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第33卷第11期Vol.33No.11
2009年6月10日June10,2009

变速变频风力发电系统最优风能捕获运行方式

朱卫平,王秀丽,王锡凡
(西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市710049)

摘要:在分析异步风力发电系统模型的基础上,结合分频输电技术,提出了一种新型的异步风力发
电系统运行方式———变速变频(VSVF)方式。对在该运行方式下通过以转子磁链定向的矢量控制
技术来提高风电系统风能利用系数、捕获最优风能的控制方法进行了研究,并考虑和分析了尾流效
应对风电系统风能利用系数的影响。在PSCAD/EMTDC中对异步风力发电系统在VSVF和常
规恒速恒频(CSCF)2种方式下进行了建模、计算和对比分析。最后通过算例仿真进行了验证,结
果表明采用新型运行方式可以有效提高异步风力发电系统的风能捕获能力。
关键词:风能利用系数;异步发电机;变速变频;尾流效应
中图分类号:TM614;TM761

0引言技术中的良好应用前景;若能计及风电场的尾流效
应,将使得计算结果更加准确。
风能是一种清洁的可再生能源,风能资源储量
针对现状,本文将分频输电技术应用于风电的
丰富,中国每年可供开发的风能资源初步估算就有
优点与异步风力发电技术相结合,并利用分频输电
1TW·h。发展风力发电可以有效缓解当今社会
技术中交—交变频器低频侧输出频率可调的特点,
日益关注的能源和环境问题。目前使用鼠笼式异步
提出了异步风力发电系统的一种新型运行方式———
发电机(SCIG)的风电场都是按照在50Hz频率下
在分频频率下的变速变频(VSVF)方式以及该方式
的恒速恒频(CSCF)方式运行。这种方式的优点是:
的最优控制方法。
鲁棒、便宜、电气损耗小;缺点是齿轮箱变比大,气动
效率低,当风速偏离额定风速时风能利用系数1异步风电系统结构
低[123]。文献[4]研究了SCIG的变速恒频(VSCF)
VSVF运行方式是将异步风电机群发出的分频
运行方式,其定子通过矩阵变换器(MC)与电网连
电能汇集到汇流母线,通过交—交变频器将其变为
接,通过对MC的控制可以实现SCIG在不同风速
频率50Hz的电能接入电网。其结构如图1所示。
下都运行在最优风能利用系数状态下;但其额定频
率仍为50Hz,齿轮箱变比大,降低了气动效率;机
组较笨重,故障率高。
分频输电[5]技术是近年来提出的一种新型输电
方式。其基本思想是水电机组转速很低,适合发出
频率很低的电能;而输送频率很低的电能时,其线路
阻抗与频率成比例下降,因此可大幅度提高线路的
输送容量。将分频输电技术应用于风力发电中的分
频风电系统具有以下显著优势:风力发电机组(包括
风力机和发电机)转速很低,采用分频异步发电机,
降低发电机频率可以简化增速齿轮箱结构和发电机图1VSVF风电接入系统结构
Fig.1ConfigurationoffeedingVSVFwind
形式,降低造价;风电机组转速可以根据风速变化,energyintogrid
跟踪最优风能利用系数。文献[6]介绍了风电经分
频装置接入系统,显示了分频输电技术在风力发电异步风电机群发出的分频电能可以通过频率变
化来提高风能利用系数,并捕获最优风能。
收稿日期:2008212222;修回日期:2009202208。1.1风力机的风能吸收模型
国家自然科学基金资助项目(50777052);国家高技术研究发风力机是把风的动能转换成机械能的机械设
展计划(863计划)资助项目(2006AA05Z247)。备。按贝兹理论,风力机从风中吸收的功率为:

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·绿色电力自动化·朱卫平,等变速变频风力发电系统最优风能捕获运行方式

13现对Ψr和TE的解耦控制。控制Ψr,可使其满足
P=CpρSv(1)
2Ψr为常数的条件;控制TE,由式(4)可知,可实现对
式中ρ为空气密度为风速为风力机扫掠面
:;v;S异步发电机转速ωr的控制。ωr和风力机转速ωm
积为风力机的风能利用系数是叶尖速比λ和
;Cp,是线性关系,有ωr=Nωm,N为齿轮箱变比。
桨距角β的函数,λ=ωmR/v,ωm为风力机转速,R为
风力机半径。2VSVF异步风电系统控制方式
[7]
桨距角β=0时的风能利用系数表达式为:根据风力机的风能吸收特性,提出了如下控制
π(λ-3)策略将按照转子磁链定向的矢量控制技术[8]应用
Cp=0.4412sin=:
15
于异步风力发电机的转子转速控制,控制异步风力
π(ωmR-3v)
0.4412sin(2)发电机的转速满足最大风能捕获的最优转速。根据
15v
式(5)可得VSVF异步风电系统最优风能捕获控制
由式(2)可知,随着风速v的变化,只要确保尖
策略的逻辑流程如图2所示。
速比λ维持在10.5,就可以使Cp取得最优值Cpmax。