變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機基本原理綜述

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一、風(fēng)力發(fā)電機的運行特性

風(fēng)力發(fā)電機組可以進(jìn)行風(fēng)能、機械能、電能的轉(zhuǎn)換。風(fēng)能轉(zhuǎn)換機械能主要通過風(fēng)力機和它的控制系統(tǒng)來完成，機械能轉(zhuǎn)換電能是由發(fā)電機和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

當(dāng)額定風(fēng)速滿足不了時，風(fēng)力機則通過固定的槳葉節(jié)距角的控制來正常運行，如果要滿足轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化時，只需通過風(fēng)力機的反力矩來進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到最佳的葉尖速比；當(dāng)風(fēng)速較高時，變槳距的系統(tǒng)可以控制槳葉的節(jié)距角，而且只需通過機械的調(diào)節(jié)就能改變風(fēng)能的利用系數(shù)，從而能有效的控制風(fēng)電機組中速與功率的變化，將其控制在穩(wěn)定運行的范圍內(nèi)。DFIG就是通過上面兩個階段來完成控制。

Vw在不同的情況下，風(fēng)力的最大利用系數(shù)Cpmax只能對應(yīng)一個葉尖速比(λopt)，Cpmax范圍是：0.4～0.59，但由于風(fēng)向及風(fēng)速對風(fēng)力機的干擾，Cpmax實際在0.5左右的范圍內(nèi)。

實際上由于測量風(fēng)速的誤差要保證轉(zhuǎn)速和風(fēng)速相對應(yīng)是比較困難的。所以可以通過Cpmax和λopt來計算Pmax，公式：

Pmax=0.5ρπR2CP(λ,β)[(R/λopt)ωr]

理論上講，風(fēng)速與輸出的功率之間有密切的關(guān)系。一般功率會抑制所有的電力以及電力電子器件；轉(zhuǎn)速會抑制制所有的旋轉(zhuǎn)部件的機械強度。

二、DFIG的基本原理

雙饋風(fēng)機(雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組,DFIG),是由傳動裝置、轉(zhuǎn)子變頻器、異步發(fā)電機、風(fēng)輪機、變槳裝置等部分所組成。

DFIG的風(fēng)輪機的發(fā)電機是通過變速齒輪箱帶動的，是繞線式雙饋電機：其轉(zhuǎn)子通過變換器接入電網(wǎng)，定子則是直接并入到電網(wǎng)，傳輸功率可雙向流動。由于風(fēng)速和電機轉(zhuǎn)速不是固定的，可以控制轉(zhuǎn)子電流的f或調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，保證頻率的恒定。

雙饋風(fēng)機可以在最佳速比及最大功率點運行，所以具有效率高的優(yōu)點，并且變換器容量只需發(fā)電機容量的1/4-1/3，所以成本較低。

定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n1，勵磁電流在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為n2,轉(zhuǎn)差率s。轉(zhuǎn)子側(cè)的三相電流的相序由n-n1的符號決定：

(1)當(dāng)n>n1時，s>0，發(fā)電機的狀態(tài)為亞同步運行，轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生正相序的勵磁電流；

(2)當(dāng)n

(3)當(dāng)n=n1時，s=0，發(fā)電機的狀態(tài)為保持同步運行，此時轉(zhuǎn)子中的勵磁電流是直流電流，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)間沒有能量傳輸。

三、雙饋感應(yīng)發(fā)電機的控制

(一)雙饋感應(yīng)發(fā)電機的等值電路

DFIG的圓周內(nèi)分布著氣隙均勻的三相繞組，且轉(zhuǎn)子和定子都具有三相對稱的繞組，磁路和電路也具有對稱性。

(二)最大風(fēng)能追蹤

DFIG在交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用比較多。只要將低頻的三相交流電流接入發(fā)電機的轉(zhuǎn)子就可以實現(xiàn)勵磁，通過調(diào)整勵磁電流的三要素：幅值、相序、相位，可以保證輸出恒定的頻率電壓。此外還可以通過矢量變換的控制技術(shù)獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功和無功。要實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的追蹤控制需要通過調(diào)整有功功率從而控制風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速；此外還可以通過無功功率的調(diào)整來控制功率因數(shù)達(dá)到系統(tǒng)的動和靜態(tài)運行的穩(wěn)定的目的。

四、風(fēng)電場并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析

隨著電力系統(tǒng)中負(fù)荷或輸入功率的上升會引起系統(tǒng)的電壓崩潰。單憑風(fēng)電場自身不能控制動態(tài)電壓，所以需要電網(wǎng)提供風(fēng)電場無功功率，在發(fā)生嚴(yán)重故障時，電壓會失去穩(wěn)定，風(fēng)電場的保護(hù)會被機組切除掉，如果不能正常切除風(fēng)電機組，系統(tǒng)電壓將不能保持穩(wěn)定。

恒速風(fēng)電機組的靜態(tài)電壓穩(wěn)定：穩(wěn)定狀態(tài)運行時，隨著風(fēng)電場出力的增加，機端的母線電壓會降低，穩(wěn)定性也會下降。在暫態(tài)運行時，故障線路的切除會需要更多的無功功率，也會進(jìn)一步降低機端的電壓。

暫態(tài)電壓穩(wěn)定：隨著電壓的降低異步發(fā)電機的穩(wěn)定裕度也會降低。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)電機加速增加會吸收更多的無功，電壓穩(wěn)定性會降低。風(fēng)電場異步發(fā)電機暫態(tài)電壓失去穩(wěn)定時，會消耗更多的無功功率，需要輕型直流輸電中的換流站提供更多的無功功率給發(fā)電機，這樣風(fēng)電場側(cè)電壓能迅速得到恢復(fù)，異步發(fā)電機輸出的有功功率輸將能很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)故障消除后，利用有功功率的調(diào)節(jié)功能和風(fēng)力機槳距角控制器從而減小發(fā)電機的輸入機械功率這，這有利于異步發(fā)電機風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的提高，并且加速恢復(fù)故障后風(fēng)電機組的電壓。