双馈感应发电机系统变速风力发电机组

1、双馈感应发电机系统变速风力发电机组作者：Rui Melicio , V.M.F. Mendes摘要：本文介绍了一项研究，结果有关于一个能源系统的动态行为，该系统动力由 转子通过AC-AC变流器连接到电网的双馈异步发电机提供。研究人员提出了一种趋势，就是越来越多的风力涡轮机可以在世界各地被观 察到。此外，因为需要保护我们的栖息地，现在存在一些意识，就是关于将清洁 的环境要求放入考虑之中。可再生能源不会有助于增强温室效应，特别是风力发电，正在成为整个系统 的重要组成部分。因此，有关风能系统动态行为的研究，对于实现更好的认识是 重要的。关键词：风能，风力发电机，双馈感应发电机，交流，交流转换器。1、

2、简介风力发电在欧洲不断向前发展，跟随着的是2001/77/CE指令。国家和客户对 提供所需要的能源感兴趣，将清洁环境的需求放入考虑之中。可再生能源不会增 强温室效应，特别是风力发电，正在成为整体组合系统的重要组成部分。风能转换系统，WECS，研究集中在自治系统和风力发电并网连接系统。一个自治系统，直接向客户供应电力，该系统在输电线路交通不便的区域尤 其具有吸引力，但自治系统风力发电需要其它能源的补充，因为风是一种不可预 知的能量源。因此，它不能保证连续供电。然而，与电网联系着的系统具有这样 的优势，就是能确保连续供电，因为当风能不足以满足需求时电网能满足需求。变速风力发电机组与恒速风力发电机组

3、之间的对比表明，可变速率减少机械 压力：阵风可以被吸收，由塔背压引起扭矩和功率脉动的动态补偿。这种背压导 致显著的转矩脉动，其速度等于涡轮机转子转速乘以转子叶片数。在发电机转子 通过一个AC-AC变换器连接到电网的风能转换系统中，使用电磁双馈感应发电机 有以下优点：只有通过转子注入的电能才需要转换器的处理，这意味着更低的变流成本； 改进后的系统效率和功率因数控制可以以更低的成本实现，转换器只提供激 发能量。因此，近年来利用先进的电力电子技术，配备了双馈感应变速风力发电机组系统的风能转换系统是一对风能的最有效的配置转换。预计到2010年，葡萄牙将有3750兆瓦风力发电产生于政府的63/2003决

4、议。(表一)显示了2004年12月葡萄牙、马德拉群岛及亚速尔群岛已装入和正在建设 阶段的风能容量。葡萄牙的水力发电平均一年约占其发电总量的20.25%。同时，在葡萄牙， 风能约占其消耗的总能量的1.7%。这个总数数字仍然远没有达到按照指令 2001/77/CE确定的既定目标，能源生产总量的39%。表一：风电2004年12月风能转换系统葡萄牙马德拉亚速尔群岛总计保守值(MW)746. 00.01.8747.8实际设立(MW)505.59.65.3520.4葡萄牙的风能转换系统是并网系统，最近一年的统计显示，双馈异步发电机 系统是最近安装和正在施工建设阶段的风能转换系统的首选。本文介绍了有关研究结

5、果为由双馈感应发电机提供能量的风能供电系统的 动态行为，双馈感应发电机由于其优势，成为葡萄牙风能转换系统的首选配置。我们选择的案例，如图1所示，所研究的风能转换系统，由一个拥有可变速 双馈异步发电机的电网组成。图一双馈异步电机风能转换系统该系统配有控制器，即：沥青控制器，速度控制器和电压控制器。2、公式涡轮模型是基于以下几方面：涡轮机的机械功率是：Pm= 1 pnD2V3Cp(P，气)(1)其中？为空气密度，D是风机叶片直径扫过的区域，V是风速度，Cp本是功率系数， 我们认为他是这样定义的：Cp (。，2 =0.73(151Q 寸0.002 P - 13.2 e XXV i/这里气=110.0

6、35(X + 0.08 P ) 6 3 + 1)(2 )X为叶尖速比，P为转子叶片的俯仰角度，3是机械角速度。该功率系数函数 m（2），如图二所示参数化的俯仰角的功能。Tip speed ratio图二功率系数在较低的风速，俯仰角设置为空值，因为，最大功率系数得到了这个角度。因此，最大功率系数通过以下非线性数学计算程序计算：s.tr 1、=max 110 .23 一 0.11976 e T8.4G/X-0.003)弗JX河这里给出 C（0,X） =0.4412因为入opt=6.9只有当风的价值速度比额定风速更大时俯仰角控制操作。世界一半以上领先的风力涡轮机制造商使用双馈电磁感应发电机系统。这是

7、 由于这一事实，即电力电子转换器要处理的只有一小部分（20%-30% ）的总功 率，即滑动的功率。这意味着，如果速度是在各地同步转速的土 30%范围时，转 换器有30%的涡轮机额定功率等级，减少了电力电子变换器中的损失，相比一个 系统，其转换器有处理的总权力。此外，该转换器的成本变得低。双馈电磁感应 发电机已在风力涡轮机中已经使用了一段较长的时间。在过去，AC-AC转换器连 接到转子，由一个整流器和逆变器基于品闸管的桥梁组成。如今，AC-AC转换器 都配备了双定向的绝缘栅双极型品体管，连接变速双馈异步发电机的转子到电网 上。转子运动方程为：d3 r/dt=2Pa /（J3其中J是转动惯量，由于

8、旋转质量和P是转子加速机械动力。本文研究的案a例展示的是转子角速度在0.73 3 r0.3w区域。使用电动机惯例，双馈异步发电机的方程，如下：dA ds/dt=Uds-Rsids+3A qsdA qs/dt=Uqs-Rsiqs+3A dsdA dr/dt=Udr-Rridr+s3A qrdA qr/dt=Uqr-Rriqr+s3A 定定子电值所标注的下标为s,转子电值所标识的下标为r,U为电压，R是电阻，i是一个电流，A为磁通链。3是定子电气频率，S是转子转差率。磁通链这这样 定义的：A ds=Lsids+MidrA qs-Lsiqs+MiqrA dr=Lridr+MidsA qr=Lriqr

9、+MiqsLs，Lr和M分别是定子，转子漏感及定子和转子之间的互电感。定子和转子有 功功率是这样给出：Ps = 3/2(Udsids+Uqsiqs)Pj3/2(Udridr+%iP转子加速机械功率：Pa =Ps 弋 土我们忽略了机械损耗，由于小值通常达到这个损失。3、案例研究此次仿真的主要目的是评估双馈感应发电机系统对于大风的行为。我们认 为，风速变化如图3所示。日 IIIIIL0123456Fig. 3. Wind speed.t国图三风速由于风速变化导致的机械功率如图4所示012345 S 7Fig. 4. Mechanical power图四机械功率Fig. 5. Stator powe

10、r.图五定子电图5和图6分别显定子电和转子动力的运行状况。Fig. 6. Rotoi powerOOOOOOOOOOOOOOOO98765432t国图六转子功率图7显示了由于功率惯惯例，导致的通过差分定子电源的转子电力注入电网的输 出功率。1234567t间 Fig. 7. Output power图七输出功率图8显示了为了限制机械功率漂移而增加的相应的俯仰角。图八俯仰角图九涡轮转子速度图9和图10显示涡轮转子的速度和转子滑速。该风力涡轮机的额定功率为850千瓦，并且涡轮机的额定风速为11.4米/秒。 图3,意味着对于涡轮机而言，机械功率趋向于高于额定功率，但是由于倾斜角 度的控制，如图9,增

11、强的机械功率偏移被控制在适当的时候，如图4。随后，随 着风速的下降，机械功率降低，俯仰角返回空值。4、结论风力发电在欧洲不断向前发展，放松管制为风能转换系统提供了很好的投资 机会。因此，可以预计不久的将来，风力发电将是总发电组合中的一个重要组成 部分。由于电力电子学的进步发展，使用可变速的双馈感应异步发电机系统，通过 AC-AC转换器连接到电网是得天独厚的，这提高了功率效率转换。如果没有控制，在风力涡轮机中，由于风速增加超过额定风速，机械功率就 会超过额定功率。因此，风能转换系统操作是不可持续的，就是要面对的一个选 择。对于水平轴风力涡轮机，俯仰角控制是用来控制机械功率顶峰的一种方法， 在不停

12、止风能转换系统的情况下恢复正常功率。我们的案例研究表明，俯仰角的 控制可以限制机械功率的漂移，但是根据转子的转动惯量，反应需要时间来捕捉 正常操作条件。由于超同步发电机模式，这里转子的速度比定子的电气同步速度 大，滑动为负，转子向电网提供电能，此模式是一个非常高效的发电方式。相反， 如果滑动为正，转子接收来自电网的电能，但定子不断向电网提供电能，这是， 亚同步生成模式。参考文献：PETERSON ANDREAS,HARNEFORS LENNART,THIRINGER TORBJORN, “风力涡轮机 采用双馈感应电机当前控制评价方法” ,IEEE期刊.电力电子，卷20,页码 227-235,2005 年1 月.MULLER S,DEICKE M,DE DONCKER, RIK W. “双馈异步风力发电机发电机系统 “，IEEE行业应用杂志，马尤/俊昊德2002年.INEGI, Parques Eolicos em Portugal, Dezembro de 2004.SLOOTWEG J G，HAAN S W H,POLI