双馈风力发电连续运行实验研究 2.docx

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双馈风力发电连续运行实验研究2

双馈风力发电连续运行实验研究

摘要：

目前，人类面临着能源和环境两大迫在眉睫的问题，因此利用可再生、绿色环保的能源，如风能、水能和太阳能等作为重要的清洁替代能源，对于缓解近年来的问题具有重大意义，日益受到人们的重视。

而风能独特的优点倍受各国学者关注，风力发电技术已成为竞相研究的热点。

风力发电系统的控制问题研究成了热门课题。

本文首先分析了当今世界各国风力发电的发展状况，介绍了我国风力发电事业状况，分析了风力发电的发展前景，在此基础上提出了本课题研究的重要意义。

简要介绍了变速恒频双馈风力发电机的运行研究状况，由此引出我们的主题：

双馈风力发电连续运行的实验研究。

其次，简述了双馈风力发电机空载并网运行，并且深入进行并网后连续运行的研究，其运行区域：

低于额定风速时,实行最大风能追踪控制或转速控制,以获得最大的能量或控制机组转速;高于额定风速时,实行功率控制,保持输出稳定。

并得出连续运行控制策略。

最后，对双馈风力发电机并网后进行实验研究，只对其功率控制进行研究，通过数据的分析，得出相应的结果。

本文研究的风力发电连续运行具有很基础，实用现实意义。

关键词：

风力发电；变速恒频；双馈风力发电机；空载并网；功率控制

Experimentalstudyofcontinuousoperationofdoublyfedwindpowergeneration

Abstract：

Atpresent,themankindisfacedwithenergyandenvironmentofthetwoimminentproblem,sotheuseofrenewable,greenenergy,suchaswindenergy,Hydropowerandsolarenergyasacleanenergysource,isofgreatsignificancetoalleviatetheprobleminrecentyears,peoplepaymoreandmoreattention.Theadvantagesofwinduniquebymanyscholarsindifferentcountries,windpowergenerationtechnologyhasbecomearesearchhotspot.Studyoncontrolofwindpowergenerationsystemhasbecomeahottopic.Thispaperfirstlyanalyzesthedevelopmentstatusofworldwindpower,thewindpowerindustryinChina,analyzesthedevelopmentprospectsofwindpower,thenputsforwardthesignificanceofthistopicresearch.BrieflyintroducedtheoperationstatusofVSCFdoublyfedwindpowergenerator,whichleadstoourtheme:

experimentalstudyofdoublefedwindpowergenerationcontinuousoperation.Secondly,theoperationofdoublyfedwindpowergeneratorno-loadgridconnection,researchandin-depthintegrationofcontinuousoperation,theoperationarea:

belowratedwindspeed,themaximumwindpowertrackingcontrolandspeedcontrol,speedcontrolunittoobtaintheenergyorthebiggest;aboveratedwindspeed,thepowercontrol,keepstableoutput.Andthecontinuousoperationcontrolstrategy.Finally,theexperimentalstudyofdoublyfedwindpowergenerator,onlytostudyitspowercontrol,throughtheanalysisofthedata,drawthecorrespondingresults.Windpowerthecontinuousoperationwithveryfoundation,practicalsignificance.

Keywords：

Windpowergeneration；Variablespeedconstantfrequency；Doublyfedwindpowergenerator；Theno-loadgridconnection；Powercontrol

目录

1绪论1

1.1风力发电的发展情况2

1.1.1国际风力发电发展情况2

1.1.2国内风力发电发展情况4

1.1.3风力发电机发展趋势5

1.2变速恒频双馈风力发电运行研究现状8

2双馈风力发电并网后运行研究13

2.1双馈风力发电空载并网13

2.1.1风力发电系统常见并网方式13

2.1.2双馈风力发电机变速恒频运行基本原理14

2.1.3双馈电机的数学模型16

2.1.4两相同步旋转坐标系下的数学模型16

2.1.5矢量控制概述19

2.1.6定子磁链定向的矢量控制19

2.2双馈风力发电并网后连续运行控制策略21

2.2.1空载并网控制策略21

2.2.2空载并网数学模型22

3双馈风力发电并网后连续运行实验研究26

3.1并网后连续运行的功率控制策略26

3.2并网后连续运行的功率控制实验27

参考文献29

谢辞30

1绪论

世界经济的迅速发展，迫使能源环境成为当今人类生存发展的要解决的必要问题。

通常以煤、石油、天然气为主的常规能源。

它们不仅资源有限，而且还造成了严重的大气污染。

因此对可再生能源的开发利用，特别是对风能源的开发利用很有必要，并且已经受到世界各国的高度关注[1][2]。

风能作为一种可再生能源，是目前最具有大规模开发前景的能源，也是一种最具竞争力的能源，更是大自然中取之不尽用之不竭的清洁能源。

从可持续的角度来看，选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势。

据2000年不精确数字统计显示，按照目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可以开采200年，石油已探明储量预测仅能开采34年，天然气能开采60年。

如果人类不改变以化石能源为主体的能源结构，势必形成数亿年来地球积累的生物遗产大规模开掘和消耗，从而导致有限的化石资源的枯竭，给下一代留下灾难和不幸。

在电力紧缺和能源危机日趋严重的今天，风能的开发利用具有特别的现实意义。

从世界范围来看，欧洲和北美在开发和利用风电方面处于领先地位，尤其是欧洲的丹麦、德国、英国以及北美的美国。

我国也出台了相应的政策，法规，采取各种鼓励措施扶持可再生能源的开发利用。

我国的风能资源如同沙特的石油资源一般丰富，风电投资前景非常广阔，风能储量居世界首位。

其中可利用风能约2.53亿千瓦。

按当前实施的政策到2030年累计装机约8000万千瓦，2050年累计装机约2亿千瓦，届时，风能将成为我国主要发电资源之一[3]。

目前风力发电不仅是风能利用的主流形式，又是在新能源利用中技术最成熟、发电成本日益降低、商业化规模最大的发电方式。

从而可以预测，随着世界环境日益恶化和常规能源的日益枯竭，风力发电在未来的能源结构中将占有越来越重要的地位。

1.1风力发电的发展

1.1.1国际风力发电发展情况

自19世纪末丹麦建成全球第一个风力发电装置以来，世界各国纷纷研制了类型各异的的风力发电设备。

风力发电的重要意义不断受国际社会的普遍关注与高度重视，对风力发电的研究和推广普及工作取得了相当突出的进展。

造成这种现象持续“升温”的原因在于：

1能源问题已经成为当今世界瞩目的焦点，煤石油、天然气等常规资源的短缺愈演愈烈，且供不应求已是大势所趋，为此必须今早开发新能源。

2建造风力发电厂所需的费用，远比建造火电厂，水电厂或核电厂的投入低。

3风力发电运行，维护的成本很低廉，不需要任何燃料就可以产生电力，属于一种易实现，便于操作的供能方式。

4风能是一种清洁能源，采用风力发电，不存在其他方式发电产生的温室气体排放和环境污染问题，制约影响因素较少。

近20年来，世界上许多发达国家已经在风力发电上取得了惊人成就，远远超过了我国。

风力发电机组从其单机容量数十千瓦级已经发展到现在的兆瓦级机组。

并且从20世纪80年代开始发展起来的现代并网风力发电机组，只经过数十年，即已形成商品化和产业化的风力发电机组研发制造产业。

近几年世界风力发电产业继续以飞快的逮度蓬勃发展，到2006年底，风电发展己经涵盖世界各大洲，并呈快速增长态势.风电装机超过100万千瓦的国家己经由2005年的11个增加到13个，其中包括8个欧洲国家（德国、西班牙、惫大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙、法国）、3个亚洲国家（印度、中国、日本）和2个美洲国家（美国、加拿大）。

欧洲继续保持领先地位，亚洲正成为全球风电产业发展的新生力盆。

与此同时，位居全球风电市场前五位的德国、西班牙、奖国、印度以及丹麦风电装机容且所占世界份额呈下滑趋势，由2003年的82%降至2006年的71%，新增份额由79%降至53%。

美国的新装机容量达到838万千瓦，这一增长使其总装机达到2520万千瓦，超过德国，已经跃居为全球风电装机最大的国家。

在欧洲，大约新增890万千瓦的装机容量。

使总装机容量达到6600万千瓦。

根据欧洲风能协会的消息，风电首次成为欧洲新增电力装机容量的领军能源。

在风电市场方面，法国、英国和意大利目前成为继德国、西班牙和丹麦后的新锐，使风电的发展在整个欧洲更加均衡[4][5]。

全球近1/3的新增装机发生在亚洲。

而其中最显著的增长在中国，去年的新增装机容量达到630万千瓦，使中国的总装机容量突破了1200万千瓦。

预计，中国风能总装机容量将达到3000万千瓦，有望赶超德国和西班牙，仅次于美国，下图1-1显示了截止2006年年底，世界各大主要风电国家装机容量情况。

图1-1截止2006年底世界主要风电国家装机容量

近年来，世界风力发电发展势头很猛，成为相当大规模的一个产业。

特别是在德国，西班牙，丹麦，美国和印度等许多国家得到了大规模应用。

世界风电装机容量迅猛增长。

具有关资料报告，风力发电发展最快的欧洲各国近年来风电发展远比原来预想要快得多。

1991年欧洲风能协会制定的全欧洲2000年达到风电装机容量4000兆瓦的战略目标已于1997年达成。

到2000年底，欧洲风电装机已达到13630兆瓦，据新修改的计划，2020年要达到100000兆瓦。

同时，风电的迅猛发展也为风力发电机组的制造开拓了市场，风电机组制造业每年新增产值在3000亿以上，而且就市场发展潜力来说，是非常巨大的[6]。

在亚洲的一些国家，风电业取得了较快的发展，2005年亚洲风电发展的最为迅速，增长率达48%，在7022兆瓦装机的基础上新增2263兆瓦。

其中印度和中国在总装机容量和生产设备方面是亚洲的主要推动者。

1.1.2国内风力发电发展情况

我国幅员辽阔，陆疆总长2万多千米，海岸线1.8万多千米，风能资源丰富。

根据气象部门的资料，可开发陆地风能资源约为2.53亿千瓦，可利用海洋风能资源约为7.50亿千瓦。

沿着东海和附近的岛屿，以及内蒙古，新疆，甘肃，青藏高原等地区都蕴含着丰富的风能资源。

年平均风速6m/s以上的陆地约占全国面积的1%，下图1-2显示了我国风力资源分布情况：

图1-2我国风力资源分布情况

我国风能资源开发利用较早，但早期主要以分散、小规模试验和示范形式。

规模化风电厂始建于20世纪90年代。

我国自1985年在海南东方风场安装首台vestas55千瓦风力发电机组以来，目前已经掌握了风力发电机组机器主要部件的设计制造技术，具备了200千瓦、250千瓦、600千瓦、750千瓦风力发电机组批量生产能力。

“十五”期间我国完成MW级风力发电机组的设计，为风电产业参与市场竞争奠定了基础，这将对我国生态环境保护，能源结构调整，实现国民经济可持续发展起到积极的促进作用。

我国风电厂安装机型最多的是600千瓦风力发电机组。

随着风电技术水平不断提高，单机容量大型化已成为风力发电的趋势[7]。

下图1-3显示了1990年以来我国风电总装机容量增长情况：

图1-31990年以来我国风电总装机容量增长统计图

目前，我国国产化机组产量仍然偏小，未达到规模效益，有的零部件采购价格偏高，利润空间小。

因此我国风力发电装备市场仍由国外风力发电机组占据，这一现实要求我国风力发电设备制造企业，应加快适合中国国情的新型风力发电设备的研制进度，尽快提高大型风力发电装备的设计制造技术，加快风力发电装备国产化进程。

同时还应注意稳定质量，提高国产机组可靠性，取得风电建设者的认可，逐步加大市场份额。

据相关资料报道，到2050年预计我国新增发电能力5亿千瓦，其中1.21亿为可再生能源。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》明确指出，把“重点研究开发大型风力发电设备，沿海与陆地风场和西部风能资源密集区建设技术与装备”作为重点领域优先发展主题，有了国家的支持，我国风力发展事业必将有广阔的前景。

1.1.3风力发电机发展趋势

由于受科学技术发展规律和材料的限制，同时受上世纪60年代石油价格下降的影响，早期的风力发电设备一直处于停滞状态。

1973年以后石油危机和矿物燃料发电所带来的环境污染问题，欧美多风力发电设备投入了大量的人力和物力，充分利用空气动力学、新材料、计算机、电机学及自动控制等领域的新技术，经过十多年的发展形成了现代风机设备的制造理论和技术。

风力发电机组也由小到大，向兆瓦级发展。

风力发电作为一项新技术，他的未来发展趋势为：

（1）单机容量增大

在过去的20年中，涡轮风机的装机容量从50千瓦增加到750千瓦，随着技术的逐渐成熟，多样化的设计概念也逐渐走向统一，由于风力场中锁采用的大涡轮风机比小的更加经济，因而风机容量不断增加。

涡轮风机的容量将继续增大，一些制造商已经开发出了1000-2000千瓦级别的涡轮风机。

而且，随着风机容量的增大，其中必然要采用一些新的复合材料和新的技术大型机器更适合滨海风力机场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽，滨海风力场在未来发展中将会越来越占有重要地位。

（2）风电机桨叶的变化

单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2兆瓦风机叶轮扫风直径已达72米，最长的叶片已经做到50米。

现在大部分风机大多具有3个叶片，只有少数涡轮风机还是只有2个叶片类型的，而且这种涡轮风机的数量还在进一步减少中。

涡轮风机技术现已经足够成熟，机器的可靠性极高，质量轻的碳纤维，桨叶也在向柔性化发展。

早期的一些风机桨叶的根据直升飞机的机翼设计的，但是风机的桨叶是运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中的。

对叶形的进一步改进，增加了风机捕捉风能的效率，风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组特性，而风电机组大风轮直径与额定容量并不是一一对应的。

（3）塔架高度上升

在大、中型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕捉更多的风能。

在地处平坦地带的风机，在50米捕捉风能要比在30米高出20%。

（4）控制技术的发展

尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近几年来开发了一种变速风力发电机。

该风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接接在风机轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之改变，经过置于地面的大功率电力电子变换器将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

由于它被设计成在几乎所有风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大大的提高了捕捉风能的效率。

实验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机要比恒速风力发电机多捕获15%的风能。

同时由于机舱质量的减轻，基础等费用也可以降低，运行维护费也降低，这是一项很有前途的技术。

（5）海上风力发电

发展海上风电厂也成为风力发电行业新的领域。

丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在计划较大的海上风电项目。

由于海上风速较陆上风速大而且稳定，一般陆上风电厂设备利用小时数为2000小时，在海上可达到3000小时以上，为了便于浮吊的施工，海上风电厂一般建造水深为3-5米处，海上的同容量装机比陆上成本高出60%，电量增加50%以上[8][9]。

以上阐述了风力发电的发展趋势，随着风电技术的成熟和完善，以及风电厂选址评估和运行管理水平的进一步提高，必然会给风力发电带来更好的效益。

风能作为一种新型可再生能源，以其良好的社会效益和环境效益逐渐成为世界各国发展能源战略的重点:

 首先，全球风能资源极为丰富；其次，技术上可以利用的资源总量约53000TW·h/a（ 53×106 亿度/年），储量丰富,而且，风力发电技术具有无污染、可再生、分布广、施工周期短、投资灵活、占地少、造价低等特点。

2020年世界电力12%将来自风电，将大大减少因火力发电给大气层带来的危害。

我国资源虽然丰富，但是人均资源相对匮乏。

风能储量相当大，分布十分广泛。

风能的合理开发和利用可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资源给环境带来的污染问题，在远期有可能成为世界上重要的替代能源。

然而风电是一种波动性、间歇性电源，风力随自然条件变化影响，风速与风向发生不断的、随机的变化，本身具有不可控、不可调的特征，造成风力发电的随机性和间歇性。

总之，风力发电由于其效益上的优势，将首先成为可与常规能源发电相竞争的新能源发电方式。

一个规模开发利用风能的时代，一个利用风能造福人类的时代将会到来。

1.2变速恒频双馈风力发电运行研究现状

目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。

从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。

自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。

　　可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。

这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。

为了充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。

下面将对各种电机系统加以简单介绍:

（1）交─直─交风力发电系统

　这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。

由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。

发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。

因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。

　　这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。

在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。

而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。

（2）磁场调制发电机系统

　　这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。

发电机本身具有较高的旋转频率，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率较低的低频交流电励磁（即为所要求的输出频率，一般为50Hz），当频率远低于频率时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由两个分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是，包络线所包含的高频波的频率是将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率波形为全波整流正弦脉动波。

再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。

最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率恒定的恒频正弦波。

输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。

与前而的交─直─交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是：

①由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向。

因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

②晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。

③磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。

这种发电机系统的主要缺点与交─直─交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。

比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。

④发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。

（3）交流励磁双馈发电机系统

　　采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。

当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。

　　当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；处于超同步状态时，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向；处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。

　　因此，当发电机的转速变化时，若控制变频器励磁相应变化，即可以使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。

　　由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一部分，因此变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本将会大大降低。

　　这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

但交─交变频器输出特性差，6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。

只有12脉波、72管交─交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发电系统。

目前国际上开发使用PWM整流─PWM逆变的交─直─交型变频电源，具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励磁变频器。

此外绕线式交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用的机组。

（4）无刷双馈发电机系统

　　其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个