（机械电子工程专业论文）变速恒频双馈风力发电机励磁系统研究.pdf

摘要 近年来，风能作为一种可再生的清洁能源日益受到世界各国的广泛重视， 风力发电快速发展己有将近2 0 年的历史，其中基于变速恒频技术的交流励磁风 力发电机发电方案己经是风力发电中的一大重点课题。交流励磁发电机作为发 电机运行的风力发电系统，利用变速恒频技术后可大大提高风能的利用率。交 流励磁发电机可改善电力系统稳定性，转子转速可变，具有独立的有功无功调 节能力，特别适用于风力发电。 本文在传统风力发电的基础上，致力于研究变速恒频风力发电技术，以作 为变速恒频风力发电机用的交流励磁双馈电机为主要研究对象，进行了深入的 研究，主要包括以下几方面： 1 给出了风能的相关知识及其开发利用、风力发电的国内外发展现状，列 举了目前世界上几种风电技术，预测出未来风力发电技术的发展方向，介绍了 交流励磁双馈电机发展概况和国内外研究现状。 2 研究了交流励磁风力发电机作变速恒频运行时的工作原理和优势，推导 了交流励磁发电机在a - b - c 坐标系和d - q 坐标系下的数学模型，并分析了其运行 特性、有功功率和无功功率。 3 分析了常用发电机的励磁方式，通过对交流励磁发电机的三相静止坐标 系数学模型和两相旋转坐标系数学模型的研究，提出了基于定子磁场定向的矢 量控制策略，设计了一种能量双向流动的双p w m 变频器，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p w m 整流器的基本原理和数学模型。 4 对双p w m 变换器进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真，结果表明能够很好的满足 交流励磁发电系统的需要，同时对整个发电机系统进行仿真，得到结果在输入 风速变化的情况下，经过一段响应时间，能够得到比较好的波形。 本文研究结果表明，采用定子磁场定向矢量控制的交流励磁风力发电机系 统具有许多优越的性能，能够基本保证输出电压的恒频恒压。 关键词：风力发电，变速恒频，交流励磁，矢量控制 a b s t r a c t hl a t e l yy e a r s p e o p l ew i d e l yp a ya t t e n t i o nt ow i n de n e r g yb e c a u s ei ti sa r e g e n e r a t e dc l e a ne n e r g y i tb e g a nd e v e l o p m e n ti nh i 曲r a t e2 0y e a r sb e f o r e i ti sa f a c tt h a tt h ev a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c yf v s c f ) a ce x i t e dw i n dg e n e r a t o r s y s t e mi sam a i ns u b j e c ti nt h ew i n de l e c t r i cp o w e rg e n e r a t o rs c h e m e s i tv e r yf i t sf o r w i n de l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nw i t hv s c fb e c a u s ei tc a nc a p t u r ea sm u c he n e r g y 勰 p o s s i b l e a 1 5 0a ce x i t e dg e n e r a t o rh a v em a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s , i tm a y i m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m , i t sr o t o rs p e e dm a ya d j u s t a b l e , i th a s a b i l i t i e s f o ra c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i n gi ns e l f - h e l pw a y s , s oi te s p e c i a l l y a p p l i e di nw i n de l e c t r i cp o w e rp l a n ta n dp u m p e d - s t o r a g eh y d r a u l i cp o w e rp l a n t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h et r a d i t i o n a lw i n dp o w e rg e n e r a t i o n , t h ev a r i a b l e - s p e e d c o n s t a n t - f r e q u e n c yg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi sm a i n l yr e s e a r c h e d , ac o m p r e h e n s i v e r e s e a r c ho nt h ed f i gw i t hc a g er o t o ru s e di nt h ev a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c y w i n dp o w e rg e n e r a t i o n t h ef o l l o w i n gi t e m sa r ei n c l u d e d ： 1 t h ei n t e r r e l a t e dk n o w l e d g e d e v e l o p m e n t sa n du t i l i z a t i o n so fw i n de n e r g ya r ：e g i v e na n dt h es t a t eo fw i n dp o w e rg e n e r a t i o na th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e da n d s o m et e c l m o l o g i e si nt h ew o r l dt o d a ya r er e g i s t e r e da n dt h ed i r e c t i o no fw i n dp o w e r g e n e r a t i o nm c h n o l o g yi sf o r e c a s t e di nt h i sp a p e r 2 a n a l y s e st h ew o r kp r i n e i f l l eo fa ce x c i t a t i o nw i n dp o w e rg e n e r a t o ra ss h i f t g e a r sa n dc o n s t a n tf r e q u e n c ya n dd e d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e li na b - c t h r e e - p h a s e c o o r d i n a t ea n d d - qc o o r d i n a t e , a n da n a l y s e s t h er e l a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i s ma n de n e r g yb a l a n c e 3 r e s e a r c ho nt h ee x c i t a t i o ns t y l eo fs i m p l eg e n e r a t o r s a f t e rs t u d y i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e ii ns t a t i ct h r c e - p h a s ac o o r d i n a t ea n di nr o t a r y t w o - p h a s e c o o r d i n a t e t h es t a t o rf i e l d - o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi si s s u e d i tp u tf o r w a r d a n dd e s i g n e dad u a lp w mo g n v e r t e tw i t ht h ec a p a c i t yo fe n e r g yb i d i r e c t i o n a lf l o w i t a l s oa n a l y z e dt h eb a s i ct h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c e p r mr e c t i f i e r 4 n l ec o r ed e v i c eo ft h ee x c i t a t i o ns y s t e mn a m e ds p w mf r e q u e n c yi n v e r t e ri s s t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n v e r t e rc a l ls a t i s f yt h ed e m a n do fa c e x c i t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o na n da n a l y s e so ft h ew h o l es y s t e ma n dc o n t r o l ， s t r a t e g va r ec a r r i e dt h r o u g hi nm a t l a b s i m u l i n ks o f t 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ev e c t o rc o n t r o la ce x c i t e dg e n e r a t o rh a sb e t t e r d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de u s u r et h eo u t p u tv o l t a g ei sc o n s t a n tf r e q u e n c ya n d c o n s t a n tv o l t a g eb a s i c a l l y k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，v a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y , a ce x c i t e d ， v e c t o re o n t r 0 1 i j 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 蘸建日期：丝z ：呈竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：趣 导师签名：习豸日期 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 们s 1 e 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的意义及背景 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 破坏已为越来越多的国家所共识。因此，尽可能多地利用洁净能源代替含碳量 高的燃料是当今世界能源发展的必然趋势。 风力发电是世界上增长最快的可再生能源，是未来基于可持续发展和零污 染电能的一线希望，其开发利用是最终解决常规能源尤其是化石能源带来的能 源短缺、环境污染以及温室效应等问题的有效途径之一。 根据世界能源组织1 9 9 9 年制订的风能1 0 0 报告，经过科学测算，今后 风力发电年增长均在3 0 以上，并预测到2 0 2 0 年，全世界风电装机总容量将达 1 2 6 0 g w ，年发电量将达到世界电能总需求量的1 2 。 风能的开发利用不仅资源丰富，而且在众多的新能源的开发中，还有以下 几方面的优势l i j ：( 1 ) 风能是一种清洁的可再生能源。风能取之不尽，用之不竭， 不会对环境造成污染。( 2 ) 风力发电技术日趋成熟。风力发电机单机容量不断增 大，发电质量不断提高，己成为一种安全可靠的能源，具备了大规模开发的条 件，国际上己出现了兆瓦级风电机组和数百兆瓦的大型风电场。( 3 ) 风力发电的 经济性日益提高。( 4 ) 风电场建设周期短。单台风电机组的安装仅需要几个星期， 并可多台同时安装。建设一个风电场，从土建、安装到投产，仅需要半年至一 年时间。而煤电、核电和水电的建设周期约需要三年至十年，这是无可比拟的。 ( 5 ) 风力发电占地少。塔架与监控系统及输变电建筑仅占电场的1 的土地，其余 9 9 的广大土地仍然可供农、林和牧使用，提高了土地的利用率。( 6 ) 风力发电 运行成本低廉。同容量的火电厂和风电场，运行管理人员的比例约为2 0 ：l ，并 且只需要少量的设备维护费。 当今，几乎所有的发达国家均将风能的开发利用列入本国2 1 世纪最重要的 任务。除在财政上予以大力支持外，还制定了相应的法律和法规扶持风能的开 发利用。 武汉理工大学硕士学位论文 中国具有丰富的风能资源，可开发利用的地区占全国总面积的7 6 。我国是 世界上风力资源较为丰的国家之一，全国陆地可开发利用的风能约为2 51 w ， 海上可开发利用的风能为7 5t w ，而2 0 0 2 年全国电力总装机约为3 5t w 。我国 在风电场的开发利用、并网型风力发电机组的商业化开发及离网型风力发电机 组应用推广方面，近十几年有长足的发展。特别是在解决常规电网外无电地区 农牧渔民用电方面中国走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界 第一。经过几十年发展，风力发电己成为当今新能源中技术上、经济上最成熟 的发电技术。 。 风电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量和提高转换效率的方 向发展。变速恒频风力发电机组正在成为风力发电的主力机型，在大型变速恒 频风电机组的研制方面，我国还处于起步阶段。因此，跟踪国外技术的发展， 结合国清，深入研究大型变速恒频风电机组的关键技术，研制开发具有自主知 识产权的变速恒频风电机组，对促进我国风力发电技术及相关产业的发展，有 重要的经济意义和社会效益。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国内研究现状 中国从八十年代才开始发展风力发电，规模远不及欧美等国，尚处于探索时 期。因此。风力发电在中国能源发展中的地位及发展的前景预测研究这一课题 有重大的战略意义和社会意义。它将向人们展示中国风力发电的美好前景：风 力发电不仅可以保护环境，减少污染气体的排放，减少社会的外部投入；而且 还可以节约能源，弥补2 l 世纪中国能源缺口，消除能源是国民经济瓶颈的隐患： 还可以提供更多的就业机会。但对风力发电各项技术上的研究还十分薄弱，导 致我国大中型风力发电机组绝大部分为国外产品，其中丹麦6 7 、德国2 1 、 美国1 1 ；国产机组仅占1 。由于需要进口且运行和维护技术欠缺，我国风力 发电成本远高于外国的成本。 我国致府十分重视风力发电产业，1 9 9 6 年就制订了乘风计划，旨在鼓励 提高大中型风力发电机制造技术和国产化率，“十五”期间原计划在风力发电产 业投资1 5 亿元人民币。由于具有一定的商业机会和市场前景，一些地方政府和 武汉理工大学硕士学位论文 民间也积极投入风电事业。但总体来说，我国的风电设备与国外相比还有相当 的差距。我国对双馈电机及其控制技术的研究始于上个世纪9 0 年代。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 变速恒频水轮发电机研究的基础上，开展了对变速恒频双馈风力发电机控制技 术的研究。目前，大多数研究还仅限于实验室，也有部分研究成果应用到生产 中，并在小型风力发电机的励磁控制系统中得到应用。总体上看，我国在变速 恒频双馈风力发电机组励磁控制系统设计和励磁控制策略的研究方面还处于起 步阶段。 目前中国风电发展面临两个突出的问题，一是风电发展规模迅速扩大，形成 巨大的市场空间；二是国产机组缺乏竞争力，进口机组以压倒的优势占领了中 国风电装机的主要份额。因此，大型风电机组的国产化是推动我国风电持续发 展的根本途径。 1 2 2 国外研究现状 2 0 0 2 年，全世界风电装机容量3 2 0 0 0 m w ，欧盟国家的风电装机容量占全球 的7 4 。现在欧盟国家不仅拥有全世界最大的风电装机容量，而且拥有全世界 最先进的风电技术和全世界最领先的生产能力，在世界风电发展中独领风骚。 世界风电装机以年递增3 0 的速度增长。 根据最新的规划和预测，到2 0 1 0 年世界风电装机将达到2 0 7 亿k w , 2 0 2 0 年将达到1 2 3 l 亿k w ，这一水平是2 0 0 4 年的2 7 倍，年平均增速高达2 0 ，届 时风电将占世界电力供应的1 2 ，目前欧盟国家的发电成本已下降8 3 2 欧元 k w ，发电成本降到3 8 8 欧分k w h ，已经可以与常规用电相竞争，并进入大规 模商业化阶段，据欧洲风能协会预测，到2 0 2 0 年风电成本有望再降低4 0 ，投 资可降至4 9 7 欧元k w ，发电成本降到2 3 4 欧分k w h ，届时风电发电成本将低 于常规用电。 在德国，风能是居水力发电之后最重要的再生能源来源，风力发电在德国 电力生产中所占的比例已达到2 5 。目前，德国共拥有9 4 0 0 座风力发电机，总 容量近6 1 0 0 m w ，占欧洲大陆风能发电总容量的5 0 ，全球风能发电总量的三 分之一。在未来1 0 年里，德国风力发电在电力生产中所占的比例将达到3 5 。 联邦风能协会的估计更为乐观，认为风力发电在电力生产中所占的比例甚至可 武汉理工大学硕士学位论文 以提高到3 0 。不过，这一切都取决开发风能发电的新领域，近海风力发电的 努力是否成功。 美国是世界上最早重视风力发电的国家之一。至1 9 9 4 年，它的装机容量( 1 6 3 万k w ) 就占当年全球风电装机容量的5 3 ，虽然由于美国电力工业改组引起的 混乱，使它1 9 9 1 1 9 9 6 年的风电业没有太多增长，但随着电力工业改组的完成， 预计到2 0 1 0 年时，风力发电装机容量可达1 0 0 0 万k w 。到2 0 5 0 年时，全美风 力发电将占全国电力用量的1 0 0 , 4 。 丹麦是世界风力发电的先进国家和风力发电机主要制造国。1 9 7 8 年丹麦成 立了国立风力发电试验站，并对其实行政策性补贴，促使了风力机工业和风力 发电的发展。1 9 9 5 年底全国风力发电装机容量达6 1 9 万k w , 1 9 9 6 年上升到7 3 3 万k w ，到2 0 3 0 年时将把风电的比例提高到占全国所需电力的4 0 。丹麦政府 近期又把注意力转向海洋，于1 9 9 7 年秋宣布了海上风力发电计划，拟于2 0 1 5 年达到2 3 0 万k w ，至2 0 3 0 年达4 0 0 万k w 。另据估计，目前全世界约有一半的 风力发电设备是丹麦生产的。 1 2 3 世界风电技术特点 2 0 世纪8 0 年代，功率半导体器件发展的主要方向是高频化、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；国外的o r t m e g e r 、b r a d y , 、r i a z 等学者 2 , 3 a 1 对双馈电机在v s c f 发电系统中的原理进行了较深入的研究。9 0 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，m o r e l 和b h o w i n k 等学割5 6 j 进一步对双馈电 机在变速恒频风力发电系统中的应用进行了理论分析、计算机仿真和实验研究， 为双馈电机在风力发电系统中的应用打下了理论基础。 8 0 年代以后，9 0 年代尤其近十年来，是双馈电机最重要的发展阶段，发达 国家变速恒频双馈风力发电机的生产技术日臻成熟，大型变速恒频水轮发电机 组、兆瓦级双馈风力发电机组和船用轴带双馈发电机相继问世。变速恒频双馈 风力发电机组已由基本控制技术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【7 ，s 】，在高于额定风速时采用变桨距恒功率控制策略。 为了提高经济效益，降低单位千瓦造价，欧美各国不断提高单机容量，随 之带来了一系列的问题，风机的叶片、传动机构、发电机的尺寸不断增大，给 武汉理工大学硕士学位论文 安装、运行、维护带来了很大问题，另一方面，风电专家发现当前风机运行方 式不能最大限度的利用风能，通过分析研究发现，当风机具有变速运行的能力 时，外轮机可以最大限度的利用风能。基于这些研究，国外专家提出了许多种 风机变速运行方案并着手研制和商品化。比如德国e n e r c o n 公司生产的一种机 组，它采用同步发电机结合交一直一交电力电子变换方案，还有美国z o n d 公司 z 5 0 机型，它采用双馈发电机转差励磁方式。随着不断深入研究、双馈发电机 方案逐渐成为各国研究的重点。 1 3 变速恒频交流励磁发电机的特点和研究现状 1 3 1 风力发电的基本特点 在叙述风力发电技术之前先分析风力发电的基本特点。主要表现在五个方 面： ( 1 ) 风能的随机性大 9 1 风能是太阳能的一种变异，只要太阳和地球存在，就会有风。风速随着大 气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的 不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风机叶片上风能也随机和不可控 制的，进而发电机的输入机械功率也存在一定的不可控因素。 ( 2 ) 风能能量密度低 一般空气密度约为水密度的1 8 0 0 ，要获得与水能相同的功率，风轮直径要 相当于水轮直径的2 8 倍左右。因此，风轮装置庞大，风力发电设备布置分散， 并网型风电场涉及的范围很广。由此可见，风力发电与常规发电相比，具有完 全不同的特点。 ( 3 ) 风力机转动惯量大 风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶 片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在 2 0 m - - 6 0 m 之间。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转 动惯量。 ( 4 ) 风力机与发电机之间柔性连接 为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率( 理论极限值是 武汉理工大学硕士学位论文 0 5 9 ，而实际上目前可达到0 4 1 l l q ) 的限制，风力机的转子转动的速度不会很高， 与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通 过一定变比的升速齿轮箱进行传动，这样发电机与风力机之间的刚性度大大降 低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。 。 ( 5 ) 发电机的选用 所选发电机类型对整个发电过程和相关控制环节的影响比较大。风力发电 中的发电机担负着从机械能到电能的转换，目前国内风力发电系统，用异步发 电机直接并网的运行方式，机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启 动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变 化将引起异步发电机转差的变化，其注入电网的有功和吸收的无功也随风速变 化，这将导致风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。 随着电力电子的发展，风电系统可选用交流励磁发电机。交流励磁发电机能发 有功功率、无功功率，还能调节有功功率和无功功率，使风力发电系统具有良 好的动态和静态特性。 1 3 2 交流励磁双馈型变速恒频风电系统 在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率和电网频 率保持一致，即风电频率保持恒定。因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系 统( c s c f 系统) 和变速恒频发电机系统( v s c f 系统) 。恒速恒频发电机系统，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。恒速恒频系统( c s c f 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。变速恒频发电机系统f v s c f ) ，是指在风 力发电过程中发电机的转速可以随风速变化，而通过其它的控制方式来得到和 电网频率一致的恒频电能。 从风力机的运行原理可知，风力机的风能利用系数( c p ) 亦即风力机将风能转 化为机械能的效率与叶尖转速比五是密切相关的。只有风力机的转速正比于风速 变化并保持在最佳的叶尖转速比风力机才能在很大的风速范围内按最佳效率运 行。在恒速恒频系统中，由于风机的转速不变，而风速经常在变化，因此叶尖 转速比不可能经常保持在最佳值( 即使是采用变桨距叶片) ，c p 也就往往与其最 武汉理工大学硕士学位论文 大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。 为了使风力机转速随风变化，保持很高的特性系数，并能额外的获得一部 分c s c f 系统所失去的能量，在七十年代中期人们开始研究v s c f 系统，其特点 是：在此系统中安装适当的发电输出控制装置，以使叶梢转速与风速之比( 五) 保 持不变来达到的最佳c p ( 风轮机的利用系数或风轮机的功率因数) ，这样做，整 个运行范围内都可以获得较高的功率输出，此外，还可以依靠v s c f 系统的某 些独特的功能，获得c s c f 系统所失去的一部分能量，而且，风力发电机的转速 和负荷可以在很大的范围内变化而不影响其输出电压和频率的恒定，因此，和 c s c f 系统相比，v s c f 系统的主要优点是： 。 ( 1 ) v s c f 系统可以使风轮机在很大的风速范围内保持很高的风轮利用系数， 从而可比c s c f 系统有较高的年发电量。 ( 2 ) v s c f 系统可以简化c s c f 系统的速度调节机构，只需采取适当的限速措 施即可，并且在限速运行区也可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力 机械部分的造价，并能提高运行可靠性。 ( 3 ) v s c f 系统可以很方便的和电力系统并网，操作简单，运行可靠，不会发 生振荡和失步问题。 ( 4 ) 由于需要功率电子机构，v s c f 系统电气部分的成本高于c s c f 系统，但 是由于v s c f 系统有较多的电能输出和较低的机械部分成本，同时由于电气部 分的成本在大、中型风力发电机组中所占比例不大，因此v s c f 系统可以有较 低的发电成本。 对于v s c f 这一新型的风力发电系统，目前采用的技术方案主要有三种， 一是利用异步发电机实现变速恒频发电，由于异步机自身的特性，其变速范围 较窄；一是利用大功率电力电子装置将风能发电机组的小稳定频率变化成稳定 频率的电能，该系统变速范围有限，同时也存在较严重的谐波污染问题；三是 利用交流励磁发电机( a c e g ) 直接实现变速恒频发电，该系统由于变速范围宽， 可使得风机叶尖转速与风速之比保持不变来达到最佳的风能机的利用系数，使 得在较宽的风速变化范围内都可以得到较高的功率输出，同时其谐波污染较小， 是目前风能发电的发展方向。因而发展大、中型交流励磁发电机的变速恒频风 力机组受到很多国家的重视。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 风力发电系统是一个非常复杂的系统工程，包括的环节、关联的学科门类 很多，控制复杂。本文将根据风力机的特点，在动态同步轴系下研究一种用于 风力发电的交流励磁发电机励磁控制策略，并建立交一直一交电压型逆变器供 电的d f i g 风力发电系统的仿真模型。为用于风力发电的交流励磁发电机及其励 磁控制系统工程设计提供一些理论参考。从事的主要工作有： 1 ) 分析了双馈型异步发电机的运行理论，在讨论双馈型异步发电机数学模 型和等值电路的基础上，研究了发电机有功功率关系和无功功率关系，分析了 双馈型异步发电机控制灵活、无功功率调节能力强的机理，为发电机的控制和 励磁用变换器的设计奠定了理论基础( 第二章) 。 2 ) 分析了发电机励磁方式的发展和矢量控制策略的目的，根据交流励磁电 机的基本理论及定子磁链定向的矢量控制策略，针对双馈型异步发电机转子能 量流动的特点，研究设计了具有能量双向流动功能的双p w m 型变换器，建立了 励磁系统数学模型，并且提出了具体实现的方法，提出了一个主电路的构想， 以及励磁电源的驱动控制( 第三章) 。 3 ) 对双p w m 型变换器进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真。归纳出该变换器 所具有的输入、输出特性好、功率因数高、对电网谐波污染小等特点，确认是 交流励磁发电系统的首选变换器拓扑结构。采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了 整个发电机发电仿真模型( 第四章) 。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章双馈型交流励磁电机的运行理论 长期以来，较常采用的发电机是同步发电机，其次是异步发电机。同步发 电机采用直流励磁，而异步发电机没有专门的励磁绕组，其磁场由定予励磁电 流建立。近来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈型异步发电机 ( d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，简称d f i g ) 得到了广泛的重视。d f i g 在结构 上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，d f i g 转子一般由 接到电网上的变换器进行交流励磁。由于实际上发电机的定、转子都参与了励 磁，“双馈”的含义因此而得。d f i g 兼有异步发电机和同步发电机的特性，如 果从发电机转速是否与同步转速一致来定义，则d f i g 应当被称为异步发电机； 但d f i g 在性能上又不像异步发电机，相反具有很多同步发电机的特点。例如： 异步发电机是通过定子由电网提供励磁，本身无励磁绕组，而d f i g 与同步发电 机一样，具有独立的励磁绕组；异步发电机无法改变功率因数，d f i g 与同步发 电机一样可调节功率因数。所以d f i g 可称为交流励磁同步发电机，或称为同步 感应发电机，又可称为异步化发电机。实际上，它是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，d f i g 具有很多的优越性。 2 1 双馈型交流励磁电机的优势 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 d f i g 实行交流励磁，可调量有三个：一是励磁电流幅值；二是励磁电流频率： 三是励磁电流相位。由于d f i g 励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制 上更加灵活：改变转子励磁电流频率，d f i g 可以实现变速恒频运行；改变转子 励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变 了发电机电势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以 交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。当发电机吸收无功功率时， 往往由于功率角交大使运行稳定度降低。通过调节交流励磁的相位，可减小发 电机的功率角，使机组的运行稳定性提高，可更多地吸收无功功率，改善目前 由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。利用矢量变换控制技术，综合 武汉理工大学硕士学位论文 改变d f i g 转子励磁电流的相位和幅值，可以实现d f i g 输出有功功率和无功功率 的解耦控制，因此，在功率调节上d f i g 较同步发电机有更多的优越性“”。 由于d f i g 具有同步发电机所不具备的变速恒频运行的能力，使它在以下几 方面的应用中有明显的优势： ( 1 ) 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，如潮汐电站中，水头是变 化的，使水轮机转速也变化；风力发电中，随风速的变化风力机转速也会变化； 船舶与航空发电机的转速跟着推进器的速度而变化。以往的发电方式中，由于 受电网频率和同步发电机特性的限制，发电机转速不能变，迫使原动机在不同 水头、不同风力等情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，原动机磨损 增大，发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。d f i g 可通过调节转子励磁电 流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能， 从而提高了机组的运行效率，降低了机组的磨损，延长了机组的使用寿命。变 速恒频的机理可用图2 1 来进一步说明。 电网 图2 1d f i g 变速恒频运行原理 图2 1 中五、分别为d i f g 定、转子电流的频率，n l 为定子磁场的转速， 即同步转速，n 2 为转子磁场相对于转子的转速，n r 为d f l g 转子的转速。由电机 学的知识可知，d f i g 稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即 n l = n 2 + i l r ( 2 1 1 ) 因f i = n l 6 0 、= n 2 6 0 ，故有 武汉理工大学硕士学位论文 石= 去+ 正 ( 2 1 2 ) 从上式可知，当发电机转速n f 变化时，可通过调节转子励磁电流频率屯保 持定子输出电能频率f l 恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运行 时，f 2 o ，转子绕组相序与定子相同：当发电机超同步运行时，岛 o 和鸟 o 表示定子输出有功功率和输出感性无功功率；昱 o 和q o 表 示转子输入有功功率和输入感性无功功率。取五，、厶，分别为定子电流的有功分 量和无功分量。 图2 5 双馈型异步发电机等效电路 武汉理工大学硕士学位论文 e l = l 。i x 。 u = 互一( 墨+ i x , ，) 争却i 2 ( & - 。- 讽) q 。3 。d 1 2 = i l + 1 式中： 玩、玩、宣分别为d f i g 定、转子电压相量和气隙磁场感应电动势相 量，因d f i g 并网运行，反亦为电网电压相量； 、厶、厶分别是定、转子电流相量和励磁电流相量： 蜀，、如，k 分别为定、转子漏抗和互抗，为简便记五= 墨。+ 以、 五= 五，+ k 式中转子侧各量均己折算到定子侧，为简便省去上标“”。 为了更好地进行系统设计和工程应用，需要揭示d f i g 控制变量、中间状 态变量、控制对象之间的本质联系，研究控制变量的构成情况。设u = v l 0 时 由电网吸收能量，s 0 ( b ) s 0 图2 - 6 双馈风力发电机的功率流向 由于在低于和高于同步速的不同运行方式下转子绕组的功率流向不同，因 此需要采用双向变流器。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章双馈型交流励磁电机励磁系统的模型和实现 3 1 常用发电机励磁方式的发展和分类 早在四十年代和五十年代，有些专家就强调指出同步发电机磁场调节对提 高输电系统静态稳定性的重要作用。此后这方面的研究工作一直受到很大重视， 直到今天，仍在不断发展着。整个励磁系统的发展包括两个方面的内容：一是 主励磁系统本身即励磁方式的改进与发展；另一方面是励磁调节器即励磁控制 方式的改进与发展，两方面的发展互有关联。目前中型与大型发电机组所采用 的励磁方式是多种多样的，具体见图3 1 ： 励磁方式的分类 、广上 可控硅自并励励磁方式有旋转电机的励磁方式 图3 - 1 励磁方式分类图 励磁拓扑的方式主要分为旋转式励磁方式与静止励磁方式。对于第一类来 说，其共同点是主发电机磁场能量的供应者是旋转电机，是直流发电机或者交 流发电机。这个共同的特点带来的优点是发电机励磁能源的可靠性。由于与发 电机同轴的励磁机是励磁能量的供应者，那么励磁能量实际取自整个机组转子 的动能。显然，只要机组以接近额定转速旋转着，则励磁能量就不致因外部发 生短路故障而消失。但这种励磁方式的缺点也正在于它是依赖于旋转电机来供 应励磁能量的。从机械学的角度来看，这种具有旋转部件的系统不如全静止的 武汉理工大学硕士学位论文 励磁系统的可靠性高。 另一类便是静止励磁系统，也称自并励系统。这种系统的特点是，由可控 硅整流桥直接供应与调节着主发电机的磁场能量，因而是具有高反应速度特性 的系统。它与第一类方式最显著的不同点是其可控硅整流桥的交流侧能量不是 取自同轴的旋转电机，而是取自主发电机定子绕组的电磁功率。这种系统的突 出优点是结构简单，设备可靠性高，正常调节速度快，造价低【2 n 。 自并励系统这种静止励磁方式，相对于三极旋转电机励磁方式，省去了励 磁机这样一个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性。其对于电力系统而言 具有两面性：一、如果控制方式不做相应改进，而仍旧采用比例式或电压偏差 p i d 式的常规控制方式，那么快速励磁方式的广泛采用会使电力系统阻尼特性恶 化，导致出现负阻尼，从而使电力系统发生低频振荡；二、另一方面，这种励 磁方式对控制作用响应的快速性，给先进的控制规律提供了充分发挥其作用并 产生良好控制效果的有利条件。 从五十年代到现在，励磁控制方式大约经历了三个发展阶段。在第一阶段 中主要采用的是按发电机端电压的偏差a v , 进行比例式调节的方式，称之为古典 励磁控制方式r 因为其不能满足现代电力系统对于动态品质及稳定性的要求， 现在已被淘汰。第二阶段是在第一阶段的基础上，除了机端电压偏差a v , 外，加 入其他辅助参量的控制方式。在a t , 的基础上加入k 的微分和积分进行调节， 成为p i d 调节方式。同时不少国家加入机端电压频率f 或机组转速t 0 ，再或者是 发电机电磁功率作为调节器的辅助参量，这种调节器称为p s s ( p o w e rs y s t e m s t a b i l i t y ) 即电力系统稳定器。第三阶段即是自8 0 年代以来，随着现代控制理论、 模糊理论、自适应控制理论、非线形控制理论的发展，同时大功率电力电子元 件的巨大进步，出现了以上理论为基础设计的励磁装置控制系统。 同时，随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组及电力系统对励 磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了越来越高的要求。现在，数 字式励磁调节器已经取代模拟式励磁调节器而成为发电机励磁调节器的主流。 与模拟式励磁调节器相比较，数字式励磁调节器的优点是： ( 1 ) 可以实现模拟式励磁调节器难以实现的非线性控制、自适应控制及模糊 控制等控制规律； ( 2 ) 调节准确、精度高，在线改变参数方便； ( 3 ) 可靠性高，无故障工作时间长； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统功能组态灵活、操作简单、维修和试验智能化； ( 5 ) 通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制； ( 6 ) 便于产品更新换代 2 2 】。 3 2 定子磁场定向的矢量控制策略 双馈型交流励磁机作为变速恒频发电运行时，为适合原动机工作在最佳状 态，在速度、功率和转矩调节上都有要求。从前面的分析看出，发电机的功率 和转矩决定于、转子电压幅值和两个矢量之间的夹角，如果直接对其控制不仅 难于实现，而且无法解决有功和无功功率之间的耦合的问题聊。 3 2 1 矢量控制分类 矢量控制是近二十年来发展起来的新的控制技术，主要用于交流电机的转 距功率的高性能控制。理论上说采用矢量控制可以使交流电机获得和直流电机 某些方面一样的控制效果。其基本思想是在普通交流电机上模拟直流电机转距 控制的规律，在磁场定向坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的电流分量0 和 产生转距的转距电流分量( 定向坐标系m d ，并使两分量互相垂直，彼此独立， 然后分别进行调节，这样交流电机的转距控制，从原理和特性上就和直流电机 相似了。因此矢量控制的关键是对电流转矩分量和磁通分量的幅值和空间位置 ( 频率和相位) 的控制。 而按照基准旋转坐标系的取法不同，矢量控制系统分为两类【卅： ( 1 ) 按转子位置定向的矢量控制系统。该系统的基准旋转坐标系的水平轴位 于电机转子轴线上。这时静止和旋转坐标系之间的夹角就是转子位置角，可直 接从装于电机轴上的位置检测器获得，系统简单。永磁同步电机和无换向器电 机的矢量控制系统就属于这一类。 ( 2 ) 按磁通定向的矢量控制系统。该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电 机磁通和磁链轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测量，需要 通过计算获得，系统较复杂，但易维持磁链恒定，使电机运行经济合理。通常 的同步电动机和异步电动机矢量控制系统就属于这一类。 目前，矢量控制交流电动机方面的研究工作取得了很多的成果并已大规模 应用到生产中，而将矢量控制技术应用于发电机还处在研究阶段。双馈型交流 武汉理工大学硕士学位论文 励磁电机控制中，可以借鉴矢量控制的思想，主要改善功率控制性能。与传统 电动机控制定子量不同，对发电机来说，能直接控制的只有励磁电流，但在发 电状态时，定转子电磁量之间存在相互关系，可以通过控制励磁电流进而影响 定子侧的功率输出。 3 2 2 矢量控制的目的 传统对电动机矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然 是落实到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、 电流、电动势、磁动势) 都是交流