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風(fēng)力發(fā)電中的自我激勵(lì)與諧波
1．介紹
傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)通常安裝的是感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗畠r(jià)，耐用，而且只需要很少的維護(hù)。然而，電感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要的無(wú)功功率通常通過(guò)電容器補(bǔ)償來(lái)得到。因?yàn)檩敵龉β矢鞑幌嗤噪娙菅a(bǔ)償必須隨之調(diào)整。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力網(wǎng)絡(luò)中，相互的電容補(bǔ)償作用是導(dǎo)致輸出電流中產(chǎn)生自我激勵(lì)和高次諧波的一個(gè)重要原因。這篇文章探討產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，并對(duì)如何控制或消除這些現(xiàn)象提出一些方法。
現(xiàn)在大部份風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能是非?？煽康?，并且維修簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。一臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)在正常工作期間始終需要得到無(wú)功功率。使用最普遍的無(wú)功功率補(bǔ)償是電容器補(bǔ)償，因?yàn)樗庆o態(tài)的, 而且成本低。不同型號(hào)的電容器可以提供不同的電容補(bǔ)償。
雖然無(wú)功的動(dòng)力補(bǔ)償可能對(duì)風(fēng)輪機(jī)總的操作有利，但是我們必須確保補(bǔ)償是恰當(dāng)?shù)模⑶也挥绊懣刂?。自我激?lì)和諧波是電容器補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)重要部分也是這篇文章的主題。
2．動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)描述
如圖1所示描述的這個(gè)系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)的部件分析包括如下內(nèi)容：
? 連接風(fēng)機(jī)各部分的總線和輸入線路。
? 一臺(tái)安裝在襯墊上的變壓器
? 連結(jié)在變壓器低電壓的電容器
? 一臺(tái)電感應(yīng)發(fā)電機(jī)
圖1. 系統(tǒng)各部件圖
對(duì)于自我激勵(lì)，我們關(guān)注的是在渦輪上的電容補(bǔ)償。對(duì)于諧波分析，我們用圖表來(lái)表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
3．自我激勵(lì)
3.1感應(yīng)發(fā)電機(jī)的自我激勵(lì)。
自激是在感應(yīng)發(fā)電機(jī)和電容器補(bǔ)償之中負(fù)電荷和磁性浸透交互作用的一個(gè)結(jié)果。自我激勵(lì)過(guò)程這部分是在一臺(tái)離柵欄的電感應(yīng)發(fā)電機(jī)里進(jìn)行研究的，知道極限和自激操作的邊界將會(huì)幫助我們?nèi)ダ没蛘弑苊庾约ぁ?
在固定速度的風(fēng)輪機(jī)中應(yīng)用最普遍的是固定電容器無(wú)功的動(dòng)力補(bǔ)償方法。只有一臺(tái)電感應(yīng)發(fā)電機(jī)是不能得到它自己需要的無(wú)功動(dòng)力的，它要求來(lái)自電網(wǎng)正常操作的無(wú)功動(dòng)力，并且柵欄口接電感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率。
安全是自我激勵(lì)的一個(gè)潛在問(wèn)題。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生電壓，它可能傷害檢查或者修理這臺(tái)發(fā)電機(jī)的人員。另一個(gè)潛在的問(wèn)題是發(fā)電機(jī)的工作電壓和頻率可能變化。因此，在自我激勵(lì)期間連接在發(fā)電機(jī)上的易損設(shè)備可能在過(guò)高或過(guò)低的電壓和頻率下被損壞。盡管這是自我激勵(lì)過(guò)程中電感應(yīng)發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，然而一些人把這種方式應(yīng)用于動(dòng)態(tài)的剎車系統(tǒng)中，幫助在柵欄損失的緊急情況時(shí)控制轉(zhuǎn)子速度。因此，適當(dāng)?shù)倪x擇電容和電阻器可以在柵欄損失和機(jī)械剎車故障期間控制風(fēng)輪機(jī)速度。
3.2 穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)。
穩(wěn)態(tài)分析中關(guān)鍵是理解哪些條件對(duì)自我激勵(lì)有增強(qiáng)或削弱作用。如上面解釋的那樣，自我激勵(lì)可能是一件好事情也可能是一件壞事情，這取決于我們遇到什么樣的形勢(shì)。圖2為一個(gè)電容器補(bǔ)償電感應(yīng)發(fā)電機(jī)。如上所述，自我激勵(lì)操作要求必須保持完全的無(wú)功平衡。
++=0 （1）
=電容器節(jié)點(diǎn)的有效輸入
=磁化部分的有效輸入
=轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)的有效輸入
方程式1的實(shí)部和虛步可以被擴(kuò)展為方程式2 和3。
（2）
圖2.自我激勵(lì)方式下的等效電路
圖3. 典型的磁化特性
（3）
=阻抗
=滲漏電感
=轉(zhuǎn)子阻抗
=轉(zhuǎn)子滲漏電感
= 阻抗
S =操作損失
=操作頻率
=終端負(fù)載電阻
C =電容器補(bǔ)償
自我激勵(lì)的一個(gè)重要方面是電感應(yīng)發(fā)電機(jī)的磁化特性。圖3所示為一臺(tái)典型的勵(lì)磁電感發(fā)電機(jī)和輸出電流之間的關(guān)系；這圖由實(shí)驗(yàn)得來(lái)反映了發(fā)電機(jī)的特性。
圖5為電感應(yīng)發(fā)電機(jī)的終端電壓受電容和負(fù)載電阻變化的影響而變化的示意圖。如圖5所示，負(fù)載電阻不影響終端電壓， 特別是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，但是電容對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓有顯著影響。一個(gè)大的電容在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較少的電容變化，而較小的電容在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的電容變化。如圖6所示，對(duì)規(guī)定的電容來(lái)說(shuō)，改變負(fù)載電阻的有效值能調(diào)節(jié)力矩速度。
自我激勵(lì)這個(gè)概念可以被利用在渦輪機(jī)上，如上所述，當(dāng)它失去對(duì)柵欄連接時(shí)可以提供動(dòng)態(tài)剎車從而防止飛車現(xiàn)象發(fā)生。只要正確選擇電容和負(fù)載電阻使其與渦輪機(jī)輸出電源相匹配，就能在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)來(lái)調(diào)節(jié)阻抗。
3.3 動(dòng)態(tài)反應(yīng)。
這部分可以在自我激勵(lì)過(guò)程中檢查瞬時(shí)的變化。對(duì)于這次模擬來(lái)說(shuō)我們選擇3.8毫法電容和1.0歐的負(fù)載電阻。驅(qū)動(dòng)力矩的常量被調(diào)整為4500納米。但是，空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)輪機(jī)特性控制系統(tǒng)不包括在這個(gè)模擬中，我們關(guān)注的是自我激勵(lì)的過(guò)程。因此，我們重視方程式電的方面。
圖7顯示連續(xù)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子速度和輸出功率的關(guān)系。在這種情況下，電感應(yīng)發(fā)電機(jī)由靜止啟動(dòng)，速度逐漸增加，直到達(dá)到它自身的額定速度。最初連接?xùn)艡谠陂_(kāi)始的t = 3.1秒s，柵欄被斷開(kāi)，電感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入自我激勵(lì)方式。在t = 6.375 s時(shí)，發(fā)電機(jī)被再接通到柵欄，終止自我激勵(lì)。在自我激勵(lì)期間轉(zhuǎn)子速度逐漸增加，但是，最后發(fā)電機(jī)力矩達(dá)到4500牛米，并且轉(zhuǎn)子速度變?yōu)榉€(wěn)定。當(dāng)發(fā)電機(jī)沒(méi)有同步而被再接通到柵欄時(shí)，在發(fā)電機(jī)的力矩會(huì)突然發(fā)生簡(jiǎn)短的瞬間變化。這種情況一旦發(fā)生，轉(zhuǎn)子速度會(huì)與柵欄之前有相同的速度。
圖8(a)顯示每個(gè)時(shí)期電壓的狀況。它顯示最初電壓與被連結(jié)柵欄后的電壓相同。如圖7所示，在自我激勵(lì)方式下3.1 s
0，Q>0。 (c)圖解法表示p>0，Q<0。
從圖10中我們可以看出當(dāng)電容器C被改變時(shí)，電路將產(chǎn)生不同頻率的共振。此時(shí)兩諧波一定會(huì)產(chǎn)生諧波電流， 原因可能是諧波源磁飽和或者是在對(duì)電容進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)電路產(chǎn)生共振。
4.3 動(dòng)態(tài)模擬。
現(xiàn)在分析在變壓器里如何產(chǎn)生諧波。在大多數(shù)實(shí)用的風(fēng)輪機(jī)中，變壓器是安裝在一個(gè)襯墊上再與風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接在一起的。當(dāng)變壓器飽和時(shí)，磁路的非線性特性產(chǎn)生一個(gè)非正弦電流。
圖11(a)描述一臺(tái)變壓器的每階段的等效電路。變壓器的鐵芯損失通常被表示為等效抵抗，類似于磁化電杭。在這項(xiàng)研究中，變壓器的鐵損非常小，所以被忽略。磁化了的磁鏈中電壓和頻率成正比：
= 磁化的電壓
= 磁鏈
= 基礎(chǔ)頻率
通過(guò)公式7可以發(fā)現(xiàn)變壓器的磁鏈。磁鏈和勵(lì)磁電感之間存在上述關(guān)系是因?yàn)榇呕娏魇欠蔷€性的。當(dāng)磁化電流很低的時(shí)，磁化電流也隨著改變，但是最終達(dá)到飽和時(shí)，開(kāi)始非線性的特性； 這時(shí)進(jìn)一步增加磁化電流會(huì)產(chǎn)生更小的流聯(lián)系。在飽和區(qū)，如圖12所示，由于非線性的磁化電感，將產(chǎn)生非正弦的輸出電流。
圖12 一臺(tái)變壓器在低負(fù)荷狀態(tài)下的輸出電壓和電流
有兩種運(yùn)行方式能引起飽和。第一種方式是當(dāng)變壓器在很高的電壓電平操作時(shí)。這里舉的例子中操作變壓器負(fù)載很小。因此，在暴露于高電壓的磁化分部將生產(chǎn)較大的磁化電流。能引起高飽和的第二種運(yùn)行方式是變壓器操作領(lǐng)先功率因數(shù)。
交叉磁化電抗的電壓可以表示：
=+ j=線路阻抗連接變壓器電壓
= + j =初級(jí)繞組阻抗變壓器
== =主要的電阻和變壓器的次級(jí)繞組
== =主要的滲漏電抗和變壓器的次級(jí)繞組
= 電壓
=初級(jí)繞組電流
=線電抗
=線電阻
在這個(gè)例子中，我們對(duì)簡(jiǎn)單的情況通過(guò)圖11(b)和11(c)進(jìn)行分析，并且利用一些插圖簡(jiǎn)化等效電路。圖11(a)描述的是一個(gè)理想變壓器的泄漏阻抗。在圖11(a)中，實(shí)際功率P與無(wú)功功率是相互聯(lián)系的。當(dāng)p > 0 ，q < 0 時(shí)，< ，當(dāng) P > 0， q > 0時(shí) ，< 。
文章來(lái)自：
北京信息科技大學(xué)校園網(wǎng)-圖書(shū)館藏-電子期刊-美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)電子期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)
作者和文獻(xiàn)出處：
E. Muljadi ， C. P. Butterfield
National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado 80401
H. Romanowitz
Oak Creek Energy Systems Inc.,Mojave, California 93501
R. Yinger
Southern California Edison,Rosemead, California 91770
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