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發(fā)電機直接功率控制方法

 

目前隨著(zhù)全世界經(jīng)濟快速增長(cháng),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(lái)越緊張。由于風(fēng)能是一種可再生的清潔能源,優(yōu)勢明顯,因此風(fēng)能便日益受到全世界的關(guān)注。最近幾年,風(fēng)能市場(chǎng)健康、平穩、較快地發(fā)展,2013年全國新增風(fēng)電裝機容量和并網(wǎng)容量分別為1608.9萬(wàn)千瓦、1449萬(wàn)千瓦,與2012年相比分別增長(cháng)24%和23%。隨著(zhù)國家經(jīng)濟持續快速增長(cháng),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(wàn)千瓦,風(fēng)電累計并網(wǎng)容量和上網(wǎng)電量分別為9581萬(wàn)千瓦和366億千瓦時(shí),較2013年分別增長(cháng)24%和9%。隨著(zhù)國家經(jīng)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)的投資力度,并有針對性地解決風(fēng)電發(fā)展中遇到的問(wèn)題,使風(fēng)電更好地服務(wù)于國家經(jīng)濟的發(fā)展。進(jìn)入2014年,風(fēng)能已經(jīng)成為國家清潔能源戰略的重要組成部分,并網(wǎng)政策、補貼政策的落實(shí)以及特高壓建設帶來(lái)的棄風(fēng)問(wèn)題的緩解,風(fēng)電裝機有望在未來(lái)幾年內保持快速增長(cháng)。隨著(zhù)日前全球對環(huán)保節能的重視和技術(shù)的不斷改良,在市場(chǎng)上,風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)完全具有了與煤電競爭的能力??偠灾?,風(fēng)能作為新能源戰略的一個(gè)重要組成部分,我們應加強對風(fēng)力發(fā)電系統的研究。


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


用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統的發(fā)電機種類(lèi)隨著(zhù)矢量控制技術(shù)、直接轉矩控制和直接功率控制技術(shù)的發(fā)展而增多,如永磁發(fā)電機、繞線(xiàn)式轉子異步發(fā)電機、交流勵磁有刷雙饋發(fā)電機、鼠籠式異步發(fā)電機、無(wú)刷雙饋發(fā)電機、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機等。其中鼠籠式異步發(fā)電機結構簡(jiǎn)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(chǎng)合,系統成本將大幅提高,只適合應用于小功率風(fēng)力發(fā)電。繞線(xiàn)轉子異步發(fā)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(huán),需要定期維護。永磁同步發(fā)電機具有結構簡(jiǎn)單、損耗低、效率高、功率因數高等優(yōu)點(diǎn),可以由風(fēng)機直接驅動(dòng),廣泛用于要求響應快速、調速范圍寬的領(lǐng)域,但前幾年永磁材料價(jià)格出現較大波動(dòng),增加了風(fēng)力發(fā)電系統成本的不確定性。雙饋發(fā)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(fā)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(fā)電機運行的可靠性降低了,還增加了發(fā)電機的運營(yíng)成本。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機結構簡(jiǎn)單,轉動(dòng)慣量高,但電磁轉矩脈動(dòng)較大,振動(dòng)與噪聲較嚴重。


隨著(zhù)全球對于風(fēng)力發(fā)電的持續關(guān)注,無(wú)刷雙饋發(fā)電機以其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢愈加受到國內外學(xué)者的關(guān)注。BDFG取消了電刷和集電環(huán),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(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),且在其構成的變速恒頻發(fā)電系統中,流過(guò)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(fā)電機轉速發(fā)生變化,通過(guò)對控制繞電壓的調節,保證輸出電能的質(zhì)量滿(mǎn)足并網(wǎng)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(chǎng)關(guān)系要比常規感應發(fā)電機復雜很多,正是由于復雜的磁場(chǎng)關(guān)系,如何對其進(jìn)行有效控制已成為BDFG迫切需要解決的難點(diǎn)、熱點(diǎn)問(wèn)題,特別是發(fā)電機的并網(wǎng)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(shí)功率理論,它和直接轉矩控制一樣采用滯環(huán)比較器和開(kāi)關(guān)表的控制方案。這種控制方法無(wú)需旋轉坐標變換和電流內環(huán)控制,簡(jiǎn)化了控制結構,直接對發(fā)電系統中最為重要的有功功率和無(wú)功功率,并且可以實(shí)現單位功率因數控制,所以特別適合應用在風(fēng)力發(fā)電系統中。當今國內外許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的直接功率控制策略的研究工作,但這種發(fā)電機的缺點(diǎn)非常明顯,有電刷結構,需要經(jīng)常維護。BDFG繼承了雙饋異步發(fā)電機所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),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(lái)電機控制學(xué)科和風(fēng)電技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。


隨著(zhù)科技的進(jìn)步,對風(fēng)力發(fā)電機的控制精度要求越來(lái)越高,傳統的兩電平變流器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高精度的控制需求。三電平變流器逐漸走進(jìn)人們的視野,但三電平變流器的造價(jià)昂貴,控制難度大,極大地阻礙了其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應用。本文為解決這個(gè)難題,提出了一種開(kāi)繞組無(wú)刷雙饋發(fā)電機結構,將BDFG的控制繞組節點(diǎn)處打開(kāi),控制繞組兩端同時(shí)串接兩個(gè)兩電平變流器,這樣通過(guò)兩個(gè)兩電平變流器的協(xié)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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