李亞楠，楊 鵬，王華君

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300130)

隨著越來越多的風(fēng)電機組并網(wǎng)運行，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響引起了廣泛關(guān)注.風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率具有間歇性和隨機性的特點，進而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓波動和閃變、電壓偏差、諧波等[1].由于我國風(fēng)能資源豐富地區(qū)與用電負荷中心之間距離遙遠，需采用輸電網(wǎng)進行遠距離電力傳輸.當(dāng)遠距離輸送的風(fēng)電功率過大時，會導(dǎo)致風(fēng)電場無功需求增加，電網(wǎng)線路壓降過大，無功損耗增大，穩(wěn)定裕度降低，威脅局部電網(wǎng)的安全運行，降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性[2].而風(fēng)電變流器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其成為機組故障率較高的部件，降低了風(fēng)電機組的可靠性[3].風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行控制、保護、調(diào)度等方面提出了新的挑戰(zhàn)，在加裝電力裝置降低或消除風(fēng)電并網(wǎng)帶來的負面影響的同時還需改進完善傳統(tǒng)機組，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)或采用先進控制策略使風(fēng)電機組接近或達到常規(guī)電站的并網(wǎng)特性，從根本上解決風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)之間的矛盾[4].因此出現(xiàn)了調(diào)速型風(fēng)力發(fā)電機組的新理念，即在風(fēng)力機和發(fā)電機之間通過調(diào)速裝置將變化的風(fēng)速調(diào)節(jié)為恒定速度，驅(qū)動同步發(fā)電機用以獲得恒頻電能的輸出.

1 現(xiàn)有調(diào)速型風(fēng)電機組技術(shù)特點

1.1 Windrive 調(diào)速型變速恒頻風(fēng)電機組

Dewind公司提出一種使用Windrive液力耦合調(diào)速裝置與常規(guī)同步發(fā)電機相結(jié)合的新型變速恒頻風(fēng)電機組[5].其工作原理如圖1所示.

圖1 調(diào)速型變速恒頻風(fēng)電機組原理圖Fig.1 Speed regulating wind turbine structure diagram

Windrive是一個由行星齒輪和液力變矩器組成的轉(zhuǎn)速控制器，或稱轉(zhuǎn)速控制齒輪箱，負責(zé)將變速的齒輪箱高速軸與恒速同步發(fā)電機軸連接，以確保風(fēng)電機組變速恒頻運行并捕獲最大風(fēng)能.

但當(dāng)風(fēng)速較低時，液力變矩器需要從電網(wǎng)吸收能量完成調(diào)速功能，故降低了低風(fēng)速段機組的發(fā)電效率.同時，液力變矩器在大轉(zhuǎn)差工況的運行效率偏低，轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)速度有待改進，且液力變矩器一般對運行環(huán)境要求較高，其在風(fēng)電場惡劣的自然環(huán)境中的適用性尚有待驗證.此外，液力變矩器的制造成本高，在實際的工程應(yīng)用中受到經(jīng)濟性的制約而無法批量生產(chǎn).

1.2 電磁耦合調(diào)速型風(fēng)電機組

清華大學(xué)陳基和、周強明等人提出一種基于電磁耦合器調(diào)速的新型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組[6].機組采用變頻調(diào)速電磁耦合器取代液力耦合裝置，使齒輪箱的高速輸出軸與發(fā)電機軸以非接觸方式連接.機組的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 電磁耦合調(diào)速型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Electromagnetic coupling speed regulating wind turbine structure diagram

電磁耦合器傳動主要優(yōu)點是：1)非接觸式的柔性傳動可實現(xiàn)風(fēng)力機的無級調(diào)速.齒輪箱受到的機械沖擊小，使用壽命長；2)使風(fēng)力機的調(diào)速范圍更寬，低風(fēng)速時的風(fēng)能利用率更高；3)由變流器控制電磁耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)平穩(wěn).

但使用電磁耦合器代替液力變矩器后，機組的體積和重量相當(dāng)于同等容量機組的兩倍左右，增加了運輸和吊裝難度；且電磁耦合器僅能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)單一的調(diào)速功能，機組的發(fā)電效率有待提高；同時電磁耦合器的高成本也是制約電磁耦合調(diào)速型風(fēng)電機組批量生產(chǎn)的重要因素.

基于對以上兩種調(diào)速型風(fēng)電機組的特點分析，本文提出一種新型調(diào)速型風(fēng)電機組傳動鏈，其調(diào)速裝置能夠在某個時段內(nèi)同時具備調(diào)速和發(fā)電能力，以降低發(fā)電機和變流器的容量.同時加寬機組變速恒頻的運行范圍，在保證機組較強電網(wǎng)適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，提升機組的發(fā)電效率和可靠性.

2 新型雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的概念提出

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成及各部件連接關(guān)系

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of double rotor speed regulation wind power generation system

雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱(1)、外轉(zhuǎn)子為永磁體，內(nèi)轉(zhuǎn)子上繞有電樞繞組的雙轉(zhuǎn)子調(diào)速發(fā)電機(2)(額定功率為P調(diào)N)、電勵磁同步發(fā)電機(3)(額定功率為P調(diào)N=N*P調(diào)N)(N為大于1的整數(shù))以及兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的背靠背雙PWM變流器(4)(額定容量與調(diào)速機匹配)和一個整流器(5)構(gòu)成.其中，風(fēng)輪的主傳動軸通過齒輪箱(1)增速將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力經(jīng)聯(lián)軸器傳遞給雙轉(zhuǎn)子調(diào)速發(fā)電機外轉(zhuǎn)子(2-1)，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速；雙轉(zhuǎn)子調(diào)速發(fā)電機的永磁外轉(zhuǎn)子(2-1)與繞線內(nèi)轉(zhuǎn)子(2-2)呈相對旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造；雙轉(zhuǎn)子調(diào)速發(fā)電機的繞線內(nèi)轉(zhuǎn)子(2-2)連接有內(nèi)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器(4-1)并通過直流線路連接網(wǎng)側(cè)逆變器(4-2)，網(wǎng)側(cè)逆變器經(jīng)變壓器升壓后連接至電網(wǎng)；雙轉(zhuǎn)子調(diào)速發(fā)電機(2)與電勵磁同步發(fā)電機(3)同軸串裝；電勵磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(3-2)連接有轉(zhuǎn)子側(cè)整流器(5)，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器將電網(wǎng)的交流電整流成直流電為轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，電勵磁同步發(fā)電機的定子(3-1)經(jīng)變壓器升壓后連接至電網(wǎng).

2.2 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)風(fēng)速的變化，雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分別工作在調(diào)速機發(fā)電、調(diào)速機電動調(diào)速、調(diào)速機調(diào)速發(fā)電以及系統(tǒng)額定運行四個狀態(tài).系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及功率變化趨勢如圖4所示.

Ⅰ 調(diào)速機發(fā)電.

在該階段中，同步機定子短接，僅調(diào)速機工作，系統(tǒng)等效于永磁外轉(zhuǎn)子繞線內(nèi)定子的全功率變流器風(fēng)力發(fā)電機.

風(fēng)速達到切入風(fēng)速vm后，調(diào)速機外轉(zhuǎn)子獲得相應(yīng)轉(zhuǎn)速，n外隨風(fēng)速v的上升從0開始增加.與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接的全功率變流器將內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組輸出的變頻交流電整流逆變成50Hz交流電輸送至電網(wǎng)，功率為P調(diào)，實現(xiàn)變速恒頻運行.當(dāng)發(fā)電功率達到調(diào)速機額定功率P調(diào)N時，釋放同步機定子，系統(tǒng)進入第二階段運行，此時對應(yīng)的風(fēng)速為v1，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n外1.

Ⅱ 調(diào)速機電動調(diào)速.

隨著風(fēng)速的增加，v>v1，調(diào)速機內(nèi)外轉(zhuǎn)子均呈上升趨勢.根據(jù)電機學(xué)原理，若要實現(xiàn)穩(wěn)定的機電能量轉(zhuǎn)換，調(diào)速機內(nèi)外轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場必須保持相對靜止，由此可以得到調(diào)速機的轉(zhuǎn)速平衡關(guān)系：

n外=n內(nèi)+nf,

式中，n外為外轉(zhuǎn)子在外力作用下的旋轉(zhuǎn)速度，n內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速，nf為內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組電流所形成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速.

通過調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率f，使內(nèi)轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速達到并維持在同步轉(zhuǎn)速n0，即調(diào)速機輸出軸轉(zhuǎn)速保持在同步機的同步轉(zhuǎn)速n0；通過調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值i，使調(diào)速機通過外轉(zhuǎn)子獲得最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，即達到最大風(fēng)能捕獲的目標(biāo).

此階段初期，由于調(diào)速機內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由零開始增加，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由n外1>0開始增加，因此n外>n內(nèi)，調(diào)速機處于短暫發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)發(fā)出有功功率Pf，Pf隨內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差的減小而減小，至n外=n內(nèi)時，Pt=0.而后n外

由于調(diào)速機輸出軸轉(zhuǎn)速維持在同步機的同步轉(zhuǎn)速n0，因此同步機始終處于同步發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)提供有功功率.

Ⅲ 調(diào)速機調(diào)速發(fā)電.

風(fēng)速增加至v>v2，調(diào)速機外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速上升繼續(xù)增大，n外>n0，分別調(diào)節(jié)調(diào)速機內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率和幅值，保證內(nèi)轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速n內(nèi)=n0的同時通過外轉(zhuǎn)子獲得風(fēng)力機的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩.

此階段調(diào)速機外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n外始終高于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即同步速n0，因此調(diào)速機處于調(diào)速發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)輸出有功功率Pf，Pf隨外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大.當(dāng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速即n外=n外N時，系統(tǒng)達到額定運行狀態(tài)，進入第四階段運行.此時對應(yīng)的風(fēng)速為額定風(fēng)速vN，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n外N.

同步機運行狀態(tài)與第二階段相同，始終處于同步發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)提供有功功率.

Ⅳ 系統(tǒng)額定運行.

風(fēng)速增加至v>vN后，通過調(diào)節(jié)槳距角控制該系統(tǒng)捕獲的風(fēng)能，保證系統(tǒng)運行在額定狀態(tài).

圖4 雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及功率變化曲線Fig.4 Speed and power change curve of double rotor speed regulation wind power generation system

2.3 相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組的電能質(zhì)量不高、可靠性低、維護成本高.新型雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在一定程度上解決了上述問題，與傳統(tǒng)機組相比有以下優(yōu)勢.

(1)雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量較小，僅為機組額定功率的1/(N+1)(N為大于1的整數(shù))，對電能質(zhì)量影響小，且體積小制造成本低，易維護；

(2)變流器冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計降低了機組故障的停機時間，增強了系統(tǒng)可靠性，提高了機組發(fā)電量；

(3)低風(fēng)速段由小功率調(diào)速機獨立發(fā)電，提高了低風(fēng)速段的風(fēng)能利用率，提高了系統(tǒng)發(fā)電效率；

(4)調(diào)速機外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步速時，通過變流器調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和幅值使調(diào)速機在調(diào)速的同時又能將多余的電能經(jīng)變流器輸送給電網(wǎng)，增加了機組發(fā)電量，提高了系統(tǒng)效率；

(5)同步機額定功率為調(diào)速機額定功率的N倍(N為大于1的整數(shù))，該系統(tǒng)具有類似常規(guī)電站的發(fā)電特性：電能質(zhì)量較高，電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性良好，傳統(tǒng)風(fēng)電機組出現(xiàn)的電壓波動、電壓偏差、諧波問題以及頻率調(diào)節(jié)能力差等電網(wǎng)適應(yīng)性問題得以有效解決.

3 結(jié)語

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的電能質(zhì)量不高，主要體現(xiàn)在電壓波動、電壓偏差、諧波問題以及頻率調(diào)節(jié)能力差等方面，同時存在機組可靠性低、維護成本高等缺點.當(dāng)前我國主要采取加裝電力裝置的措施來解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題[7]，但存在控制策略繁瑣、技術(shù)手段復(fù)雜、系統(tǒng)成本過高等弊端，增加了風(fēng)電系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性.若想從根本上解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)之間的矛盾，需研發(fā)新型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)或采用先進控制策略使其接近或達到常規(guī)電站的并網(wǎng)特性.

新型雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由調(diào)速機和同步機同軸串裝組成，能夠?qū)㈦S風(fēng)速變化的不可控量轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽亓?，實現(xiàn)電能和機械能的同時傳遞與調(diào)節(jié).因此該機組具有類似常規(guī)電站的發(fā)電特性：電能質(zhì)量較高，電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性良好，傳統(tǒng)風(fēng)電機組出現(xiàn)的電網(wǎng)適應(yīng)性問題得以有效解決.又由于其變流器容量較小，因此對電能質(zhì)量影響小，且體積小制造成本低，易維護；同時變流器冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計降低了機組故障的停機時間，增強了系統(tǒng)可靠性，提高了機組發(fā)電量.因此新型雙轉(zhuǎn)子調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)風(fēng)電機組能夠更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，將成為今后風(fēng)電機組的發(fā)展趨勢.

參 考 文 獻

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