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發電機直接功率控制方法

 

目前隨著全世界經濟快速增長,對于能源的需求不可避免的急劇增加,但煤炭、天然氣以及石油等能源的存量越來越緊張。由于風能是一種可再生的清潔能源,優勢明顯,因此風能便日益受到全世界的關注。最近幾年,風能市場健康、平穩、較快地發展,2013年全國新增風電裝機容量和并網容量分別為1608.9萬千瓦、1449萬千瓦,與2012年相比分別增長24%和23%。隨著國家經濟持續快速增長,2014年全國新增裝機容量約占世界新增裝機總容量的45%,達到了2335萬千瓦,風電累計并網容量和上網電量分別為9581萬千瓦和366億千瓦時,較2013年分別增長24%和9%。隨著國家經濟戰略的轉型,對新型清潔能源的需求日益增強,政府加大對風電產業的投資力度,并有針對性地解決風電發展中遇到的問題,使風電更好地服務于國家經濟的發展。進入2014年,風能已經成為國家清潔能源戰略的重要組成部分,并網政策、補貼政策的落實以及特高壓建設帶來的棄風問題的緩解,風電裝機有望在未來幾年內保持快速增長。隨著日前全球對環保節能的重視和技術的不斷改良,在市場上,風能發電已經完全具有了與煤電競爭的能力。總而言之,風能作為新能源戰略的一個重要組成部分,我們應加強對風力發電系統的研究。


由于風能的不可控性,導致風力發電機輸出交流電的頻率具有時變性,而當風力發電機并網發電時,要求輸出頻率和電網頻率一致,為達到這一目標,目前世界上常采用的風力發電技術大體可分為恒速恒頻和變速恒頻兩種發電方式。當前計算機控制技術和電力電子技術發展迅速,使得高品質的交流拖動系統得以實現,變速恒頻發電方式以其前所未有的優勢替代了恒速恒頻發電方式。


用于變速恒頻風力發電系統的發電機種類隨著矢量控制技術、直接轉矩控制和直接功率控制技術的發展而增多,如永磁發電機、繞線式轉子異步發電機、交流勵磁有刷雙饋發電機、鼠籠式異步發電機、無刷雙饋發電機、開關磁阻發電機等。其中鼠籠式異步發電機結構簡單、堅固耐用、便于維護,但調速范圍較窄,且其變頻調速系統所需變頻器功率大于電機功率,因此在大功率電機應用場合,系統成本將大幅提高,只適合應用于小功率風力發電。繞線轉子異步發電機雖然可直接從外部控制轉子電流,具有良好的調速性能,但其具有電刷和滑環,需要定期維護。永磁同步發電機具有結構簡單、損耗低、效率高、功率因數高等優點,可以由風機直接驅動,廣泛用于要求響應快速、調速范圍寬的領域,但前幾年永磁材料價格出現較大波動,增加了風力發電系統成本的不確定性。雙饋發電機由于其功率繞組承擔大部分功率,控制繞組只承擔很小一部分功率,因此雙饋發電機變頻調速系統的變頻器所需功率較小,只是滑差功率,節省了成本。然而由于電刷的存在,不僅使雙饋發電機運行的可靠性降低了,還增加了發電機的運營成本。開關磁阻發電機結構簡單,轉動慣量高,但電磁轉矩脈動較大,振動與噪聲較嚴重。


隨著全球對于風力發電的持續關注,無刷雙饋發電機以其在風力發電領域的獨特優勢愈加受到國內外學者的關注。BDFG取消了電刷和集電環,提高了機械的穩定性,降低了維護成本,具有功率因數可調、效率高,電能質量好等優點,且在其構成的變速恒頻發電系統中,流過變頻器的功率是相對較小的轉差功率,因此大大降低了系統中變頻器的容量;當發電機轉速發生變化,通過對控制繞電壓的調節,保證輸出電能的質量滿足并網要求;但由于BDFG的定子上存在極數不同的功率繞組和控制繞組,因此其內部磁場關系要比常規感應發電機復雜很多,正是由于復雜的磁場關系,如何對其進行有效控制已成為BDFG迫切需要解決的難點、熱點問題,特別是發電機的并網控制、轉矩控制、功率解耦控制等。


直接功率控制方法基于直接轉矩控制思想,并且結合了瞬時功率理論,它和直接轉矩控制一樣采用滯環比較器和開關表的控制方案。這種控制方法無需旋轉坐標變換和電流內環控制,簡化了控制結構,直接對發電系統中最為重要的有功功率和無功功率,并且可以實現單位功率因數控制,所以特別適合應用在風力發電系統中。當今國內外許多專家學者已經展開了對雙饋異步風力發電機的直接功率控制策略的研究工作,但這種發電機的缺點非常明顯,有電刷結構,需要經常維護。BDFG繼承了雙饋異步發電機所有優點的同時,更省去了電刷結構,節省了維護費用,因此,對BDFG的直接功率控制方法研究將是未來電機控制學科和風電技術的重點研究方向之一。


隨著科技的進步,對風力發電機的控制精度要求越來越高,傳統的兩電平變流器已經無法滿足高精度的控制需求。三電平變流器逐漸走進人們的視野,但三電平變流器的造價昂貴,控制難度大,極大地阻礙了其在風力發電領域的應用。本文為解決這個難題,提出了一種開繞組無刷雙饋發電機結構,將BDFG的控制繞組節點處打開,控制繞組兩端同時串接兩個兩電平變流器,這樣通過兩個兩電平變流器的協調控制,不僅可以達到三電平變流器的控制效果,更可以減小諧波,減少系統損耗,且每一相電流可以獨立控制,使得系統控制策略更加靈活。




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