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1、风力发电-2MW风力双馈异步电动机的研究设计简介风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用-主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于075千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用

2、来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。目前，据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的20

3、0千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。原理把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电

4、机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）。由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发

5、电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只

6、有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。双馈型感应发电机随着电力电子技术的发展，双馈型感应发电机（Double-Fed Induction Generator）在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于蓄电池的容量，而是从励磁系统入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样一来就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电

7、机的优势就在于，交流励磁的频率是可调的，这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。摘要一个设计为一个2 MW风力发电机的商业,验证了两种连接方式为标准双馈异步机可延长低速下范围到80%滑动没有增加的额定功率电子变换器。这远远超出了正常的30%的下限。较低的速度连接被称作异步发电机模式和机器操作与短路定子绕组和所有的功率流在转子回路。有两

8、个回路逆变器控制系统方案设计和调整为每一个模式。本文的目的是当前仿真结果,说明了该控制器的动态性能均为双馈异步发电机的连接方法为2 MW风力涡轮机。一个简单的分析了双转子电压为连接方法包括作为这个演示的优势的时候,需要考虑设计等先进控制策略。关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电设备列出的重要标志vrdq 直接和正交转子电压irdq 直接和正交转子电流sdq 直接和正交定子磁链Ps 定子有功功率Qs 定子无功功率pfs 定子动力因素Te 扭矩p 微分算子Lm 电抗引入Rr 转子电阻Lr 转子电抗引入 总漏电感sf 频率s 定子简称s 转子简称* 参考值1、介绍兴趣是持续风力涡轮机,尤其是那些拥

9、有一个额定功率的许多兆瓦这个流行主要由既环保,也可用的化石燃料。立法鼓励减少碳足迹的所谓的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。风力是一DFIG变速与转子变频器控制使转子电压相位和大小调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数文13。DFIG技术是目前发达,是常用的风力涡轮机。定子的DFIG是直接连接到网格与电力电子转子变换器之间,用以转子绕组的网格。这个变量速度范围是成正比的评级的转子等通过变频器调速范围30%4、5、6、7转子转换器只需要的DFIG总量的30%的力量而使全面控制

10、完整的发电机输出功率。这可能导致显著的成本节省了转子转换器4。滑动环连接,但必须保持转子绕组,性能安全可靠。电源发电机速度特性,如图1所示为2 MWwind汽轮机。对于一个商业发电机速度随风速,然而这种关系是为某一特定地点。作为风速,并因此机速度快、输出功率下降了的风力发电机减少直至关闭时提取风是比损失的发电机和液力变矩器。操作模式已经提出,风力机制造商宣称延伸速度范围以便在较低的速度力量提取的风是比损失在系统等系统能保持联系。这个建议标准的双(DF)连接在正常使用调速范围所谓DF异步发电机(“模式是用来延长低速运行。先前的工作已经显示了IG模式能够运作的DFIG滑到80%8。这一变化在运行时

11、实现定子从电网DF模式,然后短巡回定子使国际组操作。所有的发电机组转子变频器在流经IG模式。免疫球蛋白曲线相同的曲线为30% DF滑动。估计国际组电力提取的风在低速下所获得的曲线,推断DF模式。参考扭矩由控制器(DF和IG模式),就可以很容易地来源于这样的曲线。扭矩-速度数据可以存储在一个查表所以参考转矩和转速变化自动。这个能力的现代DF风力涡轮机不同的无功功率吸收或产生6、第九条、第十条让风涡轮参与无功功率平衡的格子里。无功功率在电网的连接中描述的工作,由英国,连接条件小节CC.6.3.211从国家电网。无功要求风电场的定义是由图2。MVAr点相当于功率因数为0.95领先于额定兆瓦MVAr

12、B点相当于功率因数为0.95滞后于额定兆瓦C - MVAr 5点的额定兆瓦D点- MVAr 5%额定兆瓦E - MVAr 12点的额定兆瓦摘要本文旨在探讨控制器性能和IG模式为DF 2MW 690V,4-pole,DFIG使用机器参数由制造商。这是进一步研究建立在先前的稳态性能进行了两种操作的损耗,以及国际组模式8。在8探讨了稳态效率为双方关系。工作说明的稳态性能都有好处,这台机器运行一个连接方法相对于其他。摘要本文检视(即瞬态性能)的2千瓦风力涡轮。结果全部动态控制器(电流调节、解耦控制方程和矢量控制方式,在DF)的方式显示指定。配置程序做了详细的分析,形成了转子的电压在整个操作范围内DFI

13、G模式,给出了这种能够主宰成分浮出水面。这是特别重要的先进控制方案设计时充分概论的工作范围内,能被确认。仿真模型,它已经被证实对7.5kW实验室钻机12,是应用于现实的2千瓦风力使结论是关于拟议中的使用IG模式在真实的风力涡轮。2、连接方法双馈异步电机通常连接如图3。GSI网格侧逆变器(保持)是一个固定的直流环节电压与给定的功率因数的网格(在我们的情况下,团结)。转子侧逆变器(劳损)的控制,从而使最大能量提取的动能的风而使定子功率因数控制范围内统一要求,尽管网格的功率因数往往是可取的。另一种连接方式为双馈电机如图4,这叫了异步发电机(指定)连接。定子是脱离电网和短路。转子回路图3。从不变。GS

14、I一样的控制方式。DF)目的是为了控制劳损定子磁链在吸收最大功率的动能,风能。3、控制器性能闭环控制方式都和IG模式DF讨论的前期准备工作12但只有一个7.5亿千瓦实验室试验平台。2千瓦动力学系统会有所不同,本文讨论了。动态控制器的性能和IG模式为DF中显示的是这段2 MW风力涡轮机。3.1DFIG模式(T和Q控制)参考价值的扭矩模式控制器DF(见图1)和定子无功使网格代码要求达到11,图2。摘要研究了两种速度,使部分的控制性能表现出两上方和下方的标称功率的20%限制电网的规范要求。一个命名可以达到3亿千瓦,约1150转(小于标称功率的20%)一个额定功率是达到125千瓦1550转(超过20%

15、的额定功率)。参考和实际的扭矩、网球、定子无功功率,Qs,都显示,两者的速度在图5。参考扭矩,越富有,因为这两者都是具体的名义转矩速度对于一个给定的速度计算出图1;2672海里为1150转速和7701海里的1550转速。200海里的速度在双方的动态响应,说明了一步,改变扭矩。参考定子无功功率,Qs *,螺杆转速变化之间的1150年所指定的范围栅格规程的要求;最初5%的生成与更进了一步,在t = + 5%的3.5s产生电力。在1550转定子动力因素、pfs *,最初0.95并逐步改变在t = 3s团结pfs和最后一步,在t = 0.95滞后4s pfs)。矢量控制回路的调整为一个时间常数的0.9

16、s 0.1秒,为特和Qs循环。矢量控制的设计是为了有一个较慢的带宽比当前的规定。实际转子电流直接、irds、正交、irqs、部件对应figure6图5中显示。这个步骤的影响是明显的变化对Te * irqs(上标s指出变量是指在定子)。这个irqs *元件包含小瞬态响应1550 rpm在t =三分球和t = 4s是由于步改变Qs价值。这个步骤改变Qs *,如图5,导致快速变化的irds *,图6,如有初步的误差和实际Qs作为参考一会儿,管理作为回应。现行规定,确保带宽防止控制器对这样的流动而不断地获得适当的反应速度这个方程为基础的调谐用来控制器的设计出相似的比例和积分所得的值为现行规定直接和正交

17、循环的Holdsworth魏厚10。3.2 IG模式(T和流量控制)参考价值的IG模式控制器是定子磁链和转矩。摘要研究了两种条件下2千瓦发电在IG模式中,启动和扭矩步反应,以400转(最低IG模式速度12)和1420转(所产生的力量以这样的速度与转子上游的额定功率转换器,600亿千瓦)。参考和实际的扭矩、网球、定子磁链,sr(上标 r”表明变量是指两个方面对转子)的速度如图1。稳态Te标称值处理的速度、320海里为400转速和4081海里,源自公元1420年转图1。一个启动顺序必须建立在额定sr机器,对于一个给定的速度,通过一段斜坡,图1,机器可以产生电力。一旦该控制器参考sr已建立了机械,特

18、*增加通过控制的名义价值斜坡给定的速度,然后一阶跃响应50海里在400转速与200海里时转速适用。公元1420年,该控制器控制机器来跟踪Te *果然,参看图1。矢量控制回路的确定值的参考转子电流如图8。最初的成分迅速上升到建立sr,大约三倍公称稳态值对于一个给定的负荷点。当前在额定的限制。最初的解码器能够显著降低,如果一个较慢的反应sr实现。这个硬中断请求优先级别组成,是由扭矩环使渴望权力产生。最初有轻微的误差影响高解码器的交叉耦合正交循环系统的条款。一旦名义sr于机器直接和正交环路的解耦。又一特步引起短暂飙升的硬中断请求优先级别*虽然被调谐到这个变化是慢于参考价值。4、转子的电压元件双方的性

19、能和IG模式DF已经在上一节。两者都是基于内部控制电流环和外部控制回路为转矩和定子无功功率损耗的案例和转矩和定子磁链的IG。再加上解耦方程的PI控制器的影响,降低产量之间的交叉耦合循环。最后一部分工作的研究做出贡献的稳态组件的转子电压,全部在方程式(1和2),2千瓦机器来评估的重要性,在不同的速度方程式解耦。转子电压、工具、转子电流、国税局,居于万物的工具和组件由方程式(1和2)进行了DF转速范围内(1000年到1950年转矩确定)的正常从图表1),和定子动力因素、pfs、范围的0.9落后领先到0.9%。只有pfs被视为GSI可能保持团结酚醛风轮变频器连接到网格的独立的劳损。图9所示的是变化的

20、速度和vrdqs定子无功功率范围的调查。vrds组件的主导的稳态的sfirqs的压降和sq后被忽略的是零组件选择参考帧。这可以比较图9和数字。在一个2千瓦的vrqs机床主导下的sf(Lm / Ls)sd期限为低的总泄漏,降低电感、irds交叉耦合效应的术语和s取向的sq构件框架设置为零。在vrqs变化在恒定的速度(并因此转矩)是由于从irds交叉耦合的定子无功功率调节,Qs,因此pfs这个工具vrqs统治级的组件和对称1500rpm;thesynchronous速度4-pole机。这是经公园等13。 在稳态变化直接,irds、正交、irqs、转子电流部件对速度和Qs如图10。irds元件的功率

21、因数、调节定子无,通过控制Qs和太少s组件调节。irds确定的价值的比例提供发电机无功功率的定子和转子回路。irds增加越来越积极的比例从转子回路Q同时减少了问从出口到Q的静定。越来越消极irds增加问从,减少了定子电路的转子的一面,直到Q是由转子出口。Qs随维持理想Te,因此irds组件无会持续pfs在更高的速度。大致上是恒定的irqs元件恒速恒转矩的力量,积极为产生的定位框架和直接和正交轴排成一线国税局的大小是为所有的额定内部条件图10。其余的这部分说明了转子的电压,vrdqs、稳态部件从方程式(1和2)。这个Rrsirds术语及术语vrds Rrsirqs vrqs仅仅是irdqs,如图

22、10,攀登通过后,所以不显示。 jsfirdqs的交叉耦合条件vrdqs如图11所示， jsfirdqs有助于vrds和sfirds从 vrqs。sfirds由组成随既速度和定子无功功率为定子无功成正比,与转矩对于一个给定的定子动力因素。sfirds随着年龄的增长而增长速度的组件负载力矩增加如图1。sfirqs组件是主导学期在vrds组成eqn(1),在不同步性的速度。在极性的结果sf定义和大小的扭矩。irdqs大小是由频率升高而升高，sf与总漏电感。图12表明vrdqs由j(Lm/Ls)和sf和sdq组成，(Lm/Ls)sfsq有助于vrds，这个学期大致上是零因定位框架。 (Lm/Ls)s

23、fsd抑制 vrqs 的组成，(Lm/Ls)sfsd的形状组成完全由sf.决定。5、讨论分析vrds和vrqs组成的可行性是由占统治地位的条款。s定位框架的结果sq和vrds前馈术语被忽略所以稳态vrds组件的结果是Rrsirdssfirqs。三种截然不同的区域,然后可以识别sub-synchronous速度，关于同步速度，和超同步速度。vrds的瞬态响应的对于一个步骤irds*主导下的pirds. p(Lm/Ls)sd作为一个微不足道的效果了sd 术语是恒定的,假设一个僵硬的网格。irds*的脉冲一步稳态值影响的vrqs在vrds的稳态条款，vrqs稳定的状态是由主导下的sd 期限，Vrqs

24、的瞬态响应由irqs*来的是由pirqs周期正如步骤irqs最初是高的。p(Lm/Ls)sq有一个最大的作用时sq约等于零，在vrqs的vrds周期和步骤周期所有的经验值变化的irqs *。6、结论摘要首先分析了控制器的响应和IG模式DF连接DFIG MW风力涡轮机。2这台机器参数为2千瓦机,为商用WRIM用于风力涡轮机,由制造商。2千瓦机参数用于这项工作并不仅仅是一种线性比例的前期准备工作在7.5万千瓦的特性与不相同的两个人之间的机器。两个方面进行了调查分析,对2千瓦DFIG。已经存在的仿真模型用于评估可控性和稳态和瞬态行为DFIG 2千瓦的IG模式和DF)。结果表明,IG模式是一种可控的运作模式,这将扩大低速运行电压降低转子速度降低(电压),所以IGBTs限制会被尊为将当前的和权限的机器和液力变矩器。电压的组成进行了转子损耗模式DFIG 2千瓦。这显示了重要的解耦方程中的表现DFIG随速度。参考文献