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控制系统研发:优化与挑战

时间:2023-06-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:当功率受失速控制原则所限时,通常使用笼型感应发电机。可以通过各种方法来控制这些类型的风力机。有关DFIG风力机其他方面的研发工作就是总体系统监控[监控与数据采集]系统。SCADA系统变得日益复杂,因为它们控制并监控着整个风力机系统。还有其他一些类型的电动机可以用作风力机的辅助设备和控制装置。风力机研发的另一个问题是功率质量。此外,在电网出现故障后,风力机可以帮助传统的发电站恢复到故障前的正常工况[119]。

控制系统研发:优化与挑战

风力机可以以恒速或变速运行。恒速运行的那些风力机在风力机转子和发电机轴之间配有一个齿轮箱,因此只要风速在运行限制范围之内,它们就可以直接并网。当功率受失速控制原则所限时,通常使用笼型感应发电机。这就意味着,如果风速增大,功率系数本身就会降低,因此风力机总输出功率将保持在其额定功率水平。

可以通过各种方法来控制这些类型的风力机。其中一种方法就是使用一个可以以两个或更多的极数来运行的定子[108-110]。因此,这些风力机就可以根据所用极数的不同以不同的机械转速运行,从而输出更多的能量。另一种控制方法是使用电子调节的转子电阻,从而减少机械负载,同时风力机也能在可变风速下运行[111-113]。此外,还可以使用背靠背变换器或者双馈拓扑来控制变速风力机[49,60,63-67,69,71,73-75,95,114,115]

有关DFIG风力机其他方面的研发工作就是总体系统监控[监控与数据采集(SCADA)]系统。SCADA系统变得日益复杂,因为它们控制并监控着整个风力机系统。还有其他一些类型的电动机可以用作风力机的辅助设备和控制装置。步进电动机是桨距控制的首选,BLDC可以用于偏航控制,而且在叶片桨距角控制方面也开展了很多研究工作。这主要是考虑到稳定性因素,因为随着风力机规模的增大,叶片变得越来越长,因此在高风速时,叶片的底部和顶部存在着一个风力差[116]

最近在DD风力机方面的研究主要集中在带有多个极对的超大规模风力机控制问题方面,也就是15~20r/min的低转速情况[23,35,36,117,118]。这些风力机能够产生高转矩(由于转速低),但是在高风速工况下,使用桨距控制是为了调节转速和功率。表2.6总结了各种风力机的优缺点。

风力机研发的另一个问题是功率质量。变速风力机的功率质量要优于恒速风力机。从任何功率曲线上都可以看到这一点,但其缺点在于存在电力电子谐波,这来源于变速风力机中的变换器。

表2.6 三种风力机的概念比较(www.xing528.com)

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注:+:优点;-:缺点。

在感应发电机恒速运行期间,可能会因为电网故障的大电流而出现较高的电压降。在恢复阶段(返回故障前工况),感应发电机需要大量的无功功率,这就会产生高转矩,而且可能会损害齿轮箱或其他机械受力部件。在故障期间,DFIG电流极大,并且需要在毫秒级内断开,以保护功率变换器。由于是通过逆变器并网,风力机就可以很容易地随时从电网断开。此外,在电网出现故障后,风力机可以帮助传统的发电站恢复到故障前的正常工况[119]

另一个研发热点是变速风力机的频率变换领域[120-124]。由于输入电压和输入频率是变化的,这个可变的交流幅值和频率必须被变换为固定频率的交流电。大量的研究方案是使用背靠背连接的电压源来实现的[125-128]

不仅发电机侧电压源变换器可以提供电压升压功能(输入电压低时需要,比如DD发电机处于低速时),而且变换级也可以向感应发电机提供无功功率。在发电机侧,可能需要励磁或控制DFIG,并在电网侧,它可能被用于通过提供或吸收无功功率来支持电网的电压控制[129]

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