速和电机视在功率的关系基本固定，与电磁功率无关，所以电机的效率最优控制主要是损主要为定子铁损。下面通过建立异步发电机的损耗模型，采用仿真的手段研究效率最优磁RsiLLqrqr一RriUdspfeLm+1drpΨdrUdriqr-R1iqrUULLLqrfemr图9考虑铁损时异步电机在同步旋转坐标系下的等效电路一。此处，依据铁损耗的产生机理，在异步电机T型电路的励磁绕组上，等效地并联一个铁损电阻，同步旋转坐标系下的等效电路如图9。采用并联铁损电阻的等效思想应用较为普50Hz）下对应铁损耗的电阻，在其他频Rfeffe50N在前一篇给出的异步发电机建模方法的基础上，本文采用两级M函数搭建模型，基本由图9所示异步电机在两相同步旋转坐标系下的等效电路，不难列写下述数学方程：dsdrdFedsdrdFe「i]「i]「u]「i]「i]「u]]R feL00-]R feL00-rL00-rLσr00sLfefeR0-0-sLL-mL-m feLLσrσrσσrσrσrfeLrrLσrR-rL0L0LσrLσrσrRLRrLrLσrσrσrRLRrLrLσrLLLmmL-R(L-L2)Lσrσr-σrσr-rLRRRRLLrLσrrL--LLLLσrσrσrσr|L01L01-___L0]T当电机在一定的转速和转矩条件下稳定运行时,电流在d、q轴的分量为直流电流，其「i]「i]i|u|iidriqriidriqri|0||0|即令L=0，L=0qsqs由此，将矩阵方程（3-17）整理可得稳态时异步电机的数学模型如式（3-19ds22i2-2RLii)22fer2i222ferL2Φ2L2Φ2rfesrfe)i2rfe把式（3-24）整理并代入方程（3-23）消去i，可得到总L2Φ2L2Φ2rfesrfe)rfeT2 在一定的负载转矩和转速条件下，将电机的总损耗关系式（3-25）对i求导，并令其等于零，整理可得电机总损耗最小时的关系式：δΣP 损=0常i4