定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性解析

楊林

摘 要：主要從構(gòu)建并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的角度進(jìn)行了模擬和仿真介紹，并對定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越特性進(jìn)行了解析。

關(guān)鍵詞：定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；低電壓穿越；電壓

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.130

文章編號：2095-6835（2015）15-0130-01

目前，隨著我國風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越來越大，年產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雷擊裝機(jī)的總量均已經(jīng)位居世界前列，但我國自主產(chǎn)權(quán)的有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。基于此背景，電機(jī)系統(tǒng)因其性能好、成本低等特點(diǎn)引起了業(yè)界的強(qiáng)烈關(guān)注。本文主要從定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建及其模型出發(fā)，運(yùn)用全功率風(fēng)電變換器，通過輸入和輸出功率的解耦作用，最后實(shí)現(xiàn)了定子雙繞足感應(yīng)電機(jī)鎖發(fā)出電能并逆變送進(jìn)電網(wǎng)的目的。

1 定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要運(yùn)用半直驅(qū)的方式與發(fā)電機(jī)連接。對于定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)，一般采取籠型轉(zhuǎn)子，并在定子上設(shè)置有2套繞組，即功率繞組、控制繞組。其中，控制繞組一般在控制側(cè)和功率側(cè)旁，有直流母線通過二極管并聯(lián)，這樣可在風(fēng)速較低的情況下運(yùn)行。如果二極管導(dǎo)通，則功率側(cè)整流橋會(huì)被阻斷，而電能可從直流母線段輸出。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可系統(tǒng)、科學(xué)、有效地利用風(fēng)能，并擴(kuò)大風(fēng)速范圍。在風(fēng)速較高的情況下，功率側(cè)在輸出電壓時(shí)可達(dá)到指令值，其二極管會(huì)反向截止，同時(shí)，電能會(huì)從功率側(cè)輸出。

定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)側(cè)運(yùn)用控制繞組段電壓定向，在調(diào)節(jié)控制繞組電流的有功功率和無功功率的風(fēng)量時(shí)，可使轉(zhuǎn)矩得到有效控制，從而使整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，且發(fā)電機(jī)的測電壓也能達(dá)到相應(yīng)的恒定狀態(tài)。其控制方法為：如果風(fēng)速較低，則電能從控制側(cè)輸出，對有功功率進(jìn)行控制，以輸出電壓，并使其保持恒定狀態(tài)，而無功功率分量可保證發(fā)電機(jī)中的磁通不變，使電機(jī)具有良好的帶載能力，最終使系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)；如果風(fēng)速較高，會(huì)從功率側(cè)輸出電能，且運(yùn)用調(diào)節(jié)控制繞組控制電壓。

如果直流測電壓具有一定的調(diào)節(jié)作用，則定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變換器就要運(yùn)用其他策略，比如運(yùn)用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和控制。但在當(dāng)前情況下，一些發(fā)電機(jī)的功率計(jì)算等各種計(jì)算方式之間有一定的差別。對于電流內(nèi)環(huán)的無功功率，其加上電流內(nèi)環(huán)的有功功率可實(shí)現(xiàn)解耦控制，并可調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)d軸、q軸的電流，使網(wǎng)側(cè)變換器能在不同功率因數(shù)的狀態(tài)下運(yùn)行。

2 低電壓運(yùn)行

在定子雙繞組的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部有很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和其他系統(tǒng)具有特殊結(jié)構(gòu)，在電壓跌落的情況下，具有出網(wǎng)側(cè)變換器的作用，且在電壓跌落較大的情況下，網(wǎng)側(cè)變換器中的電流會(huì)受到一定的影響，進(jìn)而造成電壓出現(xiàn)不同程度的升高。此時(shí)，需要運(yùn)用卸荷電路消耗能量，使系統(tǒng)達(dá)到穿越的目的。對于DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其能更加充分地發(fā)揮調(diào)磁能力，并在電壓跌落的情況下迅速弱磁，使輸出的電壓維持在恒定狀態(tài)、減小短時(shí)間的電磁轉(zhuǎn)矩、有效降低輸入功率，最終升高直流的側(cè)電壓。

如果發(fā)電機(jī)組的機(jī)械輸入功率不變，則發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)按照電磁轉(zhuǎn)矩在短時(shí)期內(nèi)降低，然后輕微上升。機(jī)械的時(shí)間常數(shù)一般都是針對電氣的有關(guān)參數(shù)而言的，通常采用槳距控制器控制，但會(huì)降低機(jī)械對風(fēng)能的利用率。即使轉(zhuǎn)速上升，定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍舊可對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運(yùn)行。通過有效地對勵(lì)磁電容進(jìn)行切除，可避免勵(lì)磁變換器抽取無功電流，從而限制其容量超限。

在仿真試驗(yàn)中，不必增加硬件電路，定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能在電網(wǎng)電壓跌落幅度較大時(shí)正常聯(lián)網(wǎng)和運(yùn)行，且能充分符合新規(guī)定、新要求。

網(wǎng)側(cè)變換器在有功功率和無功功率解耦的控制中，能幫助調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同功率因數(shù)的狀態(tài)下正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)吸收、輸送無功功率。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，系統(tǒng)仍可保證良好的運(yùn)行和工作狀態(tài)，并對網(wǎng)側(cè)提供無功補(bǔ)償，從而為恢復(fù)電網(wǎng)電壓作出貢獻(xiàn)。

3 結(jié)束語

定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有強(qiáng)大的低電壓穿越特性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)等條件中有定量規(guī)定，比如最低電壓跌落的程度、對應(yīng)最低跌落持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的規(guī)定等，這些規(guī)定中都要求定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的低電壓穿越能力，且電網(wǎng)電壓跌至一定程度時(shí)才可離網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可在電壓跌落期中向電網(wǎng)提供一定的無功功率支持。

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〔編輯：張思楠〕