1、雙饋感應發電機系統變速風力發電機組作者：Rui Melicio , V.M.F. Mendes摘要：本文介紹了一項研究，結果有關于一個能源系統的動態行為，該系統動力由 轉子通過AC-AC變流器連接到電網的雙饋異步發電機提供。研究人員提出了一種趨勢，就是越來越多的風力渦輪機可以在世界各地被觀 察到。此外，因為需要保護我們的棲息地，現在存在一些意識，就是關于將清潔 的環境要求放入考慮之中。可再生能源不會有助于增強溫室效應，特別是風力發電，正在成為整個系統 的重要組成部分。因此，有關風能系統動態行為的研究，對于實現更好的認識是 重要的。關鍵詞：風能，風力發電機，雙饋感應發電機，交流，交流轉換器。1、

2、簡介風力發電在歐洲不斷向前發展，跟隨著的是2001/77/CE指令。國家和客戶對 提供所需要的能源感興趣，將清潔環境的需求放入考慮之中。可再生能源不會增 強溫室效應，特別是風力發電，正在成為整體組合系統的重要組成部分。風能轉換系統，WECS，研究集中在自治系統和風力發電并網連接系統。一個自治系統，直接向客戶供應電力，該系統在輸電線路交通不便的區域尤 其具有吸引力，但自治系統風力發電需要其它能源的補充，因為風是一種不可預 知的能量源。因此，它不能保證連續供電。然而，與電網聯系著的系統具有這樣 的優勢，就是能確保連續供電，因為當風能不足以滿足需求時電網能滿足需求。變速風力發電機組與恒速風力發電機組

3、之間的對比表明，可變速率減少機械 壓力：陣風可以被吸收，由塔背壓引起扭矩和功率脈動的動態補償。這種背壓導 致顯著的轉矩脈動，其速度等于渦輪機轉子轉速乘以轉子葉片數。在發電機轉子 通過一個AC-AC變換器連接到電網的風能轉換系統中，使用電磁雙饋感應發電機 有以下優點：只有通過轉子注入的電能才需要轉換器的處理，這意味著更低的變流成本； 改進后的系統效率和功率因數控制可以以更低的成本實現，轉換器只提供激 發能量。因此，近年來利用先進的電力電子技術，配備了雙饋感應變速風力發電機組系統的風能轉換系統是一對風能的最有效的配置轉換。預計到2010年，葡萄牙將有3750兆瓦風力發電產生于政府的63/2003決

4、議。(表一)顯示了2004年12月葡萄牙、馬德拉群島及亞速爾群島已裝入和正在建設 階段的風能容量。葡萄牙的水力發電平均一年約占其發電總量的20.25%。同時，在葡萄牙， 風能約占其消耗的總能量的1.7%。這個總數數字仍然遠沒有達到按照指令 2001/77/CE確定的既定目標，能源生產總量的39%。表一：風電2004年12月風能轉換系統葡萄牙馬德拉亞速爾群島總計保守值(MW)746. 00.01.8747.8實際設立(MW)505.59.65.3520.4葡萄牙的風能轉換系統是并網系統，最近一年的統計顯示，雙饋異步發電機 系統是最近安裝和正在施工建設階段的風能轉換系統的首選。本文介紹了有關研究結

5、果為由雙饋感應發電機提供能量的風能供電系統的 動態行為，雙饋感應發電機由于其優勢，成為葡萄牙風能轉換系統的首選配置。我們選擇的案例，如圖1所示，所研究的風能轉換系統，由一個擁有可變速 雙饋異步發電機的電網組成。圖一雙饋異步電機風能轉換系統該系統配有控制器，即：瀝青控制器，速度控制器和電壓控制器。2、公式渦輪模型是基于以下幾方面：渦輪機的機械功率是：Pm= 1 pnD2V3Cp(P，氣)(1)其中？為空氣密度，D是風機葉片直徑掃過的區域，V是風速度，Cp本是功率系數， 我們認為他是這樣定義的：Cp (。，2 =0.73(151Q 寸0.002 P - 13.2 e XXV i/這里氣=110.0

6、35(X + 0.08 P ) 6 3 + 1)(2 )X為葉尖速比，P為轉子葉片的俯仰角度，3是機械角速度。該功率系數函數 m（2），如圖二所示參數化的俯仰角的功能。Tip speed ratio圖二功率系數在較低的風速，俯仰角設置為空值，因為，最大功率系數得到了這個角度。因此，最大功率系數通過以下非線性數學計算程序計算：s.tr 1、=max 110 .23 一 0.11976 e T8.4G/X-0.003)弗JX河這里給出 C（0,X） =0.4412因為入opt=6.9只有當風的價值速度比額定風速更大時俯仰角控制操作。世界一半以上領先的風力渦輪機制造商使用雙饋電磁感應發電機系統。這是

7、 由于這一事實，即電力電子轉換器要處理的只有一小部分（20%-30% ）的總功 率，即滑動的功率。這意味著，如果速度是在各地同步轉速的土 30%范圍時，轉 換器有30%的渦輪機額定功率等級，減少了電力電子變換器中的損失，相比一個 系統，其轉換器有處理的總權力。此外，該轉換器的成本變得低。雙饋電磁感應 發電機已在風力渦輪機中已經使用了一段較長的時間。在過去，AC-AC轉換器連 接到轉子，由一個整流器和逆變器基于品閘管的橋梁組成。如今，AC-AC轉換器 都配備了雙定向的絕緣柵雙極型品體管，連接變速雙饋異步發電機的轉子到電網 上。轉子運動方程為：d3 r/dt=2Pa /（J3其中J是轉動慣量，由于

8、旋轉質量和P是轉子加速機械動力。本文研究的案a例展示的是轉子角速度在0.73 3 r0.3w區域。使用電動機慣例，雙饋異步發電機的方程，如下：dA ds/dt=Uds-Rsids+3A qsdA qs/dt=Uqs-Rsiqs+3A dsdA dr/dt=Udr-Rridr+s3A qrdA qr/dt=Uqr-Rriqr+s3A 定定子電值所標注的下標為s,轉子電值所標識的下標為r,U為電壓，R是電阻，i是一個電流，A為磁通鏈。3是定子電氣頻率，S是轉子轉差率。磁通鏈這這樣 定義的：A ds=Lsids+MidrA qs-Lsiqs+MiqrA dr=Lridr+MidsA qr=Lriqr

9、+MiqsLs，Lr和M分別是定子，轉子漏感及定子和轉子之間的互電感。定子和轉子有 功功率是這樣給出：Ps = 3/2(Udsids+Uqsiqs)Pj3/2(Udridr+%iP轉子加速機械功率：Pa =Ps 弋 土我們忽略了機械損耗，由于小值通常達到這個損失。3、案例研究此次仿真的主要目的是評估雙饋感應發電機系統對于大風的行為。我們認 為，風速變化如圖3所示。日 IIIIIL0123456Fig. 3. Wind speed.t國圖三風速由于風速變化導致的機械功率如圖4所示012345 S 7Fig. 4. Mechanical power圖四機械功率Fig. 5. Stator powe

10、r.圖五定子電圖5和圖6分別顯定子電和轉子動力的運行狀況。Fig. 6. Rotoi powerOOOOOOOOOOOOOOOO98765432t國圖六轉子功率圖7顯示了由于功率慣慣例，導致的通過差分定子電源的轉子電力注入電網的輸 出功率。1234567t間 Fig. 7. Output power圖七輸出功率圖8顯示了為了限制機械功率漂移而增加的相應的俯仰角。圖八俯仰角圖九渦輪轉子速度圖9和圖10顯示渦輪轉子的速度和轉子滑速。該風力渦輪機的額定功率為850千瓦，并且渦輪機的額定風速為11.4米/秒。 圖3,意味著對于渦輪機而言，機械功率趨向于高于額定功率，但是由于傾斜角 度的控制，如圖9,增

11、強的機械功率偏移被控制在適當的時候，如圖4。隨后，隨 著風速的下降，機械功率降低，俯仰角返回空值。4、結論風力發電在歐洲不斷向前發展，放松管制為風能轉換系統提供了很好的投資 機會。因此，可以預計不久的將來，風力發電將是總發電組合中的一個重要組成 部分。由于電力電子學的進步發展，使用可變速的雙饋感應異步發電機系統，通過 AC-AC轉換器連接到電網是得天獨厚的，這提高了功率效率轉換。如果沒有控制，在風力渦輪機中，由于風速增加超過額定風速，機械功率就 會超過額定功率。因此，風能轉換系統操作是不可持續的，就是要面對的一個選 擇。對于水平軸風力渦輪機，俯仰角控制是用來控制機械功率頂峰的一種方法， 在不停

12、止風能轉換系統的情況下恢復正常功率。我們的案例研究表明，俯仰角的 控制可以限制機械功率的漂移，但是根據轉子的轉動慣量，反應需要時間來捕捉 正常操作條件。由于超同步發電機模式，這里轉子的速度比定子的電氣同步速度 大，滑動為負，轉子向電網提供電能，此模式是一個非常高效的發電方式。相反， 如果滑動為正，轉子接收來自電網的電能，但定子不斷向電網提供電能，這是， 亞同步生成模式。參考文獻：PETERSON ANDREAS,HARNEFORS LENNART,THIRINGER TORBJORN, “風力渦輪機 采用雙饋感應電機當前控制評價方法” ,IEEE期刊.電力電子，卷20,頁碼 227-235,2005 年1 月.MULLER S,DEICKE M,DE DONCKER, RIK W. “雙饋異步風力發電機發電機系統 “，IEEE行業應用雜志，馬尤/俊昊德2002年.INEGI, Parques Eolicos em Portugal, Dezembro de 2004.SLOOTWEG J G，HAAN S W H,POLI