史 毅
(江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械學(xué)院,南昌 330029)
縱觀世界范圍,能源形勢不容樂觀,煤炭資源日漸匱乏,石油價格的不斷攀升,一方面可以看出全球?qū)τ谀茉吹母偁幦找婕ち遥硪粋€方面也看出能源在人們大范圍的使用中在不斷地減少,如何在不破壞地球原有的生態(tài)環(huán)境又能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)要求已經(jīng)擺在人們的面前,是一個非常普遍又現(xiàn)實的存在,而風(fēng)能能很好地解決上述的兩個矛盾點,不僅資源存儲豐富,又能循環(huán)利用,同時在各國科學(xué)家的努力之下,風(fēng)能生電的技術(shù)應(yīng)勢而生,在全球范圍內(nèi)得到了很好的應(yīng)用,性價比也非常的高,可以采用很少的資源滿足全球范圍內(nèi)人們的日常用電量,避免了對環(huán)境的污染,保護了生態(tài),是一種非常實用的技術(shù)。
風(fēng)能發(fā)電就是利用風(fēng)輪收集風(fēng)能,將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機械能,通過發(fā)電機將風(fēng)輪收集的機械能轉(zhuǎn)變成電能,利用電網(wǎng)遠距離輸送。風(fēng)力發(fā)電是由太陽能轉(zhuǎn)化而來,地球表面溫差引起空氣流動,具有一定動能,是清潔的、無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源。由于能源和環(huán)境等諸多問題的影響,風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展受到全球性的廣泛關(guān)注和高度重視。但是自然界的風(fēng),方向和速度經(jīng)常變化,使得風(fēng)力發(fā)電具有間歇性,可控性不如常規(guī)性能源。
風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片進行旋轉(zhuǎn),再通過齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度進行進一步地提升,故而帶動發(fā)電機達到發(fā)電的目的。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由葉輪,機艙,偏航系統(tǒng),傳動鏈,主軸,發(fā)電機,制動系統(tǒng)和槳距調(diào)節(jié)裝置等硬件設(shè)備組成,每一個部分都很重要。其中,葉片是具有空氣動力學(xué)外形,在氣流推動下產(chǎn)生力矩使風(fēng)輪繞其軸轉(zhuǎn)動的主要原件,獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機械能。齒輪箱是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在高速軸側(cè)提高到滿足發(fā)電機需要的轉(zhuǎn)速。而發(fā)電機組在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中至關(guān)重要,目前在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機組主要有三種類型,即固定轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機組、可調(diào)速的雙饋異步發(fā)電機組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組。
雙饋電機發(fā)電的主要原理就是利用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子,然后通過勵磁電流來達到控制變速時候的頻率,使之保持在一定的頻率上。在這個過程中,轉(zhuǎn)子電路的功率只相當(dāng)于流勵磁電機發(fā)電中的轉(zhuǎn)差功率,而轉(zhuǎn)差功率在整個過程中只占到很小的一部分,所以雙饋電機在進行運轉(zhuǎn)時消耗功率較小,降低了成本,同時不限制變頻器容量,故采用雙饋電機。在進行發(fā)電時,不但可以減低能耗,保證工作,同時在工作中創(chuàng)造效率,實現(xiàn)恒頻控制,且同時實現(xiàn)一對一的控制,起到了分擔(dān)電網(wǎng)工作量,穩(wěn)定電壓的效果。風(fēng)力機的運行特性如圖1所示。第一個運行區(qū)域是啟動階段,此時電機增速,但沒有連接并網(wǎng),故沒有功率輸出。第二個運行區(qū)域是風(fēng)力發(fā)電機并入電網(wǎng)并運行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。這一階段又可分為兩個區(qū)域:變速運行區(qū)和恒速運行區(qū)。第三個運行區(qū)域為功率恒定區(qū)。當(dāng)風(fēng)速增加時,通過變槳控制,從而保持功率不變。
圖 1 風(fēng)力機的運行特性圖
影響風(fēng)能發(fā)電的因素有很多,其中風(fēng)能的輸入功率,葉片的葉尖線速度都與之有著千絲萬縷的關(guān)系,如何更好地捕獲風(fēng)能,提高風(fēng)能的效率,同時減小機械應(yīng)力,是目前迫切需要解決低問題。
根據(jù)上述風(fēng)力發(fā)電的基本原理,加上風(fēng)力機的空氣動力學(xué)知,可以得出風(fēng)力機的輸入功率為:
由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部都能被風(fēng)輪吸收利用,其風(fēng)能利用系數(shù):
其中,v為風(fēng)速,ρ為空氣密度,R為葉片半徑。
風(fēng)能利用系數(shù)是表征風(fēng)力機效率的重要參數(shù),它與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。為了便于討論,定義風(fēng)力機的另一個重要參數(shù)葉尖速比,即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比:
由不同風(fēng)速下風(fēng)力機輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系,可以看到不同風(fēng)速下風(fēng)力機的功率轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇,每條曲線上最大功率點成為風(fēng)力機的最佳功率曲線。風(fēng)力機運行在Popt曲線上將會輸出最大功率Pmax其值為:
同時以雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的電機模型建模,以轉(zhuǎn)速ωee旋轉(zhuǎn)的同步坐標(biāo)系下的等效電路如圖2所示。
圖2 等效電路圖
根據(jù)原理對雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的電機模型進行建模,得到磁鏈和電壓的數(shù)學(xué)模型如下:
式中,ψ、V、I分別為磁鏈、電壓、電流矢量,R、L為電阻及電感,下標(biāo)s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子側(cè)分量,ωr為轉(zhuǎn)子角速度,Lm為激磁電感。
同時當(dāng)采用定子磁鏈定向(即同步坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈?zhǔn)噶可希r,定子側(cè)的有功和無功可表示為:
且此時的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為:
由上面的幾個公式中可以看出雙饋電機的定子側(cè)有功(或電磁轉(zhuǎn)矩)、定子側(cè)無功分別由轉(zhuǎn)子電流的q、d軸分量決定。
以16m/s風(fēng)速條件下風(fēng)機模型為被控對象進行仿真。由于風(fēng)輪為一大慣性體,控制延時大,因此要求在控制超調(diào)量條件下響應(yīng)時間越短越好。風(fēng)機模型中發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1500rpm,最高轉(zhuǎn)速為1800rpm,其最大超調(diào)量為20%,為減少干擾信號帶來的誤差,本文設(shè)定最大超調(diào)量為10%。根據(jù)MATLAB中SIMULINK仿真模塊,建立如圖3所示的仿真模型圖。
圖3 實驗仿真圖
在本文中選取參數(shù)相同的規(guī)格的一組電動機進行仿真比較,在使用過程中,通過改變某些特定參數(shù)來進行比較,得到了結(jié)果如表1所示的實驗數(shù)據(jù)。
表1 仿真比較數(shù)值結(jié)果
如表1所示,電機組2的電動機最大超調(diào)量雖然比最優(yōu)控制提高3%,但響應(yīng)時間多了40.1%,在風(fēng)力發(fā)電機組,電機組1這樣大慣性系統(tǒng)中起到更好控制效果。電機組2的電動機的轉(zhuǎn)子電流的q軸值值比較偏高,故相對于無功的需要量比較大,而電機組1相對于偏低,故整個動態(tài)過去需要量比較小,是可以控制的
同時從上面的分析也可以得到,在某一固定的風(fēng)速v下,隨著風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的變化,風(fēng)能利用高,從而使風(fēng)力機輸出的機械功率也越大,因此轉(zhuǎn)速的變化會導(dǎo)致風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的能力卻強,故電機組1的相應(yīng)時間小于電機組2的電動機,確實是提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。
隨著二十一世紀(jì)的到來,各國對于資源的爭奪越來越激烈,而風(fēng)能作為一種存儲豐富,對于環(huán)境的破壞相對較小的能源,成為了各國爭先研究的對象?,F(xiàn)在在全球范圍內(nèi)正形成一股應(yīng)用風(fēng)能進行發(fā)電的研究熱潮,可靠風(fēng)能不僅能降低污染,還不必擔(dān)心資源的枯竭,是一種可以循環(huán)利用的能源,當(dāng)然在發(fā)展過程中也存在著不可以忽視的缺點,造成一些不必要的浪費,針對上述的情況,本文對于風(fēng)能發(fā)電的雙饋電動機進行了研究,闡述其原理,且通過選取幾個有針對性的對比實驗參數(shù),更從數(shù)值證明了本文提出的合理控制雙饋發(fā)電機組的變速的參數(shù)確實有比較高的實用價值。
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