王明軍——提高雙饋風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)效率的方法

　　1.2變速雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制原理

　　變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組基本原理，如圖1所示。 

　　在變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子繞組外接轉(zhuǎn)差頻率電源實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率f_n變化時(shí)，控制勵(lì)磁電流頻率f₂來保證定子輸出頻率f₁恒定，　　

　　即  f₁＝n_pf_n＋f₂

　　式中，n_p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

　　　　　　　　　　　　　　　圖1：變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)原理圖川

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，作亞同步運(yùn)行，有f₂＞0。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同，變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供正相序勵(lì)磁。

　　在不計(jì)損耗的理想條件下，有：P₂＝SP₁

　　式中，P₁為定子輸出的電功率；P₂為轉(zhuǎn)子輸入的電功率；s為轉(zhuǎn)差率。

　　因s＞0，則P₂＞0。變頻器向轉(zhuǎn)子輸入能量，即，轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)饋入能量；定子向電網(wǎng)饋送能量。

　　由(2）式可知，作亞同步運(yùn)行時(shí)，變頻器的運(yùn)行功率隨著轉(zhuǎn)差率和定子發(fā)電功率變化而變化。在定子輸出功率一定的情況下，變頻器的運(yùn)行功率隨著轉(zhuǎn)差率的增大而增大。

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，作超同步運(yùn)，f₂＜0。此時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相反。一方面變頻器向轉(zhuǎn)子提供反向序勵(lì)磁，另一方面，因s＜0，則P₂＜0,除定子向電網(wǎng)饋送能量外，轉(zhuǎn)子也經(jīng)過變頻器向電網(wǎng)饋送部分電能。由(2)式可知，超同步運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)差率越大，定子功率越大，則變頻器的運(yùn)行功軍越大。

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，作同步運(yùn)行，f₂＝0。此時(shí)，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，另一方面，因s＝0，則P₂＝0，變頻器與轉(zhuǎn)子之間無功率交換。

　　由（1）式可知，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，變頻器通過改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率，即可使發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出頻率保持不變，這樣，定子的輸出頻率在超同步和亞同步情況下都能保持恒定。由此可見，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率的控制是實(shí)現(xiàn)變速恒頻的關(guān)鍵。

　　1.3提高雙饋機(jī)組低風(fēng)效率的原理和方法

　　根據(jù)貝茲理論，機(jī)組從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率為：

　　式中：p_m為葉輪吸收的電功率；P為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；C_p為功率系數(shù)（風(fēng)能利用數(shù)）；v為風(fēng)速；λ為葉尖速比；β為槳葉節(jié)距角；n為機(jī)組葉輪的轉(zhuǎn)速。

　　　　　　　　　　　　　　　圖2:葉尖速比與功率系數(shù)的關(guān)系曲線

　　由(3）式可見，在風(fēng)速給定的情況下，葉輪獲得的功率將取決于功率系數(shù)，如果在任何風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組都能在C_pmax點(diǎn)運(yùn)行，便可增加其輸出功率。

　　根據(jù)圖2,在任何風(fēng)速下，只要使得葉輪葉尖速比λ＝λ_opt，就可以維持機(jī)組在C_pmax下運(yùn)行。因此，風(fēng)速變化時(shí)，只要調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，使葉尖速度與風(fēng)速之比保持不變，就可以獲得最佳的功率系數(shù)。葉輪的捕獲能力最大。

　　由于雙饋機(jī)組受到最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和最高極限轉(zhuǎn)速的限制，葉輪不能在啟動(dòng)風(fēng)速到額定的整個(gè)風(fēng)速段內(nèi)維持最佳葉尖速比幾，使功率系數(shù)最大。雙饋機(jī)組的調(diào)速范圍雖然可以達(dá)到士30%同步轉(zhuǎn)速，但是，在維持最佳葉尖速比上，只能在一個(gè)較小的風(fēng)速段（一般在5m/s-7. 5m/s之間）內(nèi)維持最佳葉尖速比，在更低和更高的風(fēng)速段均會(huì)偏離最佳速比λ_opt。

　　由（3）式可知，功率系數(shù)Ｃ_ｐ（λ，β）只是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)。功率系數(shù)C_q（λ,β)與葉輪所吸收的風(fēng)能成正比，提高功率系數(shù)C_p（λ,β）就能提高葉輪吸收的電功率，提高機(jī)組效率，提高雙饋風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段的有以下兩種方法：

　　第一、當(dāng)葉片安裝角（槳葉片節(jié)距角β）不變的情況下，由(4)式可知，要提高雙饋機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，需進(jìn)一步降低機(jī)組在低風(fēng)時(shí)的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，使得機(jī)組在低風(fēng)速段，例如：在3m/s-5m/s時(shí)，控制機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速使之到最佳葉尖速比λopt，從而達(dá)到功率系數(shù)的最大值C_pmax。

　　第二、在最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速不能降低的情況下，在不同的風(fēng)速，通過控制改變?nèi)~片的安裝角度（槳葉片節(jié)距角β），功率系數(shù)C_p（λ,β）增加。

　　通過調(diào)節(jié)葉片安裝角（槳葉片節(jié)距角β）提高低風(fēng)速效率有以下幾個(gè)方面的問題：

　　第一、調(diào)節(jié)葉片安裝角度，可以提高功率系數(shù)，能在一定程度上提高機(jī)組的低風(fēng)效率，但是，偏離了葉片設(shè)計(jì)的安裝角，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的最大功率系數(shù)Cpmax；

　　第二、在低風(fēng)速時(shí)，變槳系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，輪毅電機(jī)工作時(shí)間大大增加，輪毅故障幾率增加。在低風(fēng)時(shí)，機(jī)組發(fā)電量較低，由于耗電量的增加使機(jī)組在低風(fēng)時(shí)的實(shí)際發(fā)電功率降低；

　　第三、由于葉輪在低風(fēng)速段的風(fēng)頻較高，葉片在安裝角附近頻繁運(yùn)動(dòng)，使得變槳軸承齒圈在O^。～3^。位置磨損嚴(yán)重，變槳軸承的壽命縮短，維護(hù)、維修成本增加。

　　因此，在實(shí)際機(jī)組控制策略中，采用調(diào)節(jié)葉片安裝角度的方法，提高雙饋機(jī)組低風(fēng)速段效率需要綜合評(píng)估。在低風(fēng)速段，提高雙饋機(jī)組效率較為有效的方法是：進(jìn)一步降低機(jī)組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。這樣，從理論上講，在低風(fēng)速段機(jī)組均能使控制的葉尖速比兄與葉片設(shè)計(jì)的最佳葉尖速比λ_opt，一致，功率系數(shù)C_pmax達(dá)到最大值。