變速恒頻風力發(fā)電自動控制系統的設計

葉金海

（浙江紹興文理學院 元培學院，紹興 312000）

變速恒頻風力發(fā)電自動控制系統的設計

葉金海

（浙江紹興文理學院 元培學院，紹興 312000）

本設計簡單介紹了變速恒頻風力發(fā)電系統的自動控制，按照相關文獻的介紹，首先闡述了變速恒頻風電技術的優(yōu)點，論述了當今變速恒頻系統對風力發(fā)電有重要的促進作用。其次簡單分析了變速恒頻風機的工作原理，最后從控制角度分析了風力機的自動捕風原理，通過對其數學模型以及曲線的分析，了解其工作的基本步驟，以及如何實現自動捕風的過程。通過對上述內容的整理逐漸形成本篇論文設計。

變速恒頻；數學模型；風力機；自動控制

1 概述

當今社會，能源短缺和環(huán)境污染問題影響著社會的可持續(xù)發(fā)展，可利用化石能源不能滿足日益增長的電力需求，為此需要大力發(fā)展清潔能源，而風能作為清潔可再生能源，并且我國也就有豐富的風力資源，因此發(fā)展風力發(fā)電具有不容忽視的戰(zhàn)略意義，同樣有效利用風能發(fā)電是當今世界關注的焦點。

隨著風力發(fā)電機組的容量變大，有效的提高發(fā)電機組的運行效率成為風能利用的潮流，對于此類要求，變速恒頻自然成為不容忽視的手段。

1.1 風電發(fā)展概述

太陽輻射到地表導致不同的溫度差，進而形成風。隨著化石燃料的利用，風能也越來越引起人們的重視。據相關估計，全球風能總量約為3億兆瓦，，但是可以利用的風能約占總量的1%，相比于水電，這是非常巨大的能量儲存。對于我國來說，風能資源非常豐富，據不完全統計我國可以利用的風能資源在2.53億千瓦，這相當于約1000座百萬瓦量級發(fā)電站，因此風能作為清潔能源越來越受到世界各國的重視，基于風能發(fā)電的各項研究也相繼展開。

我國風力發(fā)電起源于50年代末的布篷式風車，在80年代更是得到了迅速的起步發(fā)展。例如80年代初，我國生產的10KW容量以下的風電機，大大解決了相關居民生活用電情況，對發(fā)展有很大的作用。而現在，新疆、內蒙、山東等沿海省份更是確立了相關性的風電場，對我國的風電發(fā)展起到巨大的促進作用。

1.2 風力自動發(fā)電的發(fā)展現狀

各國對風能的重視體現了風電機組的裝機容量不斷增大，與此同時，風電發(fā)電設施更是逐漸形成了水平軸、上風向、三葉片、管式塔的統一格局。特別是隨著自動控制系統、電力電子技術、計算機技術等相關技術的飛速發(fā)展，風能發(fā)電更是取得了一系列的成就，這主要體現在以下幾個方面：

1）風電發(fā)電機組的裝機容量不斷增大，這更適用于用戶的需求，進而節(jié)省陳本；

2）為避免定槳距調節(jié)方式中的超過額定風俗發(fā)電機組的功率下降的缺點，變槳距代替定槳距調節(jié)，這樣就能最大程度的利用風能；

3）風電更趨向于變速恒頻，相比于傳統的恒速恒頻這大大提高了發(fā)電效率，節(jié)省了成本；

4）在無齒輪箱中大多采用直驅方式，提高傳輸效率，將風力機的輸入機械轉矩最大程度的轉化為電機的機械能。

1.3 本設計所研究的內容

本設計按要求完成“變速恒頻風力發(fā)電自動控制系統的設計”，具體研究內容如下：

1）變速恒頻風力發(fā)電系統的優(yōu)勢；

2）變速恒頻風力發(fā)電系統的基本原理以及結構組成；

3）從實現自動控制的角度論述了風力機運行特性，風力機的自動追風原理以及風力機的數學模型。

在設計當中，獨立完成論文的相關要求，按照變速恒頻的原理實現風力發(fā)電自動控制，同時本文也參考了相關的文獻資料，按照國家標準、相關技術規(guī)程以及工程實例進行設計分析。

2 VSCF風電技術的原理

2.1 VSCF風電技術的發(fā)展優(yōu)勢

根據發(fā)電機的控制技術和電機運行狀況，風電技術可以分為：CSCF技術（恒速恒頻技術）和VSCF技術（變速恒頻技術）。對于風力發(fā)電來說，VSCF具有不同于CSCF的發(fā)展前景和優(yōu)勢，也就是說VSCF更適用于風力發(fā)電，總的來說，可以概括為下面幾個方面：

1）基于風能的種種特性，例如風力不穩(wěn)定、時間性差別較大等相關因素的影響，怎樣使風力機最大效率的利用風能轉化為電能使用這是應該首要關注的。CSCF風電技術只是單純的設定好相應的同步轉速，但是當風速轉變的時候，風力機的利用率就會大打折扣，效率降低，造成成本升高；而VSCF風電技術則是根據風力風速的大小適當調節(jié)風力機的轉速，根據最優(yōu)化理論，將風力機工作限定在最優(yōu)運行方式，在很大程度上降低了成本。

2）相比于CSCF技術，VSCF風電技術更容易與電網相耦合，這樣就減少了相應的技術手段和避免相應的麻煩。

2.2 基本結構組成

VSCF風電系統的結構描述為：在風能到達一定的密度之后，通過風扇的轉動將風能轉化為機械能，扇葉的轉動帶動了齒輪箱的運轉，實現機械能的傳遞，齒輪箱的帶動發(fā)電機轉子在勵磁磁場中運作，實現由機械能向電能的轉化，最后在定子繞組中產生感應電流，通過電網實現供電。基于上述理論，我們可以得出變速恒頻風電系統的基本組成包括：風電機、DIFG、變頻器和主控制器，具體如圖1所示。

2.3 變速恒頻系統的發(fā)電原理

變速恒頻系統中的DIFG結構類似于繞線式感應電機機，對于DIFG來說，定子并入電網，電機的轉子繞組通過頻率、相位、幅值均可調的電源供給三相低頻勵磁電流。在三項低頻勵磁電流的激勵下，轉子繞組中會出現一個低速旋轉的磁場，這時定子磁場的磁場同步轉速等于低速旋轉磁場的轉速與轉子機械轉速之和，即

圖1 DIFG風電機組結構圖

式中，w1是定子繞組產生磁場的磁場同步轉速；

w是轉子的機械速度；

w2是轉子繞組產生的低速旋轉磁場的轉速。

基于上式，由于存在低速旋轉的磁場致使發(fā)電機定子繞組中感應出同步轉速的工頻電壓，也就是說風速變化引起發(fā)電機轉速變化的時候，自動控制系統會相應改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的轉速來平衡電機轉速的變化，進而實現了變速恒頻的要求。舉例來說，當發(fā)電機轉速低于同步轉速時，發(fā)電機處于亞同步運行，也就是說變頻器向發(fā)電機轉子提供正相序勵磁，此時w1＝w＋w2；而當發(fā)電機轉速高于同步轉速時，發(fā)電機處于超同步運行，此時w1＝w－w2；當發(fā)電機轉速等于同步轉速時，發(fā)電機處于同步運行狀態(tài)，變頻器向轉子提供直流勵磁，此時的轉子機械速度為0.通過上述的調節(jié)達到恒頻的目的。

雙饋發(fā)電機之所以能進行變速運行是在交流勵磁變速恒頻發(fā)電的基礎上。對于有功功率和無功功率的獨立調節(jié)，可以采用矢量控制方式。根據矢量控制技術的原理，調節(jié)風機的轉速，進而調節(jié)最大風能的利用，實現有功功率的調節(jié)；調節(jié)電網的功率因數，即調節(jié)風電機組及相關點網絡的動、靜態(tài)運行穩(wěn)定性，實現無功功率的獨立調節(jié)。通過有功功率和無功功率的獨立調節(jié)實現變速的目的。

總的分析以上結論就不難推導出DIFG的變速恒頻的工作原理。

2.4 風力機“自動捕風”的分析研究

2.4.1 風力機的運行特性

風力機作為風力發(fā)電系統中的原動機，它通過扇葉將風能轉化為機械轉矩，之后再傳給發(fā)電機產生電能。因此，對于風能最大化的利用前提就是風力機能自動的適應風的變化，這直接影響到整個風電系統的可靠性運行。根據相關公式可得，風力機的輸入功率為：

式中：r是空氣密度，取值范圍介于1.25～1.29Kg/m3；

R是風輪半徑，單位為m：

V是風速，單位為m/s。

但是，風力機也具有一定的效率，即有個利用率常數K，故風力機的機械輸出功率為：

根據上述公式來看，對于風力機的有效利用只有適當的提高K值，就是提高風機的利用率，這樣才會提高風力機的工作效率。K值與風速、扇葉轉速、扇葉半徑、漿液節(jié)距角均有關系，特別是葉尖速比λ。根據VSCF風電技術更多的是利用變槳距，這樣在很大的程度上就增大了利用率，如圖2所示變槳距風力機特性曲線。

圖2 所示變槳距風力機特性曲線

2.4.2 VSCF風電技術自動追尋最大風能原理

最大風能追蹤體現了自動控制的基本思想，不在人或者間接有人干預下從而有效的進行操作生產。只有計算出交流勵磁發(fā)電機的參考輸出有功功率P，根據相關公式準則，實現在最大風能追蹤。

首先VSCF風電系統有最大的輸出功率，這樣的話就有：

具體原理可以綜述為如圖3所示：如果風速在風力機的穩(wěn)定運行在A點處，風力機穩(wěn)定運行在w1。如果某個時刻風速升到V2，由于風力機的轉速不能突變，所以根據曲線所示就會有一個漸變過程。到達另一個穩(wěn)定狀況之前首先移動到B處，此時轉速不變，但是輸出的功率變大。到達B點之后，輸出功率也迅速增大，發(fā)電機的輸入轉矩也迅速增大，由于轉矩增大，相應的轉速也會增大（轉速正相關于轉矩），隨著轉速的增大，達到一定的程度之后，轉矩平衡，轉速也就固定在定值w2，即C點，到達新的平衡狀態(tài)，這也就實現了風能的自動追捕。

圖3 最大風能追蹤原理

2.4.3 風力機的數學模型

風力機的數學模型就是用風力機的輸出功率Pm來表示風速的的函數，通過數學模型的構建，可以很清晰的得出輸出功率Pm在不同風速下的取值，具體如下所示：

式中：

v是風速，單位為m/s；

vin，vp，vout分別是風力機啟動風速，額定風速和切出風速，單位均為 ；

Pp是風力機額定功率，具體單位根據風力機的參數設定。

3 結束語

本文從自動控制的角度分析了變速恒頻風力發(fā)電技術的核心內容，對于風力機的自動補風進行系統性的分析，圍繞如何實現自動補風，本設計從數學模型、函數圖像角度進行分析，從而得出實現補風的自動化研究。風力機的自動補風對于變速恒頻風電技術有重要的促進意義，風力機的最大程度的有效利用可以減少風電的成本、相對性的提高裝備的使用壽命，從而對社會的發(fā)展進步具有重要的意義。

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The design of VSCF wind power generation system

YE Jin-hai

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0133-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).42

2011-01-17

葉金海（1988－），男，浙江湖州人，本科，研究方向為計算機應用。