風剪、塔影效應對風力發電系統的影響

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雙饋風力發電系統的輸出特性曲線。可以看出，當風速突變時，在O．03 S內風機模擬器輸出轉矩由基值19 N·m上升為29．5 N·m。由于雙饋石家莊風機廠在完全轉速控制策略下運行，所以雙饋電機的輸出轉矩有一個調節的過程，其在發生風速突變時作短暫的電動運行，使系統盡快達到最大輸出功率，調節時間約為0．1 S。系統轉速在最大功率點跟蹤控制策略作用下得咀調節。可以看出，受風剪、塔影效應引起的轉矩脈動量的影響，風機模擬器輸出轉矩有明顯的周期性波動，其波動頻率與系統轉速正相關。
風速突變時，風機模擬器輸出功率變化及其雙饋石家莊風機廠輸出功率的調節過程。風速突增后，風機模擬器輸出功率由基值2 35Kw上升至4 6Kw。雙饋石家莊風機廠總的輸出功率由基值21 5Kw上升至4 3Kw，定子輸出功率由基值2 8Kw上升至4 45Kw．而轉于輸入功率由0 65Kw下降至015Kw。扣除功率損耗，雙饋電機的輸出功率近似與風機模擬器輸出功率相等。當系統穩定運行時，風剪、塔影效應避成了風機及其雙饋石家莊風機廠輸出功率的周期性波動，且波動頻率與系統轉速正相關。風剪、塔影效應引起的雙饋風力發電系統輸出脈動特性。
可以看出，風機模擬器輸出轉矩及其功率、雙饋石家莊風機廠總的輸出功率、定轉子輸出、輸入功率均存在波動，波動范圍在基值的±4％以內，且其波動頻率均相等。由圖還可以看出，雙饋風力發電系統功率波動頻率周期瓦≈O．33 s，其對應頻率．凡≈3．03 Hz，此時的系統轉速甩≈11 97．52 rad／min，計算得出的風機旋轉頻率．無≈1．0 Hz(齒輪箱變比為20)，即fp=afw，與風剪塔影效應引起的轉矩脈動頻率為風機旋轉頻率三倍的理論分析完全一致，雙饋電機輸出脈動特性的頻譜分析進一步確認了上面分析的正確性。
值得一提的是，機組轉速不存在明顯波動，這是因為通過對雙饋電機轉速外環進行控制，可以使風機平穩運行，而不產生機械震動，從而有利于風力發電系統機械系統的維護，延長了機械系統的使用壽命。然而，雙饋電機有功電流則存在相同的周期性脈動量，且幅值達到基值的±4％左右，這必將引起并網功率的波動及諧波污染，因此需要在雙饋風力發電系統變流器的控制方面加以改善。風速突增，雙饋電機由次同步發電狀態過渡到超同步發電狀態過程。
通過本節內容的研究，我們可以得出以下結論；
1)本節從系統層面研究了由于風剪、塔影效應引起的三次轉矩脈動量對雙饋風力發電系統的影響，驗證了風剪、塔影效應引起的功率脈動頻率為風機旋轉頻率三倍的結論。
2)雙饋風力石家莊風機廠組轉速外環、電流內環雙環控制結構，使系統轉速對風剪塔影效應引起的功率波動不靈敏，轉速基本恒定．系統基本不存在由于風剪、塔影效引起的機械震蕩；而雙饋電機有功輸出則存在由于風剪塔影效應引起的功率波動，其會引起并網功率波動及其諧波污染，這對風力發電變流器控制提出了更高的要求。
3)3)由于風剪、塔影效應引起的三次功率脈動是水平軸三槳葉風機的固有特性，所以永磁直驅式風力發電系統同樣存在三次功率脈動的情況。這些結論一方面對職饋風力發電系統的周期性功率脈動情況作了有益的探討，為風力發電系統存在的周期性功率脈動提供了合理的理論解釋；另一方面通過風力發電系統周期性功率脈動的研究，對風力發電變流器的控制方面提出額更高的要求，為風力發電系統功率、轉速脈動的抑制提供了有益的參考。