水平軸風力發(fā)電機的設計【功率為1500KW】【含6張CAD圖紙、說明書】【GC系列】

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風力發(fā)電中的自我激勵與諧波 1．介紹 傳統(tǒng)的風力渦輪機通常安裝的是感應發(fā)電機，因為它廉價，耐用，而且只需要很少的維護。然而，電感應發(fā)電機需要的無功功率通常通過電容器補償來得到。因為輸出功率各不相同，所以電容補償必須隨之調整。風力發(fā)電機組的電力網(wǎng)絡中，相互的電容補償作用是導致輸出電流中產(chǎn)生自我激勵和高次諧波的一個重要原因。這篇文章探討產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，并對如何控制或消除這些現(xiàn)象提出一些方法。 現(xiàn)在大部份風力發(fā)電機的性能是非?？煽康?，并且維修簡單，費用低。一臺感應發(fā)電機在正常工作期間始終需要得到無功功率。使用最普遍的無功功率補償是電容器補償，因為它是靜態(tài)的, 而且成本低。不同型號的電容器可以提供不同的電容補償。 雖然無功的動力補償可能對風輪機總的操作有利，但是我們必須確保補償是恰當?shù)?，并且不影響控制。自我激勵和諧波是電容器補償?shù)膬蓚€重要部分也是這篇文章的主題。 2．動力系統(tǒng)網(wǎng)絡描述 如圖1所示描述的這個系統(tǒng)。動力系統(tǒng)的部件分析包括如下內容： ? 連接風機各部分的總線和輸入線路。 ? 一臺安裝在襯墊上的變壓器 ? 連結在變壓器低電壓的電容器 ? 一臺電感應發(fā)電機 圖1. 系統(tǒng)各部件圖 對于自我激勵，我們關注的是在渦輪上的電容補償。對于諧波分析，我們用圖表來表示整個網(wǎng)絡。 3．自我激勵 3.1感應發(fā)電機的自我激勵。 自激是在感應發(fā)電機和電容器補償之中負電荷和磁性浸透交互作用的一個結果。自我激勵過程這部分是在一臺離柵欄的電感應發(fā)電機里進行研究的，知道極限和自激操作的邊界將會幫助我們去利用或者避免自激。 在固定速度的風輪機中應用最普遍的是固定電容器無功的動力補償方法。只有一臺電感應發(fā)電機是不能得到它自己需要的無功動力的，它要求來自電網(wǎng)正常操作的無功動力，并且柵欄口接電感應發(fā)電機的電壓和頻率。 安全是自我激勵的一個潛在問題。因為發(fā)電機可以產(chǎn)生電壓，它可能傷害檢查或者修理這臺發(fā)電機的人員。另一個潛在的問題是發(fā)電機的工作電壓和頻率可能變化。因此，在自我激勵期間連接在發(fā)電機上的易損設備可能在過高或過低的電壓和頻率下被損壞。盡管這是自我激勵過程中電感應發(fā)電機的缺點，然而一些人把這種方式應用于動態(tài)的剎車系統(tǒng)中，幫助在柵欄損失的緊急情況時控制轉子速度。因此，適當?shù)倪x擇電容和電阻器可以在柵欄損失和機械剎車故障期間控制風輪機速度。 3.2 穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)。 穩(wěn)態(tài)分析中關鍵是理解哪些條件對自我激勵有增強或削弱作用。如上面解釋的那樣，自我激勵可能是一件好事情也可能是一件壞事情，這取決于我們遇到什么樣的形勢。圖2為一個電容器補償電感應發(fā)電機。如上所述，自我激勵操作要求必須保持完全的無功平衡。 ++=0 （1） =電容器節(jié)點的有效輸入 =磁化部分的有效輸入 =轉子節(jié)點的有效輸入 方程式1的實部和虛步可以被擴展為方程式2 和3。 （2） 圖2.自我激勵方式下的等效電路 圖3. 典型的磁化特性 （3） =阻抗 =滲漏電感 =轉子阻抗 =轉子滲漏電感 = 阻抗 S =操作損失 =操作頻率 =終端負載電阻 C =電容器補償 自我激勵的一個重要方面是電感應發(fā)電機的磁化特性。圖3所示為一臺典型的勵磁電感發(fā)電機和輸出電流之間的關系；這圖由實驗得來反映了發(fā)電機的特性。 圖5為電感應發(fā)電機的終端電壓受電容和負載電阻變化的影響而變化的示意圖。如圖5所示，負載電阻不影響終端電壓， 特別是在發(fā)電機轉速很高時，但是電容對發(fā)電機的輸出電壓有顯著影響。一個大的電容在轉子轉動過程中產(chǎn)生較少的電容變化，而較小的電容在轉子轉動過程會產(chǎn)生很大的電容變化。如圖6所示，對規(guī)定的電容來說，改變負載電阻的有效值能調節(jié)力矩速度。 自我激勵這個概念可以被利用在渦輪機上，如上所述，當它失去對柵欄連接時可以提供動態(tài)剎車從而防止飛車現(xiàn)象發(fā)生。只要正確選擇電容和負載電阻使其與渦輪機輸出電源相匹配，就能在一定的風速范圍內來調節(jié)阻抗。 3.3 動態(tài)反應。 這部分可以在自我激勵過程中檢查瞬時的變化。對于這次模擬來說我們選擇3.8毫法電容和1.0歐的負載電阻。驅動力矩的常量被調整為4500納米。但是，空氣動力學的風輪機特性控制系統(tǒng)不包括在這個模擬中，我們關注的是自我激勵的過程。因此，我們重視方程式電的方面。 圖7顯示連續(xù)時間內轉子速度和輸出功率的關系。在這種情況下，電感應發(fā)電機由靜止啟動，速度逐漸增加，直到達到它自身的額定速度。最初連接柵欄在開始的t = 3.1秒s，柵欄被斷開，電感應發(fā)電機進入自我激勵方式。在t = 6.375 s時，發(fā)電機被再接通到柵欄，終止自我激勵。在自我激勵期間轉子速度逐漸增加，但是，最后發(fā)電機力矩達到4500牛米，并且轉子速度變?yōu)榉€(wěn)定。當發(fā)電機沒有同步而被再接通到柵欄時，在發(fā)電機的力矩會突然發(fā)生簡短的瞬間變化。這種情況一旦發(fā)生，轉子速度會與柵欄之前有相同的速度。 圖8(a)顯示每個時期電壓的狀況。它顯示最初電壓與被連結柵欄后的電壓相同。如圖7所示，在自我激勵方式下3.1 s0，Q>0。 (c)圖解法表示p>0，Q<0。 從圖10中我們可以看出當電容器C被改變時，電路將產(chǎn)生不同頻率的共振。此時兩諧波一定會產(chǎn)生諧波電流， 原因可能是諧波源磁飽和或者是在對電容進行補償時電路產(chǎn)生共振。 4.3 動態(tài)模擬。 現(xiàn)在分析在變壓器里如何產(chǎn)生諧波。在大多數(shù)實用的風輪機中，變壓器是安裝在一個襯墊上再與風力發(fā)電機連接在一起的。當變壓器飽和時，磁路的非線性特性產(chǎn)生一個非正弦電流。 圖11(a)描述一臺變壓器的每階段的等效電路。變壓器的鐵芯損失通常被表示為等效抵抗，類似于磁化電杭。在這項研究中，變壓器的鐵損非常小，所以被忽略。磁化了的磁鏈中電壓和頻率成正比： = 磁化的電壓 = 磁鏈 = 基礎頻率 通過公式7可以發(fā)現(xiàn)變壓器的磁鏈。磁鏈和勵磁電感之間存在上述關系是因為磁化電流是非線性的。當磁化電流很低的時，磁化電流也隨著改變，但是最終達到飽和時，開始非線性的特性； 這時進一步增加磁化電流會產(chǎn)生更小的流聯(lián)系。在飽和區(qū)，如圖12所示，由于非線性的磁化電感，將產(chǎn)生非正弦的輸出電流。 圖12 一臺變壓器在低負荷狀態(tài)下的輸出電壓和電流 有兩種運行方式能引起飽和。第一種方式是當變壓器在很高的電壓電平操作時。這里舉的例子中操作變壓器負載很小。因此，在暴露于高電壓的磁化分部將生產(chǎn)較大的磁化電流。能引起高飽和的第二種運行方式是變壓器操作領先功率因數(shù)。 交叉磁化電抗的電壓可以表示： =+ j=線路阻抗連接變壓器電壓 = + j =初級繞組阻抗變壓器 == =主要的電阻和變壓器的次級繞組 == =主要的滲漏電抗和變壓器的次級繞組 = 電壓 =初級繞組電流 =線電抗 =線電阻 在這個例子中，我們對簡單的情況通過圖11(b)和11(c)進行分析，并且利用一些插圖簡化等效電路。圖11(a)描述的是一個理想變壓器的泄漏阻抗。在圖11(a)中，實際功率P與無功功率是相互聯(lián)系的。當p > 0 ，q < 0 時，< ，當 P > 0， q > 0時 ，< 。 文章來自： 北京信息科技大學校園網(wǎng)-圖書館藏-電子期刊-美國機械工程師學會電子期刊全文數(shù)據(jù)庫 作者和文獻出處： E. Muljadi ， C. P. Butterfield National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado 80401 H. Romanowitz Oak Creek Energy Systems Inc.,Mojave, California 93501 R. Yinger Southern California Edison,Rosemead, California 91770 32