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摘要：风力发电凭借其可再生且无污染特性，在世界范围内得到越来越广泛的应用。把风力发电系统作为研究的主体，具体表现出在风机输出电能的频率变化机制在金属带式无级变速器中的实用性。构建该系统的金属带式无级变速器在物理范畴内的模型并明确其具体的应用原理，把风力发电机械变频控制系统的硬件与软件设计落实到实处。以大量的实验作为基础进行具体的数据分析，得到风力发电系统输出频率为50Hz，进一步证实机械变频机理的真实性、准确性。
关键词：变速恒频；风力发电系统；应用技术
引言
相比于传统恒速恒频风力发电系统，基于双馈电机的变速恒频风力发电系统优势明显，比如能够最大程度吸收由风速突然变化所产生的能量波动，以此来避免传动机构及主轴可能要承受的瞬时应力与扭矩，比较高的风能利用系数等。针对变速恒频双馈风力发电系统来讲，其其关键技术就是以电力电子、计算机控制为基础的交流励磁控制技术。
1风电系统机械变频模型
风电系统机械变频模型主要涉及到与以下方面内容：对于机械变频风力发电机，该系统所应用的是金属带式无级变速器实现对于电能的频率调控。该变速器的箱体材料为铝合金，第一必然是机械强度的保证，其次要保证功率密度。该金属带式无级变速器应用减速齿轮、椎盘电机、碟形弹簧和螺杆螺母取代原液压系统，能够大大提升系统的传动效率。对于金属带式无级变速器的结构组分，大体上囊括主动轴、从动轴、传动金属带以及碟簧。如果椎盘电机发生正向旋转，原有的平衡就会被颠覆，引发主动推盘碟簧释放能量，导致主动动椎盘向左移动，通过这种方式实现全新的力学稳定平衡，在该平衡下实现往复的循环，在往复循环中实现该变速器的输出转速持续稳定。
2发电技术概况
目前，风力发电系统中应用最广泛的，常见的主要为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。结合风力发电过程中发电机所体现的运行特征与相关控制技术，其发电机运行方式主要分为两种：一种为独立运行的供电系统；另一种为常规电网与风力电网并联并行，该种运行方式是大规模利用风能发电最经济的一种方式。风力发电机电网并网运行时，需满足一定条件才可实现恒频，即风力发电机的频率要时刻与电网运行时的频率相同，不能发生误差，保持步调一致。恒速恒频是指，发电过程中发电机的转子转速要保持不变，即达到恒频。而变速恒频与之相反，发电机的转速要随风速发生变化，再通过其他的控制手段来达到恒定频率。风能与风速成一定的比例关系即风能与风速三次方成正比。当风速开始变化时，如果风力机能够作变速运行，这样将大大提高风能的利用效果。主要是风力机的风能利用系数CP，在某一确定的风轮叶尖速比λ下将达到最大值。然而恒速恒频发电系统效果将大打折扣，主要是因为其风力机的转速始终保持在一个固定值上，风速不确定性较大且不稳定、变化较大。此时，随着风速在不断改变，风力机会偏离最合适的速度，导致CP不能达到最优值，造成风力资源严重浪费，发电效率下降。因此，为了能够在任何风速上都可以实现最大程度地利用风能，需要按照风速来调节电机转速，即采用变速恒频方式就可以避免这种情况发生。当风速发生变化时，实时地调节发电机转速，使其始终保持在最佳的转速，让CP值保持或徘徊在最佳值附近，这样就能够最优地利用风能，提高发电机组发电效率，进而优化和调节风力机的运行条件。
3变速恒频风力发电控制技术
变速恒频风力发电控制技术主要涉及到以下方面内容：随着科技进步，国内外关于变速恒频发电系统的研究朝着多元化发展。其主要由变速恒频的发电机组来决定，起到最重要作用的就是发电机和电力电子交流装置。基于此，常见的两种系统如下：一种是交流转直流再转交流式发电系统，另一种是交流励磁式变速恒频发电系统。1）交流转直流再转交流式发电系统。该风力发电系统中，发电机和电网之间经过变频器与变压器处理转换后，在此运行过程中发电机的转速也会根据风速的变化而随之发生变化，产生的交流电经过整流器，将交流电经过处理后变为直流电，然后逆变器再次将直流电转换成固定频率的交流电，最后将产生的电能传输到电网。该系统选用的电动机比较常见的为鼠笼式异步发电机。2）交流励磁式变速恒频发电系统。主要由3部分构成：控制电路、双向变换器和双馈感应发电机。其工作原理是将发电机的定子并到电网上，进而转子经过励磁变换器和进线电抗器连接到电网；再利用风能转化为机械能来驱动机械旋转，所生产的机械能可以转换到发动机的转子上，以此来驱动发动机的转子，最终将机械能转换为电能，利用定子绕组将电力传送到电网，完成发电过程。发电机转速随风速改变而改变。如果是由于风速引起的变化，则可通过调节转子进而达到对电流频率的改变，最终实现保持定子频率不发生改变。
4 Matlab/Simulink仿真分析
首先是并网特性仿真分析风速大小是对风力发电系统。稳定性造成影响的最重要因素。因此需要对风速模型进行参数调整，研究风速条件对发电系统并网的影响。由于风速变化下，风力发电系统的调压方式、无功补偿方式会影响电网和风力发电系统的潮流分布和电压稳定。故在不同的调压方式下分别进行模拟，来检测并网控制的可靠性。其次是风速波动下有载调压方式并网分析选择Voltageregulation（电压控制模式）。分别打开网侧、机侧波形监测模块，可以观察到：风机转速稳态值为1.2，此时风机处于超同步运行状况。风机可以从电网中得到充足的无功功率，因此当风速发生变化时该系统依然能够处于稳定状态。风电系统采用电压控制模式下，随着风速的增大，风力发电机有功出力开始上升，由于负载不变，风电系统多出的有功被电网吸收，同时风电系统吸收电网的无功以维持自身电压稳定。根据模拟结果可知，大概风速改变之后，电网有功功率与无功功率变化状态不断趋于平稳，电网潮流重新分配，但系统电压稳定，达到新的稳态。
5双馈发电机并网控制
双馈发电机并网控制主要涉及到以下方面内容：针对以往类型的风力发电机而言，其大多运用的是异步发电机，并网时会对电网产生较大冲击。而对于双馈发电机来讲，可根据实际情况，对转子励磁电流进行调节，以此来实现软并网，防止并网过程中可能出现的电压波动过大或电流冲击过大的情况。针对励磁控制系统来讲，在将要并网前，先用电压传感器将发电机电压以及电网的幅值、频率、相序及相位计算出来，利用双向变流器对转子励磁电流进行调节，促使发电机输出电压一致于电网幅值、电压频率及相位，当满足并网条件时，可以自动并网运行。如果并网后，定子电流出现震荡情况，究其原因，可能是并网试验中未选用无功与有功功率闭环控制所致，可选用闭环控制后，发电机功效保持不变，这便能有效解决电流震荡问题。
结语
综上，并网操作为其关键技术，可采用各种并网方式，但需要先将并网过程可能出现的电压波动、电流冲击问题解决掉。
参考文献
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