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基于双馈异步发电机的风力发电系统


基于双馈异步发电机的风力发 电系统

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双馈异步发电机是一种绕线转子异步发 电机 功率等级通常在几百千瓦至几兆瓦之间 定子只能将风力机功率传输给电网,流 动是单向的 转子回路中,功率流动是双向的 转子传送的最大功率大约为定子额定功 率的30%

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当实际风速比发电机额定转速低时,由 于是变速运行,它比相同功率等级的定 速风力发电系统可捕获更多风能 系统可以在无需其他设备的条件下,向 电网传输超前或滞后的无功功率

这些特点使双馈异步发电机风力发电系统成为当 前风电行业的最佳选择之一

1 双馈异步发电机的超同步和 亚同步运行

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图为一个双馈异步发电机风力发电系统 的机械功率 与转差率s的特性曲线 机械功率为负值时,双馈异步发电机工 作在发电模式 双馈异步发电机转速是可调的,所以通 过最大功率点跟踪控制算法来获得最大 风能

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当系统工作在系统功率-转速曲线的最大功率点 时,发电机从机械轴上获得的机械功率 和 转速 的三次方成正比 上图所示的转速范围是 ,它对应 了整个转速范围 的58%,这个转 速范围对于风力发电系统运行已经足够,这是 因为发电机转子速度,变为额定速度的42%时, 系统发出的功率为 ,仅为额 定功率的7.4%

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当发电机发出的额定功率 时,对 应的额定转差率为-0.2,这表示系统工作 的额定稳定工作点 从动态特性看,转差率最高可运行至-0.3 (大约为同步速度的30%以上), 所以转子电路中的变流器按照能够满足 定子额定功率的30%进行设计即可。

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根据转子速度判断,双馈异步发电机风 力发电系统有两种运行模式,1)超同步 模式,发电机工作在同步速 之上 2) 亚同步模式,发电机工作在同步速以下。 转差率在超同步模式时为负值,而在亚 同步模式下为正值

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图示为双馈异步发电机风力发电系统中 的功率流向,省略了转子回路谐波滤波 器和电网侧变压器,以简化分析 通过转差率是正值还是负值,可知道转 子电路是从电网接受功率或输送功率到 电网

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超同步模式下,系统从发电机轴获得的 机械功率 既可以通过定子回路,也 可以通过转子回路传输到电网中,转子 功率 可通过转子回路的变流器,传 输到电网,而定子功率 可直接传输 到电网,如果忽略发电机和变流器的损 耗,系统传输到电网中的功率 就是 上图的机械功率

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亚同步模式下,转子可从电网中吸收有功功率, 机械功率 ,和转子功率 都是通过定子传输到电网
尽管定子功率 是 和 之和,但不 会超过额定功率,因为在亚同步模式下,系统 从发电机轴上获得的机械功率 比起处于超 同步模式要小。

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如果忽略损耗,系统传输到电网中的所有功率 等于输入的机械功率 并且亚同步模式下,发电机会发出更少的功率, 因此变流器的功率等级应取决于超同步模式下 的额定转差率或最大转差率,这时变流器将处 理最大转差率,例如阵风使暂态过程中发电机 最大转差率为 ,因此变流器需传送的 功率大约为定子最大功率的0.3倍

2 双馈异步发电机的单位功率 运行

从转子侧变流器稳态等效阻抗入手分析单位功率因数下 的双馈异步发电机风力发电系统的运行

2.1 带转子侧变流器的双馈异 步发电机稳态等效电路

为研究稳态特性,在等效电路分析中,转子侧变流器可等效为一个阻抗

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转子侧变流器等效阻抗

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折算到定子侧的转子侧变流器等效阻抗

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假定定子工作在单位功率因数状态,发 电机气隙功率
基于异步电机理论,气隙功率

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将8-4带入8-3中

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从8-5中得

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求解8-6得

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励磁支路两端电压

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定子电压和电流
定子电压和电流相位差为180,双馈异步 发电机工作在发电模式,定子功率因数 为 =1

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励磁电流

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转子电流

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转子电压

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从式8-12得

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在等效电路中

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折算会回原电路

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稳态电路的分析

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当转差率从+0.3变为-0.3时,转子电流 增大,转子电压 减小,转差率变为0 时,转子电压为0,转差率为负时,转子 电压继续增大

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超同步模式时,转子侧变流器等效电阻 为正值,表明有正向功率从发电机转子流 向变流器
亚同步模式下,为负值,变流器向发电 机转子传送功率

2.2 双馈异步发电机风力发电 系统的转矩-转差率特性
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整个转子回路电阻是 电抗是



之和,

图示为一组运行在超同步模式、同步模 式和亚同步模式下,双馈异步发电机典 型的转矩-转差率特性,在不同的 和 下,可获得不同的转矩-转差率特 性曲线 运行 上
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无论转差率正负,都工作在发电模式, 向电网传输机械功率

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发电机的电磁转矩

2.3 双馈异步发电机风力发电 系统在 PF ? 1 时稳态分析 s

3 超前和滞后功率运行
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发电机运行在超前或滞后功率下,定子 电流为

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双馈异步发电机工作在0.95超前功率因 数和滞后功率因数下,超同步模式和亚 同步模式时变流器等效阻抗,一旦变流 器等效阻抗确定,双馈异步发电机风力 发电系统的稳态运行就可以获得

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所示为双馈异步发电机工作在超前功率 因数0.95时,计算得到的变流器等效阻 抗和转矩-转差率特性曲线

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采用滞后功率因数0.95时发电机的转矩转差率曲线

4 双馈异步发电机风力发电系 统定子电压定向控制

4.1 定子电压定向控制的原理
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发电机定子直接和电子相连,因此其电 压和频率在额定运行状况下是恒定的, 因此,双馈异步发电机非常便于使用定 子电压定向控制(SVOC)

4.2 系统控制框图

4.3 双馈异步发电机风力发电 系统的暂态特性

4.4 双馈异步发电机风力发电 系统的稳态性能


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