1、0引言獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng),由風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能,經(jīng)蓄電池蓄能,可直接給直流電用戶供電或通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)用戶使用。發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量一般為幾百瓦到幾千瓦1。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備大部分是由永磁同步電機(jī)構(gòu)成恒速恒頻CSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于1kW 以下的微型風(fēng)電機(jī)組,風(fēng)力機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),由于風(fēng)速的變化范圍較大,因而CSCF 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的利用率不高。由于永磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁不可調(diào),電壓調(diào)節(jié)性能較差,為了調(diào)節(jié)輸出功率,必須另加輸出控制電路,這樣增加了成本,降低了可靠性。同時(shí),稀土永磁材料在高溫和強(qiáng)烈振動(dòng)等環(huán)境會(huì)發(fā)生失磁,在超風(fēng)速等異常條件下,永磁磁極會(huì)受到較大的影響2,3。1異

2、步發(fā)電機(jī)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、成本低廉、體積小、便于維護(hù),在發(fā)生短路故障時(shí)可以自我保護(hù),因而在并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)與繞線式異步發(fā)電機(jī)相比結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,價(jià)格更低,在微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中更具有競(jìng)爭(zhēng)力。由電機(jī)學(xué)理論可知,異步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,其轉(zhuǎn)速只能低于同步轉(zhuǎn)速4。如用其它原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)它的轉(zhuǎn)子,使其順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn),且轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速,這時(shí)異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),異步電機(jī)輸出有功功率;異步電機(jī)自身不能產(chǎn)生無(wú)功功率,仍需由電網(wǎng)供給或用并聯(lián)電容器供給。異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),其勵(lì)磁電流是由電網(wǎng)提供的;異步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電流由并聯(lián)在端

3、點(diǎn)上的電容器供給,并聯(lián)了電容器的異步發(fā)電機(jī)也就是所謂的自激異步發(fā)電機(jī)籠型異步發(fā)電機(jī)和SVG 用于獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)陳翰林,盧振嶺,翟慶志(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,北京100083摘要:提出了籠型異步發(fā)電機(jī)和靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器(SVG 構(gòu)成獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),由SVG 代替電容器提供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,避免了依靠并聯(lián)電容器提供無(wú)功功率的缺點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),通過(guò)SVG 的調(diào)節(jié),異步發(fā)電機(jī)輸出電壓基本保持在一個(gè)比較理想的范圍。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;籠型異步發(fā)電機(jī);自激;靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器;電力電子中圖分類號(hào):TK83文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):1671-5292(200701-0086-

4、03Application of cage induction generator with SVG in stand alonewind power systemCHEN Han-lin,LU Zhen-ling,ZHAI Qing-zhi(CIEE,China Agricultural University,Beijing 100083,China Abstract :This paper presents a cage induction machine with SVG for off-grid wind power sys-tem.Reactive power is generate

5、d from SVG instead of capacitors.Disadvantages which stemmed from the use of capacitors are avoided.Meanwhile experiments have confirmed its feasibility.Key words :wind power;cage induction generator;self-excited;SVG;power electronic 收稿日期:2006-03-02。作者簡(jiǎn)介:陳翰林(1981-,男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。E-mail :harley.c

6、hen可再生能源Renewable Energy Resources第25卷第1期2007年2月Vol.25No.1Feb.2007(SEIG。并聯(lián)電容器有2種方法:一種是并聯(lián)固定的電容器,另一種是電容器組的分級(jí)投切使用。很多文獻(xiàn)對(duì)SEIG的動(dòng)態(tài)特性做了分析5,6,其效果都不很理想。固定容量的電容器無(wú)法對(duì)負(fù)載的變化做出動(dòng)態(tài)的響應(yīng),調(diào)節(jié)困難;電容器組的分級(jí)投切裝置不能做到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)速度緩慢,需要加裝電子控制器,并且電容器的投切引起電壓瞬變和電流沖擊。另外,電容器價(jià)格昂貴,體積和重量大,不適合微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),實(shí)用意義不大7。2SVG系統(tǒng)依靠并聯(lián)電容器提供異步發(fā)電機(jī)所需的無(wú)功有很多的缺點(diǎn),在風(fēng)

7、速變化或者負(fù)載變化的時(shí)候不能滿足異步發(fā)電機(jī)的無(wú)功需求。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(SVC已經(jīng)在電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用,具有連續(xù)性和快速性的特點(diǎn),如果將它運(yùn)用在獨(dú)立運(yùn)行的電力系統(tǒng),也是可行的。文獻(xiàn)8提出一個(gè)由異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)力柴油混合發(fā)電系統(tǒng),SVC提供異步發(fā)電機(jī)所需的無(wú)功,取得的效果遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)的電容器補(bǔ)償方案。靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG是以電力電子逆變技術(shù)和SVC技術(shù)為基礎(chǔ)的更先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,是柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS的核心裝置和核心技術(shù)之一。它在電力系統(tǒng)中的作用是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,維持連接點(diǎn)的電壓為給定值,提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性,改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。與SVC相比,SVG具有調(diào)節(jié)速度更

8、快、運(yùn)行范圍更寬、吸收無(wú)功連續(xù)、諧波電流小、損耗低,所用電抗器和電容器容量及安裝面積大為降低等優(yōu)點(diǎn)9。在獨(dú)立運(yùn)行的異步發(fā)電系統(tǒng)中,由SVG提供異步發(fā)電機(jī)所需的無(wú)功功率,必然能夠取得很好的效果。SVG基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器聯(lián)結(jié)或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?。由于直流?cè)采用電容和電感2種不同的儲(chǔ)能元件,SVG可以分為電壓型和電流型2種10。下面以電壓型靜止無(wú)功補(bǔ)償器為例,來(lái)說(shuō)明SVG的原理。如圖1所示,設(shè)電網(wǎng)的電壓和SVG輸出的交流電壓為U S和U I,連接電抗上的電壓為U L(圖

9、1-a。改變SVG交流側(cè)的輸出電壓U I的幅值及其相對(duì)與U S的相位,就可以改變連接電抗上的電壓,從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值,也就控制了SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。只要使U I和U S同相,僅改變U I幅值的大小,就可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流I是超前還是滯后,當(dāng)U I大于U S時(shí)(圖1-b,電流超前電壓90°,SVG吸收容性的無(wú)功功率;當(dāng)U I小于U S時(shí)(圖1-c,電流滯后電壓90°,SVG吸收感性的無(wú)功功率11。本文設(shè)計(jì)的SVG系統(tǒng)基本控制框圖如圖2所示,圖中線框中所示就是SVG裝置。首先必須保證SVG輸出頻率與籠型異步發(fā)電機(jī)頻率同步,由控制器檢測(cè)

10、三相電壓信號(hào),并取其中一相的基波電壓做同步信號(hào),當(dāng)同步信號(hào)過(guò)零時(shí),信號(hào)觸發(fā),得到所需頻率信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)形成閉環(huán)控制,使轉(zhuǎn)差率保持在一個(gè)較小的數(shù)圖1SVG基本調(diào)節(jié)原理Fig.1General philosophy of SVG陳翰林,等籠型異步發(fā)電機(jī)和SVG用于獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng) 87值,異步發(fā)電機(jī)工作在效率較高的點(diǎn)。電壓檢測(cè)信號(hào)輸入控制器后,經(jīng)電壓調(diào)整,得到電流幅值和相位信號(hào),與實(shí)測(cè)三相電流反饋信號(hào)合成,生成所需的電流幅值和相位信號(hào)。由控制器生成的頻率、幅值和相位信號(hào)送給脈沖觸發(fā)器,經(jīng)脈沖觸發(fā)器調(diào)節(jié),向IGBT 電路橋輸出6路開(kāi)關(guān)信號(hào),完成整個(gè)控制過(guò)程。3試驗(yàn)結(jié)果由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)功率為0

11、.75kW 、額定轉(zhuǎn)速1000r/min 的籠型異步發(fā)電機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)的輸入。使用SVG 裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,從轉(zhuǎn)速5002000r/min 連續(xù)測(cè)了15個(gè)點(diǎn)的工作電壓狀 況,結(jié)果如圖3。由圖3可以看出,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),通過(guò)SVG 的調(diào)節(jié),異步發(fā)電機(jī)輸出電壓基本保持在一個(gè)比較理想的范圍。在低轉(zhuǎn)速的時(shí)候,SVG 呈現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)磁特性,相當(dāng)于發(fā)電機(jī)容量的42%;在高轉(zhuǎn)速的時(shí)候,SVG 容量相當(dāng)于發(fā)電機(jī)容量的13%;如果進(jìn)一步提高SVG 的容量,異步發(fā)電機(jī)還能夠在更低的轉(zhuǎn)速下工作。4結(jié)論與永磁同步發(fā)電機(jī)相比,籠型異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,風(fēng)能利用率高,只是由于并聯(lián)電容器的存在影響了它的應(yīng)用。隨著電

12、力電子技術(shù)和控制理論的進(jìn)步,采用靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG 代替電容器提供勵(lì)磁,突破了電容器的瓶頸,避免了電容投切時(shí)對(duì)負(fù)載或電機(jī)的沖擊;而且在負(fù)載或者原動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí),異步發(fā)電機(jī)的輸出電壓可以穩(wěn)定在一個(gè)理想的范圍之內(nèi);在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)候,發(fā)電機(jī)基本可維持在一個(gè)效率較高的工作點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1王承煦,張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電M.北京:中國(guó)電力出版社,2004.2劉榮林.永磁電動(dòng)機(jī)失磁分析J.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào).2004,22(增刊:18-20.3黃浩,柴建云.釹鐵硼稀土永磁材料交流失磁J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2004,44(6:721-724.4周鶚.電機(jī)學(xué)(第三版M.北京:中國(guó)電力出版社,199

13、5.5S P SINGH,B SINGH,M P JAIN.Performancecharacteristics and optimum utilization of a cage machine as capacitor excited induction generator J.IEEE Transaction on Energy Conversion,1990,5(4:679-685.6L WANG,J Y SU.Dynamic performances of an isolatedself-excited induction generator under various loadin

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15、.Conf.Computer Application Electrical Engineering Recent Advances,Roorkee,India,Feb ,2002,(21-23:626-632.9吳文輝,劉會(huì)金.靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM 技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展J.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(2:89-94.10牛培峰,李海鵬,周全.SVG 技術(shù)展望J.電氣應(yīng)用,2005,24(10:1-8.11王兆安,楊軍,劉進(jìn)軍.諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.!"!"!"!"德國(guó)將大力發(fā)展海上風(fēng)電近年來(lái),德國(guó)政府提倡大力開(kāi)發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電,其目標(biāo)是到2020年海上風(fēng)