****功率追踪与变速恒频风力发电
张勇1， 曲华龙2（1荣成出入境检验检疫局，山东荣成26430；2山东华力电机集团股份有限公司，山东荣成264300）
摘要：根据风力机的输出特性，详细分析l****功率追踪的原理及其具体实现方案，对三种实现方案进行比较，指出转矩控制方案更具有优势。介绍了两种典型的变速恒频风力发电系统的工作原理，并对它们进行了细致的比较分析，为合理选择变速恒频风力发电系统提供借鉴。
关键词：****功率追踪；变速恒频；风力发电
中图分类号：TW1315文献标识码：A文章编号：1673-6540( 2009)】2-0026-04
0 引 言
风力发电的成本已接近于火力发电的成本【1】，且对环境几乎没有污染，因此受到广泛关注，风力发电技术也得到了长足发展。风力发电系统主要由风力机、发电机和控制系统构成。风力机将风的动能转换为轴上的机械能输出给发电机，而发电机则将其转换为电能。风能是一种不稳定、随机性很强的能源，风速、风向不停地变化。在不同的风速下，通过风力机的风能不同。如何将通过风力机的风能尽可能多地转换为轴上的机械能输出，即****功率追踪，是现代风力发电系统的一个重要问题。
在同一风速下，随着风力机转速的不同，风力机将风能转换为机械能的效率是不同的，有一个效率****的点。进行****功率追踪，就是要使风力机始终运行于这个效率****的点上。风速变化，效率****的点对应的系统转速也在变化，即发电机的转速变化，此时要向电网输出频率和幅值恒定的交流电能，就需要变速恒频风力发电技术。
本文介绍了风力发电系统****功率追踪的原理及日前两种最典型的变速恒频风力发电系统。
1 风力机的输出特性
设风力机叶片半径为r，空气密度为ρ，风速为v，则风力机轴上输出的机械功率为式中：
Cp（λ，β）为风能利用系数，反映风力机吸收风能的效率。风速确定时，风力机吸收的风能只与Cp（λ，β）有关。桨叶节距角β一定时，Cp（λ，β）是叶尖速比λ的函数，如图1所示，此时存在一个****叶尖速比λopt。．对应****的风能利用系数CPmax。
式中ωwt为风力机的转速。当风力机运行于****叶尖速比的状态时，风速与风力机的转速成正比：
此时，风力机轴上输出的机械功率为：
将式(4)的两边都除以风力机的转速，可得风力机轴上输出的机械转矩为：
式(4)、(5)给出的风力机输出的机械功率、机械转矩与转速之间的关系称为****功率曲线和****转矩曲线。当风力发电系统稳定运行于某一风速下的****功率点处时，风速与叶尖线速度符合式(3)给出的关系，即风力机处于****叶尖速比状态；此时风力机的输出功率与转速符合式(4)所给出的****功率曲线关系，风力机的输出转矩与转速符合式(5)所给出的****转矩曲线关系。所以，从这个角度上讲，****功率曲线、****转矩曲线与****叶尖速比是统一的。
不同风速下，风力机输出的机械功率、机械转矩、****劝率和****转矩曲线如图2所示。图2(a)为风力机的功率、转速特性曲线；图2(b)为风力机的转矩、转速特性曲线，2(bl中的转矩曲线为2(a)中相应的功率曲线除以转速得到的，所以二者所表示的运行状态是一致的。
2****功率追踪原理及实现方案
由图2(b)可以看出，控制发电机的机械特性，使转矩与转速之间符合式(j)所给出的**** (b)转矩、转速关系曲线图2风力机的输出特性曲线转矩曲线关系，则系统会在风力机转矩特性与发电机机械特性（即****转矩曲线）的交点上达到平衡，如图2(b)中的A、B、C、D4点。这4个点分别是相应风速下的风力机输出****功率的点，风力机运行于****叶尖速比的状态，而且都是稳定的平衡点，因为在这4点处，均满足稳定平衡点的条件.
****转矩曲线、****功率曲线及****叶尖速比具有一致性，所以****功率追踪的具体实现方案有：(1)转速控制。根据风速控制发电机的转速，使二者符合****叶尖速比的关系【2】。这是最易理解的方案，但在实际应用中，叶轮的面积较大，在整个叶轮面积内，并不是每个位置的风速都是一致的，风速检测的误差较大，实时性也不能保证，用来计算转速指令会有很大误羞，所以通常不采用这种方案。(2)功率控制。控制发电机从轴上吸收的机械功率与转速符合****功率曲线的关系。由于直接测量或计算发电机从轴上吸收的机械功率比较困难，所以通常以并网的有功功率作为控制对象【3-4】，发电机轴了吸收的机械功率需要克服发电机自身的损耗，并控制发电机的功率变换器的损耗，才能成为并网的有功功率，而这些损耗不可忽略，但很难准确考虑，这种功率给定会有较大误差。(3)转矩控制。控制发电机从轴上吸收的机械转矩与转速符合****转矩曲线的关系。在电机控制中，无论是控制转速还是控制功率，最终均是通过控制电磁转矩或控制表征电磁转矩的有功电流米实现的。通过转矩控制来实现****功率追踪更为直接简便。将****转矩减去空载转矩，作为电磁转矩的指令：
式中：T0为空载转矩，是铁耗、摩擦损耗及杂散损耗对应的转矩。
上述这三种方案原理是等效的，但实现难易程度和准确度不同。转矩控制实现****功率追踪的关键是如何快速准确地按式(7)控制发电机的电磁转矩。
3 两种典型的变速恒频风力发电系统
由于风能的随机性和不稳定性，并网发电是开发和利用风能的重要途径。由上文分析可知，无论采用哪种****功率追踪的方案，风速变化，发电机的转速必须随之变化才能追踪到****的风能。如何使发电机在变化的转速下向电网发出频率恒定的电能，是实现****功率追踪的关键。双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统是两种典型的变速恒频风力发电系统。
3. I双馈风力发电系统
该系统采用双馈型感应发电机( Doubly FedInduction Generator；DHC)，定子直接接到电网上，转子通过双脉宽调制( PWM)变换器实现交流励磁，如图3所示。
当风速发生变化时，发电机转速变化，若控制转子励磁电流的频率，可使定子频率恒定，实现变速恒频发电。即：
由式(8)可知，当发电机的转速变化时，即npfm，变化时，若控制fr相应变化，可使f1保持恒定不变，实现变速恒频控制。
由于这种变速恒频控制是通过对转子绕组进行控制实现的，转子回路流动的功率是由发电机转速运行范围所决定的转差功率，因此可以将发电机的同步速设计在整个转速运行范围的中间。这样如果系统运行的转差范围为±0.3，则****转差功率仅仅约为发电机额定功率的百分之三十，因此交流励磁变换器的容量可仅为发电机容量的一小部分，可以大大降低成本：
双馈型风力发电系统除了可实现变速恒频控制、减小变换器容量外，还可实现有功、无功的解耦控制，可根据电网的要求输出相应的感性或容性无功，这种无功控制的灵活性对屯网非常有利。
3.2直驱式永磁同步风力发电系统
直驱式永磁同步风力发电系统示意图如图4所示，发电机发出的频率变化的交流电通过发电机侧变换器转换成直流电，再经网侧变换器转换成频率与电网一致的交流电送到电网。
发电机侧的AC/DC变换器有两种类型：(l)二极管不控整流器【6-84】，或者附加Boost【9】或Buck—Boost电路【10】构成;(2)由全控电力电子器件构成的PWM变换器【3，7】。前者具有成本低、无位置和速度传感器及控制方法简单等优点，但由于无法直接控制发电机的电磁转矩和磁链，所以动态响应慢，输出****功率受到限制【6-7】，且由于不控整流使得定子电流中谐波分量较大，电机的损耗和振动增大【3】后者可以有效控制发电机的转矩
和磁链，更有效地进行****功率追踪，优化发电机的运行性能，正越来越多地得到应用-【3-6】网侧变换器一般采用三相电压型PWM变换器，其主要作用是将发电机侧变换器输出的电能高质量地输送到电网。通过控制PWM并网变换器，也可以控制向电网输出的有功和无功。
3.3两种系统比较
这两种变速恒频风力发电系统是目前大功率风力发电系统的主流，二者各有优、缺点：
(l)与直驱式永磁同步风力发电系统相比，双馈风力发电系统需要齿轮箱，从而增加系统损耗和维护成本；
(2)双馈风力发电系统只需要一个提供转差功率的功率变换器即可，而直驱式永磁同步风力发电系统则需要一个全功率的变换器，所以，双馈风力发电系统变换器的成本较低，而且用相同容量的变换器可以控制更大容量的发电机；
(3)双馈风力发电系统的部分功率变换器也有缺点，与直驱式永磁同步风力友电系统相比，对电网故障的适应能力较差【5】
(4)直驱式永磁同步风力发电系统由于是永磁励磁．所以没有励磁损耗；而且，对于永磁电机来说，没有转子铁耗，所以发电机的效率比双馈风力发电机要高；
(5)虽然直驱式永磁同步风力发电系统省去了齿轮箱，但发电机的体积和重量却与有齿轮箱的双馈风力发电机系统相当【6】，甚至更大，成本较高，考虑到变换器的成本，在相同容量的情况下，直驱式永磁同步风力发电系统的成本要高于双馈风力发电系统。这也是目前双馈风力发电系统比直驱式永磁同步风力发电系统多的原因之
4结语
****功率追踪可以提高风力发电系统捕获风能的效率，从而提高风电系统的总发电量，是中、大容量风力发电系统的趋势。双馈和直驱式永磁同步风力发电系统是两种典型的变速恒频风力发电系统，可以实现****功率追踪，所以是目前风力发电系统的主流。二者相比较，双馈风力发电系统的突出优点是成本较低，而直驱式永磁同步风力发电系统的突出优点是效率高、对电网异常的适应能力强。
|
