硕士学位论文-变速恒频双馈风力发电系统的仿真研究.pdf

三峡大学 硕士学位论文 变速恒频双馈风力发电系统的仿真研究 姓名：黄凯 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王斌 20060501 内 容 摘 要 本文对 vscf（变速恒频）双馈风力发电系统中的励磁控制技术进行了仿真研究， 主要内容如下: 在两相同步旋转坐标系dc-qc中， 建立了基于定子磁场定向的双馈发电机的数学模 型，并分析了实现发电机定子输出有功和无功功率独立调节的矢量控制方法。 采用输入电流波形接近正弦且输入功率因数可调，输出电压频率、幅值和相位可 以独立调节的基于双 svpwm（svpwm（空间矢量脉冲宽度调制）整流-svpwm 逆变）的 交-直-交双向变换器作为励磁电源； 并分析了交-直-交双向变换器直流侧电容和网侧 电感的设计方法。 分析了 vscf 双馈风力发电机在额定风速下的控制过程；利用仿真软件 matlab/simulink 构建了双馈发电机的仿真模型，仿真结果显示了基于矢量控制的双 馈发电机对定子输出有功功率、 定子侧功率因数和转差率的单独调节都能做出快速响 应并保持良好跟踪； 建立了基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁和定子磁场定向 矢量控制的 vscf 双馈风力发电系统的仿真模型，对在亚同步速、超同步速和跨越同 步速三种发电状态下的定子输出有功和无功功率的调节特性进行了仿真分析， 仿真结 果进一步验证了系统控制策略的可行性；并与采用基于双 spwm（spwm（正弦脉冲宽 度调制）整流-spwm 逆变）的交-直-交双向变换器进行了比较分析，仿真结果显示了 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器具有较高的直流电压利用率和较低的励磁电压 （电流）thd（总谐波畸变系数） ，更好地满足了 vscf 双馈风力发电机的励磁控制特 性。 本文的工作为 vscf 双馈风力发电系统中励磁控制技术的应用研究提供了参考。 关键词：变速恒频 风力发电 矢量控制 双向变换器 空间矢量脉冲宽度调制 关键词：变速恒频 风力发电 矢量控制 双向变换器 空间矢量脉冲宽度调制 ii 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： i 引 言 能源是国民经济的基础，对于国家经济发展和提高人民生活水平极为重要。但是 在经济高速增长的情况下，我国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。走可 持续发展道路、 在确保社会不断进步发展的同时保护生态环境不被破坏己经成为越来 越多国家的共识。因此，尽可能多地利用清洁能源代替化石能源是当今世界能源发展 的必然趋势。 风能广泛存在且能自由索取。 在风能利用中， 最完善的方案是把风能转换为电能， 并且送到电网中去。风力发电已在诸多可再生能源发电方式中独树一帜，成为对常规 能源最具有竞争力的新能源发电方式。从世界范围看，欧洲和北美在开发和利用风力 发电方面处于世界领先地位，尤其是欧洲的丹麦、德国和英国以及美国。 随着风力发电机单机容量的增大，风力机已采用变桨矩控制，为实现最大风能捕 获运行创造了条件。在追踪最大风能的运行中，为了保证其最佳运行状态、提高风力 发电机组的使用效率并且改善电网电能质量 1，必须实现vscf（变速恒频）发电，交 流励磁双馈发电机是一种最佳的选择。基于双pwm（pwm（脉冲宽度调制）整流-pwm 逆变）的交-直-交双向变换器，具有输入电流波形接近正弦和输入功率因数可调且输 出电压频率、幅值和相位可以独立调节的特性，将其作为励磁电源，可以满足交流励 磁双馈发电系统对励磁变换器功率双向流动及变换器输入和输出电流谐波含量少、 谐 波幅值小的要求，在当今电力电子技术水平的支持下，已成为最具实用价值的电源方 案。因此，研究和探讨该种励磁控制技术及其相关控制原理正是本论文的选题背景。 1 1 绪论 1.1 变速恒频风力发电系统的特点及研究现状 在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率保持为恒定的电 网频率。因此风力发电分为 cscf（恒速恒频）发电和 vscf 发电。 cscf 发电是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变，从而得到和电网频率 一致的恒频电能。cscf 发电系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发 电机和鼠笼型感应发电机。前者运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速，后者 则以稍高于同步转速的速度运行。 vscf发电是指在风力发电过程中发电机的转速可以随风速变化， 通过一定的控制 方式得到和电网频率一致的恒频电能。vscf发电是 20 世纪末发展起来的一种新型发 电方式，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制 之中，改变了以往恒速才能恒频的传统发电观念，在变水头的水力发电、能量随机变 化的风力发电，以及舰船、飞机和车辆等变速主轴驱动的特殊发电场合中获得了越来 越广泛的应用，并表现出了卓越的运行性能，成为电力技术研究中的热点 2-4。 在风力发电应用中,和cscf技术相比,vscf技术更表现出了其独特的优越性 5： 1）风能是一种具有随机性、爆发性和不稳定性特征的能源，用于风能捕获的风 力机在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给 风力机的应力最小， 所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。 传统的 cscf 发电由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速， 导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而目增大风力机的磨损。采用 vscf 发电， 就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始 终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。 2）vscf发电是在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励 磁电流的频率、幅值和相位，实现输出电能恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术， 实现发电机输出有功和无功功率的解耦控制 5,6。控制有功功率可调节风电机组转 速，进而实现对最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高 风电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 3）采用 vscf 发电技术，可使风电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比 传统的 cscf 发电系统更易实现并网操作及运行。 根据vscf风力发电系统的构成特点可将其分成两类 7：一类是全额功率变换型， 另一类是转差功率变换型。 全额功率变换型风电机组主要有以下两种： 1）采用传统交流发电机(同步发电机或鼠笼型感应发电机)的 vscf 风电机组。该 2 系统将发电机输出的频率和幅值变化的交流电通过交-直-交变换器转换为与电网电 压的频率和幅值相同的恒频恒压交流电。 由于需要将发电机输出的全部电能进行功率 变换，因而发电系统的成本较高，但 vscf 的控制技术相对较简单。 2）直接驱动式 vscf 风电机组。由于大型风力机的叶轮直径很大而转速很低，而 在相同功率下发电机的体积与其转速成反比，为了减小发电机的体积，一般采用增速 机构将风力机的转速增大后再驱动发电机。然而，增速机构不仅会消耗一部分能量， 而且需要定期维护，是风电系统的故障多发部位。为了提高系统的可靠性，出现了一 种取消增速机构由风力机直接驱动发电机的 vscf 风电系统，发电机多采用不需要励 磁的高效永磁电机。因为直接驱动式 vscf 风电机组的转速降低，所以发电机的体积 较大。发电机输出的交流电同样需要采用交-直-交变换器进行全额功率变换。 转差功率变换型风电机组主要有以下两种： 1）有刷双馈vscf风电机组 8-10。发电机采用转子励磁的双馈电机，其结构与绕 线式异步电机类似，但转子上需要有 3 或 4 个滑环。馈电方式和双馈电动机或异步电 动机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组由一套交-交（大容量 机组常用）或交-直-交变换器提供频率、幅值和相位都可调节的电源。系统为了输出 恒频交流电，先由变换器提供的低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个 磁场旋转角速度s与发电机转子电气角转速2相加等于定子磁场的同步转速1，即 1=2s，从而发电机定子感应出工频电压。当风速变化引起2变化时，改变转 子绕组低频励磁电流的频率从而改变低速旋转磁场转速s，可使定子磁场转速1保 持恒定，达到vscf的目的。发电机既可亚同步速运行，也可超同步速运行，变速运行 的范围比较宽，而定子输出电压的频率则维持不变。因为这种vscf控制方案是在转子 电路实现的，流过转子电路的转差功率仅为发电机额定功率的一小部分（1/4l/3） ， 所以功率转换装置的容量小、电压低，从而易于控制。这种采用交流励磁发电机的控 制方案除了可实现vscf控制和减小变换器的容量外， 还可实现有功和无功功率的灵活 控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用。 缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。 与前两种vscf风电机组相比具有明显的技术优势，有广泛的应用前景。 2）无刷双馈vscf风电机组 11,12。发电机采用无刷双馈发电机。其定子有两套极 数不同的绕组，一套为直接连电网的功率绕组，另一套为通过双向变换器接电网的控 制绕组；其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环。无刷双馈发电机定子的功率 绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组， 流过定子 控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分。因此，尽管有刷和无刷双馈 发电机的结构不同，但控制方法基本相同，均可实现vscf控制。无刷双馈发电机技术 目前不是十分成熟，所以还没有应用到实际发电系统中去。 3 国内外学者对上述两类（四种）风电系统做了比较研究后 13,14得出结论，虽然 电力电子变换装置增加了成本和控制技术的复杂性， 但采用vscf技术的风电机组具有 较宽的转速运行范围和较高的风电转换效率（可提高 10%左右） ，从风电机组的整个 使用期的成本来看是经济的。由于其综合技术优势，近年来vscf风电机组发展迅速， 特别是有刷双馈vscf风电机组已经商品化，并在逐渐成为大型风电机组的主力机型。 目前，安装在世界各地风电场的风电机组大多数为恒速运行机组，而发达国家的 风电产业和风电设备制造技术正迅速向 vscf 发电系统发展。 我国对 vscf 双馈风电技 术的研究还处在应用基础研究阶段，与发达国家相比还有相当大的差距，要开发具有 自主知识产权的 vscf 风电技术，在应用基础研究和产业化方面尚有许多工作要做。 1.2 双馈发电机励磁控制技术的发展 近年来，随着现代电力电子技术的快速发展，通过静止变换器给转子提供低频交 流励磁的新型vscf-dfg（双馈发电机）系统，以其优良的调节特性、稳定性、高效性 以及具有深度进相运行的能力受到人们的重视而得到很大的发展。 许多国家都在对其 进行理论研究与实际应用的工作。目前，国内外对vscf-dfg的研究主要包含对发电机 的性能分析、励磁控制策略的研究、变换器的设计以及系统谐波对电网的影响等。 vscf-dfg系统通常由电网、双馈发电机、双向变换器、变压器、励磁控制器、原 动机和检测装置等几部分组成, 其系统结构示意图如图1.1所示。整个系统性能的改 善不仅涉及到发电机和变换器的设计, 而且必须借助先进的励磁控制策略。 图 1.1 vscf-dfg 系统结构示意图 图 1.1 vscf-dfg 系统结构示意图 双馈电机励磁控制理论和控制技术大约每十年经历一个发展阶段 15。 在二十世纪 六十年代以主要用于双馈电动机的空间矢量控制为主； 七十年代后期主要是磁场定向 矢量控制理论和技术：1971年，德国blaschke和hasse等提出“感应电机磁场定向的 控制原理” ，同时美国人custman和clark申请了专利“感应电机定子电压的坐标变换 控制” ，在以后的实践中不断改进并形成了现在普遍应用的电机矢量控制系统 16,17； 八十年代以后，功率半导体器件的主要发展方向是高频化、大功率、低损耗和良好的 可控性，并在交流调速领域得到广泛应用，使其控制性能可以和直流电机相媲美 18； 九十年代微机控制技术的发展，加速了双馈电机在工业领域的应用步伐。尤其近十年 来， 是双馈电机最重要的发展阶段， 发达国家vscf-dfg的生产技术日臻成熟， 大型vscf 4 水轮发电机组、兆瓦级双馈风力发电机组和船用轴带双馈发电机组相继问世。vscf 双馈风力发电机组已由基本控制策略向优化控制策略方向发展， 即在额定风速以下采 用最大风能捕获控制策略 3,19,在高于额定风速时采用变桨距恒功率控制策略。 vscf 双馈风力发电机组的励磁控制系统所用变流装置主要有以下几种结构： 1）交-交变换器 20,21。交-交变换器以晶闸管为基础且采用相控原理，其特点是 容量大（1000kw以上） ，但是其输入侧功率因数低、输出电压谐波大、动态响应慢且 使用功率元件数量多（三相桥式变流电路至少需要 36 只晶闸管） ，无法满足高质量的 励磁要求，目前中小容量的变换器已很少采用交-交变换器。 2）交-直-交变换器 5。交-直-交变换器以全控型半导体器件为基础且采用pwm原 理，不仅有效地克服了交-交变换器的缺点，而且易于实现控制策略和双向变流，特 别适用于vscf双馈风力发电机的励磁控制。按电压调制方法的不同，pwm分为谐波消 除法pwm、s（正弦）pwm和sv（空间矢量）pwm：谐波消除法pwm是选择适当的脉冲宽 度以消除特定阶次谐波的pwm方式；spwm是脉冲占空比按照正弦规律变化的pwm方式； svpwm是从变换器的 6 个处于空间特定位置的开关状态矢量中选择两个相邻的矢量与 零矢量合成一个等效的旋转空间矢量v， 调控v的幅值和相位以实现三相变换器输出电 压调控的pwm方式。由于svpwm变换器可以通过合理地选择、安排开关状态的转换顺序 和通、断持续时间，改变多个脉冲宽度调制电压的波形宽度及其组合，与spwm控制相 比，其直流电压利用率要高一些，在调控输出电压基波大小的同时也可以减少输出电 压中的谐波，且减少变换器状态转换时开关状态转换的次数，在获得相同的输出电压 波形质量的情况下，开关器件的工作频率也可以低一些，因此越来越受到国内外研究 者的关注。 3）矩阵变换器 22-24。近年来也有文献对矩阵变换器在双馈风力发电系统中的应 用进行研究，但是由于矩阵变换器使用的器件数目较交-直-交变换器多、换流技术复 杂、输入滤波电容体积大，并且其输入输出控制不解耦，一定程度上限制了其在风力 发电中的应用。 目前，vscf 双馈风力发电机组的励磁控制系统大多采用交-直-交变换器。 在vscf双馈发电机数学模型和励磁系统硬件设计的基础上， 为了改善发电系统的 性能，国内外学者对vscf双馈发电机组的励磁控制策略进行了较深入的研究 14，主要 有基于同步电动机变频调速的矢量控制策略，基于感应电机多标量的励磁控制策略， 采用与异步化汽轮发电机类似的双通道多变量反馈的励磁控制策略，现分别介绍如 下： 1）励磁系统的矢量控制策略。目前应用在vscf双馈风力发电机组励磁控制的矢 量控制策略主要有两大类，即基于气隙磁场和定子磁场定向的矢量控制策略。气隙磁 5 场定向是将同步旋转坐标系dc-qc中的dc轴与双馈发电机的气隙磁链矢量重合，推导出 基于气隙磁场定向的双馈发电机在稳态下有功和无功功率解耦的励磁控制模型。 因为 该励磁控制模型在推导中忽略了定子漏阻抗和转子漏感抗， 近似地认为气隙磁链为常 数，所以在一定程度上造成励磁控制模型的精度下降。此外，在实际控制系统中也很 难准确做到气隙磁场定向，需要增加控制系统的硬件设计和控制技术的复杂性。 定子磁场定向是将同步旋转坐标系dc-qc中的dc轴与双馈发电机定子磁链矢量重 合， 推导出基于定子磁场定向的双馈发电机在稳态下有功和无功功率解耦的励磁控制 模型。由于定子电压频率、幅值和相位被电网锁定，使得在推导励磁控制模型时忽略 定子电阻不会带来较大误差，从而使励磁控制系统模型变得较为简单，但也存在着定 子磁链近似为常数的问题。文献 4对双馈电机定子磁场定向矢量控制技术进行了仿真 和实验研究， 研究结果表明采用定子磁场定向矢量控制的双馈电机励磁控制模型的精 度相对较高。 2）多标量励磁控制策略。该控制策略是基于 krzte minski 的感应电机多标量模 型而提出的， 多标量励磁控制系统的优点是控制系统简单。 不是控制励磁电压的相位， 而是控制励磁电流的频率，进而控制转子电流矢量的位置。该方法的前提是假定定子 磁链是常数，有功和无功功率也是近似解耦。目前，国内外学者在 vscf 双馈发电机 的励磁控制技术研究中，已很少采用该控制模型。 3）双通道多变量反馈励磁控制策略。双通道多变量反馈励磁控制策略是前苏联 学者提出来的，并应用于异步化汽轮发电机的励磁控制。该励磁控制系统为了解决因 转差率不为零所产生的励磁电压、电流交叉耦合的影响，采取以相应电流构成硬性负 反馈进行补偿， 使得励磁控制系统相对复杂化。 由于控制模型忽略了定子电阻的影响， 并且反馈系数的大小也影响励磁控制系统的动态调节特性和静态稳定性，因此，我国 学者在文献 6,25,26中，在双通道多变量反馈励磁控制模型的基础上，提出了动态同 步轴系的概念，并建立了动态同步轴系下的励磁控制模型。以上这些研究主要是以汽 轮或水轮发电机为控制对象。 目前，并网型风力发电机较多采用定子磁场定向的矢量控制方法。 近年来，许多科研院所已加强了对双馈电机应用技术的研究，在双馈电动机调速 控制和vscf水轮发电机控制方面的研究基础上， 开展了对vscf双馈风力发电机控制技 术的研究 2,22,27，虽然大多数研究还仅限于实验室，但也有部分研究成果应用到小 型风力发电机的励磁控制系统中。 我国在vscf双馈风力发电机组励磁控制系统的设计 和励磁控制策略的研究方面还处于起步阶段。 1.3 本文主要内容 通过上述分析可知， 风电系统的运行状态和控制策略都是通过转子励磁控制实现 6 的。所以，vscf 双馈风力发电系统的关键技术是转子励磁控制技术，本文主要展开 对转子励磁控制器设计和控制策略的研究，从事的主要工作有： 1）在两相同步旋转坐标系dc-qc中，建立基于定子磁场定向的dfg的数学模型，并 分析实现发电机定子输出有功和无功功率独立调节的矢量控制方法。 2）采用输入电流波形接近正弦且输入功率因数可调，输出电压频率、幅值和相 位可以独立调节的基于双 svpwm(svpwm 整流-svpwm 逆变)的交-直-交双向变换器作为 励磁电源；并分析交-直-交双向变换器直流侧电容和网侧电感的设计方法。 3）分析 vscf 双馈风力发电机在额定风速下的控制过程；利用仿真软件 matlab/simulink 构建双馈发电机的仿真模型；建立基于双 svpwm 的交-直-交双向变 换器励磁和定子磁场定向矢量控制的 vscf 双馈风力发电系统的仿真模型，通过对其 在亚同步速、 超同步速和跨越同步速三种发电状态下的定子输出有功和无功功率调节 特性的仿真分析，进一步验证系统控制策略的可行性；并与采用基于双 spwm（spwm 整流-spwm 逆变）的交-直-交双向变换器在功率流动性能、直流电压利用率和励磁电 压(电流)谐波特性方面进行比较分析， 以显示基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器能 更好地满足 vscf 双馈风力发电机的励磁控制特性。 2 双馈发电机的定子磁场定向矢量控制原理 2.1 双馈发电机在两相同步旋转坐标系dc-qc中的数学模型 7 感应电机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。在矢量控制等新技术应用 于交流电机控制系统以前， 感应电机控制系统很难获得和直流电机控制系统一样的高 动态性能。因为直流电机的励磁电流和电枢电流是分开的且自然正交，不仅容易进行 独立调节，而且只需对两个电流的幅值进行控制就可以了。而感应电机则不然，有功 分量和无功分量是同一定子电流中的两个分量， 而且这两个分量还随着转速和负载的 变化而变化，这种复杂的关系是感应电机难以控制的根本原因。 感应电机矢量控制原理的基本控制思想是 28：以气隙磁链矢量（或者定子磁链矢 量、或者定子电压矢量）这一旋转的空间矢量作为参考坐标，利用从静止坐标系到旋 转坐标系之间的坐标变换，则可以把定子电流中的励磁分量和转矩分量变成独立标 量，从而对它们分别进行控制。通过坐标变换重建的电机模型就是电机的矢量控制模 型。这样，就可以把感应电机等效为一台直流电机，从而对其进行快速的转矩控制。 考虑到交流励磁发电机始终在工频 50hz下运行，从而发电机定子绕组的漏抗压 降可以忽略不计。此时，定子磁链矢量与定子电压矢量之间的相位正好相差 90， 因此在实际应用中，以定子磁链矢量或者定子电压矢量为参考矢量（定向矢量） ，可 使控制系统变得相对简单 19,29。 如图 2.1 所示，本文选则以定子磁场定向的两相同步旋转坐标系dc-qc作为参考。 定子绕组采用发电机惯例，以输出电流为正；转子绕组采用电动机惯例，以输入电流 为正；电磁转矩与转向相反为正，发电机运行转差率s按转子转速小于同步转速为正， 大于同步转速为负。 图 2.1 双馈发电机在以定子磁场定向的两相同步旋转坐标系d图 2.1 双馈发电机在以定子磁场定向的两相同步旋转坐标系dc c-q-qc c中的矢量图 中的矢量图 取定子磁链矢量1的方向与dc轴正方向一致，则1的qc轴分量为零，由于发电机 感应电动势矢量e1比1滞后 90，在忽略定子绕组的漏抗压降的条件下，e1近似等于 定子电压矢量1，此时e1和1均位于qc轴的负方向，则1的dc轴分量为零，这样就简 化了控制模型和控制策略，并且有如下的矢量控制的约束条件（以后符号下标 1 和 2 8 分别表示定、转子侧的变量） ： = = 0 1 11 qc dc (2.1) 图 2.1 中，idc1、iqc1和idc2、iqc2表示定子电流矢量i1和转子电流矢量i2分别在dc、 qc轴上的分量；1、2、12分别表示i1和1、i2和转子电压矢量2、2和1之间 的夹角；im表示激磁电流。 在电机稳态运行条件下 29-31： = = 11111 1 * 0 dcqc dc (2.2) 式（2.2）中，1表示同步转速。 因为对于基于风电系统vscf技术的交流励磁发电机来讲，其定子接到电网，因此 可以知道定子电压为三相平衡正弦电压，如果设发电机额定电压为un，则在忽略定子 绕组漏抗压降的条件下，通过坐标变换，存在如下式： = = 11 1 3 0 uun qc dc (2.3) 从上面的推导中可以发现如下关系式： = = mdc il u d * 0 1 1 1 1 1 (2.4) 对于im的说明： 1=dc1=-l1*idc1+lm*idc2=l1*(-idc1+lm*idc2/l1) (2.5) -l1*idc1代表定子绕组自感磁链的dc轴分量； lm*idc2代表转子绕组与定子绕组互感磁链的dc轴分量； -idc1代表定子绕组自感电流的dc轴分量； lm*idc2/l1代表转子绕组与定子绕组互感电流的dc轴分量。 im=-idc1+lm*idc2/l1 (2.6) im代表激磁电流的dc轴分量,它在定子绕组l1中产生定子磁链的dc轴分量dc1。 由式（2.4）可知，在电网频率恒定的条件下，保持u1恒定即可实现发电机的定 子磁场定向控制。 坐标变换基本思想是：任何一个用三相静止坐标系描述的矢量，同样可以用两相 静止或两相旋转坐标系中的一个矢量来表示，通过一个坐标变换矩阵，使两个坐标系 中的表达式在坐标变换前后保持功率不变的原则下达到统一。根据不同的研究对象， 9 选取不同的坐标系， 就可以使方程的中的某些变量变成零元素， 从而达到解耦的目的。 由三相静止坐标系a-b-c到以定子磁场定向的两相同步旋转坐标系dc-qc的坐标变 换矩阵如下： + + = 2/12/12/1 )120sin()120sin(sin )120cos()120cos(cos 3 2 2/3 rs c (2.7) 即xdc1 xqc1 x01 t=c 3s/2rxa1 xb1 xc1 t,其中x可以是定、转子电压、电流和磁链。 1）磁链方程 32,33 根据坐标变换, dc-qc坐标系中定、转子磁链方程式可表示为： = 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 00 00 00 00 qc dc qc dc m m m m qc dc qc dc i i i i ll ll ll ll (2.8) 式中：lm=3lm1/2 为dc-qc中等效两相定、转子同轴绕组间的互感； l1=ll1+3lm1/2 为dc-qc中等效两相定子绕组的自感； l2=ll2+3lm2/2 为dc-qc中等效两相转子绕组的自感(lm2=lm1)。 2）电压方程 dc-qc坐标系中定子电压方程式可表示为： + + = 0000 00 00 00 00 00 1 1 1 1 01 1 1 01 1 1 1 1 1 01 1 1 qc dc qc dc qc dc qc dc d i i i r r r (2.9) dc-qc坐标系中转子电压方程式可表示为： (2.10) + + = 0000 00 0)(0 00 00 00 2 2 21 21 02 2 2 02 2 2 2 2 2 02 2 2 qc dc qc dc qc dc qc dc d i i i r r r 式（2.9）和（2.10）中01和02分别表示定、转子磁链在dc-qc中的零轴分量， 由于01和02各自独立，对dc、qc轴磁链毫无影响，以后在数学模型中可不再考虑。 3）电磁转矩与功率方程 由磁链方程，可得双馈发电机的电磁转矩为 )( 2121qcdcdcqcme iiiiplt= (2.11) 定子输出有功功率为 11111qcqcdcdc iip+= (2.12) 10 定子输出无功功率为 11111qcdcdcqc iiq= (2.13) 定子侧功率因数为 2 1 2 111 /cosqpp+= (2.14) 4）转速方程 1121 / )( s s= (2.15) 式中：s为同步旋转磁场相对与转子的转差电气角速度； 2为转子旋转的电气角速度，2=p*r，p为发电机的极对数，r为转子 旋转的机械角速度； s 为发电机运行转差率。 电机低于同步速运行时，1和s旋转方向相同，转差率s0；当电机高于同步速 运行时，1和s旋转方向相反，转差率s0，则增大交流电源输入网侧变换器的有功功率，使 图中的直流电流idc加大，c充电，提高udc；反之当实际电压udc偏高，udcti/ （2.4*um *r l） (3.17) 式（3.17）中，um *为直流电压最大动态降落相对值且u m *=u max/udc，ti为vsr 电流环等效时间常数。 由式（3.13）和式（3.17）可知： um *t r0.308*ti (3.18) 因为tr=0.2（s），则： ti/um *9300*10 -6 （f） (3.20) 综合 vsr 直流电压跟随性指标和抗扰性指标对直流侧电容设计的要求, 联立式 （3.16）和（3.20），则： 9300*10 -6 （f） 2*uin (3.23) 则： udc88（v） (3.24) 此外，式（3.1）中直流电压额定值udc *由转差容量所确定。当直流侧电容电压稳 定后，有： idc=c*udc/tr=c*udc/tr (3.25) 则转差功率ps为： ps=udc*idc=c*udc 2/t r (3.26) 由 1.2 节内容可知，有刷双馈vscf控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路 的转差功率ps仅为发电机额定功率pn的 1/4l/3，取最大为l/3，则： pspn/3 (3.27) 将式（3.26）代入（3.27） ，考虑到pn=1500（w）,并取c=10000*10 -6（f）, t r=0.2 （s）,则： udc100 （v） (3.28) 联立式（3.24）和（3.28） ，所以 88（v）3* （2*udc-3*uin） *uin*1*t/ （4*udc 2） (3.32) 式（3.32）中，imax/im为最大允许谐波电流脉动相对值。 则： imax/im0.029 (3.33) 取imax/im =0.1。由（3.31）得： 8.2*10 -3 （h） l28*10 -3 （h） (3.34) 综合 vsr 有功（无功）功率指标和瞬态电流跟踪指标对网侧电感设计的要求, 联 立式（3.30）和（3.34），则： 8.2*10 -3 （h） l10*10 -3 （h） (3.35) 综合交-直-交双向变换器对直流侧电容和网侧电感的设计要求，联立式（3.21） 和（3.35），则： 9300*10 -6 （f） 0 时则为闭环控制。 使用 simulink 搭建的基于矢量控制的双馈发电机仿真模型如图 4.3，其中闭环 控制器的仿真模型如图 4.4。 24 图 4.3 基于矢量控制的双馈发电机仿真模型 图 4.3 基于矢量控制的双馈发电机仿真模型 图 4.4 基于矢量控制的双馈发电机中闭环控制器仿真模型 图 4.4 基于矢量控制的双馈发电机中闭环控制器仿真模型 当构造出图 4.3 和图 4.4 以后， 我们按照计算出的稳态初值和控制指令值对双馈 发电机进行动态性能的仿真分析。仿真中时间步长为 100s，相对误差小于等于 1%， 采用的算法是 odel5s（在 simulink 中，因为 ode45 速度慢，有时候失效或效率低） 。 算法 odel5s 是个不同阶次（1 阶到 5 阶）的隐含多步数值微分算法（在精度要求适 中的场合使用该算法） ，其速度较快。 为测试利用s函数建立的双馈发电机仿真模型的正确性，分别对定子输出有功功 25 率p1、定子侧功率因数cos1和发电机运行转差率s单独调节时发电机的电流、电压和 电磁转矩的响应进行了仿真分析。 1）定子输出有功功率p1从 1300w调到 1500w时的电流、电压和电磁转矩响应，如 图 4.5 所示： (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 图 4.5 定子输出有功功率p图 4.5 定子输出有功功率p1 1单独调节特性 单独调节特性 2）定子侧功率因数cos1从 0.8 调到 0.9 时的电流、电压和电磁转矩响应,如图 4.6 所示： (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 图 4.6 发电机定子侧功率因数cos图 4.6 发电机定子侧功率因数cos1 1单独调节特性 单独调节特性 3）发电机运行转差率 s 从 0.04 调到 0.05 时的电流、电压和电磁转矩响应，如 图 4.7 所示： 26 (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 (a) 电流响应 (b) 电压和电磁转矩响应 图 4.7 发电机运行转差率 s 的单独调节特性 图 4.7 发电机运行转差率 s 的单独调节特性 图 4.54.7 的仿真结果表明，在其它量保持额定值的情况下，无论是对于p1的 单独调节，或是对于cos1的单独调节(仅直接引起定子电流的变化)，还是对于s的 单独调节(隐含2的变化)，基于矢量控制的双馈发电机仿真模型都能做出快速响应 并保持良好跟踪，能够满足vscf双馈风力发电机的运行要求。 4.3 基于双 svpwm 的双向变换器励磁的双馈风力发电系统的仿真 4.3.1 系统结构 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发电系统结构示意图如图 4.8 所示。 本系统采用交流励磁风力发电机的功率控制方式，即在转子转速可变情况，通过 调节转子励磁电压幅值和相位使发电机定子输出有功和无功功率等于指令值。 仿真模 型中采用了两个通道分别控制发电机定子电流有功分量iqc1和无功分量idc1，且都采用 了功率外环、电流内环的双闭环控制结构。 电网三相电压a1、 b1和c1,一方面经过定子三相静止到两相同步旋转的坐标变 换单元1：3s/2c （如式（2.7） ，=1，1为两相同步旋转坐标系dc-qc中dc轴相 对于定子三相静止坐标系a-b-c中a轴的角度） ，得到定子磁场定向的两相同步旋转坐 标系dc-qc中的分量qc1和dc1，输入双馈发电机模型的定子侧和定子有功和无功计 算单元以产生功率外环的有功反馈值p1和无功反馈值q1（如式（2.16） ） ；另一方面 经过三相降压变压器 ，得到a1 、 b1 和 c1 后输入交-直-交双向变换器（交- 直-交双向变换器的供电变压器是使电网电压与双馈发电机转子电压相适合，同时起 到隔离交-直-交双向变换器和电网作用的设备） ；而且还输入定子磁链观测器以 产生1，其结构如图 4.9 所示：电网三相电压a1、b1和c1经过定子三相 静止到定子两相静止的坐标变换1：3s/2s （如式（2.7） ，=0） ，得到定子两相静 止坐标系-中的分量1和1，再通过定子两相静止到定子极坐标的坐标变换 27 1：2s/mag-ang ，得到定子极坐标系mag-ang中的定子电压矢量相位角u，u加上 90后得到定子磁链矢量相位角1。 按照 4.2 节中的方法，使用simulink支持的s函数格式，以电流为状态变量写出 描述定子磁场定向的两相同步旋转坐标系dc-qc中双馈发电机动态方程的程序， 并构成 s函数模块。本文考虑理想情况，即风速变化时保持叶尖速比=opt=9 不变，则风能 利用系数cp=cpmax=0.43，且利用式（4.7）和（4.8）对风力发电机的传动部分建模。 图 4.8 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发电系统结构示意图 图 4.8 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发电系统结构示意图 图 4.9 电压模式的定子磁链观测器结构图 图 4.9 电压模式的定子磁链观测器结构图 双馈发电机输出的定子电流矢量有功分量iqc1和无功分量idc1，除了作为电流内环 的反馈值和送入定子有功和无功计算单元以产生功率外环的有功反馈值p1和无功 反馈值q1以外（如式（2.16） ） ，还与双馈发电机输出的转子电流矢量的qc轴分量iqc2和 dc轴分量idc2一起送入旋转电动势和转子电阻压降补偿单元 。双馈发电机输出的转 子电气角速度2经过转子位置观测器以产生转子电气位置角2。 在功率环节中， 有功功率指令值p1 *和无功功率指令值q 1 *与相应的反馈值之差经功 28 率外环的pi（比例-积分）调节器，输出定子电流矢量指令值的有功分量iqc1 *及无功分 量idc1 *。在电流环节中，i qc1 *与其反馈值i qc1之差经电流内环的pi调节器后再加上对应 的补偿旋转电动势s*1*dc2，得到转子电压矢量指令值的qc轴分量qc2 *；同样，i dc1 * 与其反馈值idc1之差经电流内环的pi调节器后再加上对应的补偿旋转电动势 -s*1*qc2和补偿转子电阻压降u1*r2/（1*lm） ，得到转子电压矢量指令值的dc轴分 量dc2 *（如式（2.8）和（2.19） ） 。然后通过两相同步旋转至转子两相旋转的坐标变 换2：2c/2r （如式（2.7） ，=2-1为转子两相旋转坐标系d-q中的d轴相对于两 相同步旋转坐标系dc-qc中dc轴的角度）得到转子两相旋转坐标系d-q中的分量q2 *和 d2 *，再通过转子两相旋转到转子极坐标的坐标变换2：2r/mag-ang ，以产生基 于svpwm的转子侧变换器控制器的输入：极坐标系中的转子电压矢量指令值的幅值 分量mag2 *和相角分量 ang2 *（其中的幅值分量 mag2 *用来调节励磁电压的幅值，而反馈 到基于svpwm的转子侧变换器控制器的发电机运行转差率s用来调节励磁电压的频 率） 。交-直-交双向变换器输出的三相转子励磁电压经过转子三相旋转到两相同步旋 转的坐标变换2：3r/2c （1-2为两相同步旋转坐标系dc-qc中dc轴相对于转子三 相旋转坐标系a-b-c中的a轴的角度） ，得到转子励磁电压矢量在定子磁场定向的两相 同步旋转坐标系dc-qc中的的分量qc2和dc2。 功率外环的输出iqc1 *和i dc1 *， 以及电流内环经过旋转电动势和转子电阻压降补偿的 输出qc2 *和 dc2 *一起送到网侧变换器输入功率因数角指令值计算单元,结合式 （2.17） 、 （2.19） 、 （3.7） 、 （3.8）和（3.9）以产生基于svpwm的网侧变换器控制器 的输入in1 *。 4.3.2 系统仿真模型 利用matlab/simulink建立的双svpwm的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发 电系统的仿真模型如图 4.10 所示。 图 4.10 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发电系统仿真模型 图 4.10 基于双 svpwm 的交-直-交双向变换器励磁的双馈风力发电系统仿真模型 29 以下主要列出双馈发电机 、 基于双 svpwm 的双向变换器 、 网侧变换器输入 功率因数角指令值计算单元的仿真模型。以下所列出的仿真模型图中有关变量和参 数的符号含义见附录 1。 1） 双馈发电机的仿真模型如图 4.11 所示。 图 4.11 双馈发电机仿真模型 图 4.11 双馈发电机仿真模型 2） 基于双 svpwm 的双向变换器的仿真模型如图 4.12 所示。 图 4.12 基于双 svpwm 的双向变换器仿真模型 图 4.12 基于双 svpwm 的双向变换器仿真模型 其中基于 svpwm 的转子侧变换器控制器包括电压空间矢量作用时间和扇区 计算单元和svpwm 脉冲发生单元两个部分。第一部分计算每个开关周期中各个 合成电压空间矢量的作用时间，而第二部分根据上述作用时间产生 6 路 svpwm 脉冲， 并送往转子侧变换器的 6 个功率开关管。相应的仿真模型如图 4.13 和 4.14 所示。 30 图 4.13 电压空间矢量作用时间和扇区计算单元仿真模型 图 4.13 电压空间矢量作用时间和扇区计算单元仿真模型 图 4.14 svpwm 脉冲发生单元仿真模型 图 4.14 svpwm 脉冲发生单元仿真模型 基于svpwm的网侧变换器控制器分为直流侧电压和网侧变换器输入功率因 数角控制单元 、 电压空间矢量作用时间和扇区计算单元和svpwm脉冲发生单元 三个部分。后两个部分的功能同基于svpwm的转子侧变换器控制器 ，将产生的 6 路svpwm脉冲送往网侧变换器的 6 个功率开关管。第一部分用来实现直流侧电压udc和 交-直-交双向变换器网侧输入功率因数角in1跟踪相应的指令值udc *和 in1 *， 其仿真模 型如图 4.15 所示。 图 4.15 直流侧电压和网侧变换器输入功率因数角控制单元仿真模型 图 4.15 直流侧电压和网侧变换器输入功率因数角控制单元仿真模型 3） 网侧变换器输入功率因数角指令值计算单元的仿真模型如图 4.16 所示。 图 4.16 网侧变换器输入功率因数角指令值计算单元仿真模型图 4.16 网侧变换器输入功率因数角指令值计算单元仿真模型 因为matlab/simulink的仿真速度主要受到模型中所使用的模块总数和积分模块 数量的影响 39，所以本系统仿真模型尽量用user-defined functions代替常规的 math operations ，并且用s函数取代积分模块来构建双馈发电机的仿真模型。 4.4 定子输出有功和无功功率调节特性的仿真分析 31 以下给出基于双svpwm的交-直-交双向变换器励磁的vscf双馈风力发电系统在亚 同步速、超同步速和跨越同步速三种发电状态下的定子输出有功功率p1和无功功率q1 调节特性的仿真分析。 1）亚同步速发电状态下的定子输出有功功率p1的调节特性 如图 4.17（a）所示，随着定子输出有功功率指令值p1 *下调时，转子输入有功功 率p2的绝对值增大；如图 4.17（b）所示，双向变换器的输入电流iin和输入电压vin的 波形相位相同，单位功率因数输入，说明此时转子通过双向变换器从电网吸收有功功 率p2，且随着p2绝对值的增大，在变换器输入电压vin保持不变时输入电流iin幅值增大； 如图 4.17（c）和（d）所示，转