【《双馈风机基本运行方式分析》2100字】

II双馈风机基本运行方式分析目录TOC\o"1-3"\h\u144双馈风机基本运行方式分析 1118871.1.1最大功率跟踪运行 1275001.1.2变速减载运行 2272891.1.3变桨减载运行 4最大功率跟踪运行包括DFIG在内的变速风机通常运行于MPPT模式，以最大化风能捕获效率。图2-4展示了DFIG运行于MPPT状态下的功率特性。图2-4双馈发电机运行特性如图2-4所示，可按照不同风速及转子转速将DFIG的运行状态分为四个阶段：1）启动阶段。当风机所受风速低于阈值时，风力机捕获的风能不足以提供稳定的发电条件，风机处于切出状态。随着风速的提高，风机转子转速将逐渐上升至切入转速，此时的风速为风机在该特定桨距角运行下的切入风速，对应图2-4中的AB段。2）功率爬升阶段。风机转子转速达到额定转速前，风机有功功率随风速的上升而增大。图2-4中BC段为最大风能捕获区，DFIG以MPPT状态运行，MPPT运行曲线BC为各风速下的最大功率运行点连接而来，此时风机保持最优叶尖速比运行，使得风能利用系数Cp维持在最大值不变，所以又称其为Cp恒定区。图2-4中CD段风机转子转速维持在其最大转速不变，因此称其为转速恒定区，此时风机输出功率还未达到换流器功率极限值，为保护风机转子，调控风机输出功率随风速上升快速增大以平衡其摄入的机械功率，直至达到风机极限稳定运行点D。3）功率恒定阶段。此时DFIG输出功率已达其极限值，若此时风速继续爬升，为确保风机转子运行安全稳定，需通过向上调整桨距角对风力机所摄能量进行卸荷。此时风机转子转速和输出功率被钳制在极限范围内，对应图2-4中的D点后段。4）脱网阶段。当风速超过风电机组的切出风速，此时无论采取何种控制都无法限制风机转子转速继续上升，严重威胁风电机组的安全，需将风机切出。至此可得DFIG并网时的全状态运行参考功率表达式(2-22)式中：ωmin、ωC、ωmax——风机转子最小转速、进入恒定转速区转速、最大转速；kopt——最大功率跟踪比例系数；Pmax——风机有功输出最大值。可以看到，在MPPT运行模式下，风电机组仅根据自身转速变化调节有功功率，而此时风机转子转速仅取决于其所处风况。即使系统频率受不平衡功率扰动，风电机组也不会产生惯性响应，因此需引入系统频率状态信息对风机功率进行调控，使其具备惯性响应能力。变速减载运行类似传统发电机组作旋转备用，为预留出一定向上调整的较稳定有功调节裕度，风电机组可以选择减载运行。即通过调整转子转速或桨距角，使DFIG转子偏离其最大功率跟踪点转速，运行在次优功率运行点上来置换有功调节裕度。由式（2-14）及（2-15）可知，在桨距角一定的情况下，风能利用系数主要受风机叶尖速比影响，而叶尖速比λ取决于风机转子转速和所受风速，其与风机转子转速的关系如图2-5所示。可以看到当风速一定，风能利用系数Cp随转子转速的提高先增大后减小。在前述阶段2）BC段中，风机沿最大功率跟踪曲线运行时，桨距角为0o，叶尖速比最优，风力机捕获风能效率最高。图2-5风机转速与风能利用系数关系图由图2-5可知，相对于最大功率运行状态，改变风机转速能减小风能利用系数，使风电机组偏离MPPT运行轨迹，牺牲部分发电效率置换出有功备用。图2-6展示了DFIG变速减载运行的原理。图2-6双馈风机变速减载运行示意图变速减载运行是由风机换流器控制执行的，通过调制励磁电流实现，仅在转入减载运行状态时产生的转子转速调整给风机传动系统带来的机械磨损可忽略不计。通常，风机运行于MPPT模式下的最优转速，例如对应图2-6中点I。改变风机转子励磁电流大小或直接削减由当下风速推算的MPPT最优功率输出指令可以改变转子转速，前者能使风机运行点偏移至图2-6中的点II或点III，而后者仅能让风机运行点向点III偏移（由式（2-19）可知，由某风机平衡运行出发，当风机输出功率下调低于其摄入机械功率时，风机转子转速将指定向上偏移），双馈风机运行于II，III两点的减载率相同，均为d%。当风机运行于点II，系统发生频率跌落时，为支撑系统频率，风机控制器给出的参考有功功率将大于所处运行点摄入的机械功率，使得风机转子转速下降，若风机惯性控制器持续施加较大功率输出指令，循环往复，将可能致使风机失速切机。当然反之，当系统发生过频现象，相同条件下（如桨距角）减速运行点II较超速运行点III具有更大的不平衡能量吸收能力。但考虑到系统过频现象的处理方式相对更可行（例如让系统内发电单元减少能量捕获、减载即可，包括调制光伏电压运行点，增大风机桨距角等），同时风机减速运行可能会带来小干扰稳定性问题[34]，而风机超速运行于点III的可释放转动惯量更大，转子转速安全运行裕度更高，因此一般建议风电采用超速运行方式进行减载功率备用。变桨减载运行风机变桨系统主要通过改变叶片攻角继而改变风机所受力矩来实现对风机功率和转速调节。在风机运行过程中，桨距角控制主要通过调节叶片至顺桨去除过剩功率作确保机械部件不过载的底线维稳控制。除此之外，变桨的目的还包括调控风机输出功率和转速为给定值。变速风机按照其变桨执行机构不同又分为电动变桨和液压变桨，其中电动变桨因其适应能力强、精度高、响应快、清洁无泄露、结构简单、维护方便等优点成为主流。目前国内大多数风机组装企业和国外的GEWind、Enercon、Siemens等均采用电动变桨风机[50]。但即便如电动变桨，桨距角的变化归根到底仍是由机械传动实现，响应速度较慢，并且风机服役周期会因变桨调节带来的磨损而缩短，增加风电场运维成本。图2-7风能利用系数与桨距角、叶尖速比关系示意图Cp