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变速风力澳门新萄京机组的运行控制


变速风力澳门新萄京机组于20世纪的最后几年加人到了大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力澳门新萄京机组相比,变速风力发电机组的优越性在于:低风速时它能够根据风速变化,在运行中保持最佳尖速比以获得最大风能;篼风速时利用叶轮转速的变化,储存或释放部分能量,提高传动系统的柔性,使功率输出更加平稳。因而在大容量风力发电机组中,变速风力发电机组正在取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。
变速风力澳门新萄京机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时,主要通过调节发电机电磁阻转矩使风力机转速跟随风速变化,以获得最佳叶尖速比;在高于额定风速时,主要通过变距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量,使风力发电机组保持在额定值下发电。通常将风力发电机组作为一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑,可以采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术,根据已知系统的有效模型,设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。
变速风力澳门新萄京机组的运行控制
风力发电机组的变速运行是建立在交流励磁变速恒频发电技术基础上的。交流励磁变速恒频发电是在异步发电机的转子中施加三相低频交流电流实现励磁,调节励磁电流的幅值、频率、相序,确保发电机输出功率恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术,实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。调节有功功率可调节风力机转速,进而实现最大风能捕获的追踪控制;调节无功功率可调节电网功率因数,提篼风电机组及所并电网系统的动、静态运行稳定性。
由于现代电力电子技术已能构造出输人、输出特性良好,功率可双向流动的PWM整流-PWM逆变形式的变频器,将其用作交流励磁电源不仅能确保同步速上、下的变速恒频发电特性,同时能确保发电质量,真正意义上实现绿色能源的绿色变换,使变速恒频发电技术具有可持续发展的重要特性。
采用变速恒频技术的风力发电系统是一个复杂的能量转换系统,包含了空气动力学、机械力学、电工技术、电子技术、控制理论等众多学科的交叉技术成果,因此必须从系统的角度对其进行综合的分析研究。本文将首先从分析风力机特性出发,讨论实现最大风能捕获的风电系统速度控制原则。针对交流励磁异步发电机的特性,采用定子磁链定向的矢童变换控制策略,获得发电机有功、无功的解耦和独立调节能力,进而实现最大风能捕获的高效发电运行。最后提供系统仿真研究结果,以验证本文提出的控制策略的正确性和有效性。
2风力机最大风能捕获运行机制风力机的特性通常由一族包含功率系数cP的无因次性能曲线来表达,功率系数是风力机叶尖速比x的函数,如图所示。
cPu)曲线是桨叶节距角的函数。从图上可以看到CP(A)曲线对桨叶节距角的变化规律:当桨叶节距角逐渐增大时,CpU)曲线将显著地缩小。
最大功率。是一条典型的CP(A)曲线。
尖速比可以表示为:一风力机风轮角速度(rad/s)一叶片半径(m);主导风速(m/s)。
一叶尖线速度根据风力机从风中捕获的机械功率:在风速给定的情况下,叶轮获得的功率将取决于功率系数。如果在任何风速下,风力机都能在Chi点运行,便可增加其输出功率。根据,在任何风速下,只要使得风轮的尖速比纟=>,就可维持风力机在Ck,下运行。因此,风速变化时,只要调节风轮转速,使叶尖速度与风速之比保持不变,就可获得最佳的功率系数。这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。
为了实现风力机运行时CpCp,风力发电机组受到给定的功率-转速曲线控制。,的给定值随转速变化,由转速反馈算出。以计算值为依据,连续控制发电机输出功率,使其跟踪Popt曲线变化。用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。
最佳功率和风轮功率功率-转速特性曲线的形状由和A,决定。
给出了转速变化时不同风速下风力澳门新萄京机组功率与目标功率的关系。假定风速是%,点A2是转速为600r/min时发电机的工作点,点是风力机的工作点,它们都不是最佳点。由于风力机械功率(点大于电功率(点Az),过剩功率使转速增大(产生加速功率),节后者等于A,和A2两点功率之差。随着转速增大,目标功率遵循P曲线持续增大。同样,风力机的工作点也沿%曲线变化。工作点和A2最终将在点A3交汇,风力机和发电机在点A3功率达成平衡。
发电机的工作点是氏,风力机的工作点是B,。由于发电机负荷大于风力机产生的机械功率,故风轮转速减小。随着风轮转速的减小,发电机功率不断修正,沿曲线变化。风力机械输出功率亦沿%曲线变化。随着风轮转速降低,风轮功率与发电机功率之差减小,最终两者将在点B3交汇。
实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控制。本研究中,风电机组转速的控制是通过调节发电机输出有功功率,从而调节发电机电磁阻转矩实现的。
3交流励磁变速恒频发电原理交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如所示,发电机一般为三相绕线式异步发电机,定子绕组并网,转子绕组外接三相转差频率的变频器,实现交流励磁。当风速变化引起发电机转速变化时,应控制转子电流的频率/2使定子输出频率A恒定。根据关系,当发电机的转速/1低于气隙旋转磁场的转速时,发电机处于亚同步速运行,此时变频器向发电机转子提供正相序励磁,调节后输出电压分量',再加上电压补偿分量就可获得转子电压指令U二,经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量户=1.251/1113,无功功率值Cr=350W风力机与发电机轴间通过一增速比N=7.864的变速齿轮箱连接。故发电机角速度叫和风力机角速度%关系为叫=0=7.8460,理论计算得到在风速下发电机最佳角速度为假定在第10秒时刻风速由4m/s升至6. 8m/s,按上式得两风速下发电机的理论最佳转速分别表示随着风速的变化发电机转速调节的过程,第一次调节是从并网时刻的167.5rad/s开始,5s后转速达到稳定,第二次调节开始于风速发生阶跃的10s时刻,20s时后转速趋于平稳,调节后两个最佳角速度分别稳定在122. 92rad/S变速恒频风力发电机的仿真s,与理论计算值非常吻合。和为发电机基于以上定子磁链定向矢量控制的变速恒频风力发电系统模型,采用Matlab/SimulinkApp实现了风速变化下最大风能追踪控制的运行仿真。
仿真中所用的参数参见附录。假定空气密度定、转子电流波形。从中可看出,随着发电机输出功率的增大,定子电流的幅值也相应增大,但频率始终恒定为60Hz,实现了恒频。为转子电流的变化过程,随着发电机转速的变化,转子电流频率不断变化,转速过同步点时其频率为零。和0描述了发电机定、转子侧的功率情况。从可看出,随着风速的变化,发电机经过调节总能输出最大功率;同时还可以看出,在发电机输出有功功率P变化的时候,无功功率Q保持不变,确实实现了P和Q的解耦控制。表示了在追踪最大风能过程中发电机转子侧功率忾的流动方向,发电机亚同步速运行时,P2>,表示功率从电网流向发电机;超同步运行时,朽<,表示功率从发电机流向电网;因此,作为交流励磁电源的变频器不仅要有优良的输入、输出特性,而且还必须要有功率双向流动的能力。同时还可以看出,变频器容量决定于同步速上下的运行速度范围,如果在同步速上下1/3额定速度范围内运行,理论上只需1/3额定功率的变频器,这是采用交流励磁的双馈发电方式的巨大优越性。
本文在分析了风力机特性和交流励磁双馈澳门新萄京数学模型的基础上,研究了追踪最大风能的控制策略:通过对发电机实施定子磁场定向失量变换控制,达到发电机有功功率、无功功率的解耦,进而通过控制有功功率来控制电磁转矩,从而控制风力发电机组的转速,实现追踪最佳功率曲线的运行。采用Matlab/SimulinkApp进行的建模与仿真验证了本文所提出的变速恒频风力发电系统控制策略的成功,满足变速恒频风力发电的要求,为今后实际系统的研制提供理论基础和设计依据。
功率三相绕线式异步发电机,四极,额定功率2.1kW,额定电压220V/额定频率60Hz;定子电阻r,和漏感U分别为0. 435n,2mH;转子电阻r2和漏感U分别为。
=2.3m,额定功率2.21评,最佳风能系数(1和最佳叶尖速比;1.1),分别为0.43和9.
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