[论文]荣先亮—双馈风电变流器的控制与开路故障诊断研究.doc

双馈风电变流器的控制与开路故障诊断研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：荣先亮指导教师：段其昌专业：控制理论与控制过程学科门类：工 学重庆大学自动化学院二O一O年四月Control and Open-switch Fault Diagnosis of Doubly-fed Wind Power ConverterA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringbyRong Xianliang Supervisor: Prof. Duan Qichang Major: Control Theory and Control Engineering College of Automation of Chongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2010重庆大学硕士学位论文摘 要随着人们对全球气候变暖和能源危机越来越担忧，低碳经济将会成为全球经济今后的重点发展方向，而风能则是发展低碳经济的最佳选择之一。在目前已有的风力发电设备中，双馈风力发电机组应用最为广泛，相对于一台风力发电机组中的发电机和其他机械部件，风电变流器是稳定性相对较差的环节之一，一旦变流器中的任何一个功率开关发生故障，整个风电机组可能会遭受严重损坏或导致停机，因此，风电变流器的状态监测和故障诊断对于提高系统稳定性来说至关重要，此外，为了避免在发生故障后停机，诊断系统应具备能使机组继续稳定运行的重构机制。本课题主要研究双馈风电变流器的控制、开路故障以及在故障发生后机组的继续运行问题，并且是根据故障发生前后对系统电流信号进行信号处理实现开路故障诊断的，为了模拟功率开关开路故障的发生，利用Matlab/Simulink建立了双馈风电机组的软件仿真平台，并且提出了它的硬件实验方案，其中，网侧变流器使用的是电网电压定向的矢量控制技术，转子侧变流器使用的是定子磁链定向的矢量控制技术，并选择电压空间矢量调制技术（SVPWM）作为双馈风电变流器的调制策略。对整个系统的稳态运行特性进行了仿真，仿真结果说明所提控制方案是正确可行的。同时还分析了风电变流器不同位置功率开关的开路故障对双馈风力发电机组的影响。目前已有多种可用于诊断通用变频器开路故障的开路故障诊断方法，但是并不适用于双馈风电变流器，因为这些方法在应用到转子侧变流器时容易产生误报，而且通过简单的增加延时并不能被彻底消除，文中对产生误报的原因作了详细的分析，在已有方法的基础上，提出了两种基于电流信号特点的开路故障诊断方法，这两种方法可以诊断出双馈风电变流器的单个或两个功率开关的开路故障，并且可有效消除误报，此外，针对开路故障的特点，还提出了一种能在变流器发生开路故障后让系统继续正常运行的重构策略，仿真结果表明所提开路故障诊断方法可以快速准确地诊断出故障发生的类型和位置，同时提出的重构策略可以使风电机组重新恢复正常运行。关键词：双馈风力发电机，风电变流器，矢量控制，开路故障诊断，系统重构IABSTRACTAs growing fears for the global climate change and energy crisis, low-carbon economy will dominate the trend of the world economic development. Wind energy is one of the best choices to develop low-carbon economy. The doubly-fed induction generator is one of the most widely used generators with wind turbine. In such a wind turbine the back-to-back converter is less robust than the generator and other mechanical parts. The wind turbine may be seriously damaged or have to stop once any switch failure occurs in the converter. Therefore, converter health monitoring and fault diagnosis are extremely important to improve system reliability. Moreover, to avoid shutting down the wind turbine, converter fault diagnosis may reconfigure the power converters to permit post-fault operation.This research focuses on the control, open-switch faults diagnosis and post-fault operation for the converters of the doubly-fed induction generator. The fault diagnosis methods are implemented through signal processing of current before and after the happening of open-switch fault. In order to simulate the open-switch faults of power switches, the whole software simulation platform is built using MATLAB/Simulink, and a hardware design of DFIG is also proposed. The usual method used to control rotor side converter is stator-flux vector control, and the control method used in grid side converter is voltage vector control. The space vector pulse width modulation method is used to modulate back-to-back converter. The steady-state operating of the whole system is simulated. Simulation results show that the control method is available. The effects of open-switch faults in different locations on DFIG are analyzed in detail. Several open-switch fault diagnosis methods used in general converter have already existed but are found to be unsuitable for the doubly-fed induction generator. These methods can easily result in false alarms, and these alarms can not be eliminated through implement a dead time when being applied in the rotor side converter. The causes of false alarms with these methods are investigated. Two new open-switch fault diagnosis methods，which are capable of detecting one or two open circuit faults of wind power converter，are proposed through investigating the characters of current signals. And the methods can eliminate the false alarms happened around synchronous speed completely. Simulation results show that the methods could detect the locations and styles of open-switch faults precisely, and the system reconfiguration strategy could restore the DFIG to the normal operation anew. Key words: Doubly-fed induction generator, Wind power converter, Vector control, Open-switch fault diagnosis, System reconfiguration. IV目录目录中文摘要I英文摘要II目 录IV1 引言11.1 发展风力发电技术的背景11.2 风力发电技术的国内外发展现状11.3 本文的研究意义和动机21.4 本文的主要研究内容32 双馈风力发电机组52.1 风力发电系统的常用拓扑结构52.2 双馈风力发电机的运行原理62.3 双馈风力发电机组的组成82.4 风力机的能量转换92.5 风电机组在不同风速下的控制策略112.6 小结123 双馈风电变流器的矢量控制策略133.1 DFIG的数学模型133.2 网侧变流器的数学模型163.3定子磁链估计183.4 空间矢量脉宽调制原理与实现203.5 双馈风电变流器的控制263.5.1 转子侧变流器的控制263.5.2 网侧变流器的控制283.6 小结294 转子侧控制器和网侧控制器的算法设计314.1 电流电压信号的坐标转换314.2 转子侧控制器的算法设计334.3 网侧控制器的算法设计344.4 双馈风电系统仿真364.4.1 双馈风电系统仿真平台的搭建364.4.2 SVPWM的仿真与验证37V4.4.3 系统处于稳态运行时的仿真384.4.4 发电机转速穿过同步速时的仿真414.5 双馈风电系统硬件实验平台的搭建424.6 小结465 双馈风电变流器的开路故障诊断与系统重构475.1开路故障对变流器及DFIG的影响475.2 双馈风电变流器的开路故障诊断方法515.3 变流器在发生开路故障后的系统重构615.4 开路故障诊断与系统重构的仿真实验625.5 小结646 结论与展望656.1 本文所做工作的总结656.2 本文的后续工作与展望65致 谢67参考文献69附 录73A作者在攻读学位期间发表的论文73B系统仿真结构图74C系统仿真参数77引言1 引言1.1 发展风力发电技术的背景在当今社会，能源是推动人类社会发展和进步的根本动力，自工业革命以来，急剧增长的能源消耗推动了工业化进程的快速发展，提高了人类的生活水平，人均能源消耗曾是衡量一个国家和地区经济发展水平的重要指标。煤、石油和天然气是世界能源的主要支柱，但是这些能源都是储量非常有限的不可再生资源，随着全球经济不断发展，对能源的需要将会越来越大，这些情况必然会导致世界能源危机。寻找其他替代能源将是缓解能源危机的唯一出路，此外，随着常规能源的大量消耗，地球的自然生态环境也在不断恶化，人类排放的大量二氧化碳导致了全球变暖，由此引起的环境变化进一步引发了干旱、洪涝和飓风等严重的自然灾害，给人类的生命和财产安全带来了巨大损失。惨痛的历史教训告诉我们：人类的发展必须走可持续发展道路，人类的发展不能以破坏自然环境为代价，水能、太阳能、风能、潮汐能、生物能等都是可再生的洁净绿色能源，并且对自然环境没有破坏、去之不尽、用之不竭，因此，利用上述可再生能源代替常规能源将是人类继续发展进步的必由之路，目前普遍的看法是，风能和太阳能是最具潜力的绿色能源1, 2。1.2 风力发电技术的国内外发展现状 风力发电技术从1980年开始逐渐发展起来，90年代中期欧盟进入风电规模化阶段，尔后美国、中国以及印度都先后进入了规模发展阶段。当前，并网型风机正朝着大型化的方向发展，单机容量1MW以上的风机已经成为主导产品，7MW的风机已经投产，更大容量的也在研发之中。根据全球风能理事会统计数据显示，2009年全球风电装机容量增长了31，截至2009年，全球风电装机总量达到157.9GW，较上年增加了37.5GW，全球新增装机容量中有近三分之一来自中国, 从区域分布看，欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场。2009年，中国的风电装机容量从2008年的12.1GW增加到25.1GW，连续第年实现翻倍增长，印度的新增装机容量为1.27GW，亚洲地区新增装机容量总计超过14GW。美国继续保持世界风电装机容量第一的地位，并网风电机组达到35GW，装机容量去年新增39，接近10GW。曾经是世界风电最大市场的欧洲2009年继续保持强劲增长，新增装机容量达到10.5GW。从2001年到2009年全球风电累计装机容量见图1.1，目前，全球风电已经为温室气体减排作出贡献，2009年全球近158GW的风电装机总量可以产生340亿度的清洁电力，减少亿多吨的温室气体排放。据全球风能理事会估计，2009年全球风电装备营业额达630亿美元，从业人员约为50万人。尽管发生金融危机和经济衰退，风电仍能够保持快速增长，得益于此项技术清洁、可靠、便于安装的优势，越来越多的国家将风能作为必选的电力技术2。图1.1 全球风电累计装机容量（GW）Fig. 1.1 World total installed capacity（GW）1.3 本文的研究意义和动机除风力机本身的空气动力学设计之外，风力发电机及其控制系统对满足最大风能追踪和并网要求都具有非常重要的作用。目前商用的风力发电机有两种同步发电机和异步发电机，同步风力发电机又包括绕线转子同步风力发电机和永磁同步风力发电机，采用绕线转子的同步风力发电机并商业化的公司只有ENERCON一家，永磁同步发电机目前的市场占有率在40%作用，这种发电机的优点是可以省去风电机组的齿轮箱，此外还消除了转子功率损耗，因为不存在转子绕组。但是永磁电机的制造成本相对较高。目前市场上的主流机型是绕线式风力发电机，其市场占有率在60%左右，这种机型通常也叫做双馈式风力发电机（Doubly-fed Induction Generator，简称DFIG），一个双馈风力发电机组通常由绕线式风力发电机、双PWM变流器、滤波器和变压器组成，电机的定子绕组通常直接连接电网，而转子绕组则经过双PWM变流器和滤波器变流滤波后并网，双馈风力发电机组中的双PWM变流器容量仅为电机额定容量的三分之一，这是采用绕线式异步发电机的最大好处，但是因为绕线异步发电机有滑环和电刷，从而增加了系统的维护成本，目前有越来越多的双馈风力发电机组被应用到近海地区，由于没有障碍物阻挡，近海风速更大，而且塔架也不需要建的和陆地上的风机一样高，对于近海型双馈风力发电机组来说，风电变流器变量的状态监测和故障诊断变的非常重要，风电变流器中的任何一个故障都会导致停机甚至损坏风电机组，而停机时间则会损失很多发电收益，因此，变流器的故障诊断和容错控制对于减少停机时间、提高风机稳定性和减少收益损失都具有重要意义，研究变流器故障（特别是转子侧变流器故障）对发电机的影响和已有故障诊断方法是否适用于双馈风电变流器是十分必要的。1.4 本文的主要研究内容本文是根据双馈风力发电机组的开路故障以及故障发生后系统的继续运行问题提出的，研究内容分为两个部分双馈风力发电机的控制和双馈风电变流器的故障诊断与系统重构，具体的研究内容如下：分析风力机的基本理论和DFIG在同步旋转坐标系下的数学模型；研究双馈风电变流器的基本特性和空间矢量调制技术；研究双馈风力发电机组的基本控制策略；建立双馈风力发电机组的仿真实验系统；提出能够模拟双馈风力发电机组的硬件实现方案；分析双馈风电变流器的开路故障对DFIG以及系统其他部分的影响；提出并验证适用于双馈风电变流器的开路故障诊断方法；研究在发生故障后能使系统继续运行的重构策略。32 双馈风力发电机组2 双馈风力发电机组双馈风力发电机组是目前风电市场上的主流机型，本章将在对比各种类型风电机组拓扑结构的基础上，着重讨论双馈风电机组的基本运行原理、结构特点和最大风能追踪功能，最后将简要讨论风电机组在不同风速下所采用的控制策略。2.1 风力发电系统的常用拓扑结构目前广泛使用的风力发电系统拓扑结构大致有三种3，如图2.1所示，下面将对图中的拓扑结构作简要说明：图（a）是目前被广泛使用的双馈风力发电机组，在这种结构中，双馈风电变流器的功率仅为发电机额定功率的30%，DFIG是电励磁的，控制灵活，容易实现变速恒频，经济性好，但DFIG系统存在滑环、碳刷和高传动比齿轮箱等高损耗环节，维护成本较高，此外，在电网电压突降时，电机侧电流会迅速上升，电机扭矩也迅速增大，低电压穿越能力较弱，需要加装一定的防护设备。图（b）结构为目前同样广泛使用的永磁直驱型风力发电机组，在该结构中，无齿轮箱或齿轮箱传动比较小，永磁风力发电机不需要滑环，可靠性好，控制简单，在电网电压突降时，电机侧电流和扭矩可维持稳定，但是结构中的双PWM变流器是全功率的，而且永磁电机在造价、尺寸和重量上相对于DFIG都不占优势，此外，在电机设计和使用过程中还要考虑永磁体退磁等问题，带齿轮箱的永磁风力发电机组也称为半直驱风力发电机组，它是双馈风电机组和永磁直驱风电机组的折中。图（c）的结构与图（b）基本类似，不同之处在于变流器，在此结构中，DFIG转子侧使用的变流器是二极管整流桥和一个升压斩波器，网侧变流器是一个电压源逆变器，这种变流器省去了不少IGBT，经济性较好。绕线式异步发电机：(a)永磁同步发电机：(b)(c)图2.1 广泛采用的风力发电系统拓扑图Fig. 2.1 The structure diagram of the extensively used wind power generation system2.2 双馈风力发电机的运行原理长期以来，用作发电机使用的通常是同步发电机，其次才是异步发电机，同步发电机采用直流励磁，而异步发电机（无论是鼠笼转子还是绕线转子式异步电机）都没有专门的励磁绕组，其磁场靠定子绕组的励磁电流建立的。近年来，随着电力电子技术和嵌入式控制技术的发展，双馈型异步风力发电机在风力发电领域得到了广泛的应用，DFIG在结构上类似于普通的绕线式异步电机，都具有定、转子两套绕组，在运行过程中，DFIG的转子绕组一般通过连接到电网上的变流器进行交流励磁，实际上，DFIG是一个具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，相对于同步发电机，DFIG在以下几个方面的具有明显的优势47：控制灵活，同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率，而DFIG则有包括励磁电流幅值、励磁电流相位和励磁电流频率在内的三个可调量，由于DFIG励磁电流的可调量比同步发电机多两个，所以在控制上更加灵活：改变转子励磁电流频率，DFIG可以实现变速恒频运行；改变转子励磁电流相位，可以使转子电流产生的转子磁场在气隙上产生一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压矢量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率，利用矢量控制技术，综合改变DFIG转子励磁电流的相位和幅值，可以实现DFIG定子侧输出有、无功功率的解耦控制；在原动机变速运行场合中，实现高效优质发电。在很多发电场合中，原动机转速是时刻变化的，在风力发电中，风力随着风速的变化而变化，在以往的发电方式中，由于受电网电压频率和同步发电机特性的限制，发电机转速不能变，这会迫使原动机在不同风力下维持一个转速，使得发电机组的运行效率大大降低，原动机的磨损增大。DFIG可通过调节转子励磁电流的幅值、频率和相位，在原动机速度变化时也能保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，也降低了机械磨损，延迟了机组的使用寿命；能参与电力系统对无功功率的调节。由于DFIG可以调节转子励磁电流的相位，达到改变功率角是风电机稳定运行的目的，所以可通过交流励磁是发电机吸收更多的无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压上升的危害，从而提高电网运行效率和电能质量；可实现发电机柔性并网。采用同步发电机或异步发电机时，并网控制较为复杂，往往需要精确地转速控制、整定和准同步操作。而采用DFIG时，通过对转子实施交流励磁，可精确地调节发电机定子端输出电压的相位、幅值和频率，使其满足并网要求，实现安全快捷的柔性并网操作。从上面的讨论中可以看出，具有变速恒频运行能力是DFIG的一个非常重要的优势，根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，双馈式变速恒频风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下8： （2.1）式中，f1表示定子绕组电流频率（Hz），f2表示转子绕组电流频率（Hz），Np表示发电机极对数，n为电机转子转速（r/min）。当转子转速n小于同步转速n1时，风力发电机以“亚同步速”运行，上式取“+”号，转子绕组相序与定子相同；当转子转速n大于同步转速n1时，风力发电机以“超同步速”运行，上式取“-”号，转子绕组相序与定子相反；当转子转速n等于同步转速n1时，风力发电机同步速运行，f2=0，变流器对转子进行直流励磁。由上式可知，当转子转速n发生变化时，若调节f2做相应的变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率一致，实现风力发电机的变速恒频。在不同的运行速度下，DFIG的功率输送方向也是不一样的，如果忽略双馈发电机的定转子损耗及杂散损耗，发电机的定子输出功率Ps就等于发电机转子输入机械功率Pm与转子输入功率Pr之和，即： （2.2）根据感应电机运行原理可知： （2.3） （2.4）式中，s为转差率。双馈风力发电系统在亚同步速、同步速和超同步速下的功率流向如图2.2所示。 PrPmPs(a)(b)(c)DFIGPmPsDFIGPmPsDFIGPr图2.2 双馈风力发电机运行在（a）亚同步速、（b）同步速和（c）超同步速下的功率流向Fig. 2.2 Power flow diagram of a doubly-fed induction generator under different operating region (a) sub-synchronous, (b) synchronous speed, (c) super-synchronous speed2.3 双馈风力发电机组的组成双馈风力发电机组的主要部件包括：叶片、齿轮箱、发电机、控制系统、变流器、塔架、偏航系统、轮毂、变桨装置和轴承等。当风速足够大时，风力机会以一定的速度沿低速轴承旋转，低速轴承会通过齿轮箱与双馈风力发电机的高速轴耦合，带动双馈风力发电机高速旋转，双馈风力发电机的作用是将机械能转换为电能，对于变速变桨距风力机来说，风力机的叶片本身是可以旋转的，通过这种方式可以提高风能利用效率，由于风向是不断变化的，所以需要用偏航系统来保证风力机始终对着风向，控制风力发电机的变流器可以放在机舱内也可以放在塔筒内部，机械制动器用于在紧急情况下让风力机停转，对于永磁式风电机组来说，机舱内部不含齿轮箱。双馈风力发电机组的控制系统一般由两个子系统构成：风力机控制子系统风力机控制子系统控制风力机将风能转化为机械能，除了要完成启动、停机、偏航、液压、温度等控制外，还需要完成桨距角位置的控制，以便协调发电机控制子系统完成变速控制和最大风能追踪；发电机控制子系统发电机控制子系统通过控制发电机转子的电压实现并网和最大功率追踪，是由两个PWM变流器对称连接而成，与电网相连的变流器称为网侧变流器，与发电机转子侧相连的变流器称为转子侧变流器，两个变流器均可以在整流或逆变状态下工作。网侧变流器的主要功能是： 实现网侧功率因数的控制； 保持直流母线电压的稳定； 保证网侧输入电流谐波含量少。转子侧变流器的主要功能是： 通过施加三相交流电压进行励磁，调节励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出电压与电网电压幅值、相位和频率都相同，以便实现无冲击并网； 通过解耦控制实现有、无功功率的独立调节； 实现最大风能追踪和定子侧功率因数的调节。2.4 风力机的能量转换在单位时间内，通过风力机叶片扫略面的空气所蕴含的动能可描述为： （2.5） 式中，m表示单位时间内穿过风机的空气质量（kg），表示空气速度（m/s），为空气密度（kg/m3），A为风力机叶片的扫略面积(m2)，R为风机叶片长度(m)。风力机不可能把穿过其扫略面的所有空气动能都转化为机械能，即机械能只是风能的一部分，可以用风能利用系数Cp来描述其机械能： （2.6）由（2.6）式可知，Pm与空气密度、叶轮半径R、风速和风能利用系数Cp有关，风能利用系数Cp不是一个定值，而是一个关于风力机叶尖速比和叶片攻角的函数，它描述了当风吹过风机叶片时，风机获得风能的多少，并且各种型号的风机Cp值都是不同的，Cp和可由式（2.7）和（2.9）来描述9，计算时需要知道风力机旋转角速度和风速的瞬时值，在不同桨距角下，风能利用系数Cp与风力机叶尖速比之间的关系如图2.3所示，从图中可以看出：在同一叶片桨距角下，风能利用系数与叶尖速比呈近似抛物线关系，风能利用系数的最大值对应一个最佳叶尖速比，而且，随着桨距角的增大，风能利用系数呈下降趋势，所以，要想提高风能利用系数，首先要选择合适的桨距角，其次，要找到该桨距角下的最佳叶尖速比，图2.4给出了在不同风速下7.5kW风力发电机的转速与风力机输出功率之间的关系，此时叶片的攻角为0o，从图中可以看出：在相同风速下，如果风力机的转速不同，那么风力机的输出机械功率也会不同，且随着风速的增大，风力机的输出机械功率呈上升趋势。综上所述，在一定风速下，通过改变风力机叶片的桨距角和DFIG的转速可以得到它的最大输出功率。 （2.7） （2.8） （2.9）图2.3 不同叶片攻角下风能利用系数与叶尖速比之间的关系Fig. 2.3 Relationships between power coefficient and blade tip-speed ratio under different blade pitch angle图2.4 不同风速下双馈风力发电机转速与风力机输出机械功率的关系Fig. 2.4 Relationships between electrical angular velocity of DFIG and mechanical power under different wind speed对于风力机来说，风力机的风能利用系数Cp是是始终小于1的，而且还有一个极限值，这一极限值首先是由德国哥廷根研究所的贝茨于1926年提出的，贝茨假定风轮是理想的，即没有轮毂，而叶片数是无穷多的，并且通过风轮的气流没有阻力，因此，可将风轮看成一个纯粹的能量转换器，此外还进一步假设气流在这个风力机扫略面上是均匀的，气流的流向总是沿着风力机的轴线。通过分析一个放置在空气中的理想风力机，得出它所能产生的最大功率为 （2.10）式（2.10）称为贝茨公式，将其除以气流通过扫略面A时所具有的动能，可推得风力机的理论最大转换效率为 （2.11）式（2.11）即为贝茨（Betz）理论的极限值，它说明风力机只获取了自然风的部分动能，其能量损失部分可以理解为留住在尾流中的旋转动能。因此，风力机的实际风能利用系数Cp总小于0.59310。2.5 风电机组在不同风速下的控制策略一般来说，风速相对于风电机组有三个临界点，即切入风速Vi，额定风速Vrated和切出风速Vo，切入风速表示的是能够让风力机启动的最低风速，额定风速表示的是能够让风力机的输出功率达到额定值的最小风速，切出风速表示的是风电机组所能承受的最大风速，超出该风速，风电机组将切出电网，并强制停机，根据风速的三个临界点，可以划出DFIG的四个运行阶段11，如图2.6所示。每个阶段对应着DFIG的不同运行状态和控制策略。功率（W）ABCDViVratedVo风速（m/s）Vi：切入风速Vrated：额定风速Vo：切出风速图2.5 风力机在不同风速下的运行状态Fig. 2.5 Operation status of wind turbine under different wind speeds阶段A：0VVi，该阶段为启动阶段，此时风速从零上升到切入风速。在切入风速以下时，发电机与电网相脱离，直到当风速大于或等于切入风速时发电机方可并入电网。这个区域的主要任务就是实现发电机的并网控制，在进行并网控制时，风力机控制子系统的任务是通过变桨距系统改变桨距角来调节机组的转速；发电机控制子系统的任务则是调节发电机定子电压，使其满足并网条件，并在适当的时候进行并网操作。阶段B：ViVVrated，该阶段又被分成两个运行区域，即变转速运行区域和恒转速运行区域。在变转速运行区域，风力机输出功率将随着风速的升高而增大，发电机转速也将随之升高，直至允许的最高转速（额定转速）。在这个区域，发电机控制子系统的主要任务是通过对电机转速的控制来跟踪最佳的Cp曲线，以实现最大功率追踪，在恒转速运行区域，发电机转速将保持允许的最高转速，风力机输出功率随着风速的升高继续增加，直至最大输出功率（额定功率）。阶段C：VratedVVo，该阶段为恒功率控制阶段，随着风速和功率不断增大，发电机和变流器将达到其功率极限，因此必须控制机组的功率小于其功率极限。当风速增加时，机组转速降低，Cp值迅速降低，从而保持功率不变。在功率恒定区域内实行功率控制是由风力机控制子系统通过变桨距控制实现的。2.6 小结目前已有多种类型的风电机组在商业上应用，其中变速恒频风力发电机组是其中应用最为广泛的机型，变速恒频风电机组也包括两种机型，一种是基于绕线转子的双馈异步风力发电机，另一种是基于永磁同步风力发电机，这两种机型在目前都有广泛应用，其中双馈风力发电机组具备有、无功功率可调，变流器容量小，控制灵活的诸多优点，本文以研究双馈风力发电机组为主。813 双馈风电变流器的矢量控制策略3 双馈风电变流器的矢量控制策略本章主要研究双馈风电变流器的基本控制策略，首先将详细分析DFIG和网侧变流器的数学模型，接着将讨论定子磁链估计和空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的原理与实现方法，最后将分别给出转子侧变流器和网侧变流器的控制方案。3.1 DFIG的数学模型在研究双馈发电机数学模型时，常做如下假设12：忽略空间谐波，设定、转子三相绕组均为对称绕组，且均匀分布在电机圆周 内；气隙均匀，电路、磁路呈对称分布；忽略磁滞、涡流损耗和铁耗，只考虑定、转子电流的基波分量；忽略磁路饱和，认为各绕组中的互感和自感都是恒定的；不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。此外，还规定定、转子电压和电流的正方向按电动机惯例选取，若定、转子电压和电流的正方向按发电机惯例选取，则结果是一样的，只是方程中的某些符号不同。DFIG的定子电压空间矢量方程可描述为： （3.1）式中，为定子电压矢量，为定子电阻，为定子电流矢量，为定子磁链矢量，上标“s”表示该方程是在定子坐标系中描述的。下标“s”表示该变量为DFIG的定子侧变量，同样地，转子电压空间矢量方程可描述为： （3.2）式中，为转子电压矢量，为转子电阻，为转子电流矢量，为转子磁链矢量，上标“r”表示该方程是在转子坐标系中描述的，下标“r”表示该变量为DFIG的转子侧变量。定子坐标系和转子坐标系之间的转换关系可描述为： （3.3）式中，r为转子坐标系与定子坐标系之间的夹角，即转子位置角。将式（3.3）代入式（3.2），可得转子电压空间矢量方程在定子坐标系中的描述： （3.4）式中，为转子电角速度。同理，由定子坐标系变换到同步旋转坐标系上的定、转子电压矢量方程为： （3.5） （3.6）式中，w1为同步角速度，为转差角速度。在同步旋转坐标系下的定、转子磁链方程可描述为： （3.7） （3.8）式中，Ls、Lr、Lsl、Lrl和Lm分别代表定子自感，转子自感、定子漏感、转子漏感和互感。将定、转子磁链方程代入定、转子电压方程，可得DFIG的空间矢量等效电路，如图3.1所示。图3.1 DFIG的动态等效电路Fig. 3.1 The dynamic equivalent circuit of DFIG上面从空间矢量的概念出发，推导了适合研究双馈风力发电机特性的矢量数学模型以及与其相关的数学方程，如将同步旋转坐标系中的各空间矢量用其dq分量表示，则可列写出DFIG在同步旋转坐标系下的状态方程：磁链方程： （3.9）电压方程： （3.10）电磁转矩方程： （3.11）运动方程： （3.12）式中，p为微分算子，u为电压，i为电流，为磁链，R为电阻，L为自感，Lm为定、转子的互感，下标s和r分别代表定子侧变量和转子侧变量，下表d和q分别代表同步旋转坐标系下dq轴分量，J为转动惯量，Np为电机极对数，Te和Tm分别为电磁转矩和机械转矩，F为摩擦系数。电压方程同样可分解为如式（3.13）所示的矩阵方程： （3.13）选取上式中的ids、iqs、idr、iqr和wr作为状态变量，可得双馈风力发电机的状态方程： （3.14）,通过式（3.14）足以将并网型双馈风力发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型描述清楚。3.2 网侧变流器的数学模型网侧变流器的数学模型随着参考坐标系和控制方法的不同而不同，网侧变流器的控制方法一般可归纳为四种：电压矢量控制，基于电压矢量的直接功率控制，虚拟磁链矢量控制和基于虚拟磁链的直接功率控制，本文讨论的主要是电压矢量控制。网侧变流器的基本结构如图3.2所示，变流器的交流侧连接电网，直流侧连接转子侧变流器。该变流器既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，在静止坐标系下，网侧变流器矢量形式的电压方程可描述为13： （3.15）在两相静止坐标系下，电网电压矢量可表示如下： （3.16）式中，是电网电压矢量与静止坐标系轴之间的位置角。电网电压矢量的旋转角速度为： （3.17）则在旋转坐标系上的电压矢量可表示为： （3.18）如将参考坐标系的d轴定向于电网电压矢量上，且将式（3.16）代入式（3.18），可得： （3.19）图3.2 （a）网侧变流器电路结构和（b）网侧变流器简化电路Fig. 3.2（a）The circuit diagram of the grid side converter and (b) a simplified diagram of the grid side converter从式（3.19）可以看出，电网电压矢量在旋转坐标系上仅存在d轴分量，且等于电压矢量的模值，根据式（3.15），电网电压矢量在旋转坐标系下的电压方程为： （3.20）式（3.20）的一阶微分方程形式可表示为： （3.21）式中，是输出滤波器的时间常数。将式（3.21）拆分成dq分量，可得网侧变流器在dq旋转坐标系下的数学模型： （3.22）3.3 定子磁链估计对DFIG进行转子励磁控制的首要任务是需知道定子磁链的幅值和相位，以确定参考坐标系，由于多种原因，定子磁链一般难以直接测量得到，但是可以通过多种间接方法估计得到，目前已有的方法中，U-I型观测器计算简单，而且只需要用到电机的定子电阻，但是由于存在误差累计和直流偏移等问题，估计出的定子磁链有可能存在较大误差，甚至发生积分饱和1416，采用一阶低通滤波器代替纯积分环节，可以消除上述现象，但同时也带来了磁链在幅值和相位上的误差，低速时尤为严重，由于DFIG的定子绕组直接与工频电网相连，定子磁链的频率要远大于低通滤波器的截止频率，所以这种方法基本可用于DFIG定子磁链的估计，但是实现起来比较复杂。为了进一步提高该观测器的精度，有学者提出了多种误差补偿策略1720，其中文献20提出了基于坐标变换的饱和反馈积分器，该积分器在抑制饱和与直流偏移的同时，可补偿低通滤波器的幅值和相位误差，但是其中限幅环节的取值很困难，本文根据DFIG的特点使用了两种比较实用的定子磁链观测器，第一种是U-w型观测器4。由于电机定子绕组连接工频电网，定子电抗远大于定子电阻，所以可忽略定子电阻，因此，DFIG感应电动势Es可看做等于定子侧端电压Us，而Es比s落后900，所以Es和Us位于q轴的负方向上，从而有Uds=0，Uqs=-Us。忽略定子电阻，并且将同步坐标轴的d轴定位在定子磁链上，则根据式（3.10）可得式（3.23）和式（