发电体系sec电容的优化方案.doc

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1、发电体系SEC电容的优化方案1引言风能作为最干净的可再生能源，蕴含量巨大，取之不尽，用之不竭，早已成为全世界范围的研究热点。笼型转子感应电机因其具有价格低廉、结构坚固简单及可靠性等优点，已成为独立电源和风力发电系统的重要选择之一。而定子双绕组感应发电机(DwIG)作为笼型转子感应发电机中的一种，它具有的独特电机结构和诸多优点，克服了传统单绕组笼型转子感应电机发电系统的诸多不足，亦受到越来越多国内外学者们的密切关注。DwIG有两套定子绕组：一套称为功率绕组，用于输出发出的电能；一套称为控制绕组，用来控制电机

2、内部的励磁,两套绕组之间无电气连接，仅靠磁耦合，易实现高性能的控制。功率侧绕组接交流励磁电容，通过整流桥负载输出直流电，控制侧绕组接入滤波电感消除控制侧SEc的开关管通断引入的谐波以改善电流波形，通过对SEc的控制来实现连续调节电机内部磁场，使系统输出稳定的直流电压。DwIG发电系统在恒速以及变速运行下的舰船、坦克以及飞机电源上的应用均取得了一定的研究成果，同时，DwIG发电系统在风力发电上应用的研究也已展开，并且针对当前各种机型的风力发电系统无法充分利用低风速下风能的不足，提出了新的拓扑和控制策略，使得

3、系统在很宽的风速范围内均能输出额定的高压直流。宽风速运行的DwIG风力发电系统，与双馈感应电机（DFIG）风力发电系统相比，其优势在于两系统励磁控制器容量相当的前提下，笼型转子结构更坚固，无电刷和滑环、易维护，且系统的输出为直流电能，相对于输出恒频交流电的DFIG而言，更适合于采用直流输电的海上风力发电；与直驱式永磁电机风力发电系统相比，优势则在于弱磁控制的能力以及发电机本体和励磁控制器（相比于永磁发电机侧的控制变换器）的成本优势。因此，DwIG风力发电系统若要具备更强的竞争力，除了宽风速范围运行的能力以

4、外，对系统成本影响较大的SEc容量大小讲起着决定性作用。文献均以变速运行下的DwIG发电系统SEc容量最小为目标，分别进行了励磁电容的优化设计。文献主要对全转速范围恒功率运行（最低速设计为额定转速）的独立电源系统展开研究，未考虑额定转速以下的情况和原动机特性；文献则针对于DwIG风力发电系统，兼顾了恒功率区转速以下运行情况以及风力机（原动机）的功率特性，但是全文只针对功率绕组侧输出电能的运行方式，未对系统在宽风速下运行尤其是低风速下运行的控制及优化作进一步的探讨。本文从宽风速范围运行DwIG风力发电系统的

5、实际运行控制要求出发，结合发电机的功率输出特性，分析了系统在宽风速运行时控制侧SEc的电流变化规律，以SEc容量最小为目标，得到适合于该系统的励磁电容优化方案，并在一台37kw/1500r/min的DwIG样机上进行了实验验证。2系统构成和工作原理DwIG风力发电系统主要由风力机、一级增速齿轮、DwIG、SEc等主要部件组成，风力机经一级增速齿轮箱拖动DwIG至发电状态运行，将风能转化为电能。功率侧绕组接交流励磁电容，通过整流桥输出直流电，控制侧绕组与SEc之间接有滤波电感，由SEc控制发电机内部磁通，使

6、得系统变速变负载情况下输出稳定的直流电压。为了充分利用低风速下的风能，利用控制侧绕组经SEc发电，输送至SEc直流母线，拓扑采用控制侧SEc的直流母线经功率二极管与功率侧整流桥并接输送电能的方式，具体的系统结构框图如图1所zjO图1所示的新拓扑使得DwIG风力发电系统在很宽的风速范围内都能输出稳定的直流电压，充分利用低风速下的风能。系统在低风速下运行时，由于发电机的转速较低，功率侧绕组的端电压无法达到额定电压的要求，因此通过控制侧SEc的泵升作用，利用电机控制绕组的自身漏感和滤波电感作储能，将SEc的开

7、关管信号为零矢量时存储的能量在非零矢量时泵升至直流母线侧，使其端电压达到指令值，发出的电能通过SEc的直流母线端经并联二极管往外送出。为了使DwIG具备良好的带载能力，此时需维持发电机内部的磁通恒定。当风速逐渐上升，直至功率侧绕组端电压提升达到指令值时，由功率侧的整流桥往外输出电能，并联二极管被阻断，此时由并联的交流励磁电容和SEc共同向电机提供需要的励磁无功，SEc的调控功能是维持其自身直流母线电压恒定不变的同时，调节输出的励磁无功维持系统输出直流电压恒定。3励磁电容的优化特定的风力机在一定风速下，都存

8、在一个最大功率输出点，因此发电机输出功率也会有一个最大点。将所有不同风速下的最大输出功率点连接起来，即可得到发电机最优输出功率曲线，如图2所示。DwIG系统所需的励磁无功容量主要取决于发电机参数、转速范围、负载等因素，在发电机参数、转速范围等这些因素都确定的情况下，DwIG风力发电系统运行于图2所示的最优输出功率曲线上，选择不同大小的励磁电容必然会影响SEcI作时的电流大小：如果选择过小，系统在低速运行时SEc需要提供过大的励