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CWPE2019 | 中山大学陈遵立:直接并网型励磁式同步风力发电系统

日期:2019-11-28    来源:东方风力发电网

国际新能源网

2019
11/28
09:39

关键词: 陈遵立 风力发电 CWPE2019

  2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。中山大学电机系(台湾高雄)教授陈遵立在会上为大家带来了题为《直接并网型励磁式同步风力发电系统》的精彩演讲。
  以下为演讲实录:
  很高兴能够在这里为各位专家介绍我们提出的风力发电的方式。我的题目是《直接并网型励磁式风力发电系统》
  它是传统的发电机,因为风不太稳,所以没有办法让励慈式同步发电机一直稳定在同一个速度。因为励磁式同步发电机是传统的风机,它有很大的优点,我们为了客户这个转轴不能恒速的问题,我们后面创了一个伺服电机,伺服电机有很多功能,第一个可以维持传动轴在恒速,就是和电网同频、同向,另外扮演功率的Buffer(音)另外扮演功率的感测器。之前传动轴没办法控制到一个风稳不稳,没办法让整个轴维持恒速,所以发展直驱的永磁式发电机。
  如果我们能够克服这个问题,这样的系统有什么样的优点?刚才一直谈电网,早上谈到主轴传动轴的问题,如果传动轴是维持在恒速的话,其实对于传动轴的寿命和稳定有很大的帮助。另外励磁式同步机很容易高压,本身就是传统发电机,可能出是25KV或者是33KV,有电力电子的话像永磁很可能是695或者是1100多,一下子33KV是它的几十,所以它的整个体积、寿命都有很大的优势。从早上讲的传动轴,并网的稳定度,这个很容易高压。
  接下来就对这个系统怎么运作做一个简单的介绍,因为我们这个系统也花了十几年了,从提出来到现在大概有十一二年了,因为它是一个新的东西,所以对于所有的电路和系统都是自己设计的,所以花了很多时间在这个系统。比如最大功率追踪比如启动切力、还有并网前做定电压的控制策略,我怎么做锁频、锁相以及并网后功因修正控制策略,还有低电压穿越及孤岛效应,另外一个我们对这个系统远端的监控也做了一些探讨,发电机之回路和传动轴转速及稳定度控制,早上讲传动轴,那传动轴如果以稳定的恒速来运作对于传动轴的寿命各方面都有帮助,第十点就是电网的稳定度,这是传统发电机对于电网的稳定度也一些帮助,相关叶片,因为我们的工作是恒速,和之前两个不太一样,等一下会说明,我们对这三个系统做一个比较,直接并网型励磁式还有永磁式到底有什么不一样,我们会做一下比较。
  做一个简单的介绍。
  这是我们在实验室做的。这是整个工作的状态,第一个阶段做启动、下面这一条是做马达的功率,这一段做定电压控制,马达辅助系统稳压,第四个区域锁相了以后并路电网,并路电网以后还是维持出功率。
  做追踪控制策略。用了一个很巧妙的地方马达出多少力,我把马达回收回去给励磁式发电机,比如现在马达出一点力,因为能量要平衡,这里有风力,然后马达的功率然后还有发电机的率。有一个控制回路,马达输出的功率回磁里,怎么让它回磁里?回收回去给发电机的功率,那么发电机花多一点力或者轻一点,功率发多一点或者少一点,来维持这套功率的追踪,马达几乎不用处理。风在变化的时候,风力比较大,发电机花的力就比较多。
  这是启动控制的策略。这些细节如果有兴趣的话再跟我交流,我也是在所有阶段当中都不需要马达出力。下班还是马达的power几乎是不出功的。
  并网之前先定电压。
  怎么去并网?我们要控制马达,让它传动轴的频率和相位跟电网一样,其实是有一点难度,就是怎么让发电机的相位频率同步是有一定的难度。当然我们在这里也花了很多时间,这是一些细节,有时间再来互动,就是在这里怎么控制传动轴的频率和相位。实验出来之后,传动轴的转速波动,传动轴的转速非常稳。这样对传动轴是稳的,对于主轴各方面,一个车很稳的对于整个机构里讲甚至于对于塔架来讲都是很大的优点。
  这是电力系统的稳定度,也是要控制发电机的相位和电网一样,有一些细节有时间再来互动。
  孤岛效应,低电压穿越的话,在系统就是要穿电阻,在不同的风机功率和电压在不同的PU情况下,选用不同的电阻值完成这个低电压穿越功能,所以未来的低电压穿越要增加很多的成本的。
  实时远程监控。我们在Windows下有Studio平台,手机也装有StudioJava的平台,用TI的晶片,程序都自己写,远端有手机的监控,还有大数据所有的监控数据都可以装进来。这是我们完成的一些监控的画面,在这里60赫兹的信号瞬间抓进来的信号是非常多的,我可以远端来观察现在并网的。有的时候你要传输的时候必须看到并网的效率还有功率,我们都可以马上传到电脑,甚至可以传到手机,我们都可以做到手机监控。所有数据抓进来之后,这个是从启动到结束的时间,每一段时间都可以来做相关的分析。大数据分析,这是手机部分,远端就可以监控风机。
  刚才讲发电机控制回路传动轴转速及稳定度控制。整个控制是很重要的,因为它控制恒速,风进来要发出去的话,有马达控制它的转速和相位,然后功率用励磁式的发电机,功率回路有发电机的励磁场控制,频率相位由马达控制,这样控制起来会很稳定。永磁同步就不一样了,一样要把能量抓进来,可是它又要控制它的转速,风又在变,那你抽出的功率又要维持恒速或者是变速的话,只有控制一个输入然后完成两个输出的目的,没办法完成很好的情况速度就会变,风的功率和你抽出来的功率不一样的时候,功率在哪里?加减速或者是传动轴的加减速,所以就会造成振动、噪音,所以传动轴的寿命就会变短。我的系统不是,也是直接并网,可是直接并网也要看到输出的功率,刚才讲能量要守恒,进来的风的功率那你出去的功率,双控制它的转子,可是控制精准会很困难,有一点像异步马达,异步马达控制很准确的速率是很困难,因为有一个滑擦,那就控制不准,控制不准的时候会怎么样?传动轴就会振动、噪音,输出的电力品质就不好。所以它们都有它们的缺点。我刚才讲控制得很容易,所以我的传动轴也有很大的优势。
  电网稳定度的分析。因为我之前都只是在自己的系统,比较少接触电网,我自己听一听电网,他们都认为传统的发电机对电网稳定度控制非常好,而我们这个刚好是传统发电机。刚才讲还有一个电压、电流,电力电子需要很多电力电杆去滤波的时候,对于整个系统是有很不好的影响,有滑擦又有相位还要滤波,整个振荡会造成整个电网的稳定度很不好。所以传统发电机对于电网稳力度是非常好的。
  另外谈了很多的工具,你要做这个东西,到了额定的时候控制叶片的角度,你在控制转速的时候你要付出代价,你这个风机有最大动力,发电机也有最佳工作的点,叶片有最佳工作的点,我的发电机也有最佳工作,所以你的速度在变的时候,永磁为什么有损失,因为它低速,低速的话效率又差,马达低速的话电压低,电流就会很大,所以它有它的缺点。第一个就是当风速过载时,可以变螺距的装置将叶片变桨距至顺桨的位置,达到减速或者刹车的功能。之前两个双馈和永磁控制速度,叶片的角度不一样。永磁可以看到它的速度一直变,这是双馈式的。
  所以永磁在叶片方面可以适当地控制。另外风机的额定到底设置在哪里?塔架、发电机、叶片,到底哪个限制住呢?这三个东西哪一个是瓶颈呢?前面两个应该都是发电机。励磁式发电机因为高压,它的成本很低。所以对于整个系统来讲,对于塔架和传动轴都有很大的好处。刚才也提到永磁的有一些缺点。
  由于时间关系,我就介绍到这里,如果有兴趣的我们可以再进一步互动,欢迎有兴趣的可以再跟我交流,谢谢大家。
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