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风机
控制系统
综述
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风机控制系统综述,风机,控制系统,综述
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风机控制系统综述赵益东1352735摘要风力发电发展始于20世纪80年代，发电能力最初只有几十个KW。现在，风机(Wind Turbine)在全球广泛安装，其发电能力已达到6 8MW，全球总装机量达到283GW以上。风力发电并网时电能的质量对电网有着重要的影响，为了使风机的电能适应并网的需求，先进的发电机、电力电子系统和控制方案在该领域被应用。本文将对风力发电机组的控制系统做一个简要的叙述，包括其系统结构、特点、成本和发展趋势等等。正文图 Error! Main Document Only. 风力发电机控制系统框图一、 系统结构及其框图 图片来自F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov，Power Electronics in Wind Turbine Systems， 1-4244-0449-5/06 2006 IEEE图 Error! Main Document Only.能量转换路径图风力发电机组的控制系统包括功率转换器件和控制器，在风力发电机和电网之间，功率转换器作为两者的接口。风机通过按照空气动力学原理设计的叶片来捕获风能，叶片将风能转换为叶片旋转的机械能。控制器通过发电设备和电网的反馈产生控制信号，控制桨叶执行机构和功率转换设备的操作。有一些风机未配备功率转换装置，通过桨叶控制、失速或主动失速等手段维持桨叶转速恒定，并配备无功补偿装置并网。风机的能量转换流程如图2，风能带动风机的桨叶旋转，从而带动齿轮箱驱动感应电机发电，发电机有同步式永磁电机、转子绕线电子，异步式笼式电机、无刷电机等等，齿轮箱旋转带动转子，转子通过电磁感应将机械能转换为绕组上的电能，绕组的电能通过电力电子设备变换为固定频率的交流或直流电能进行储藏或并网。图 Error! Main Document Only.一种配备无功补偿装置但无功率转换装置的风机发电系统二、系统特点风力发电技术的控制主要有定桨距失速调节型，变桨距调节型，主动定桨距调节型和变速恒频风电机技术等等。图 4 一种双反馈式感应发电风机(Doubly-Fed Induction Generator)的控制系统图3描述了一种未配备功率转换装置的风机系统，该系统通过桨叶攻角、失速或主动失速等手段维持转速恒定，通过无功补偿装置改善电能质量后，直接并网。图4描述了一种双反馈式感应发电风机的控制系统框图。在风速较低时，将风机的转差率设置为允许的最大值使得不会出现过电压。当风机达到标称的功率时，桨距角控制器做出动作来限制风机的功率输出。双馈式风机通过改变转子绕组的励磁供电电源的频率、幅值、相位等等实现变速恒频控制。流过转子回路的电能与转差率有关，仅仅是定子额定功率的一部分，这样使得电力电子设备的容量降低。该系统采用双PWM变换器实现变速恒定频率输出，通过控制双反馈电机转子侧的变换器，供给双反馈电机的励磁，并可以使之运行在最佳功率曲线上，网侧变换器保证良好的输入特性，使电流的波形近乎正弦，降低谐波污染，控制DC连接电压不变。这里的双PWM变换器可以实现能量的双向流动，根据能量的流动方向，两变换器在逆变器和整流器之间进行切换。当双馈电机亚同步运行时，转子从直流母线吸收能量，通过逆变器产生交流励磁，网侧变换器工作在整流状态。超同步运行时，与之相反，转子向电网馈电，两功率变换器作用交换，即:转子侧整流，网侧逆变。三、应用范围没有功率转换器件的风力发电机组通常应用于小功率发电的场合，且需要保证叶片转速恒定，其电能质量稍差，但由于功率较小对电网影响不大，另外此类机组因为简单，其可靠性也较高。上述的双PWM变换器也可以用在直驱发电机中，但是，双馈式异步风力发电机组中，功率变换器的容量小，而直驱电机采用全功率变流器，因此常常需要水冷。双馈式异步风力发电机组通过控制系统作用，允许原动机变速运行，并且达到最佳的功率捕获状态，其电能质量高，功率变换设备可以降低谐波污染，该套设备适用于大功率的并网风力发电机组，如丹麦的160MW离岸风机就采用了该技术。四、成本及经济性考虑小功率的发电场合，综合考虑成本和可靠性，配备简单无功补偿装置的风机比较适合。对于大功率场合，目前，1.5MW 的双馈异步发电机的价格约在￥10,000左右，但是，双馈式异步电机需要配有齿轮箱，齿轮箱的维护成本较高。此外，控制系统中的功率变换设备，如双PWM变换器多引自过国外技术和产品，价格较高。五、趋势2012年统计的数据显示，当年美国风电装机量达到13.1GW，中国达到13GW，欧盟达到11.9GW，这三个国家和地区占有全球市场的87%。从目前的趋势看，由于政策和能源形势的双重作用，风电还将获得很大的发展。截止目前，双馈式电机配备部分功率转换装置(Partial-Scale Power Converter)的配置在市场中仍占主导地位，但是在可预见的将来，配备全功率转换装置 (Full-Scale Power Converter)的同步式发电机将会取代其地位。事实上，在销量最好的风力发电设备中，配备全套功率转换器件的风机更加收欢迎。另外，绕线式转子和永磁式转子都有不同的应用，通过全套的功率转换器件，可以使得齿轮箱不再是必需的，这样可以获得成本上的优势，同时，电能支持电网的能力也可以获得提升。参考文献【1】F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov，Power Electronics in Wind Turbine Systems， 1-4244-0449-5/06 2006 IEEE【2】Frede Blaabjerg, Fellow, IEEE, and Ke Ma, Member, IEEE，Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems，IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS, VOL. 1, NO. 3, SEPTEMBER 2013【3】ISEL, DEEA, Seco de Economia e Gesto Rua Conselheiro Emdio Navarro, 1, 1950-062 Lisboa (Portugal)， Doubly Fed Induction Generator Systems For Variable Speed Wind Turbine【4】杜昕，双馈风力发电系统网侧变换器的实验研究，201
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