變速恒頻風(fēng)力發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉金海

（浙江紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，紹興 312000）

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉金海

（浙江紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，紹興 312000）

本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)控制，按照相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，首先闡述了變速恒頻風(fēng)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，論述了當(dāng)今變速恒頻系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電有重要的促進(jìn)作用。其次簡(jiǎn)單分析了變速恒頻風(fēng)機(jī)的工作原理，最后從控制角度分析了風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)捕風(fēng)原理，通過(guò)對(duì)其數(shù)學(xué)模型以及曲線的分析，了解其工作的基本步驟，以及如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕風(fēng)的過(guò)程。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的整理逐漸形成本篇論文設(shè)計(jì)。

變速恒頻；數(shù)學(xué)模型；風(fēng)力機(jī)；自動(dòng)控制

1 概述

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

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

1.1 風(fēng)電發(fā)展概述

太陽(yáng)輻射到地表導(dǎo)致不同的溫度差，進(jìn)而形成風(fēng)。隨著化石燃料的利用，風(fēng)能也越來(lái)越引起人們的重視。據(jù)相關(guān)估計(jì)，全球風(fēng)能總量約為3億兆瓦，，但是可以利用的風(fēng)能約占總量的1%，相比于水電，這是非常巨大的能量?jī)?chǔ)存。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，風(fēng)能資源非常豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)可以利用的風(fēng)能資源在2.53億千瓦，這相當(dāng)于約1000座百萬(wàn)瓦量級(jí)發(fā)電站，因此風(fēng)能作為清潔能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，基于風(fēng)能發(fā)電的各項(xiàng)研究也相繼展開。

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電起源于50年代末的布篷式風(fēng)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(guó)生產(chǎn)的10KW容量以下的風(fēng)電機(jī)，大大解決了相關(guān)居民生活用電情況，對(duì)發(fā)展有很大的作用。而現(xiàn)在，新疆、內(nèi)蒙、山東等沿海省份更是確立了相關(guān)性的風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用。

1.2 風(fēng)力自動(dòng)發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

各國(guó)對(duì)風(fēng)能的重視體現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量不斷增大，與此同時(shí)，風(fēng)電發(fā)電設(shè)施更是逐漸形成了水平軸、上風(fēng)向、三葉片、管式塔的統(tǒng)一格局。特別是隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電更是取得了一系列的成就，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量不斷增大，這更適用于用戶的需求，進(jìn)而節(jié)省陳本；

2）為避免定槳距調(diào)節(jié)方式中的超過(guò)額定風(fēng)俗發(fā)電機(jī)組的功率下降的缺點(diǎn)，變槳距代替定槳距調(diào)節(jié)，這樣就能最大程度的利用風(fēng)能；

3）風(fēng)電更趨向于變速恒頻，相比于傳統(tǒng)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(wú)齒輪箱中大多采用直驅(qū)方式，提高傳輸效率，將風(fēng)力機(jī)的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩最大程度的轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能。

1.3 本設(shè)計(jì)所研究的內(nèi)容

本設(shè)計(jì)按要求完成“變速恒頻風(fēng)力發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，具體研究?jī)?nèi)容如下：

1）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；

2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理以及結(jié)構(gòu)組成；

3）從實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的角度論述了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性，風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)追風(fēng)原理以及風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

在設(shè)計(jì)當(dāng)中，獨(dú)立完成論文的相關(guān)要求，按照變速恒頻的原理實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電自動(dòng)控制，同時(shí)本文也參考了相關(guān)的文獻(xiàn)資料，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)技術(shù)規(guī)程以及工程實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2 VSCF風(fēng)電技術(shù)的原理

2.1 VSCF風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

根據(jù)發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀況，風(fēng)電技術(shù)可以分為：CSCF技術(shù)（恒速恒頻技術(shù)）和VSCF技術(shù)（變速恒頻技術(shù)）。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，VSCF具有不同于CSCF的發(fā)展前景和優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)VSCF更適用于風(fēng)力發(fā)電，總的來(lái)說(shuō)，可以概括為下面幾個(gè)方面：

1）基于風(fēng)能的種種特性，例如風(fēng)力不穩(wěn)定、時(shí)間性差別較大等相關(guān)因素的影響，怎樣使風(fēng)力機(jī)最大效率的利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能使用這是應(yīng)該首要關(guān)注的。CSCF風(fēng)電技術(shù)只是單純的設(shè)定好相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速，但是當(dāng)風(fēng)速轉(zhuǎn)變的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)的利用率就會(huì)大打折扣，效率降低，造成成本升高；而VSCF風(fēng)電技術(shù)則是根據(jù)風(fēng)力風(fēng)速的大小適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)最優(yōu)化理論，將風(fēng)力機(jī)工作限定在最優(yōu)運(yùn)行方式，在很大程度上降低了成本。

2）相比于CSCF技術(shù)，VSCF風(fēng)電技術(shù)更容易與電網(wǎng)相耦合，這樣就減少了相應(yīng)的技術(shù)手段和避免相應(yīng)的麻煩。

2.2 基本結(jié)構(gòu)組成

VSCF風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述為：在風(fēng)能到達(dá)一定的密度之后，通過(guò)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的傳遞，齒輪箱的帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在勵(lì)磁磁場(chǎng)中運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)由機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，最后在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)供電。基于上述理論，我們可以得出變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的基本組成包括：風(fēng)電機(jī)、DIFG、變頻器和主控制器，具體如圖1所示。

2.3 變速恒頻系統(tǒng)的發(fā)電原理

變速恒頻系統(tǒng)中的DIFG結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)機(jī)，對(duì)于DIFG來(lái)說(shuō)，定子并入電網(wǎng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)頻率、相位、幅值均可調(diào)的電源供給三相低頻勵(lì)磁電流。在三項(xiàng)低頻勵(lì)磁電流的激勵(lì)下，轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這時(shí)定子磁場(chǎng)的磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速等于低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速之和，即

圖1 DIFG風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

式中，w1是定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速；

w是轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度；

w2是轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。

基于上式，由于存在低速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)致使發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓，也就是說(shuō)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)候，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速來(lái)平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了變速恒頻的要求。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行，也就是說(shuō)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供正相序勵(lì)磁，此時(shí)w1＝w＋w2；而當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行，此時(shí)w1＝w－w2；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)的轉(zhuǎn)子機(jī)械速度為0.通過(guò)上述的調(diào)節(jié)達(dá)到恒頻的目的。

雙饋發(fā)電機(jī)之所以能進(jìn)行變速運(yùn)行是在交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電的基礎(chǔ)上。對(duì)于有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，可以采用矢量控制方式。根據(jù)矢量控制技術(shù)的原理，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)最大風(fēng)能的利用，實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，即調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組及相關(guān)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過(guò)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變速的目的。

總的分析以上結(jié)論就不難推導(dǎo)出DIFG的變速恒頻的工作原理。

2.4 風(fēng)力機(jī)“自動(dòng)捕風(fēng)”的分析研究

2.4.1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)，它通過(guò)扇葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，之后再傳給發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。因此，對(duì)于風(fēng)能最大化的利用前提就是風(fēng)力機(jī)能自動(dòng)的適應(yīng)風(fēng)的變化，這直接影響到整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)公式可得，風(fēng)力機(jī)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(fēng)輪半徑，單位為m：

V是風(fēng)速，單位為m/s。

但是，風(fēng)力機(jī)也具有一定的效率，即有個(gè)利用率常數(shù)K，故風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率為：

根據(jù)上述公式來(lái)看，對(duì)于風(fēng)力機(jī)的有效利用只有適當(dāng)?shù)奶岣逰值，就是提高風(fēng)機(jī)的利用率，這樣才會(huì)提高風(fēng)力機(jī)的工作效率。K值與風(fēng)速、扇葉轉(zhuǎn)速、扇葉半徑、漿液節(jié)距角均有關(guān)系，特別是葉尖速比λ。根據(jù)VSCF風(fēng)電技術(shù)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(fēng)力機(jī)特性曲線。

圖2 所示變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線

2.4.2 VSCF風(fēng)電技術(shù)自動(dòng)追尋最大風(fēng)能原理

最大風(fēng)能追蹤體現(xiàn)了自動(dòng)控制的基本思想，不在人或者間接有人干預(yù)下從而有效的進(jìn)行操作生產(chǎn)。只有計(jì)算出交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的參考輸出有功功率P，根據(jù)相關(guān)公式準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)在最大風(fēng)能追蹤。

首先VSCF風(fēng)電系統(tǒng)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(fēng)速在風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)處，風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在w1。如果某個(gè)時(shí)刻風(fēng)速升到V2，由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，所以根據(jù)曲線所示就會(huì)有一個(gè)漸變過(guò)程。到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)定狀況之前首先移動(dòng)到B處，此時(shí)轉(zhuǎn)速不變，但是輸出的功率變大。到達(dá)B點(diǎn)之后，輸出功率也迅速增大，發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩也迅速增大，由于轉(zhuǎn)矩增大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速也會(huì)增大（轉(zhuǎn)速正相關(guān)于轉(zhuǎn)矩），隨著轉(zhuǎn)速的增大，達(dá)到一定的程度之后，轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)速也就固定在定值w2，即C點(diǎn)，到達(dá)新的平衡狀態(tài)，這也就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的自動(dòng)追捕。

圖3 最大風(fēng)能追蹤原理

2.4.3 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型就是用風(fēng)力機(jī)的輸出功率Pm來(lái)表示風(fēng)速的的函數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，可以很清晰的得出輸出功率Pm在不同風(fēng)速下的取值，具體如下所示：

式中：

v是風(fēng)速，單位為m/s；

vin，vp，vout分別是風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速，額定風(fēng)速和切出風(fēng)速，單位均為 ；

Pp是風(fēng)力機(jī)額定功率，具體單位根據(jù)風(fēng)力機(jī)的參數(shù)設(shè)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從自動(dòng)控制的角度分析了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心內(nèi)容，對(duì)于風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)補(bǔ)風(fēng)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，圍繞如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)風(fēng)，本設(shè)計(jì)從數(shù)學(xué)模型、函數(shù)圖像角度進(jìn)行分析，從而得出實(shí)現(xiàn)補(bǔ)風(fēng)的自動(dòng)化研究。風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)補(bǔ)風(fēng)對(duì)于變速恒頻風(fēng)電技術(shù)有重要的促進(jìn)意義，風(fēng)力機(jī)的最大程度的有效利用可以減少風(fēng)電的成本、相對(duì)性的提高裝備的使用壽命，從而對(duì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步具有重要的意義。

[1] 潘再平. 風(fēng)力發(fā)電中的變速恒頻技術(shù).能源工程, 1993(2)：18-22.

[2] 王秀麗. 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁電源控制策略的研究.山西： 太原理工大學(xué), 2006.

[3] 葉杭冶. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006： 85-88, 137-143.

[4] Dajib Datta. Rotor side control of grid-connectext wound rotor induction machine and its application to wind power generation. In： Ph. D. dissertation, Dept, Elect, Eng, Indian Inst, 2000.

[5] 李娟娟. 雙饋電機(jī)適量調(diào)速系統(tǒng)及仿真. 安徽： 合肥工業(yè)大學(xué), 2004.

[6] S. Williamson and A. C. Ferreira,“Generalized theory ofthe brushless doubly-fed machine： Pan 2： Model Verification and Performance,”IEE Proc., Electrical Power Application, 144(2).

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?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。