立式氧化生产线
摘要：永磁发电机随着世界经济的深入发展和国际工业化进程的加快，世界各国对能源的需求日益增加，能源消耗速度不断增长，煤炭、石油等常规能源逐渐枯竭。为了缓解能源危机，人类越来越重视可再生能源的利用，而风能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染、具有大规模开发利用前景的能源，是可再生能源中最廉价、最具潜力的“绿能源”。风力发电是利用风能的一种有效形式，它通过风力发电机的旋转将风能转化为可以方便利用的电能。利用风能发电由于其“环保节能”的特点，已经引起了许多国家的关注。 风力发电正在以前所未有的速度发展,变速恒频风力发电是一门新技术。介绍了风力发电机的组成和分类。通过和恒速恒频风力发电机进行比较,分析了变速恒频风力发电技术的优点。展望了风力发电的前景。
一、变速恒频风力发电技术的优点
风力发电机主要由风力机、发电机和其他辅助部件组成。大中型风力发电机组大多采用异步
发电机,因为它制造简单,并网容易,励磁功率可直接从电网中获得。风力机组主要有两种类型:定桨距失速型风力机和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能,功率调节由风轮叶片来完成,对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂,成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是异步发电机,无论是定桨距还是变桨距风力发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,异步发电机转子的转速变化范围很小,转差率一般为3%～5%,故属于恒速恒频风力发电机。恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:一是风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;三是并网时可能产生较大的冲击电流。变速恒频风力发电技术是目前国内外风力发电技术的最优化方案,这是20世纪70年代发展起来的一种新型发电方式,它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中,获得了一种全新的、高品质的电能获取方式。风力机采用变速运行,即风力机叶轮随风速的变化改变其旋转速度,因而保持基本恒定的最佳叶尖速比和最大的风能利用系数。相对于恒速运行方式,变速运行具有如下优点:
1.风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行,提高了风力机的运行效率,与恒速恒频风电系统相比,理论上年发电量一般可提高20%以上。变速运行的风力机不但年运行小时数较高,而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。
2.变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接。当风速跃升时,能吸收阵风能量,把能量储存在机械惯性中,减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏,减少机械应力和转子脉动,延长风力机寿命。当风速下降时,高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。
3.通过矢量控制调节励磁,可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时,还可以调节电网功率因数,提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁,变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接,并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。
4.可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求,在低风速时,桨距角固定,高风速时,调节桨距角限制最大输出功率。
5.较宽的转速运行范围,以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用先进的PWM技
术,可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率,降低成本。双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网,避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。
柳条剥皮机二、适用于变速恒频风力发电的发电机组
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作有源逆变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;同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器,虽然可调节无功功率,但有高频电流流向电网。在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和永磁发电机。
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fr,与普通同步电机不同的是,它不用直流电励磁,而是用频率为fm的低频交流电励磁(fm即为所要求的输出频率,一般为50 Hz),当频率fm远低于频率fr时,发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为(fr+fm)和(fr-fm)的两
个分量组成的调幅波,这个调幅波的包络线的频率是fm,包络线所包含的高频波的频率是fr。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器,再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后经滤波器滤去纹波,即可得到与发电机转速无关、频率为fm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。
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n变化时,控制转子电流的频率,可使定子频率恒定,即应满足；
式中:f1———定子电流频率,与电网频率相同;
fm———转子机械频率,
p———电机的极对数;
f2———转子电流频率。
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当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1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,上式取正号;当n>n1时,处于超同步状态,此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网,变频器的能量流向逆向,式取负号;当n=n1时,处于同步状态,此时发电机作为同步电机运行,f2=0,变频器向转子提供直流励磁。由式可知,当发电机的转速n变化时,即P×fm变化时,若控制f2相应变化,可使f1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,因此图中所示的双向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。
1.开关磁阻式风力发电系统。开关磁阻电机是一种适用于风力发电并速运行的同步发电机。与感应发电机相比,开关磁阻电机具有结构简单、控制性能好、转子上没有绕组,不会有异步电机的笼型转子铸造不良、疲劳故障及最高转速的限制问题。开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量的转换核心。由于风力机的功率特性有其自身的特点,为了使开关磁阻发电机与风力机能够良好配合,通过对发电系统的控制,使风力机工作在最佳功率负载上。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组,而是与集中嵌放的定子电枢合二为一,并通
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过控制器分时控制实现励磁与发电,因而简化了控制系统结构,提高了可靠性。
总之，当今风力发电机组的主流技术是变速变桨技术。变速变桨风电机组的风能转换效率更高,能够有效降低风电机组的运行噪声,具有更好的电能品质;主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷,使得风电机组功率质量比提高。
参考文献：
[1]杨捷.风力发电系统中控制技术的最新进展.2017.
[2]万盛勇.浅谈变速恒频风力发电技术综述.2021.
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