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    雙饋風力發(fā)電機組能流關(guān)系研究

    2014-05-13 17:01:16袁寧陳漢揚趙乾章馬陽
    科技創(chuàng)新與應用 2014年15期
    關(guān)鍵詞:風輪雙饋風力機

    袁寧+++陳漢揚+++趙乾章+++馬陽

    摘 要:在環(huán)境問題日益突出的今天,采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風能就成為了一種趨勢,這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題,而參與的前提是了解。在風電機組中雙饋電機占主導地位,這也就意味著了解雙饋風力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風力發(fā)電機三維動畫中,將從風輪捕捉風能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn),使我們對雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風電人才有著重要的作用。

    關(guān)鍵詞:雙饋風力發(fā)電機;數(shù)學模型;能流回路;Pro/Engineer操作軟件;三維動畫

    風能作為一種清潔的可持續(xù)能源,已經(jīng)成為除水電以外,技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?;_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風機是風能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置,而雙饋風力發(fā)電機占風電機組中的主導地位,這也就意味研究雙饋風力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

    1 概述

    風力發(fā)電的過程就是風能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程,其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉(zhuǎn)換為電能,這一部分是整個系統(tǒng)的核心,直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量,也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型,文章主要以雙饋風力發(fā)電機進行研究。

    變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩(即風輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

    雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖:

    風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風力機、傳動系統(tǒng),發(fā)電系統(tǒng)。

    2 風力機

    風力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風力的作用下,風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能,但風力機只能將通過風輪掃及面的部分風能轉(zhuǎn)換為機械能。

    風力機汽動模型主要有兩種方法:

    (1)利用激盤理論;(2)利用葉素理論

    激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程,同時也規(guī)定了風能轉(zhuǎn)換效率的理論極限,因此此部分主要針對激盤理論進行闡述。

    2.1 風能的計算

    設單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V,則V=Sv

    如果以ρ表示空氣密度,該體積的空氣質(zhì)量為

    上式即為風能的表達式。

    在國際單位制中,ρ的單位是kg/m3;V的單位是m3;v的單位是m/s;E的單位是W。

    從風能公式可以看出,風能的大小與氣流密度和通過的面積成正比,與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

    2.2 風能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

    風力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的,貝茲理論的假設如下:

    (1)風輪是理想的,即它沒有輪轂,具有無限多的葉片,氣流通過風輪時沒有阻力;(2)氣流經(jīng)過的整個風輪掃掠面時是均勻的,并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向,如下圖所示

    設通過風輪的氣流其上游截面為S1,下游截面為S2。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致,因而v2必然低于v1,所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的,即S2大于S1。

    如果假設空氣是不可壓縮的,由連續(xù)條件可得

    風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出

    故風輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2(v1-v2) (1)

    此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

    令式(1)與(2)相等,得到

    則作用在風輪上的力和提供的功率可寫為

    對于給定的上游速度v1,可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系,將式(3)微分得

    將上式除以氣流通過掃掠面S時風所具有的動能,可推得風力機的理論最大效率

    上式即為有名的貝茲(Betz)理論的極限值。它說明,風力機從自然風中所能索取的能量是有限的。

    能量的轉(zhuǎn)換會導致功率的下降,它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異,因此,風力機的實際風能利用系數(shù)CP<0.593。風力機實際能得到的有用功率輸出是

    3 傳動系統(tǒng)

    傳動系統(tǒng)主要將風輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成,齒輪箱將風輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,通常將20~50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000~1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

    傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上,使發(fā)電機得到相應的轉(zhuǎn)速。

    4 發(fā)電系統(tǒng)

    4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

    發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘,把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來,讓電能源源不斷地輸送出去。

    發(fā)電機并網(wǎng)的條件為:定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中,定子電壓的波形與相序很容易滿足條件,定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進行控制而滿足要求,定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制;定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大,而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差,只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn),因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴格限制。

    4.2 雙饋發(fā)電機

    雙饋電機也稱交流勵磁電機,它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應電機或?qū)iT設計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié),雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行,轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化,而定子輸出電壓和頻率可以維持不變,既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

    雙饋是指兩個能量流動通道,電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量,實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

    雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速,帶動電機高速旋轉(zhuǎn),同時轉(zhuǎn)子接變頻器,通過變頻器PWM控制以達到定子側(cè)輸出完美正弦波,同時在額定轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流,以達到最大利用風能效果。

    4.2.2 雙饋式風力發(fā)電機的功率流向分析

    雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風力機及機械傳動部分的特性決定。

    以變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為例,在該系統(tǒng)中,發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中,轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

    雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段,再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同,我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài),即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進行闡述。

    雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■,其中為n1為同步轉(zhuǎn)速, n 為電機轉(zhuǎn)速。當s>0時,雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài),當s<0時,雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

    (1)超同步發(fā)電狀態(tài)

    超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài),我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

    (2)亞同步運行狀態(tài)

    亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài),稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

    通過比較可看出,超同步時Pmech>P1,亞同步時有Pmech

    5 結(jié)束語

    風力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設備,從能量轉(zhuǎn)換角度來看,它包含兩大部分,其一是風力機,它的功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能, 其二是發(fā)電機,它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

    文章圍繞雙饋風力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述,主要講述了風力機捕獲風能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理,在研究雙饋電機功率流向時,通過圖示直觀清晰的表達出來,對于風電愛好者學習提供了幫助。

    摘 要:在環(huán)境問題日益突出的今天,采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風能就成為了一種趨勢,這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題,而參與的前提是了解。在風電機組中雙饋電機占主導地位,這也就意味著了解雙饋風力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風力發(fā)電機三維動畫中,將從風輪捕捉風能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn),使我們對雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風電人才有著重要的作用。

    關(guān)鍵詞:雙饋風力發(fā)電機;數(shù)學模型;能流回路;Pro/Engineer操作軟件;三維動畫

    風能作為一種清潔的可持續(xù)能源,已經(jīng)成為除水電以外,技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?;_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風機是風能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置,而雙饋風力發(fā)電機占風電機組中的主導地位,這也就意味研究雙饋風力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

    1 概述

    風力發(fā)電的過程就是風能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程,其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉(zhuǎn)換為電能,這一部分是整個系統(tǒng)的核心,直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量,也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型,文章主要以雙饋風力發(fā)電機進行研究。

    變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩(即風輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

    雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖:

    風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風力機、傳動系統(tǒng),發(fā)電系統(tǒng)。

    2 風力機

    風力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風力的作用下,風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能,但風力機只能將通過風輪掃及面的部分風能轉(zhuǎn)換為機械能。

    風力機汽動模型主要有兩種方法:

    (1)利用激盤理論;(2)利用葉素理論

    激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程,同時也規(guī)定了風能轉(zhuǎn)換效率的理論極限,因此此部分主要針對激盤理論進行闡述。

    2.1 風能的計算

    設單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V,則V=Sv

    如果以ρ表示空氣密度,該體積的空氣質(zhì)量為

    上式即為風能的表達式。

    在國際單位制中,ρ的單位是kg/m3;V的單位是m3;v的單位是m/s;E的單位是W。

    從風能公式可以看出,風能的大小與氣流密度和通過的面積成正比,與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

    2.2 風能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

    風力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的,貝茲理論的假設如下:

    (1)風輪是理想的,即它沒有輪轂,具有無限多的葉片,氣流通過風輪時沒有阻力;(2)氣流經(jīng)過的整個風輪掃掠面時是均勻的,并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向,如下圖所示

    設通過風輪的氣流其上游截面為S1,下游截面為S2。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致,因而v2必然低于v1,所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的,即S2大于S1。

    如果假設空氣是不可壓縮的,由連續(xù)條件可得

    風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出

    故風輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2(v1-v2) (1)

    此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

    令式(1)與(2)相等,得到

    則作用在風輪上的力和提供的功率可寫為

    對于給定的上游速度v1,可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系,將式(3)微分得

    將上式除以氣流通過掃掠面S時風所具有的動能,可推得風力機的理論最大效率

    上式即為有名的貝茲(Betz)理論的極限值。它說明,風力機從自然風中所能索取的能量是有限的。

    能量的轉(zhuǎn)換會導致功率的下降,它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異,因此,風力機的實際風能利用系數(shù)CP<0.593。風力機實際能得到的有用功率輸出是

    3 傳動系統(tǒng)

    傳動系統(tǒng)主要將風輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成,齒輪箱將風輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,通常將20~50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000~1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

    傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上,使發(fā)電機得到相應的轉(zhuǎn)速。

    4 發(fā)電系統(tǒng)

    4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

    發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘,把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來,讓電能源源不斷地輸送出去。

    發(fā)電機并網(wǎng)的條件為:定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中,定子電壓的波形與相序很容易滿足條件,定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進行控制而滿足要求,定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制;定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大,而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差,只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn),因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴格限制。

    4.2 雙饋發(fā)電機

    雙饋電機也稱交流勵磁電機,它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應電機或?qū)iT設計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié),雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行,轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化,而定子輸出電壓和頻率可以維持不變,既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

    雙饋是指兩個能量流動通道,電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量,實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

    雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速,帶動電機高速旋轉(zhuǎn),同時轉(zhuǎn)子接變頻器,通過變頻器PWM控制以達到定子側(cè)輸出完美正弦波,同時在額定轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流,以達到最大利用風能效果。

    4.2.2 雙饋式風力發(fā)電機的功率流向分析

    雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風力機及機械傳動部分的特性決定。

    以變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為例,在該系統(tǒng)中,發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中,轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

    雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段,再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同,我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài),即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進行闡述。

    雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■,其中為n1為同步轉(zhuǎn)速, n 為電機轉(zhuǎn)速。當s>0時,雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài),當s<0時,雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

    (1)超同步發(fā)電狀態(tài)

    超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài),我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

    (2)亞同步運行狀態(tài)

    亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài),稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

    通過比較可看出,超同步時Pmech>P1,亞同步時有Pmech

    5 結(jié)束語

    風力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設備,從能量轉(zhuǎn)換角度來看,它包含兩大部分,其一是風力機,它的功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能, 其二是發(fā)電機,它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

    文章圍繞雙饋風力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述,主要講述了風力機捕獲風能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理,在研究雙饋電機功率流向時,通過圖示直觀清晰的表達出來,對于風電愛好者學習提供了幫助。

    摘 要:在環(huán)境問題日益突出的今天,采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風能就成為了一種趨勢,這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題,而參與的前提是了解。在風電機組中雙饋電機占主導地位,這也就意味著了解雙饋風力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風力發(fā)電機三維動畫中,將從風輪捕捉風能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn),使我們對雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風電人才有著重要的作用。

    關(guān)鍵詞:雙饋風力發(fā)電機;數(shù)學模型;能流回路;Pro/Engineer操作軟件;三維動畫

    風能作為一種清潔的可持續(xù)能源,已經(jīng)成為除水電以外,技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?;_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風機是風能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置,而雙饋風力發(fā)電機占風電機組中的主導地位,這也就意味研究雙饋風力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

    1 概述

    風力發(fā)電的過程就是風能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程,其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉(zhuǎn)換為電能,這一部分是整個系統(tǒng)的核心,直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量,也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型,文章主要以雙饋風力發(fā)電機進行研究。

    變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩(即風輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

    雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖:

    風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風力機、傳動系統(tǒng),發(fā)電系統(tǒng)。

    2 風力機

    風力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風力的作用下,風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能,但風力機只能將通過風輪掃及面的部分風能轉(zhuǎn)換為機械能。

    風力機汽動模型主要有兩種方法:

    (1)利用激盤理論;(2)利用葉素理論

    激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程,同時也規(guī)定了風能轉(zhuǎn)換效率的理論極限,因此此部分主要針對激盤理論進行闡述。

    2.1 風能的計算

    設單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V,則V=Sv

    如果以ρ表示空氣密度,該體積的空氣質(zhì)量為

    上式即為風能的表達式。

    在國際單位制中,ρ的單位是kg/m3;V的單位是m3;v的單位是m/s;E的單位是W。

    從風能公式可以看出,風能的大小與氣流密度和通過的面積成正比,與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

    2.2 風能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

    風力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的,貝茲理論的假設如下:

    (1)風輪是理想的,即它沒有輪轂,具有無限多的葉片,氣流通過風輪時沒有阻力;(2)氣流經(jīng)過的整個風輪掃掠面時是均勻的,并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向,如下圖所示

    設通過風輪的氣流其上游截面為S1,下游截面為S2。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致,因而v2必然低于v1,所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的,即S2大于S1。

    如果假設空氣是不可壓縮的,由連續(xù)條件可得

    風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出

    故風輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2(v1-v2) (1)

    此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

    令式(1)與(2)相等,得到

    則作用在風輪上的力和提供的功率可寫為

    對于給定的上游速度v1,可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系,將式(3)微分得

    將上式除以氣流通過掃掠面S時風所具有的動能,可推得風力機的理論最大效率

    上式即為有名的貝茲(Betz)理論的極限值。它說明,風力機從自然風中所能索取的能量是有限的。

    能量的轉(zhuǎn)換會導致功率的下降,它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異,因此,風力機的實際風能利用系數(shù)CP<0.593。風力機實際能得到的有用功率輸出是

    3 傳動系統(tǒng)

    傳動系統(tǒng)主要將風輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成,齒輪箱將風輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,通常將20~50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000~1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

    傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上,使發(fā)電機得到相應的轉(zhuǎn)速。

    4 發(fā)電系統(tǒng)

    4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

    發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘,把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來,讓電能源源不斷地輸送出去。

    發(fā)電機并網(wǎng)的條件為:定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中,定子電壓的波形與相序很容易滿足條件,定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進行控制而滿足要求,定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制;定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大,而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差,只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn),因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴格限制。

    4.2 雙饋發(fā)電機

    雙饋電機也稱交流勵磁電機,它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應電機或?qū)iT設計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié),雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行,轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化,而定子輸出電壓和頻率可以維持不變,既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

    雙饋是指兩個能量流動通道,電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量,實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

    雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速,帶動電機高速旋轉(zhuǎn),同時轉(zhuǎn)子接變頻器,通過變頻器PWM控制以達到定子側(cè)輸出完美正弦波,同時在額定轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流,以達到最大利用風能效果。

    4.2.2 雙饋式風力發(fā)電機的功率流向分析

    雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風力機及機械傳動部分的特性決定。

    以變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為例,在該系統(tǒng)中,發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中,轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

    雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段,再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同,我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài),即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進行闡述。

    雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■,其中為n1為同步轉(zhuǎn)速, n 為電機轉(zhuǎn)速。當s>0時,雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài),當s<0時,雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

    (1)超同步發(fā)電狀態(tài)

    超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài),我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

    (2)亞同步運行狀態(tài)

    亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài),稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

    通過比較可看出,超同步時Pmech>P1,亞同步時有Pmech

    5 結(jié)束語

    風力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設備,從能量轉(zhuǎn)換角度來看,它包含兩大部分,其一是風力機,它的功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能, 其二是發(fā)電機,它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

    文章圍繞雙饋風力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述,主要講述了風力機捕獲風能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理,在研究雙饋電機功率流向時,通過圖示直觀清晰的表達出來,對于風電愛好者學習提供了幫助。

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