第三章 风力发电 成一台无换向器的发电机。
除上述图3-3这种方式外,较为受世人关注的是用变频器对风力发电机进行励磁方式。图3-4是有刷励磁方式。发电机为绕线式转子异步电机,转子励磁线圈通过滑环与电刷和静止变频器相联,所以称为有刷励磁。通过控制变频器对发电机转子回路输出的三相交流低频电压的相位、幅值及频率,来达到发电机变速恒频恒压以达到联网运行的目的。
图3-4 用变频器进行有刷励磁
这种方式的优点是所用变频器的体积容量大为减小,仅为被励发电机容量的1/3-1/4,而且省去了风力机与发电机间的增速齿轮箱,以及发电机电枢绕组与电网间的可能需要设置的升压变压器。
除有刷励磁方式外,还有无刷励磁的风力发电机方式。图3-5表示用变频器进行无刷励磁方式。发电机由2台同轴连接的绕线转子异步电机组成,见图3-5（a）,一台为发电机,另一台为励磁机。2套转子绕组在电气上直接相联,如图3-5（b）所示,实质上是一种无刷歇尔皮斯系统,变频器在励磁机的定子回路,并与工频电源相联,这样便构成无刷励磁系统。通过改变变频器对励磁机输出电压的相位、幅值和频率, 便可达到发电机实现变速恒频恒压运行的目的。
无刷励磁方式较有刷励磁而言,发电机结构较为复杂,但突出优点是运行维护简单,所以仍不失为一种好的风力发电方式,为用户所青睐[18]。
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东北电力大学自动化工程学院学士学位论文
图3-5 用变频器进行无刷励磁
3. 3. 4 国外风力发电机组的结构和特点
国外的风电机组和变频器技术起步较早,技术较国内先进,风力发电机单机容量已能生产5MW机组,变频器容量也做得较大。单机容量为3-5MW的风力发电机群,对变频器的配置方式如图7所示。在风力发电场的几台发电机中,每台电机的电枢绕组输出端只设置AC/DC整流器,通过直流母线实现所并联发电机的同步变速运行,再由风电场中的公用逆变器把直流母线中的电源转变成电压频率、幅值及相位与电网一致的交流电源进行传输,公用逆变器的容量为所有发电机AC/DC整流器容量总和,可做到40-50MW。
这种方式的特点是直流母线上的电压是多台发电机整流输出后得到的,由每台发电机间交流输出电压的相位不同,相当于3n=24相交流电压的整流输出, 纹波系数特别小,尽管每台发电机输出电压频率很低,约为5-10HZ,也不会损坏母线电压的波形效果,所以可以取消风力机与发电机间的增速齿轮箱,由风力机直接驱动发电机转子。另外,由于变频器中整流与逆变部分的分离,提高了风电场的经济整体效益及运行可靠性。
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第三章 风力发电
图3-6 变频器在“Windformer”系统总的应用
为使直流母线上的电压达到足够高的程度,除了增大风力机的驱动功率,加大发电机的单机容量外,在发电机定子线圈绕制上,是由一整条高压电缆绕制而成,发电机输出电压可高达12KV以上,从而使逆变器输出交流电源电压值足够高,不需要升压变压器就可直接并入当地电网运行。
这种方式的风力发电机群,已在瑞典的Nassu-dden风力发电场安装运行,在风电设备寿命期终了后,有效材料可再生利用。
3. 4 风力发电控制系统
3. 4. 1 风力发电机组的控制目标
控制系统主要实现正常运行控制、参数监控以及安全保护等三大功能。 （1） 正常的运行控制包括风力发电机的自动启动并网，变桨距，发电机加热，自动偏航对风，液压油泵自动启停，齿轮油泵自动启停，自动偏航解缆，自动停机。
（2） 参数监控包括电力、风力参数以及液压系统状况，变桨距系统状态，偏航系统状况，监测发电机、变流器运行状态和故障情况，收集风机运行数据。
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东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 （3） 安全保护系统是确保运行过程的安全性与可靠性，主要包括机组发生故障时进行制动保护、独立于计算机的安全链保护、机器本身保护、接地保护以及防雷击保护等。
风力机是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标分为4个层次：保证可靠运行、获取最大能量、提供优质电力、延长机组寿命。控制系统应实现以下功能：①运行风速范围内确保系统稳定运行。②低风速时跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获。③高风速时限制风能捕获，保持风力机的额定输出功率。④减少阵风引起的转矩峰值变化，减小风轮的机械应力和输出功率波动。⑤减小功率传动链的暂态响应。⑥控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制，如桨距角的调节范围和变桨距速率有一定限制。⑦抑制可能引起机械共振的频率。⑧调节机组功率，控制电网电压、频率稳定[19]。
3. 4. 2 风力发电机组的现代控制技术
1.滑动模控制
使风力发电系统的控制器具有较强的鲁棒性以及良好的动态品质,是风力发电系统研究中一个倍受关注的问题。滑模变结构控制系统因其兼具快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优良特性而在电力系统、交流传动、电力电子技术和风电系统等领域得到了广泛的应用。
滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制。基本设计思想是对于一非线性系统,利用高速开关将系统相轨迹引导到一个由设计者所选择的可到达的曲面上。在满足匹配的条件下,一旦系统的状态向量进入切换面后,就被约束在超曲面的子空间中作“滑模”运动。此时,系统的动态品质由切换面的参数决定,而与系统参数的摄动、扰动的影响无关,即变结构控制具有对滑模摄动的不变性,这种不变性显然比鲁棒性更进了一步,称之为完全鲁棒性或理想鲁棒性。
风力发电机工作于正常和失速2种模态[20],对感应发电机系统以功率相对误差作为切换面,对2种模态分别采取不同的滑动模控制结构,实现了无差跟踪和风能最大捕获。文献21以力矩为控制信号,采用手积分型滑动模控制律,有效地
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