****功率追蹤與變速恒頻風(fēng)力發(fā)電
張勇1， 曲華龍2（1榮成出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東榮成26430；2山東華力電機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東榮成264300）
摘要：根據(jù)風(fēng)力機(jī)的輸出特性，詳細(xì)分析l****功率追蹤的原理及其具體實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)三種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，指出轉(zhuǎn)矩控制方案更具有優(yōu)勢(shì)。介紹了兩種典型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)它們進(jìn)行了細(xì)致的比較分析，為合理選擇變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供借鑒。
關(guān)鍵詞：****功率追蹤；變速恒頻；風(fēng)力發(fā)電
中圖分類號(hào)：tw1315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1673-6540( 2009)】2-0026-04
0 引 言
風(fēng)力發(fā)電的成本已接近于火力發(fā)電的成本【1】，且對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染，因此受到廣泛關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為軸上的機(jī)械能輸出給發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)則將其轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)能是一種不穩(wěn)定、隨機(jī)性很強(qiáng)的能源，風(fēng)速、風(fēng)向不停地變化。在不同的風(fēng)速下，通過(guò)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能不同。如何將通過(guò)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能盡可能多地轉(zhuǎn)換為軸上的機(jī)械能輸出，即****功率追蹤，是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題。
在同一風(fēng)速下，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率是不同的，有一個(gè)效率****的點(diǎn)。進(jìn)行****功率追蹤，就是要使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行于這個(gè)效率****的點(diǎn)上。風(fēng)速變化，效率****的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速也在變化，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，此時(shí)要向電網(wǎng)輸出頻率和幅值恒定的交流電能，就需要變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。
本文介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)****功率追蹤的原理及日前兩種最典型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
1 風(fēng)力機(jī)的輸出特性
設(shè)風(fēng)力機(jī)葉片半徑為r，空氣密度為ρ，風(fēng)速為v，則風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率為式中：
cp（λ，β）為風(fēng)能利用系數(shù)，反映風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的效率。風(fēng)速確定時(shí)，風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能只與cp（λ，β）有關(guān)。槳葉節(jié)距角β一定時(shí)，cp（λ，β）是葉尖速比λ的函數(shù)，如圖1所示，此時(shí)存在一個(gè)****葉尖速比λopt。．對(duì)應(yīng)****的風(fēng)能利用系數(shù)cpmax。
式中ωwt為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于****葉尖速比的狀態(tài)時(shí)，風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比：
此時(shí)，風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率為：
將式(4)的兩邊都除以風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，可得風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：
式(4)、(5)給出的風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為****功率曲線和****轉(zhuǎn)矩曲線。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于某一風(fēng)速下的****功率點(diǎn)處時(shí)，風(fēng)速與葉尖線速度符合式(3)給出的關(guān)系，即風(fēng)力機(jī)處于****葉尖速比狀態(tài)；此時(shí)風(fēng)力機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速符合式(4)所給出的****功率曲線關(guān)系，風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速符合式(5)所給出的****轉(zhuǎn)矩曲線關(guān)系。所以，從這個(gè)角度上講，****功率曲線、****轉(zhuǎn)矩曲線與****葉尖速比是統(tǒng)一的。
不同風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、****勸率和****轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示。圖2(a)為風(fēng)力機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速特性曲線；圖2(b)為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性曲線，2(bl中的轉(zhuǎn)矩曲線為2(a)中相應(yīng)的功率曲線除以轉(zhuǎn)速得到的，所以二者所表示的運(yùn)行狀態(tài)是一致的。
2****功率追蹤原理及實(shí)現(xiàn)方案
由圖2(b)可以看出，控制發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性 |
