毕业设计（论文）-风力发电机转子电路驱动设计.doc

常州工学院毕业设计说明书摘 要 在当今石油等资源日益短缺的情况下,风能作为一种清洁的可再生能源，变得越来越受到重视。随着风力发电机单机容量不断增大，发电机并网时所造成的电流冲击不断变大，使得风力发电系统和电网的相互影响越来越复杂，因此必须对风力发电机的并网技术进行深入的研究。 在现今世界风能应用技术中，双馈发电机进行矢量控制研究技术是相对成熟的。矢量控制技术作为一种比较先进的控制策略，是在电机机电能量转换、统一理论和坐标理论的基础上发展起来的，具有新颖性、先进性和实用性。 本文首先对DIFG的运行理论进行分析，建立了DIFG数学模型，对坐标变换及运行特性进行了理论指导，为双馈电机的研究奠定了理论基础。通过对双馈型发电机的工作原理的分析，建立了交流励磁发电机的三相静止坐标系数学模型，提出了基于定子磁场定向的矢量控制策略，采用定子磁场定向的矢量控制方法实现对双馈发电机的有功功率和无功功率的独立控制。这些都是为进一步的深入研究提供了有效的理论依据。 其次，采用一种能量双向流动的双PWM变换器，满足了交流励磁发电系统励磁的需要，详细分析了三相电压型整流器的基本原理和数学模型，并确定了以电网电压定向的矢量控制策略。介绍了空间矢量脉宽调制的方法。 最后，对转子侧的电流电压进行了MATLAB的仿真 ，并对发电机的运行状态进行了研究 关键词：交流励磁，变速恒频，磁场定向矢量控制，并网同期控制 双PWM变换器MATLABAbstract Wind power as a kind of clean and renewable energy, in todays increasingly scarce resources such as oil, become more and more attention by the wind generator with single capacity increase, and generators resulted from the grid current shock kept getting bigger, make wind power systems and grid influence each other more and more complicated, so we have to investigated this in depth. In this paper, the relative fledged doubly-fed generator in wind energy application technology in the day is researched on vector control. Vector control is one of the advanced theories, which is based on motor unification principle, energy conversion and vector coordinate transformation theory. It has many advantages such as novelty,practicability and advancement. Firstly, the basic principle of variable speed wind turbine generators is introduced.According to the variable speed wind turbine operating in different regions, the basic control strategy is set out. After the analysis of its structure and its VSCF electricity generating principle, the mathematic model of the double-fed generator in static three-phase coordinate and in rotary two-phase coordinate is build. the stator field-oriented vector control method for the control of the doubly-fed generator is used. Using vector control technology, a doubly-fed generator independent of the active and reactive power control is achieved. which found the effective theory for the further studies.Secondly, It put forward and designed a dual PWM converter with the capacity of energy bidirectional flow. It also analyzed the basic theory and mathematical model of three-phase voltage source PWM rectifier. the electrical source voltage-oriented vector control strategy is issued. At last, according to VSCF doubly-fed wind turbine control system characteristic, the research based on DSP VSCF doubly-fed wind power control systemKeywords: AC-excitation, VSCF, fiux-oriented vector control, gird-connection synchronous cortrol Double PWM converter MATLAB目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论- 1 -1.1选题背景及意义- 1 -1.1.1风能的发展前景- 1 -1.1.2风能的开发利用- 1 -1.2国内外发展趋势- 1 -1.2.1国外风力发电的现状与趋势- 1 -1.2.2国内风力发电的现状和趋势- 2 -1.3风电机组的主要控制技术- 3 -1.4 论文工作的主要内容- 4 -双馈电机的理论- 5 -2.1 双馈电机调速的基本原理- 5 -2.2 双馈发电机的等效电路图- 6 -2.3双馈发电机的功率关系- 7 -2.4 小结- 7 -第三章 转子侧PWM变换器及其对DFIG的运行控制- 8 -3.1 双PWM变换器的性能要求及特点- 8 -3.2双馈电机的数学模型- 9 -3.3静止坐标系下的DFIG数学模型- 9 -3.4各种坐标之间的变换- 11 -3.5 定子磁链定向矢量控制- 13 -3.51 转子侧变换器控制- 15 -3.6小结- 16 -第四章 风力发电机的空载并网控制- 17 -4.1研究风力发电并网技术的必要性- 17 -4.1.1 并网型风力发电的特点- 18 -4.1.2采用异步机作为风力发电机的几种并网方式比较- 18 -4.1.3双馈发电机系统的并网运行- 19 -4.2双馈风力发电机并网控制- 20 -4.2.1变速恒频双馈发电机控制策略- 20 -4.3小结- 21 -第五章无刷双馈电机运行仿真- 22 -5.1仿真模型的建立- 22 -5.2无刷双馈电机开环系统的建模- 22 -5.3运行特性的仿真与分析- 25 -5.3.1单馈运行动态仿真与特性分析- 25 -5.3.2同步运行动态仿真与特性分析- 27 -5.4本章小结- 28 -第六章 小结与展望29致谢30参考文献3133第一章绪论第一章绪论1.1选题背景及意义 能源短缺和环境污染是当今人类面临的两大重要难题。随着世界人口的不断增加和全球经济的快速发展，人类对能源的需求不断增加，然而煤、石油等为主的常规能源的资源是有限的，而且利用这些能源时会给环境造成严重的污染。面对日益短缺的资源状况，全世界必须采取节流开源的战略。一方面是节约能源，另一方面是找到新的课代替的能源，大力开发利用可再生能源，是可持续发展的道路。风能、太阳能等可再生资源已在世界范围内受到重视。1.1.1风能的发展前景 风力发电是新能源中技术最成熟、最具有规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。同时风能资源又是清洁能源，根据国际绿色和平组织和世界风能协会共同发布的风力12预计，2020年世界电力12%将来自风电，将大大减少因火力发电给大气层带来的危害。风能的合理开发和利用可以缓解目前能源匮乏及燃料资源对环境带来的污染问题，在远期可能成为世界上重要的替代能源。1.1.2风能的开发利用 风能跟阳光一样，是取之不尽、用之不竭的可再生能源;风力发电没有燃料短缺问题，不会产生辐射和二氧化碳公害。风力仪器要比太阳能仪器便宜九成之多。中国风能储存量很大，分布面积广，甚至比水能还要丰富。合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻当今社会越来越大的能源短缺压力。1.2国内外发展趋势 风力发电的过程就是风能经过风叶将机械能转换为电能的过程，风力发电的两个主要部件是风力机和发电机，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能装换为电能。这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构，因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电机技术的研究重点。1.2.1国外风力发电的现状与趋势在众多新型可再生能源中，风能是分布范围广泛的，风力发电技术比较成熟而且成本相对较低，最具有大规模开发和商业化发展前景，因此风力发电在改善能源结构以及节能减排方面的作用受到了人们越来越多的关注，成为目前国际上可再生能源领域发展最快的清洁能源。 风电技术发展迅速，水平轴风电机组技术成为主流，占到95以上的市场份额；风电机组单机容量持续增大，世界上主流机型已经从2000年的 5001000kW增加到2007年的25MW；变桨距功率调节方式由于载荷控制平稳、安全和高效等优点得到迅猛发展，在大型风电机组上得到广泛采用；风能的大规模开发今后将更多依赖于规模化、系列化和标准化，以降低成本提高效益；随着关键技术和装备的逐渐成熟，海上风电开发将是未来发展的一个重要方向，MW级海上风电机组的商业化已经成为世界风能利用的新趋势。与此同时，各种新技术和新装备的应用、标准与规范的完善、产品质量的提升和风电市场的规范，也为风电产业长远持续发展奠定了坚实的基础。1.2.2国内风力发电的现状和趋势 能源和环境危机与国民经济可持续发展之间的矛盾，促进了风力发电产业的迅速发展，风电在我国能源结构中的地位日益受到重视。中国发展并网风力发电始于 1990年，到2004 年年底，全国的风力发电装机容量约有76.4万kW；2005年2月可再生能源法颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过60，总容量达到了126 万kW；2006年当年新增装机容量超过100，累计装机容量超过259.7万kW；2007年又新增装机容量330万kW，累计装机容量达到604万 kW，一跃成为世界上最主要的风电市场之一。国家提出的2010年完成500万kW的目标已提前3年于2007年实现，根据相关部门预测，到2010年我国的风电装机将达到14001500万kW，而如果保障得力，到2020年有望实现1.21.5亿kW。在国家政策扶持和市场拉动下，我国风电产业得到了长足的发展，一大批有实力的企业纷纷涉足，国外跨国公司也积极在国内组建生产企业，风电产业整体上呈现出百花齐放、百舸争流的繁荣景象。目前国内已有60多家风电整机制造企业，包括MW级机组在内的国产风电装备陆续下线并投入运行，国产风电装备的技术水平和质量都有了很大的提高，产能迅速提升。 另一方面，由于风力发电是一项跨学科、跨领域、跨部门的系统工程，加上国内在相关领域的基础薄弱，我国风电产业的自主发展也存在着基础技术研究和自主创新实力匮乏、产业化程度低等问题，还远远不能满足风力发电发展的要求，加快自主风电产业的研究建设是当前和未来一段时期风力发电发展的核心任务。1）风力发电装备企业大多仍处于产业化初期阶段 我国风电产业呈现迅猛发展的势头，但由于涉足时间比较短，除少数几家企业外，大多数企业的产业化程度仍比较低，产品大多仍还处在样机研制和实验考核阶段。而即使是国内领先的风电机组企业，其总体产业规模相对来说仍然比较小，大多处于产业化初期阶段，风电装备产业整体竞争实力距离世界先进水平还有较大差距。（2）体系逐渐健全但仍需解决瓶颈问题 在国家政策以及各级政府科研项目的支持下，经过企业、高校和科研单位的共同努力，我国风电产业的技术水平已经有了大幅度的提高，风电整机、叶片、齿轮箱和发电机等领域的产业规模和技术水平基本能够满足我国市场的需要；但另一方面，在偏航轴承、变桨电机、主轴、电控系统和变流器等一些关键零部件领域，技术和规模还远远不能满足我国风电产业发展的要求，特别是风电机组电控系统和变流器，目前仍主要依赖进口。风电产业链中关键零部件技术的缺失，使得我国的风力发电发展受到了很大的影响。一方面，关键零部件受制于人在一定程度上威胁着我国风电整机企业和风力发电产业的战略安全；另一方面，大量的进口部件直接抬高了风电机组的造价，对国内风电产业的整体效益和健康发展产生非常不利的影响。（3）基础技术研究和自主创新实力还比较薄弱 当前国内风力发电装备企业的技术（特别是关键核心技术）绝大多数是通过引进许可证以及联合开发等形式获得，大多没有完全自主的知识产权，国内企业基本不具有自主设计、自主开发的实力。受此影响，我国风电产业的发展存在“重产品和市场推广、轻设计和研发”的问题。自主设计技术缺失，使得我国的风电产业存在“空心化”的危险，核心技术、关键装备的主动权和主要利润目前仍都掌握在国外企业手中。受市场压力等因素的影响，我国前期风力发电技术的研究更多关注具体装置和产品的研制和开发，但在风力发电基础技术研究领域的投入严重不足。我国风电产业今后在技术竞争、市场开拓、提高经济效益等方面仍面临巨大的国际竞争压力和挑战。1.3风电机组的主要控制技术 发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电机可分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术。1.4 论文工作的主要内容 变速恒频双反馈发电机组能够良好运行的前提条件是机组能够顺利并网，然而随着风力发电机组单机容量越来越大，发电机并网时造成的电流冲击已经不能忽视。因此必须对风力发电机并网技术进行深入的研究。本文在研究交流励磁变速恒频风力发电理论(包括变速恒频的运行机理、交流励磁发电机的矢量变换控制)的基础上，提出了交流励磁变速恒频发电机空载并网同期控制策略，具体有以下几方面： 1、以交流励磁双馈异步发电机作为研究对象，介绍了变速恒频的风力发电技术及交流励磁风力发电机的并网技术的研究现状，给出了风力发电机变速恒频的基本原理。 2、对双馈型变速恒频风力发电机进行了矢量控制模型分析。双馈变速恒频风力发电机室一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。若用常规的控制方法将十分复杂，而且写过难以令人满意，而矢量控制可以简化电机内部各变量间的耦合关系，简化控制。 3、在DFIG转子励磁电源的研究中分析了双PWM型变换器的特点，讨论了网侧变换器的控制方法。 4、介绍了交流励磁变速恒频风力发电机的空载并网同期控制策略，建立了发电机在空载时的数学模型，在此基础上运用MATLAB软件中搭建了电机模型，并给出了MATLAB的仿真结果。第二章双馈电机的理论第2章 双馈电机的理论2.1 双馈电机调速的基本原理 无刷双馈电机相当于2台交流电机同轴相连，如图2.1所示。电机定子上装有2套绕组，一套通常接工频电源，级数为2p，称为功率绕组;另一套接控制电源，级数为2q，称为控制绕组。这两套的绕组没有直接进行电磁耦合，而是通过转子绕组间接进行电磁功率的传递。所以通常转子线圈的组数应pr满足：Pr=2p+2q，且 p=q（1）调速原理： 如图2.1所示。功率绕组接入频率f1，电压为U1的三相固定电源，控制绕组接入频率为f2和电压幅值为U2的可调电源。设电机运转转速为n。则电机气隙产生磁场的同步转速为ns1=60f1/p 图2.1 无刷双馈电机结构示意图 转差率： （2-1） 则转子绕组感应电流频率为：即 （2-2） 由于转子特殊的同心式笼型绕组结构式一个级数转换器，可将转子中p对级数感应电流转换为q对级数电流。 设频率的电流所产生的气隙磁场同步转速ns2，则 转差率： 则定子控制绕组中的频率： 即 （2-3） 由（2）式和（3）式可知： （2-4） 由（2-4）可知，当风力发电机转速发生变化时，调节频率f2，因而可以实现电机的调速。当f2=0时，变流器向转子提供直流励磁，电机相当于运行同步状态发；当f20时，电机运行在亚同步状态，变流器相转子提供交流励磁，定子发出电能给电网;当f20时，电机运行于超同步状态，此时定子和转子同时向电网输送电能。2.2 双馈发电机的等效电路图如图2.2 是双馈电机的等效电路图，其中s为发电机的转差率。定子侧截图电网所以定子侧的磁场是恒定的。由于定子磁场和七喜磁场励磁回路的串联关系，又因为定子磁场是恒定的，所以定子磁场的励磁电流可以从定转子两方面获得，这样通过控制转子侧的励磁电流就可以控制电机定子侧从电网吸收无功功率，起到调节功率因素的作用。 2.2无刷双馈电机等效电路图 双馈电机的转子绕组总是有两个频率一样的电源。一个是转子感应电势Er，另一个是转子绕组的外加电压Ur，Er是一受双馈电机的转差率和定子侧电流约束的电压源。调节Ur的幅值和相位，就可以控制双馈电机转子侧的有功功率和无功功率。由以上分析可知，无刷双馈电机转子绕组的转差功率通过气隙传递给控制绕组，并反馈给电网，电流与控制绕组中的电流相互作用产生电磁转矩，因而在运动中能力得到充分利用；控制绕组的输出功率为转差功率，所需的变频装置的容量较低、电机无电环，碳刷装置，可靠性高。2.3双馈发电机的功率关系 电机是一种机电能量的转换装置，在各种电机中都存在一个气隙磁场。对双馈电机来说，从转子输入的机械能克服气隙磁场中导体所受的电磁力而做功，使道题不断感应电势从而源源不断地发出电能，实现机械能转变为电能的作用。1、 定子功率方程： （2-5）式中，Pm为电磁功率；Pcu1为定子绕组的铜耗；P1为定子输出的电功率。2、 转子功率方程： （2-6）式中，P2为转子输入（输出）电功率；Pcu2为转子绕组的铜耗；Pe2为转子绕组传递的电功率。3、 机械功率方程： （2-7） 转子绕组传送的电功率Pe2为电磁功率Pm乘以转差率s。对于发电机Pm为固定值，因此当是s0时表示转子从变频电源获取电功率。2.4 小结本章介绍了双馈发电机的优势，总结了变速恒频的原理，即当发电机转速发生变化时，一样通过调节转子励磁电流频率从而保持定子输出电能频率恒定，并给出了交流励磁发电机的能量关系。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第三章 转子侧PWM变换器及其对DFIG的运行控制3.1 双PWM变换器的性能要求及特点 双PWM变换器的拓扑图如图3.1 ，由图3.1可见，电机转子侧的PWM变换器是连接王策PWM变换器和双馈发电机的最主要部件。双馈发电机以及整个风力发电控制都是通过转子侧PWM变换器来实现的。因此转子侧PWM变换器的控制有效与否与整个双馈风力发电系统的性能息息相关。 3.1 PWM变换器拓扑图 转子侧PWM变换器的主要功能是在转子侧实现双馈电机的矢量控制，确保有功功率和无功功率的独立调节；根据风速的不断变化，实现最大风能捕获运行。在这个过程中，转子侧PWM变换器控制着双馈发电机的运行。 为了有效实现对双馈发电机以及整个风力发电系统的控制，转子侧PWM变换器的控制方案应该以控制双馈发电机的运行特定制。双馈发电系统是一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统，用一般的方法很难有效实现控制。因此未来实现对双馈发电机的有功和无功功率控制，二者必须解耦，即通过坐标变换的方法简化双馈发电机的数学模型，是转子电流的有功无功分量实现解耦。控制转子侧电流就可以实现双馈发电机的有功和无功功率的解耦控制，从而使双馈发电机运行在风里机的最佳功率曲线是，实现最大风能的捕获运行。 根据以上的DFIG转子侧控制的主要目的就是通过对风能惯例发电机转速的控制，让转子转速跟踪风力输出的变化，使定子侧输出的频率恒定，从而实现变速恒频。在第二章中，已经机那里了DFIG的数学模型，静止三相坐标系下的DFIG比较复杂不利于控制系统的设计，同步旋转坐标系下的DFIG模型则相对简单，且在同步旋转坐标下的电流，电压等矢量都可以看做相对静止的直流量，从而可以将直流调速的方法运用到同步旋转坐标下的家里调速系统中。3.2双馈电机的数学模型 在讨论DFIG在三相静止坐标系下和两同步速旋转坐标系下的数学模型时，定子绕组采用发电机贯例，定子电流以流出为正；转子绕组采用电动机惯例，转子电流以流入 为正。为了便于分析问题，假定条件如下：忽略磁饱和空间谐波，设三相绕组对称，均为星形连接，磁动势沿气隙正弦分布；不考虑温度对电机参数的影响；转子绕组折算到定子侧，折算后每相绕组匝数相等。图3.2 三相静止abc坐标系下的数学模型 3.3静止坐标系下的DFIG数学模型 首先列写静止坐标系下的DFIG数学模型，为了便于分析分问题，通常作如下的假设：1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120。电角度，所产生的磁动势沿气隙按争先规律分布；2）忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；3）忽略铁心损耗；4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；5）如没有特别说明，转子侧的参数都折算到定子侧的参数，折算后的定子和转子绕组匝数相等。 （1）电压方程 三相定子电压方程为 （3-1）三相转子电压方程： （3-2） 式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc分别为定、转子相电压瞬时值； iA，iB，iC，ia，ib，ic分别为定、转子相电流瞬时值；A，B，C，a，b，c 分别为定、转子各项磁链。 将其转化为矩阵形式： （3-3）（2）磁链方程 （3-4）其中： （3-5） （3-6） 。 （3-7） 式中：是定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；是转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；，分别为定、转子漏电感；为转子的位置角。（3） 转矩方程 （3-8） （4）运动方程 （3-9） 式中：为风力提供的拖动转矩；J为机组的转动惯量。3.4各种坐标之间的变换 矢量控制技术是应用最广泛的一种交流电机控制方式，通过空间矢量坐标变换，三相交流电机模型可等效为两相电机模型，转换后电机功率值不变，电机原来的耦合项实现解耦，所需控制目标可达到独立控制。对于双馈风力发电机系统，电机定、转子的电流分别是工频和转差率的交流量，是一个强耦合系统，应用矢量控制技术将实际的交流量分解成有功分量和无功分量，并分别对这两个分量进行闭环控制。空间矢量坐标变换原理如图5.8 所示，三相交流电机的定子转子电压、电流、磁链均可表示为三相静止坐标系上的空间矢量投影至两相静止坐标系上的空间矢量；投影至旋转角速度为的两相旋转坐标系，可转变为空间矢量，静止坐标系与旋转坐标系之间的转换角为。这些变换都为等效变化，即在任何坐标系下，器合成空间矢量都为同一空间矢量S。 图3.2 空间矢量变换图 三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标公式： （3-10） 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换公式： （3-11）式中，两相旋转坐标系与两相静止坐标系之间夹角。 由式1 2可得，三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换公式： （3-12） 上述公式左右两端均乘以系数矩阵的逆矩阵，即可得到上述坐标变换的逆变公式： （3-13） （3-14） （3-15） 3.5 定子磁链定向矢量控制与普通的三相交流电机一样，三相静止坐标系下DFIG的数学模型是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的系统，很难进行控制系统的分析与设计。为了实现对DFIG有功、无功功率的有效控制，因此必须对其解耦，因而可把交流调速中的矢量控制技术应用于DFIG的有功、无功解耦控制中，即通过坐标变换，使转子电流的有功分量与无功分量实现解耦，控制转子电流的有功分量和无功分量就可以实现DGIG的有功和无功功率的有效、解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电系统的控制目标。两相旋转坐标系下 进一步将静止坐标系下的DFIG数学模型转化为旋转坐标系下，其电压方程和磁链方程为： （3-16） （3-17）考虑到双馈电机不论是电动状态还是发电状态，都始终运行在工频50Hz样的频率下，定子电阻压降远比电抗压降和电机反电视小，通常可以忽略电机定子绕组电阻。由定子电压式可以看出，忽略电机定子绕组电阻后，定子磁连矢量，比定子电压矢量，领先90。当选择M-T坐标系的M轴沿定向时，有： （3-18） （3-19） 为了进行发电机有功功率P和无功功率Q的独立调节，写出M-T坐标系下发电机定子的功率表达式为： （3-20） 式中，3/2为案件布点原则引入的坐标变换系数，将式（3-9）带入（3-11）得： （3-21） 根据磁链方程（3-8）导出定子磁链方程并得出： （3-22） 转子磁链方程转化有： （3-23） 根据同步旋转电压方程得到转子电压方程： （3-24）式中：，。 ，为实现 转子电压、电流解耦控制的解耦项；，为现出M、T轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项，就获得实现P，Q独立调节的M-T坐标系中的转子分量电压，通过2/3旋转变换，可得到发电机转子三相电压，次电压可用作励磁变频电源中所需的PWM指令。控制PWM变频器产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电压，就可最终实现发电机功率控制、转速调节以及最大风能捕获运行。 3.51 转子侧变换器控制 双馈电机在作发电机并网时，只要电网电压保持恒定，矢量控制给予定子磁场的定向控制，采用双通道分别控制双馈发电机转子电流转矩分量和励磁分量的办法，可实现定子端口有功功率和无功功率的解耦控制。其中转矩电流分量时采用定子有功功率外环、电流内环的双闭环控制方式，励磁电流分量采用定子无功功率外环、电流内环的双闭环控制方式。这种控制方式被称为电流控制模式，在速度允许范围内，功率是变化可控的。 两项同步旋转坐标系下，在式中， （3-24）令 从而通过加入前馈补偿项到，以消除转子电流dq分量交叉耦合以及反电势项的影响，可参考电压指令值如下： （3-25） （3-26）由电磁转矩方程，电磁转矩表达式可简化表示为 （3-25） 3.6小结 本章总结了DFIG的特点及其在变速恒频风力发电中的优势，说明了DFIG实现变速恒频运行的原理。档发电机转速发生变化时，可以调节转子励磁电流频率从而保持定子输出电能频率恒定。介绍了坐标变换理论，推导了DFIG的数学模型，为交流励磁变速恒频风力发电系统的运行特征分析和控制方法奠定了理论基础。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第四章 风力发电机的空载并网控制4.1研究风力发电并网技术的必要性 从世界各国风电场运行的经验来看，大规模风电场接入电网的主要问题是电能质量问题、电网稳定性以及并网过程对电网的冲击。风力发电作为一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源的发电的特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定、经济运行等诸多方面带来的负面影响。随着风电场规模的的不断扩大，风电特性对电网的影响也越来越明显，成为制约风电场规模与容量的重要因素。 由于风速的随机性。风速扰动可引起系统电压、频率的变化，严重时对系统的稳定性产生非常不利的影响。风电场输出功率的波动对于电网电压及系统频率的影响会随着风力发电比例的提高而加剧。在风电比例较高的电网，风电场输出功率及系统负荷的变化，使得电网稳定运行成为一个主要的问题。而随着风力发电机组单机容量的增大，在并网时对电网的冲击也越大。这种冲击不仅引起电力系统电压的大幅度下降，而且可能引发发电机与机械部件的损坏。如并网时间过长，还可能造成系统解列以及影响其他发电机组的正常运行。因此，如何安全、顺利、快速的并网已成为风力发电实际中不可忽略的环节。 风能并网要考虑对电能质量的影响。风速变化、潮流等会引起风电功率的波动与机组频繁启停。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网频率与敏感负荷的正常工作。风电功率的波动优惠引起电压不稳定，如电压波动、电压闪变、电压跌落等。而且并网后风电会给电网带来谐波电流，减少谐波对电网带来的污染也是有待解决的。 其次是电网稳定性的影响。风电功率注入电网，会引起电网功率不平衡，风电场附近局部电网的电压和联络线功率会超出安全范围，严重时甚至会导致电压崩溃，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电电网吸收大量的无功功率，所以，为补偿风电场的无功，风力发电机配有功率因素校正装置。无功补偿过程往往造成电网电压水平恶化，严重时引起电压崩溃。随着风电场规模扩大，在系统中所占比列也在增大，风力发电对电网的冲击也随之增大，影响电网的稳定性。 再就是并网过程对电网冲击。风力发电机组并网过程会产生一倍额定电流的冲击电流。对容量较小的电网而言，风电场并网过程会产生一倍而定电流的冲击电流。对容量较小的电网而言，风电场并网瞬间会引起电网电压大幅度下降，从而影响整个电网的稳定与安全。 综上所诉，风电并网，对电网的稳定性和电能的影响是不可忽略的，这些问题不仅仅影响用户的正常用电，处理不当甚至引起电网的崩溃，同时也制约着风力发电产业的发展。第五章 无刷双馈电机运行仿真4.1.1 并网型风力发电的特点 一般而言大型风电场并网具有以下特点: 输入风能的变化具有随机性；风力发电以自然风为原动力，自然风不可控，且风能很难大量粗村，因此，风电机组具有有功功率规律性差，难以预测。大多风电场距电力主系统和 负荷中西较远，所以一般风电场与薄弱地方的电力系统相连；风能资源丰富地区一般距负荷中西较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。 风电场单机容量小、数量多。风能的能量密度低，要获得相同的发电 容量。风力机尺寸比相应的顺论及大几十倍，限制了风电机组的单机容量，目前世界上投运的最大风电机组仅为5MW。 含异步发电机的风力发电机组运行时向电网送有功功率、吸无功功率；固定转速风电机组异步发电机吸收无功功率，无功功率不可控；而变速风机组双馈异步电机和直驱风电机组永磁同步机无功功率可控，目前国内风电机组一般按功率因数控制（功率因数通常为1.0）.。4.1.2采用异步机作为风力发电机的几种并网方式比较1、 空载并网方式空载并网方式控制结构如图4.1 所示，其主要思路是并网前双馈发电机空载，定子电流为零，提取电网的电压信息（包括频率，相位，幅值）作为依据实现双馈发电机控制系统的励磁调节，使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致。 图4.1 DFIG空载并网控制系统结构图空载并网控制相对简单，并网过程中几乎没有冲击电流。并网后，由于发电机和电网保持柔性连接，定子电流仍然基本为0，并不向电网送电。当控制切换到最大功率点跟踪后，能实现双馈风力系统的并网发电2、独立负载并网 独立负载并网方式如图4.2所示，负载并网时，风力机定子侧接阻性负载，在负载两端建立于电网频率、相位幅值一致的电压，然后进行并网。 图4.2 独立负载并网方式 负载并网同样能够实现无冲击并网，并网后，DFIG可以切除负载运行，定子侧功率全部输入电网。若并网时所带电阻为需要继续供电的本地负载，则也可以带负载运行，定子侧输出能量线满足本地负载所需，多余的输送至电网，构成分布式发电系统。 负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制。降低了对风力发电机调速能量的要求，但控制较为复杂。4.1.3双馈发电机系统的并网运行双馈发电机定子三相绕组直接与电网相连，转子绕组经PWM变流器联入电网。这种系统并网运行的特点如下。 （1）风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由PWM控制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本无电流冲击。对于无初始启动转矩的风力发电机组在静止状态下的启动，可由双馈电机运行于电动机工况来实现。 （2）风力发电机的转速可随风负载的变化及时作出相应的调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。 （3）双馈发电机的励磁可调量有3个：励磁电流的频率、幅值和相位。调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力；通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，所以，调节励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。4.2双馈风力发电机并网控制 并网控制策略是在风力发电机组启动阶段，对发电机进行并网前的调节以满足并网条件。通过交流励磁变流器调解转子励磁电流，使得发电机定子发出的电压和电网电压的幅值、相位以及频率均相同。4.2.1变速恒频双馈发电机控制策略双馈风力发电机并网控制方式与直流励磁同步发电机及通常的异步发电机有所不同。同步发电机并网主要是刚性连接，发电机输出的频率完全取决于发电机的转速，与励磁无关，因此并网后运行时，发电机的转速也应该始终保持恒定。但是风速是时大时小，随机变化的，并网时的调速性能很难达到发电机的要求。普通的异步发电机并网运行时，由于通过转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，不需要完全同步，只要转速接近同步转速就可以并网，主要的并网方式有：直接并网方式、准同步并网方式及降压并网方式的呢过。相当于上述两类发电机，变速恒频双馈型风力发电机能够实现与电网的柔性连接，大大减少了并网时对电网的冲击。并网时，根据检测到得电网电压以及发电机的转速，通过调节转子励磁电流大小似的定子发出的电压满足并网条件。双馈发电系统并网运行过程分为三个阶段:并网前的控制运行、并网时的过渡过程以及并网后的最大风能跟踪过程。风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由变流器控制转子励磁电流进行并网匹配，以便于迅速地并入电网。并网成功后，控制系统由并网控制切换到最大风能跟踪的发电控制模式，如图 4.3所示 图 4.3变速恒频双馈发电机控制策略切换框图 研究DFIG空载并网控制的原理，需建立DFIG的空载数学模型。 定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例时，dq坐标系中DFIG电压方程式为： （4-1） 磁链方程式为： （4-2） 式中，为定、转子绕组等效电阻；为d，q轴定、转子绕组自感及互感；为d，q轴定、转子电流；为d，q定、转子电压；为d，q轴定子转子磁链；为同步角速度和滑差角速度。电机空载运行时有将式4-1代入式4-2中，可以得到 （4-3）运动方程和电磁转矩方程简化为 （4-4）式（4-4）即为发电机空载运行时的数学模型。4.3小结 详细分析了风力发电机并网的重要性，并且对两种并网方式做了研究即负载并网方式和空载并网方式，比较了两者的优缺点。其次对变速恒频发电机控制策略进行了研究，研究了DFIG的并网控制原理，建立了DFIG空载运行时的数学模型。 第五章无刷双馈电机运行仿真5.1仿真模型的建立随着控制理论和控制系统的迅速发展，对控制效果的要求越来越高，控制算法也越来越复杂，因而控制器的设计也越来越困难。于是自然地出现了控制系统地计算机辅助设计技术。近30年来，控制系统的计算机辅助设计技术的发展已经达到了相当高的水平，出现了很多的计算机辅助设计语言和应用软件。目前，MATLAB (Matrix Laboratory)是当今国际上最流行的控制系统辅助设计的语言和软件工具。MATLAB是由Math Works公司开发的一种