論風力發(fā)電雙饋機組的變速仿真研究

史 毅

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械學(xué)院，南昌 330029）

0 引言

縱觀世界范圍，能源形勢不容樂觀，煤炭資源日漸匱乏，石油價格的不斷攀升，一方面可以看出全球?qū)τ谀茉吹母偁幦找婕ち遥硪粋€方面也看出能源在人們大范圍的使用中在不斷地減少，如何在不破壞地球原有的生態(tài)環(huán)境又能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)要求已經(jīng)擺在人們的面前，是一個非常普遍又現(xiàn)實的存在，而風能能很好地解決上述的兩個矛盾點，不僅資源存儲豐富，又能循環(huán)利用，同時在各國科學(xué)家的努力之下，風能生電的技術(shù)應(yīng)勢而生，在全球范圍內(nèi)得到了很好的應(yīng)用，性價比也非常的高，可以采用很少的資源滿足全球范圍內(nèi)人們的日常用電量，避免了對環(huán)境的污染，保護了生態(tài)，是一種非常實用的技術(shù)。

風能發(fā)電就是利用風輪收集風能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機械能，通過發(fā)電機將風輪收集的機械能轉(zhuǎn)變成電能，利用電網(wǎng)遠距離輸送。風力發(fā)電是由太陽能轉(zhuǎn)化而來，地球表面溫差引起空氣流動，具有一定動能，是清潔的、無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源。由于能源和環(huán)境等諸多問題的影響，風力發(fā)電的發(fā)展受到全球性的廣泛關(guān)注和高度重視。但是自然界的風，方向和速度經(jīng)常變化，使得風力發(fā)電具有間歇性，可控性不如常規(guī)性能源。

1 雙饋發(fā)電機組原理

風力發(fā)電就是利用風力帶動風車葉片進行旋轉(zhuǎn)，再通過齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度進行進一步地提升，故而帶動發(fā)電機達到發(fā)電的目的。風力發(fā)電系統(tǒng)主要由葉輪，機艙，偏航系統(tǒng)，傳動鏈，主軸，發(fā)電機，制動系統(tǒng)和槳距調(diào)節(jié)裝置等硬件設(shè)備組成，每一個部分都很重要。其中，葉片是具有空氣動力學(xué)外形，在氣流推動下產(chǎn)生力矩使風輪繞其軸轉(zhuǎn)動的主要原件，獲取風能并轉(zhuǎn)化為機械能。齒輪箱是將風輪轉(zhuǎn)速在高速軸側(cè)提高到滿足發(fā)電機需要的轉(zhuǎn)速。而發(fā)電機組在風力發(fā)電系統(tǒng)中至關(guān)重要，目前在風力發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的風力發(fā)電機組主要有三種類型，即固定轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機組、可調(diào)速的雙饋異步發(fā)電機組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組。

雙饋電機發(fā)電的主要原理就是利用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子，然后通過勵磁電流來達到控制變速時候的頻率，使之保持在一定的頻率上。在這個過程中，轉(zhuǎn)子電路的功率只相當于流勵磁電機發(fā)電中的轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率在整個過程中只占到很小的一部分，所以雙饋電機在進行運轉(zhuǎn)時消耗功率較小，降低了成本，同時不限制變頻器容量，故采用雙饋電機。在進行發(fā)電時，不但可以減低能耗，保證工作，同時在工作中創(chuàng)造效率，實現(xiàn)恒頻控制，且同時實現(xiàn)一對一的控制，起到了分擔電網(wǎng)工作量，穩(wěn)定電壓的效果。風力機的運行特性如圖1所示。第一個運行區(qū)域是啟動階段，此時電機增速，但沒有連接并網(wǎng)，故沒有功率輸出。第二個運行區(qū)域是風力發(fā)電機并入電網(wǎng)并運行在額定風速以下的區(qū)域。這一階段又可分為兩個區(qū)域：變速運行區(qū)和恒速運行區(qū)。第三個運行區(qū)域為功率恒定區(qū)。當風速增加時，通過變槳控制，從而保持功率不變。

圖 1 風力機的運行特性圖

2 雙饋電動機變速仿真

影響風能發(fā)電的因素有很多，其中風能的輸入功率，葉片的葉尖線速度都與之有著千絲萬縷的關(guān)系，如何更好地捕獲風能，提高風能的效率，同時減小機械應(yīng)力，是目前迫切需要解決低問題。

根據(jù)上述風力發(fā)電的基本原理，加上風力機的空氣動力學(xué)知，可以得出風力機的輸入功率為：

由于通過風輪旋轉(zhuǎn)面的風能不能全部都能被風輪吸收利用，其風能利用系數(shù)：

其中，v為風速，ρ為空氣密度，R為葉片半徑。

風能利用系數(shù)是表征風力機效率的重要參數(shù)，它與風速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。為了便于討論，定義風力機的另一個重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風速之比：

由不同風速下風力機輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以看到不同風速下風力機的功率轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇，每條曲線上最大功率點成為風力機的最佳功率曲線。風力機運行在Popt曲線上將會輸出最大功率Pmax其值為：

同時以雙饋風力發(fā)電機組的電機模型建模，以轉(zhuǎn)速ωee旋轉(zhuǎn)的同步坐標系下的等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路圖

根據(jù)原理對雙饋風力發(fā)電機組的電機模型進行建模，得到磁鏈和電壓的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，ψ、V、I分別為磁鏈、電壓、電流矢量，R、L為電阻及電感，下標s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子側(cè)分量，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，Lm為激磁電感。

同時當采用定子磁鏈定向（即同步坐標系的d軸定向在定子磁鏈矢量上）時，定子側(cè)的有功和無功可表示為：

且此時的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：

由上面的幾個公式中可以看出雙饋電機的定子側(cè)有功（或電磁轉(zhuǎn)矩）、定子側(cè)無功分別由轉(zhuǎn)子電流的q、d軸分量決定。

以16m/s風速條件下風機模型為被控對象進行仿真。由于風輪為一大慣性體，控制延時大，因此要求在控制超調(diào)量條件下響應(yīng)時間越短越好。風機模型中發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，最高轉(zhuǎn)速為1800rpm，其最大超調(diào)量為20%，為減少干擾信號帶來的誤差，本文設(shè)定最大超調(diào)量為10%。根據(jù)MATLAB中SIMULINK仿真模塊，建立如圖3所示的仿真模型圖。

圖3 實驗仿真圖

在本文中選取參數(shù)相同的規(guī)格的一組電動機進行仿真比較，在使用過程中，通過改變某些特定參數(shù)來進行比較，得到了結(jié)果如表1所示的實驗數(shù)據(jù)。

表1 仿真比較數(shù)值結(jié)果

如表1所示，電機組2的電動機最大超調(diào)量雖然比最優(yōu)控制提高3%，但響應(yīng)時間多了40.1%，在風力發(fā)電機組，電機組1這樣大慣性系統(tǒng)中起到更好控制效果。電機組2的電動機的轉(zhuǎn)子電流的q軸值值比較偏高，故相對于無功的需要量比較大，而電機組1相對于偏低，故整個動態(tài)過去需要量比較小，是可以控制的

同時從上面的分析也可以得到，在某一固定的風速v下，隨著風力機轉(zhuǎn)速的變化，風能利用高，從而使風力機輸出的機械功率也越大，因此轉(zhuǎn)速的變化會導(dǎo)致風力機捕獲風能的能力卻強，故電機組1的相應(yīng)時間小于電機組2的電動機，確實是提高了風能轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)束語

隨著二十一世紀的到來，各國對于資源的爭奪越來越激烈，而風能作為一種存儲豐富，對于環(huán)境的破壞相對較小的能源，成為了各國爭先研究的對象。現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)正形成一股應(yīng)用風能進行發(fā)電的研究熱潮，可靠風能不僅能降低污染，還不必擔心資源的枯竭，是一種可以循環(huán)利用的能源，當然在發(fā)展過程中也存在著不可以忽視的缺點，造成一些不必要的浪費，針對上述的情況，本文對于風能發(fā)電的雙饋電動機進行了研究，闡述其原理，且通過選取幾個有針對性的對比實驗參數(shù)，更從數(shù)值證明了本文提出的合理控制雙饋發(fā)電機組的變速的參數(shù)確實有比較高的實用價值。

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