（控制科学与工程专业论文）矩阵变换器在变速恒频风力发电中的应用.pdf

摘要 风力发电以其绿色、清洁、环保和可再生等优点成为世界能源增 长最快的新领域。本文简单介绍了国内外风力发电的现状及其发展动 态。在分析了风力发电技术现状和趋势的基础上，提出了一种新的基 于矩阵变换器的双馈电机风力发电控制方式。解决了目前商用变速恒 频风力发电系统普遍采用的交直交变流器由于存在中间直流环节 而导致变流器效率不高和体积较大的问题。 本文简单介绍了双馈电机和矩阵变换器的发展历程、现状和发展 研究情况。从双馈电机的基本结构和原理出发，分析了其变速恒频发 电的实现。从双馈电机基本方程出发建立了，分别推导出双馈电机在 三相静止坐标系和两相旋转坐标系f 的数学模型，由此推导出其稳态 等效电路，并对其电磁关系与转速、功率、能量传输进行了分析。并 对在追踪最大风能捕获所必须的矢量控制的原理进行了分析。通过双 馈电机采用基于定子磁链矢量控制方法，实现了对有功功率和无功功 率的解耦控制。对作为双馈电机励磁用变频器的矩阵变换器，在简单 介绍其主拓扑结构原理、双向开关类型的基础上，对其调制方法和换 流策略进行了深入的分析，确定了采用间接空间矢量调制的方法。以 此建立了矩阵变换器的仿真模型。 利用前面的理论分析，在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了一套基于矩 阵变换器的双馈电机变速恒频风力发电系统的仿真模型。设计了基于 矩阵变换器的双馈电机变速恒频风力发电系统。通过与双p w m 励磁 的仿真对比分析，结果验证了所建系统以及控制策略的正确性，表明 研究开发矩阵式变换器配合双馈电机发电将构成极具潜力的变速恒 频风力发电方式，具有重要的理论研究和实际应用价值。 关键词：变速恒频风力发电，双馈发电机，矢量控制，矩阵变换 a b s t r a c t 、m n dp o w e rg e n e r a t i o nh a v eb e c o m eaq u i c k e s ti n c r e a s i n gf r o n t i e r i nt h ew o r l de n e r g yf i e l db e c a u s eo fi t sm e r i t ss u c ha s ：g r e e n 、c l e a n 、 e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 、r e n e w a b l ee t c t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e dt h e a c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ni nb r i e f o nt h eb a s i s o fh a v i n ga n a l y z e dt h ea c t u a l i t ya n dt r e n do fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g y , an e wc o n t r o lm o d eo f w i n dp o w e rg e n e r a t i o no fd o u b l ef e d i n d u c t i o ng e n e r a t o rb a s e do nm a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) w a sp r o p o s e d i t r e s o l v e dt h ep r o b l e mo fl o we f f i c i e n c ya n db i gc u b a g ew h i c hc a u s e db y t h ed cl i n ki nt h em i d d l eo fa c d c a cc o n v e r t e rw h i c hw a sw i d e l y u s e do nb u s i n e s si nw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mc o n t r o l l e dw i t h v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c ya tt h ep r e s e n tt i m e m o r e o v e r , d f i gi s v e r ys u i t a b l ef o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o ni nf o r m i d a b l en a t u r a lc o n d i t i o n s w h i c hb r i n gah i g hr e l i a b i l i t y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s 、a c t u a l i t ya n ds t u d y s t a t u so fd f i ga n dm ci nb r i e f o nt h eb a s i so ft h eb a s i cs t r u c t u r ea n d t h e o r yo fd f i g , t h er e a l i z a t i o no fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nc o n t r o l l e dw i t h v s c fw a sa n a l y z e d t h em a t h e m a t i cm o d e lu n d e rd - qr e f e r e n c ef r a m e w a sf o u n d b a s e do nt h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n so fd f i g , t h e n ，t h e s t e a d y s t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tw a sd e d u c e d ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a s ：e l e c t r o m a g n e t i s mr e l a t i o n s h i pa n dr o t a t es p e e d 、p o w e ra n de n e r g y t r a n s m i s s i o n re t c ，w e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h r o u g ht h ee x c h a n g eo f e x c i t e dv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nm o d e lo fs t a t o rf l u x o r i e n t e d s i m u l a t i o n ，r e a l i z e d a c t i v e p o w e r a n dr e a c t i v e p o w e rd e c o u p l i n g c o n t r 0 1 m ci su s e da st h ee x c i t a t i o nc o n v e r t e ro fd f i g , a f t e rh a v i n g i n t r o d u c e dt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n db a s i cp r i n c i p l e 、t h et y p e so f b i d i r e c t i o n a ls w i t c ha n dt h ea n c i l l a r yp r o t e c t i v ec i r c u i t so fm ci nb r i e f , i t s m o d u l a t i o nm e t h o da n dc o m m u t a t i o ns t r a t e g yw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n d t h ei n d i r e c ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nw e r ea d o p t e d t h e n ，as i m u l a t i o n m o d e lo fm cw a sf o u n d u s i n gt h ep r e v i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i nt h em a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n tb u i l dt h ee n t i r ed o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m l l s i m u l a t i o nm o d e l m a t r i xc o n v e r t e ri s d e s i g n e d b a s e do nv s c f d o u b l y f e d m a c h i n ew i n dg e n e r a t i o n s y s t e m c o m p a r e d w i t hp w m e x c i t a t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h es y s t e ma n d c o n t r o ls t r a t e g y , f i n a l l y , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e p r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h et h e o r y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v a l i d a t e dt h ev a l i d i t yo ft h es y s t e ma n di t sc o n t r o ls t r a t e g y , s t u d y i n ga n d d e v e l o p i n gt h i sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mt h a tc o m p o s e dw i t hm ca n d d f i gw i l lb ead e e p l yp o t e n t i a lm o d ei nv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n f i e l da n dv a l u a b l ei nt h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v 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 y w i n d p o w e r g e n e r a t i o n ，d o u b l e f e dg e n e r a t o r , v e c t o rc o n t r o l ，m a t r i xt r a n s f o r m a t i o n i i i 硕上学位论文 第章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着世界经济的发展和人民生活质量的不断提高，电气化技术得到愈来愈广的应 用和普及，但同时也带来了能源价格飙升、环境恶化、能源供需形势紧张等问题。能 源危机和环境污染已经开始困扰人民的生活和生产，成为社会进步的拦路虎。因此如 何应对能源危机和环境污染两大难题，是当今世界各国所面临的一个巨大问题。世界 各国已经在一定程度上达成共识：只有采取可持续发展战略，利用先进的科学技术充 分开发可再生能源。利用可再生能源，实现二次能源电力的绿色化生产和变换。 储量有限的传统的不可再生能源包括石燃料、煤、石油和天然气等其储存量越来 越少。根据国际能源资料统计的数据：如果按照现今的开采速度，全球已探明的可开 采的石油和天然气等资源，约只有三四十年的储藏量。煤约有三、四百年的储存量。 除此之外，不断增加人口使我们对能源的需求越来越多。如果能量按照每年 1 4 5 * 1 0 1 5 m j 速度消耗下去，地球上所储存的有机燃料资源终将消耗殆尽i l 儿2 。 所以可再生能源已经开始逐渐代替不可再生能源，成为各主要发达国家、发展中 国家的主要方式，并将风能、太阳能等可再生能源纳入各国的战略规划以应对未来能 源和气候变化两大挑战的重要手段。在所有可再生能源中，风能被认为是能大规模开 发利用的能源最佳选择。风能利用技术经过1 0 0 多年的发展，其在技术方面取得了长 足的发展，尤其是在最近几年里，风力发电的热潮在全球兴起，风力发电量的增长速 度开始超越一些传统的不可再生能源的发电。 风力发电是世界上普遍认为是最接近商业化和最具有市场竞争力的可再生能源， 与太阳能、潮汐能相比，风能具有更好的产业化基础，更显著的经济效益优势，而且 不存在像潮汐能等所面临的各种约束，另外对环境不会产生任何负面影响。因此在可 预见的很长一段时期内，风能都将会是最有潜力、最有经济和社会效应且最可能大规 模发展的能源，所以风能越来越受到全球各国的亲睐。近几年，世界风能市场都不停 的在快速增长，其增长速率也在不断增加。预计在未来的2 0 2 5 年间，世界风能市场 每年将上升2 5 ，世界的风力发电热潮不仅带动了各国在风力开发上面的投资，更促 进了风力发电设备制造业的迅猛发展，市场规模也将急剧扩大l 引。 如今在全球的风能发展的进程中，欧洲风能发电的发展速度是非常之快的。总的 装机容量逼近2 0 0 0 m w 。估计在1 5 年之后将有一半的欧洲人会使用风电，与此同时 欧洲风能利用协会即将会在欧洲的近海岸地区开始风能的利用开发，欧洲风能协会预 见，在今后1 5 年里海上风电将会成为风电发展的一个重要方向，预计至2 0 1 0 年与2 0 2 0 硕士学位论文第一章绪论 年，欧洲海上风电总的装机容量会增长至1 0 0 0 万千瓦与7 0 0 0 万千瓦，并指出在2 0 2 0 年欧洲人们的全部用电将会由风力发电来提供。在欧洲，德国的风电一直处于领先的 地位，已超越6 0 0 m w 以上，在德国，风电设备制造业己经完全取代了汽车制造业和 造船业成为主要的装备业【4 1 。在最近德国制定的关于风力发电远景规划中指出，至 2 0 2 5 年风电要实现全国用电总量的2 5 ，到2 0 5 0 年达到5 0 的目标。除德国外，丹 麦的风能发电也开始占据了全国用电量的1 8 ，法国也丌始制定关于风力发电的远景 发展规划【4 】。在亚洲的一些国家和地方，近期风力发电也丌始步入正轨。世界上许多 国家都制定了关于未来的风力发电计划【5 】，欧洲风能协会已经发表了2 0 2 0 年欧洲风 力发电总装机容量1 0 5 m w 的白皮书计划；欧洲风能协会和丹麦可再生能源发展协会 的研究报告表明：在未来的2 0 年内风力发电技术可以为全球提供超过1 0 的电力需 求量 6 】【7 1 。 截止至2 0 0 8 年1 2 月底，全球的风力发电的总装机容量已超越了1 2 亿千瓦。2 0 0 8 年，全球各地风电增长速度是2 8 8 。新增加大装机容量增长到了2 7 0 0 万千瓦，同 比增长了3 6 。现在世界风力发电的3 大市场分别是欧洲、亚洲和北美。2 0 0 8 年这3 大区域新增加的装机容量依次是：8 8 7 7 、8 8 8 1 和8 5 8 9 万千瓦，占全球风力发电装 机总容量的9 0 以上( 详见图1 1 ) 。 1 4 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 ； ” 4 ”+ 霭 l ； j d 下h | |k 乞- 辘，- 。嘞二j 。跪一。 。 锄 亚洲北美洲南美洲欧洲非洲大洋洲合计 图卜1 世界风电发展地区分布 对于海上风电场的建设这一方面，我国目前还在一定程度上缺乏经验，不过目前 来说，我国已经开始了海上风电机组的初步设计，并且已经开始着手制造。目前我国 计划从上海东海大桥等风电场获得经验，并对此进行研究。我国计划“十一五 末， 国家将拥有5 0 0 万千瓦的风电总装机容量，与此同时，各个地区和省份也在加大力度 进行风力行业投资的计划，目f j f 我国的风力项目还不是很多，但是，风力行业发展十 分迅猛，根据目前形势，风力发展的实际进度将远远超出国家的总体计划。在2 0 1 0 2 硕士学位论文 第一章绪论 年世博会中，上海展示了1 0 0 万千瓦的风电工程，这说明海上风电也是一个值得研究 和开发的项目1 4 】。目前，国家计划将水电、核电、风电作为清洁能源的发展重点，其 中风电准备投资9 0 0 0 亿元，在这三个能源中，风电能源的成本最接近火电，这是风 电的很大的优势，这给了人们海上发电的信心。随着风电产业的成熟和发展，成本将 会越来越低，并且随着煤这种不可再生能源的减少，风力发电会越来越受到重视，到 那个时候，风力发电将会成为一个发展得很好的项目。上海市已经开始着手于海上风 力发电的建设，按照计划，至2 0 1 0 底，其总装机容量达2 0 0 至3 0 0 兆瓦。为了达到 这个计划，上海市决定将东海大桥的两侧建设成海上发电厂，东海大桥是我国第一座 长距离跨海大桥，它也将成为我国内地第一个海上风力发电厂。按照国家的计划，“十 一五”期间，上海市约发电装机容量的2 为风电发电，至2 0 2 0 年风电装机规模有望 达1 0 0 万千瓦，研究开发风力发电，并使之成熟，是我国能源战略的必走之路，上海海 上风力发电的建设，对于其实现能源结构多元化具有非常重要的意义。目前我国风电 研究的现状是风电市场格局还不够稳定。但随着风电业的迅猛发展，不久的将来格局 一定会有所改变和优化。目前三大发电设备集团已经凭着其优势进入风电产业，外资 企业也不甘落后，在中国寻找合作伙伴，以应对风电设备国有化政策。除此之外，还 有许多国内企业也在积极的向风电市场进军。但是目前为止，我国的众多企业还不具 备同国际风电设备巨头竞争的能力。然而，这是一个充满诱惑力的领域，对于在风电 设备才开始起步的国内企业来说，风险与机会并存。 r 据专家勘测，我国的风能总资源仅位于美国和俄罗斯之后，为2 5 3 亿k w 。我国 的风能资源主要分布在两大区域，一个是我国的沿海地带，如东南沿海和山东沿海地 区，这些地方的有效风能密度都在2 0 0 w m 2 及其以上，8 0 0 o , - - 9 0 为4 2 0 m s 有效风 力，另一个是我国的内陆风带，如内蒙古北部，甘肃北部，及松花江下游等地带，其 有效风能密度也大于2 0 0w m 2 ，4 2 0 m s 有效风力为7 0 左右。 自从我国于1 9 8 6 年在山东荣成建成了第一座风力发电场，我国的风力发电就逐 步发展起来，然而二十多年过去，我国的风电场的建设也取得了一定的成绩，但是由 于资金技术等方面的原因，我国的风电建设发展得比较缓慢，不仅赶不上丹麦、德国 等国家，也落后于同样是发展中国家的印度。从最近几年开始，国家开始实施风电特 许权项目，加大了对于风电建设的研究和资金投入，并随着可再生能源法正式实 施，中国的风电建设开始进入快速发展期，到2 0 0 5 年，我国的并网风电场已经有 1 2 6 0 m w 的总装机容量。我国的并网风电在“十五”期间又得到了迅猛发展，到2 0 0 6 年，我国的风电装机容量有2 6 0 万千瓦，并且是继欧洲、美国和印度之后的主要的风 电市场。2 0 0 7 年我国的风电产业规模进一步扩大，至年底累计已经有6 0 0 万千瓦嘲， 2 0 0 8 年8 月的数据显示，我国已有7 0 0 万千瓦风电装机总量，这占了我国所有发电总 装机容量的1 ，并且位于世界前五名，这就说明我国已是可再生能源的大国，到2 0 0 8 硕士学位论文 第一章绪论 年底，风电装机总量达1 0 0 0 万千瓦，估计2 0 1 0 年风电装机总量可达2 0 0 0 万千瓦【羽。 中国的风力发电等新能源将会越来越被重视，它的发展前景也十分的广阔，以后 的很长一段时间都会保持其高速持续发展，事实证明，2 0 0 9 年该行业的利润总额是非 常高的，预计2 0 1 0 、2 0 1 1 年增速可能会有点回落，到那时专家估计其增长速度也会 保持在6 0 以上。据国家发展和改革委员会的初步计划，到2 0 2 0 年，要使我国的装 机总容量达到3 0 g w ，同时加大力度，不断研究和完善，使得中国在风电建设的设计、 制造和管理上达到国际的领先水平【9 l 。 1 2 风力发电技术的国内外研究现状 风力发电机组是指由发电机、风轮、传动系统、塔架、储能设备和电气系统等组 装起来的装置。在风力发电的整套系统中，风能的利用效率是系统设计中的首要问题， 与此同时，风力发电机系统一定要能稳定安全的发电、正常安全供电。风力发电是指 自然风在通过叶轮的旋转面时会带动发电机旋转从而将风能转变成机械能最后在转 变成电能的过程【l o l ，在整个过程中，风力机及其控制系统是关键部分，其质量的好坏 对着整个系统的性能、效率的高低、发电的质量有着直接的影响。所以，高性能、高 效率的控制系统和优秀的发电机系统是开发利用风能的重中之重。 风力发电技术主要可以分为两种系统，一种是恒速恒频风力发电系统( c o n s t a n t s p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ) ，恒速恒频风力发电系统采用同步发电机或感应发电机， 不管风速怎样变化，系统可以通过一定的调节，使风力机的转速一直保持在一个恒定 的状态，从而达到发电频率恒定的目的。但是这样的系统叶尖速比保持不变，因而在 风速变化的情况下不能一直保持在最佳值，所以无法实现对风力的最大捕获，风能转 换效率较低。此外，恒速恒频风力发电系统是一种刚性的机电耦合机构，在风速突然 发生变化的时侯，为了使风力机的机械转速保持不变，风能将会在齿轮箱、风力机主 轴以及电机等部件上产生非常大的机械应力，会极大的增加了这些机械部件的负荷强 度，大大的缩短其使用寿命，并在并网时还会干扰电网影响电力系统的稳定运行【1 1 1 1 1 2 】。 另外一种是变速恒频风力发电系统，这种发电方式是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的一 种新型的风力发电方式，它在发电机控制之中加入空间矢量变换、电力电子技术以及 微机信息处理等技术，从而获得了一种全新的、高效的的发电方式。风力机运行采用 的是变速运行方式，以保证叶尖速比一直处于最佳状态，使风能利用效率最高，它是 当今世上风力发电技术的发展方向。 与恒速恒频风力发电方式相比，变速恒频系统具有如下优点： ( 1 ) 风能利用率高。变速运行时风力机是处于最佳叶尖速比和最大功率点处运 行的，不仅对风力机的效率有极大的提高，并且同时也增n t 系统的单机容量。 ( 2 ) 通过对励磁电流的空间矢量变换对其解耦，可以分别对有功功率和无功功 4 硕士学位论文 第一章绪论 率进行独立的调节。在变速恒频中对最大功率曲线的追踪可以实现对电网功率因数的 调节，提高了电力系统的稳定性。 ( 3 ) 系统采用交流励磁，可以实现和电力系统并网的柔性连接，能解决在恒速 恒频系统并网时无法解决的失步现象。 ( 4 ) 能简化变桨距调节系统。变速运行不像恒速系统对桨距控制响应速度有严 格的要求，在低风速运行时，桨距角固定，高风速运行时，调节桨距角限制最大输出 功率。 变速恒频风力发电系统发展至今，有多种不同的实现方法，它们都有自己独有的 优势和缺点，如a c d c a c 系统、磁场调制发电机系统、s r g 系统、交流励磁双 馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统等【1 3 】【1 4 】。以上这些系统都具 有自身独特的特点，它们实现变速恒频主要有两种方式，一种是和电力电子变换装置 结合来实现的，另外一种则是通过改造发电机内部的结构来实现的。按照其特性可以 适用于不同的场合。为提高风能的利用效率，应对各种变速恒频技术进彳亍深入的对比 研究，以确定更好的系统方案。以下是一些系统的简单介绍【1 5 】【1 6 】： ( 1 ) 鼠笼型异步发电机v s c f 风电系统 鼠笼型异步发电机v s c f 风电系统所采用的发电机为鼠笼型转子异步发电机，可 以在一部发电机的定子电路中加入控制策略来实现变速恒频风力发电。不断变化的风 速带动风轮机和发电机的转子转动，它们的转速会随着风速的变化而变化，变化的转 速导致发电机发出的频率也是变化的。系统通过在定子绕组和电网间引入变频器从而 将变化的频率转换为与电网同频率电能。鼠笼型异步发电机v s c f 风电系统虽然可以 实现变速恒频控制，但是变频器是装于定子侧，其所需的容量必须和发电机的容量一 致，增加了系统的成本和负荷，不适用于大容量的系统中。并且整个系统必须从电网 中吸收滞后的无功功率，需要增加额外补偿装置设备，不仅增加了系统的重量也不利 于功率因素的调节。 ( 2 ) 交流励磁的双馈型变速恒频风电系统 采用交流励磁结构的d f i g 系统，具有三个可调量：转子励磁电流的幅值、相位 和频率。通过改变转子励磁电流的频率，可调节转速，在负荷突然发生变化时，电机 的转速能马上识别并立即作出响应，利用转子动能的缓冲作用，释放和吸收负荷，大 大降低了负荷变化时对电网所产生的扰动。通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可 以对有功功率和无功功率进行独立调节。不像鼠笼型异步发电机v s c f 风电系统控制 方案是在定子侧实现，这种控制方案是在转子侧末实现的，所以变频器所需要的容量 要远小于发电机的容量，仅是额定功率的一部分，即系统的转差功率，这样整个变频 器所需的成本和控制难度大大降低【1 7 】。除此之外系统变速的范围大大增加了，发电机 运行时，可以在超同步速和亚同步速两种方式下运行，这种方案不仅可以维持定子输 硕上学位论文第一章绪论 出电压和频率为一恒定值，而且可以方便的调节电网的功率因数，提高系统的稳定性 【1 8 】。虽然交流励磁发电机需要有滑环和电刷的缺点，但其所具有变速恒频控制、变频 器容量减小、有功和无功功率的独立控制，对电网有无功补偿作用的优点，使这种风 力发电机技术得到越来越广泛的应用f 1 8 1 1 1 9 1 。 ( 3 ) 同步发电机变速恒频风电系统 配置了电磁转差离合器的同步发电机变速恒频风电系统是利用速度负反馈来使 同步电机的转速保持不变【2 们，从而保证发电机恒压恒频的电能输出。这种系统具有控 制线路简单，输出电压波形好的优点，但由于系统中有很大一部分风能在转差离合器 磁极发热而被消耗掉了，其风能的利用率很低。 ( 4 ) 无刷双馈发电机变速恒频风电系统 无刷双馈电机具有功率和控制两套绕组，其中功率绕组直接接入电网；而控制绕 组则是通过双向变频器接入电网。无刷双馈电机的转子在结构上采用笼型或磁阻式结 构，去掉了电刷和滑环。其转子直接和风车相连。当风速变化引起发电机转速变化时， 在系统控制策略的干预下通过变频器来调节定子控制绕组上的频率，保证发电机输出 频率不变。虽然这种方案的控制部分是在定子电路实现的，但它又不像鼠笼型异步发 电机v s c f 系统那样变频器需要和发电机全功率匹配，流过控制绕组的功率仅是总功 率的很小一部分。这种采用无刷双馈发电机的控制方案具有变速恒频控制、变频器容 量减小、有功和无功功率的独立控制，对电网有无功补偿作用的优点，同时发电机本 身没有滑环和电刷。其缺点是定子需要功率和控制两套绕组，增加了系统的复杂性和 成本f 2 0 】。 ( 5 ) 永磁发电机变速恒频风电系统 除了发电机是采用永磁式发电机外，该系统基本上和笼型变速恒频风力发电系统 一致，由于永磁式发电机的转子是永磁结构，所以系统不需要增加额外的励磁电源， 提高了效率。其缺点也和笼型变速恒频风力发电系统一样，需要容量和发电机容量一 致，要增加额外补偿装置设备以吸收滞后的无功功率。 综上所述，变速恒频风力发电技术是目前国外一种比较成熟的控制方案，但目前 国内控制技术还不是很成熟。变速恒频风力发电技术在发电机控制之中加入空间矢量 变换、电力电子技术以及微机信息处理等技术，从而获得了一种全新的、高效的的发 电方式。因此本课题主要以变速恒频风机组为主要的研究对象。 1 3 本文研究的主要内容 本文以变速恒频风力发电为研究对象，对双馈风力发电系统的运行机理、解耦控 制、最大功率点跟踪等问题进行了深入的研究，并通过m a t l a b 分别对矩阵式变换器 励磁和双p w m 励磁下对系统进行了仿真比较研究。本文的主要工作包括： 6 硕上学位论文 第一章 绪论 分析风力机和双馈机的特性，建立数学模型和仿真模型，并对其进行了仿真研究。 建立了双馈电机同步速d q 坐标系下以及定子磁链定向所需的m t 坐标系的数学 模型，为实现发电机有、无功功率的独立调节提供了理论依据。 采用定子磁场定向的方法，对系统进行矢量控制研究，实现了发电机有、无功功 率的独立调节，满足了最大风能捕获运行时所需的变速恒频发电要求，并进行了各种 情况下的系统仿真。 分析了双馈变速恒频风力发电系统的基本理论及其定子磁链定向的矢量变换控 制策略，针对其转子能量流动的特点，研究并提出了具有能量双向流动的基于双馈电 机的矩阵变换器功率转换系统。该系统具有能量双向流动、功率因数高、对电网谐波 污染小、电路结构紧凑体积小的特点，是双馈变速恒频风力发电励磁系统的首选变频 器。 本论文主要章、节如下： 第一章主要结合相关文献资料，对当- h u 日匕i c , 源和环境问题进行了说明，由此引出绿 色风能发电技术国内外的现状。 第二章分析了风力机的原理和运行特性，详细阐述了双馈变速恒频风力发电系统 的相关基本理论及针对其转子能量流动的特点，研究并提出了具有能量双向流动的基 于双馈电机的矩阵变换器功率转换系统。 第三章系统的介绍了目前市场上较为传统的p w m 变频器的基本原理和控制方 法，并在此基础上提出其在变速恒频风力发电系统中做为交流励磁功用的不足之处。 第四章针对变速恒频风力发电励磁系统所提出的要求和传统p w m 变频器的不 足，本文提出了基于矩阵式变换器励磁的变速恒频风力发电系统，通过矩阵变换器的 双空间矢量调制算法，能够满足实现变速恒频控制转子侧的能流要求。 第五章以m a t l a b s i m u l i n k 为工具，建立了交流励磁变速恒频风力发电系统的 仿真模型，通过传统的p w m 变频器和矩阵式变换器励磁的仿真比较，验证了矩阵变 换器作为变速恒频风力发电励磁系统的可行性。 第六章对本文所作的工作进行了总结，并提出了在本课题中所存在的问题以及今 后的进一步研究工作的展望。 7 硕十学位论文 第二二章双馈风力发电基本理论 第二章双馈风力发电基本理论 将风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式之一。风轮、塔架、调向器( 尾 翼) 、发电机( 包括装置) 、限速安全机构和储能装置等部件组成了风力发电机。风力 发电机的工作原理比较简单，能量传递是这样进行的，风轮在风力的作用下旋转，将 风能转变为机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转，将机械能又转变为动能。下面将 简单介绍风力发电相关的一些基本工作原理。 2 1 风力机模型 2 1 1 风力机的类型 风力发电是一个将风能转换为机械能进而转换成电能的过程，其中风力机及其控 制系统主要负责将风能转换为机械能，而发电机及其控制系统则将从风力机输入进来 的机械能转换为电能。风力机作为风力发电系统的关键部件之一，对整个风力发电系 统的效率跟性能有着直接影响。所以对风力机的分析研究也显得尤为重要。根据风轮 结构及其在气流中的位置，目前世上主要两种可用的结构形式，垂直轴风力机和水平 轴风力机。其中，水平轴风力机是最常见的一种，输出功率大小不等。不论从发电的 经济效益还是从结构的稳定性来讲，风力机最佳的叶面结构是2 到3 个叶片，其中3 个叶片的转子结构在机械和空气动力学上具有更大的优势。垂直轴风力机不同于水平 轴风力机，它的轴是垂直旋转的，所以无论风从哪个角度过来，风力机都可以获得能 量，不需要随着风向的变化而重新定位转子。但是这种方式的优点是容易获取风能， 缺点是不能自启，且转换效率低。 2 1 2 风力机的功率特性 在风力发电系统中通过利用风力机用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机 叶片所获取的的一部分空气动能转换为有用的机械能，因此风力机是整个风力发电系 统能量转换的重要部件，它不仅与整个风力发电系统装置风能的利用效率有着相当的 联系，而且对风力发电系统的安全稳定运行也有着直接的影响。 风力机的输入功率表达式可以通过风力机的空气动力学特性来获得： 11 乞= 去( p 跏) 1 ，2 = 寺p s v 3 ( 2 1 ) z 其中： 8 硕- 【j 学位论文第二章双馈风力发电基本理论 s 表示风力机叶片迎j x l 扫掠面积； p 表示空气密度，取1 2 5 豫m 3 ； 1 ，表示空气进入风力机扫掠面以前的风速。 由于风力机在截获风的动能转换为机械能时，其通过风轮旋转面的风能并没有被 完全吸收，所以风力机的风能利用系数c 。为 c ：型型型堂：墨 ( 2 2 ) 一一 z z ， ， 输入风轮向内的功率 只 通过上式可以得出风力机的机械输出功率为： 只= q 己= 寺p 跏3 q 一；r rp d 2 v 3 c p ( 2 3 ) 其中：d 表示叶片直径。 风能利用系数c 。是一个和风速、叶片转速、叶片直径都有关系的量，它是风力 机的个非常重要的参数，表征风力机的效率，可以由叶尖速比五和桨距角的函数 式e ( 旯，) 来表示它： c 。：o 5 f 竺一0 0 2 2 一l p q p ,8 2 - - 0 2 5 5 ( 2 - 4 ) 00 2 2 , 82 c p = o 5 l 一一l p “州4 几 式中，c ，为叶片设计常数，一般取3 。 由( 2 4 ) 可以得：叶尖速比名和桨距角是风力机的输出功率对两个决定性要素。 其中叶尖速比旯，就是叶片的叶尖线速度和风速的比值： 五= r ( o r a v = r 2 n n ( 6 0 v ) ( 2 5 ) 其中： 欠表示风力机叶片的半径； 缈。表示风力机叶片旋转的角速度； 刀表示风力机叶片的转速； 由于风力机在驱动发电机旋转发电时中1 白j 加入了增速比为的变速齿轮箱，所以 发电机转速与风力机转速的关系为q = n 或= 哆。 按桨叶的安装角是否固定风力机可分为变浆距和定浆距两种形式，这里变化的为 桨距角。一般由一簇风能利用系数c 。曲线来表示变浆距风力机的特性，如图2 1 所示。从图中可以看到，当浆叶节距角逐渐增大时，c 。( 五) 曲线将显著减小。 定浆距风力机的性能曲线可以这样描述：在假定保持叶浆距角不发生变化点情 况下，风能利用系数c 。则只和叶尖速比旯有关系，这样就可以用一条曲线来描述风能 利用系数c 。( 名) 的特性，那么所得出的曲线即定浆距风力机的性能曲线，如图2 2 所 示。在定浆距情况下，c 。的大小取决于叶尖速比五的大小。对于每一个特定的风力机， 总有且只有唯一的一个使得c p 最大的叶尖速比a ，称之为最佳叶尖速比( ) ，此时 9 硕上学位论文第二章双馈风力发电基本理论 与之对应的q 被称为最大风能利用系数( q 一) 。 1 3s 、 c 。 0 5 0 4 0 3 0 2 o 1 0 图2 1 变浆距风力机性能曲线 从图2 - 2 可以看出，当叶尖速比远离最佳叶尖速比时，风能利用系数q 也即 会成正比例的偏离最大风能利用系数q 叫。，使风力发电机组的运行效率下降。根据 贝茨理论，风能利用系数的最大值为0 5 9 3 。而对于一般的水平轴型风力机， e = 0 2 0 5 ，但实际上还要考虑到风力机在风场中会受到各种干扰因素的影响，实 际的c p n l a x 大致在0 4 左右，很难超过0 5 2 l 】。 图2 - 2 定浆距风力机性能曲线 变浆距风力机是在定浆距风力机的基础上加以改进和拓展而发展起来的，但定浆 距风力机特性是变浆距风力机特性的基本情况，具有典型的代表意义，是研究最大风 能追踪原理的基础。通过对浆距风力机分析所得出的一般性结论，可同样适用于变浆 距风力，为了简化系统和便于系统仿真的顺利进行，本文将以定浆距风力机及其特性 为研究重点。 从上面的分析可知，当风场的风速1 ，稳定时，c 。值会跟着风力机转速彩。的变化 而相应地改变的，而风能利用系数c 。的变化则会导致风力机输出的机械功率只也相 应的发生变化，也即风力机转速绒的变化会影响风力机捕获风能的能力。根据图2 。2 1 0 硕士学位论文 第二章双馈风力发i 乜基本理论 和( 2 - 3 ) 式，在不l 司的风速下，可以得到风力机的输出功率和转速的关系曲线图， 如图2 3 所示。图中在不同风速下取风力机的功率一转速曲线的功率最大值点，并将 最大功率点连线，这根连线被称为风力机的最佳功率曲线( e o , ，曲线) 。在e o , 。曲线上 运行的风力机可以得到功率的最大输出民。，其值为 = 七。吃 ( 2 6 ) 其中k 。= o 5 p s 。( r 旯o , ，) 。q 懈。 0 图2 3 定浆距风力机功率转速 从( 2 5 ) 式知，对于任意一种特定型号的风力机，其总有固定的最佳功率曲线， 并且其最大功率和转速的三次方成正比。定浆距风力机具有以下特点： ( 1 )当转速恒定不变时，风速v 与风力机的输入功率成正比，当风速加大，输 入功率也增加，而风力机输出功率也随输入功率点增加而增加。 ( 2 ) 在某固定的风速下，风力机只有在某一特定的转速j 能达到输出功率的 最大值，当转速偏离了这特定的转速，风力机的输出功率便会降低，这一特定的转 速点与图2 - 2 中点允= z o p t 、c ，= c ，。相对应，称为最佳转速。 ( 3 ) 风力机最佳转速不是固定不变的，它只是相对于某一恒定风速的最佳值， 当风速发生变化时，风力机的最佳转速值会相应的发生变化。 2 2 最大风能捕获控制原理 由于实际上风速是在实时变化着的，所以风力机最佳转速也是实时变化的，为了 能确保最大限度的将风能转变为电能，使风力发电机机组的运行效率达到最大，同时 避免风轮、发电机和功率电子等装置在高阵风时不受过载性破坏和由于风轮速度失控 所导致的机械上的破坏，风力发电机组控制要求有5 个独立区域，如图2 4 所示： 硕一l ：学位论文第二章双馈风力发电基本理论 ( 1 ) 切入速度：当风速高于此速度时风力机开始发出功率，低于此速度时，风 力机将停机，不发出功率。 ( 2 ) c 恒定区：风轮转速增大到启动风速时，其转速也达到了发电机可以切入 运行发电的转速机组开始发出电功率，为使风能利用系数达到最大值，调节电机转速 使之达到最佳状态。由此可以看出这个区域主要是通过调节电机的转速，使定子侧输 出功率在风速变化的情况下一直处于功率的最大输出，即实现了最大风能的捕获。 ( 3 ) 转速恒定区：机组的转速随风速的增大而不断增加，当转子转速达到系统 所限定的最大值时，转子转速将会受到限制，即维持此转速不变，风速再增加时，会 使风能等利用效率降低，但整个的系统功率还是在增加的。 ( 4 ) 功率恒定区：当风速继续增加，由于系统各个部件都有电流电压的一个极 限值，所以此时必须调节励磁电流降低转子转速，大幅度的降低风能等利用率，以保 护风力系统，保持恒功率输出。 ( 5 ) 切出速度：当风速达到此速度时，为保护系统，风轮将停止转动。 摹 v 羽 铎 褂 督 l 、 | 恒c f区域 l 常； c p 1 一恒功2i 输i lr ， | 、 、 、 切， j ? 切出 、 o5l o1 52 02 53 0 风速( m s 1 图2 4 风力机速度控制的5 个区域 2 3 双馈型异步发电机变速恒频运行的基本原理 双馈型异步发电机具有定子绕组和转子绕组两套绕组，它们分别接到不同的两个 独立三相对称交流电源，其转子侧可以根据情况输入交流电流励磁( 在亚同步或超同 步运行时) ，也可以输入直流电流来励磁( 在同步速运行时) ，可以向电网回馈电能。 当采用交流励磁时，通过调节转子侧励磁电流的频率可以控制电机的转速，从而使得 双馈发电机内部的电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机。因此，以下几 节将主要介绍双馈电机的基本工作原理、数学模型、控制策略、等效电路图、能量流 动与平衡关系等，特别是对双馈电机在发电状态下的分析为后面进一步的理论分析、 1 2 硕十学位论文第二章双馈风力发电基本理论 控制仿真等研究打下基础。 2 3 1 双馈型异步发电机的优势 在相当长的一段时问内，同步发电机在风力发电系统中一直都占据着主导的地 位。同步发电机一般采用直流励磁，而异步发电机则没有专门的励磁绕组，其磁场是 通过定子励磁电流建立起来的。近年来，随着科学技术的不断发展，双馈异步发电机 ( d f i g ) 较同步发电机和异步发电机的优势越来越明显。d f i g 在结构上类似于绕线 式异步电机，具有定、转子两套绕组。双馈异步发电机的定子绕组和转子绕组分别接 到三相交流电源，其中定子直接接电网，以输出电功率，而转子则通过变频器接到电 网，