新型機(jī)電混合無級變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
發(fā)布時間：2015-12-22 13:25

　　新型機(jī)電混合無級變速風(fēng)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(shù)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(diào)整發(fā)電的進(jìn)度，不僅在提高系統(tǒng)質(zhì)量維持可信度的基礎(chǔ)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(fù)雜裝置時間的同時還能最大限度的利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。本文通過研究這種新型混合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造原理，分析其內(nèi)在工作流程，對有關(guān)的專業(yè)問題進(jìn)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(guān)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(fēng)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(guān)注中。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受到了國內(nèi)外專家及學(xué)者深入的研究，隨后提出了雙向反饋恒穩(wěn)變速風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、低速高磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等并與之相對應(yīng)的控制措施和技巧，使風(fēng)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(yīng)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(jī)電混合無級變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的提出從專業(yè)上提高了風(fēng)力發(fā)電的綜合水平。

　　一、新型發(fā)電系統(tǒng)的原理

　　新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成部分和內(nèi)在結(jié)構(gòu)，依次為風(fēng)機(jī)、增速裝置、無極變速器、發(fā)電機(jī)、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(yùn)作中，與直流相交的整流逆變裝置同時為定子繞組和內(nèi)資繞組供電，服務(wù)于兩子的變流中，當(dāng)風(fēng)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(jī)在工作中的同步轉(zhuǎn)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(wǎng)，使之調(diào)節(jié)有效無功。

　　在整個系統(tǒng)儲備量適中的情況下，風(fēng)速若能保持在一定的范圍內(nèi)運(yùn)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(wǎng)的沖擊。機(jī)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(zhì)是為定子與外轉(zhuǎn)子聯(lián)合構(gòu)成的電機(jī)進(jìn)行級聯(lián)。

　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變速裝置是利用內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的速度差減小，而增加機(jī)械功率的運(yùn)流，完成高效率轉(zhuǎn)換，風(fēng)力機(jī)中的非線性關(guān)系是利用風(fēng)能的系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行測兌，所以推導(dǎo)系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系，加強(qiáng)風(fēng)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(yùn)行，可有效啟動無風(fēng)停機(jī)后續(xù)工作，規(guī)定額度內(nèi)運(yùn)行的高能傳輸，無風(fēng)停機(jī)后對電廠和電網(wǎng)中的用戶仍可進(jìn)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(jī)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(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動的設(shè)備，定子將繞組發(fā)電，漸漸升高直流母線的電壓，同時內(nèi)轉(zhuǎn)子外側(cè)備用電子裝備也隨著定子驅(qū)動，以同步速度維持母線電壓。

　　發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部一般都會有備用的儲能裝置，以防在無風(fēng)停機(jī)時充分利用，這個裝置在啟動時無級變速器會通過外轉(zhuǎn)子的協(xié)力驅(qū)動，使無壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fèi)的發(fā)電時間還可以與發(fā)電機(jī)的驅(qū)動速度保持一致，避免了對電網(wǎng)和電機(jī)在大量并網(wǎng)工程中的沖擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)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(jīng)兩子逆變器到輸出軸。額定率運(yùn)行正常的情況下，變速器好比可變動型的齒輪，加上雙倍驅(qū)動功率的電流運(yùn)作，更加能催化發(fā)電運(yùn)行過程的靈活性和穩(wěn)定性。如果出現(xiàn)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)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(jī)停止發(fā)電，雙定子加內(nèi)轉(zhuǎn)子合并發(fā)電機(jī)的無極變速器就可及時的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并將所余風(fēng)能還不浪費(fèi)的轉(zhuǎn)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(fēng)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(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)工具為10kW無級變速器樣機(jī)，定子的外徑、內(nèi)徑、軸長分別為423mm、330mm、180mm，外轉(zhuǎn)子的為327.2mm、281.6mm、180mm，內(nèi)轉(zhuǎn)子的為280mm、56mm、180mm，風(fēng)機(jī)的變頻感應(yīng)為11kW，維持轉(zhuǎn)速的同步為375r/min。

　　第一，將變頻器上輸出頻率控制為外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在200r/min至370r/min之間，看模擬風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，接線0.5kW負(fù)載在發(fā)電機(jī)上。依此情況實(shí)驗(yàn)，方可見風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會有所波動，內(nèi)轉(zhuǎn)子能維持同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)外轉(zhuǎn)子速度增加，影響電功率的傳遞速度，是指降速，內(nèi)轉(zhuǎn)子的電流同時減弱，而當(dāng)外轉(zhuǎn)子速度降低時，內(nèi)轉(zhuǎn)子的電流會同時增加。

　　第二，當(dāng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，內(nèi)轉(zhuǎn)子保持恒定轉(zhuǎn)速時，將內(nèi)轉(zhuǎn)子的負(fù)載突然增加，以1kW為單位逐次遞增兩次后再返回原來的負(fù)載度數(shù)，可用此實(shí)驗(yàn)測量負(fù)載情況變化后的系統(tǒng)控制是否保持穩(wěn)定性。結(jié)果經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電流不隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)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(jù)機(jī)電混合無極變速器的數(shù)字系統(tǒng)模式和電氣風(fēng)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(jìn)行分析。

　　(二)風(fēng)速和風(fēng)能

　　風(fēng)速的變化快但變化的速率較慢，給定波動幅度的風(fēng)速，限定風(fēng)速的情況下，可利用仿真模型做系統(tǒng)控制性的實(shí)驗(yàn)，隨著風(fēng)速的不斷變化，變速器會不斷調(diào)整定子電動機(jī)中的電磁方向及轉(zhuǎn)向規(guī)律，使風(fēng)力機(jī)可運(yùn)行在系統(tǒng)規(guī)定的最佳速率點(diǎn)進(jìn)行工作。

　　(三)母線電壓

　　實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)輸入功率和電池的影響，SOC的正負(fù)的變化值也正是影響電池放電和充電狀態(tài)的因素。

　　(四)內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率

　　內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組頻率要將外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速值作為參考值來設(shè)定的，即使內(nèi)轉(zhuǎn)子與恒定轉(zhuǎn)速同步，但受到外轉(zhuǎn)子的波動轉(zhuǎn)速影響，其本身的繞組頻率也是在外轉(zhuǎn)子的給定范圍內(nèi)波動的，而頻率較慢的外轉(zhuǎn)子運(yùn)作時并不能完全驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子的啟動，當(dāng)直流達(dá)到一定的限定額時，才會控制內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組并快速啟動，內(nèi)轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速度時，電力就會自動切入電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電了，所以由此看出，外界的風(fēng)力及速度的影響越劇烈，內(nèi)轉(zhuǎn)子便能更好的穩(wěn)定在恒定的同步轉(zhuǎn)速中。

　　四、總結(jié)

　　通過分析和研究新型機(jī)電混合無極變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)控制策略展示，搭建了仿真風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型和實(shí)驗(yàn)平臺，對于有關(guān)理論性質(zhì)的驗(yàn)證，設(shè)計的有效性，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果為此新型發(fā)電系統(tǒng)的全面正確應(yīng)用構(gòu)建了堅實(shí)的基礎(chǔ)。此系統(tǒng)綜合了以往發(fā)電驅(qū)動裝置的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)深入研究內(nèi)部潛在的細(xì)小問題并加以修整，整合功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期效果，這種新型的發(fā)電系統(tǒng)帶有廣泛開闊的應(yīng)用前景，但仍需創(chuàng)新設(shè)計理念完善相關(guān)研究，為發(fā)電系統(tǒng)的創(chuàng)立機(jī)制做積極的回應(yīng)。