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新型機電混合無級變速風力發(fā)電系統(tǒng)
發(fā)布時間:2015-12-22 13:25
新型機電混合無級變速風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展問世,吸引了全球能源企業(yè)的極度重視,發(fā)電升速系統(tǒng)的創(chuàng)新主要是技術方面其采用一級增速裝置,通過無級變速器控制電氣的速度,調整發(fā)電的進度,不僅在提高系統(tǒng)質量維持可信度的基礎上還有效的縮小系統(tǒng)的體積,使這種新型發(fā)電系統(tǒng)恒穩(wěn)變速,節(jié)省安裝復雜裝置時間的同時還能最大限度的利用風能進行發(fā)電。本文通過研究這種新型混合發(fā)電系統(tǒng)的構造原理,分析其內在工作流程,對有關的專業(yè)問題進行論述和探討。
基于全球能源行業(yè)對可再生能源的開發(fā)及環(huán)境問題的不斷關注,越來越多的行動都為了加大對再生能源的有效開發(fā)與合理利用。而最為人熟知也是開發(fā)最頻繁且成熟的風能,正被人們廣泛的利用并存在于全球能源企業(yè)的逐漸關注中。風力發(fā)電系統(tǒng)受到了國內外專家及學者深入的研究,隨后提出了雙向反饋恒穩(wěn)變速風能發(fā)電系統(tǒng)、低速高磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)等并與之相對應的控制措施和技巧,使風力發(fā)電的性能有很大部分的提高,也得到了廣大企業(yè)的應用,但這兩種系統(tǒng)在體積和容量上都有最為薄弱的環(huán)節(jié),所以機電混合無級變速風力發(fā)電系統(tǒng)的提出從專業(yè)上提高了風力發(fā)電的綜合水平。
一、新型發(fā)電系統(tǒng)的原理
新型風力發(fā)電系統(tǒng)的構成部分和內在結構,依次為風機、增速裝置、無極變速器、發(fā)電機、變壓器等,與母線接流的整流逆變裝置雙管齊下,通過直流母線連接儲備裝置,系統(tǒng)運作中,與直流相交的整流逆變裝置同時為定子繞組和內資繞組供電,服務于兩子的變流中,當風速處于一個適宜的變化范圍時,通過增速、變速連接兩子的逆電輸出電頻,穩(wěn)定主力發(fā)電機在工作中的同步轉速,以保持發(fā)出的電流恒定,正弦之間以交流電的形式直接并網,使之調節(jié)有效無功。
在整個系統(tǒng)儲備量適中的情況下,風速若能保持在一定的范圍內運作,發(fā)電系統(tǒng)就可能輸出恒定的功率,并可直接有效地避開對電網的沖擊。機電混合無極變速器作為變速裝置中最主要的系統(tǒng),同時也處在整個發(fā)電系統(tǒng)的核心位置,對整個系統(tǒng)工作模式的控制及分析策略有著一定的影響,其本質是為定子與外轉子聯合構成的電機進行級聯。
風力發(fā)電系統(tǒng)中的變速裝置是利用內外轉子轉動時的速度差減小,而增加機械功率的運流,完成高效率轉換,風力機中的非線性關系是利用風能的系數與風速的關系進行測兌,所以推導系數與轉速關系,加強風能對其的利用,是控制發(fā)電系統(tǒng)功率最重要的方式之一。系統(tǒng)的正常運行,可有效啟動無風停機后續(xù)工作,規(guī)定額度內運行的高能傳輸,無風停機后對電廠和電網中的用戶仍可進行短期時刻持續(xù)供電。而啟動系統(tǒng)程序后,在其過程中系統(tǒng)若長時間處于停機狀態(tài),備用的儲蓄裝置無電能存儲,系統(tǒng)就將自行啟動可帶動風力機轉動的設備,定子將繞組發(fā)電,漸漸升高直流母線的電壓,同時內轉子外側備用電子裝備也隨著定子驅動,以同步速度維持母線電壓。
發(fā)電系統(tǒng)的內部一般都會有備用的儲能裝置,以防在無風停機時充分利用,這個裝置在啟動時無級變速器會通過外轉子的協力驅動,使無壓風機轉動到一定額度限制的速度時自動促使系統(tǒng)的全面啟動,這不僅會節(jié)省不必要浪費的發(fā)電時間還可以與發(fā)電機的驅動速度保持一致,避免了對電網和電機在大量并網工程中的沖擊。風力發(fā)電機的機械傳輸系統(tǒng)能將變速器劃分為兩個部分,Pd合并到輸出軸和Pe經兩子逆變器到輸出軸。額定率運行正常的情況下,變速器好比可變動型的齒輪,加上雙倍驅動功率的電流運作,更加能催化發(fā)電運行過程的靈活性和穩(wěn)定性。如果出現電網及發(fā)電機變頻,需電量減少或突發(fā)間接性故障,在耗電過程中,放電速度緩慢甚至主機停止發(fā)電,雙定子加內轉子合并發(fā)電機的無極變速器就可及時的將風能轉化為電能,并將所余風能還不浪費的轉存與備用儲能裝置中去,由此一來,就會極其有效的提高了風能的使用頻率,并降低了使用低電壓的情況。
二、新型發(fā)電系統(tǒng)的實驗
實驗工具為10kW無級變速器樣機,定子的外徑、內徑、軸長分別為423mm、330mm、180mm,外轉子的為327.2mm、281.6mm、180mm,內轉子的為280mm、56mm、180mm,風機的變頻感應為11kW,維持轉速的同步為375r/min。
第一,將變頻器上輸出頻率控制為外轉子轉速在200r/min至370r/min之間,看模擬風機的轉速,接線0.5kW負載在發(fā)電機上。依此情況實驗,方可見風機轉速會有所波動,內轉子能維持同步轉速,當外轉子速度增加,影響電功率的傳遞速度,是指降速,內轉子的電流同時減弱,而當外轉子速度降低時,內轉子的電流會同時增加。
第二,當外轉子轉速降低,內轉子保持恒定轉速時,將內轉子的負載突然增加,以1kW為單位逐次遞增兩次后再返回原來的負載度數,可用此實驗測量負載情況變化后的系統(tǒng)控制是否保持穩(wěn)定性。結果經過多次實驗,內轉子的轉速與電流不隨負載的變化而變化,轉速仍能保持在恒定的速度中。
三、新型發(fā)電系統(tǒng)的仿真
(一)仿真模型
根據機電混合無極變速器的數字系統(tǒng)模式和電氣風力發(fā)電系統(tǒng)的操控策略,建立框架式仿真圖作為研究對象進行分析。
(二)風速和風能
風速的變化快但變化的速率較慢,給定波動幅度的風速,限定風速的情況下,可利用仿真模型做系統(tǒng)控制性的實驗,隨著風速的不斷變化,變速器會不斷調整定子電動機中的電磁方向及轉向規(guī)律,使風力機可運行在系統(tǒng)規(guī)定的最佳速率點進行工作。
(三)母線電壓
實驗中一般在直流母線上安裝10小時的鎳氫金屬電池作為儲能原料裝置,主機發(fā)電裝置一旦以恒定功率輸出電流,直流母線上的電壓就會直接受到主機輸入功率和電池的影響,SOC的正負的變化值也正是影響電池放電和充電狀態(tài)的因素。
(四)內轉子的轉速頻率
內轉子的繞組頻率要將外轉子的轉速值作為參考值來設定的,即使內轉子與恒定轉速同步,但受到外轉子的波動轉速影響,其本身的繞組頻率也是在外轉子的給定范圍內波動的,而頻率較慢的外轉子運作時并不能完全驅動內轉子的啟動,當直流達到一定的限定額時,才會控制內轉子繞組并快速啟動,內轉子達到同步速度時,電力就會自動切入電網進行發(fā)電了,所以由此看出,外界的風力及速度的影響越劇烈,內轉子便能更好的穩(wěn)定在恒定的同步轉速中。
四、總結
通過分析和研究新型機電混合無極變速風力發(fā)電系統(tǒng),基于風力發(fā)電的系統(tǒng)控制策略展示,搭建了仿真風力發(fā)電系統(tǒng)模型和實驗平臺,對于有關理論性質的驗證,設計的有效性,根據驗證結果為此新型發(fā)電系統(tǒng)的全面正確應用構建了堅實的基礎。此系統(tǒng)綜合了以往發(fā)電驅動裝置的優(yōu)點,經過實驗深入研究內部潛在的細小問題并加以修整,整合功能遠遠超過預期效果,這種新型的發(fā)電系統(tǒng)帶有廣泛開闊的應用前景,但仍需創(chuàng)新設計理念完善相關研究,為發(fā)電系統(tǒng)的創(chuàng)立機制做積極的回應。