摘要：根据双馈式变速变距型风力发电机的设计特点和能量传输特性，机组可以在可变的叶轮转速和可调的桨距角下运行，通过改变桨距角调整叶轮的能量捕获，通过叶轮转速的变化，可以使双馈发电机运行在同步速之下或同步速之上，采用仿真工具可以描绘出整个机组的能流关系曲线。
关键词：风电机组变速变距双馈发电机能量转换
Simulation of Power Conversion of Doubly Fed Variable Speed Variable
Pitch Wind Generation Set
Xing Zuoxia, Chen Lei, Yao Xingjia
(Wind Energy Institute & Shenyang University of Technology, Shenyang, China , 110023)
(Email: xingzuox1976@163.com) Abstract: This Wind Turbine can operate in variable speed and rotor pitch. Changing rotor pitch under variable wind speed can regulate the power capture. The doubly fed generator can operate in under-synchronous speed and super-synchronous speed according to the variable rotor speed. Using the simulate tools, we can get the power conversion curve of the whole wind generation set. Key words: wind generation set, variable speed variable pitch, doubly fed generator, power conversion.
0 引言
风力发电机是一种把风力资源转换为电能的机械装置。目前，世界上大中型风力发电机组主要有两种型式：一类是定桨距失速调节型，属于恒速机型，这类风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低；另一类就是变速变距型，叶轮转速可以跟随风速的变化在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行, 从而使Ｃｐ在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大，发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网[1]。相比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势。
变速型风力发电机根据采用的发电机形式不同有笼型异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机等。双馈式变速恒频风电机组需采用的变流器容量小，可实现有功、无功功率的灵活控制，有功率因数可调的优点，成为大型变速恒频风电机组采用的主要型式。本文针对有刷双馈变速变距型风力发电机的结构特点，研究其能量传输过程。
1 叶轮能量捕获系统
风力机通过叶轮来捕获流动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这种机械能传输到发电机，由发电机通过内部的电磁关系，把机械能变为电能输出。结构简图如图1 所示。
设Ｖ1 为风轮前方远处的风速，Ｖ为通过风轮截面Ａ的实际速度，Ｖ2 为风轮后方远处的风速。显然，在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能Ｅ[2]，即
3、特性曲线
以1MW 双馈式变速恒频风力发电机组的设计为例，机组设计参数：
额定功率 1000kW
切入风速 2.5m/s
额定风速 12m/s
切出风速 25m/s
叶轮半径 31m
齿轮箱传输比 53.16
传输系统效率 0.93
发电机参数： 发电机转速范围 700～1300rpm
发电机额定转速 1000rpm
发电机额定功率 1000kW
发电机效率 0.975
定子侧电网电压/频率690V （线电压）/50Hz
根据叶片设计特性曲线如图3 所示，叶轮在风速4～12m/s 的范围内时，风能利用率Cp 在0.4 以上，能量捕获率较大，最佳值出现在风速5～8m/s 的范围内，此时，叶尖速比变化范围为6～8。整个叶轮转速范围限制在13～24.5rpm 范围内。
按照不同叶尖速比和桨距角下的风能利用系数CP 值，根据前面所述，利用MATLAB 的仿真工具计算整个机组的能量转换关系，能流关系和发电机励磁特性变化如图4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 所示。
4、结论在此变速变距型风力发电机组中，额定风速以下，机组按照最大能量捕获、最大功率输出的方式运行，在此范围内，叶轮能量捕获效率最大，0<ｓ<1，Pem>0，Pmech >0，P2 = sPem>0 发电机输出电磁功率由原动机、转子励磁共同提供。额定风速之上，机组调节叶片桨距角，进入变距限速运行方式，风能利用系数迅速降低，叶轮捕获的机械功率基本维持不变，此时ｓ<0，发电机超同步运行，Pem>0， Pmech >0， P2 = sPem<0，这时，转子和定子都从原动机吸收能量。无论那种情况下，转子侧输出、输入功率始终保持为s Pem 左右。
本机组采用了变速变距型叶片和双馈发电机的结构型式，在转子励磁调节下，使发电机跟随叶轮的旋转，在何种转差下都能保持发电状态，功率、功率因数可调，控制灵活，同时由于其可以控制在发电机同步速之上运行，提高了发电效率。(沈阳工业大学风能技术研究所沈阳 110023 Email: xingzuox1976@163.com)
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