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变速恒频双馈风力发电机控制策略研究 摘要 目前，人类面临着能源和环境两大迫在眉睫的问题，因此利用可再生、绿色环保的能 源，如风能、水能和太阳能等作为重要的清洁替代能源，对于缓解近年来的问题具有重大 意义，日益受到人们的重视。而风能独特的优点倍受各国学者关注，风力发电技术已成为 竞相研究的热点。风力发电系统的控制问题研究成了热门课题。 本文首先分析了当今世界各国风力发电的发展现况，介绍了我国的风力发电事业现 状，在此基础上指出了本课题研究内容和工作的意义。研究了以双馈异步发电机构成的风 力发电系统，利用变速恒频控制提高风能的利用率，具有独立的有功、无功功率调节能力， 并可以改善电力系统的稳定性。 其次，详细分析了风能系统和双馈发电机的运行原理与特性，推导了其基于坐标变换 的动态数学模型，为本文的研究奠定了理论基础。基于定子磁链定向矢量控制策略，构建 了双馈异步发电机的矢量控制系统，设计其中的电流环和转速环的p i 调节器，实现了转子 励磁电压、电流和功率的解耦关系。 再而，研究了变速恒频风力发电系统的励磁控制，采用双p w m 变换器可使转子励磁 电源的输入输出特性更好，谐波更小和实现能量的双向传输。分析了s v p w m 的原理算法 和网侧p w m 变换器的数学模型，设计了基于电网电压矢量定向控制技术的网侧变换器的 控制策略，实现网侧变换器交流侧功率因数调节和直流母线的电压控制。 最后，基于m a = r i ，a b s i m u l i n k 平台，建立了双馈异步发电机控制仿真模型和网侧 p w m 变换器仿真模型。仿真结果表明，双馈发电机控制系统具有良好的动态控制性能； 网侧p w m 变换器具有低谐波，高功率因数，快速动态响应及能量双向流动的特点，直流 母线电压稳定，波动小，能够满足双馈发电机交流励磁的需要。 本文所研究的变速恒频风力发电系统采用基于定子磁场定向的矢量控制和双p w m 变 换器协调控制为系统实现提供了良好的理论基础，具有很重要的实用意义。 关键字：风力发电，变速恒频，双馈发电机，矢量控制，双p w m 变换器，仿真 t h es t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h e v s c fd o u b l e f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o r a b s t r a c t n o w a d a y s ，u n d e rt h es e r i o u sp r o b l e mo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t , p e o p l ep a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ot h e 墩o f e n e r g yr e g e n e r a t e dg l na n dc l e a n n e s ss u c ha sw i n de n e r g y , w a t e r e n e r g ya n ds o l a re n e r g ye t c b yv i r t u eo fi t so u t s t a n d i n gm e r i t s ，w i n dp o w e rh a sd r a w ng r e a t a t t e n t i o ni ne x p l o i t i n gr e n e w a b l ee n e r g yr 鹤o u r c e ，a n dt h ew i n dp o w e rt e c h n o l o g yh a sb e c o m e t r e m e n d o u ss c h o l a r s r e s e a r c hh o t s p o t n o wi ti sar e a lh o tt o p i ct or e s e a r c ht h ec o n t r o ls t r a t e g y o fw i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m f i r s t l y , t h i sa r t i c l e 团l n u n a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fw i n dp o w e rc o l l r s ea b r o a d , a n de s p e c i a l l yi no u ro w nc o u n t r y , g a v eo u tt h ep a p e r sm a i nc o n t e n ta n di n v e s t i g a t i o n s i g n i f i c a n c e mv 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 y s c f ) w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m u s i n gd o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r f i g ) i m p r o v e st h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fw i n dp o w e r t h es y s t e mc a l la d j u s tt h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rs e p a r a t e l y ，a n di m p r o v e st 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 s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew i n dp o w e rs y s t e ma n dd f i go p e r a t i o np r i n c i p l ei n d e t a i l ，i n c l u d i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fd f i ga n dd f i go p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ed y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e l a n dc o o r d i n a t et r a n s f o n n a t i o no fd f i g 锄他s t u d i e dw i t ht h e o r e t i c a l d e d u c t i o n ag e n e r a lc o n t r o lm o d e lb a s e do ns t a t o rf l u xo 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 s e s t a b l i s h e da n d t h e d u a l c l o s e d - l o o pp ia d j u s t e r sa l ed e s i g n e dt or e a l i z et h es p e e dc o n t r o lo f d f i ga n dd e e o u p l e dc o n t r o lo ft h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r t h e n , t h ep a p e ra n a l y z e st h ee x c i t a t i o nc o n t r o lo fv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n t h ed u a l p w mc o n v e r t o r sh a v eb e t t e ri n p u ta n do u t p u tp e r f o r m a n c e s ，l e s sh a r m o n i c sa n db i d i r e c t i o n a l e n e r g y - t r a n s f o r m t h et h e o r yo fs v p w ma n dt h em o d e lo f 咖d s i d ec o n v e r t e ra r ea n a l y z e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fg r i d s i d ec o n v e n e r ，t h ef u n c t i o no fw h i c hi st 0a d j u s tt h ei np u tp o w e r f a c t o ra t 西ds i d ea n dt oc o n t r o ld cb u sv o l t a g ei sp r o p o s e do i lt h eb a s i so ft h ef i e l do r i e n t e d v e c t o rc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n r e s e a r c hi s c a r r i e do u tb a s e do nt h e p l a t f o r m o f m a t l a b s i m u l i n kt ov a l i d a t et h ep r o p o s e ds t r a t e g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h es y s t e mh a s9 0 0 dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dt h eg r i ds i d ec o n v e r t e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c h 鹊l o wh a r m o n i c ，h i g hp o w e rf a c t o r , f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n de n e r g yb i d i r e c t i o n a lf l o w , c o u l ds a t i s f yt h ed e m a n do fd f i ge x c i t a t i o n t h em e t h o do fs t a t o r - f l u x - o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lc o m b i n i n gt h ed u a lp w mc o n v e r t o r s h a r m o n i o u sc o n t r o lp r o v i d e sa ne x c e l l e n tt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fr e a l i z a t i o n o b v i o u s l y , t h e s y s t e mh a ss o m ei m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n , v s c f , d f i g , d u a l - p w mc o n v e r t e r , v e c t o rc o n t r o l ， s 小，肌( i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：。尹年r 月巧自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密趴 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：口7 年j ，月- 4 一e 醐锄乏年脚1 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义与背景 第1 章绪论 人类已经步入了2 1 世纪的第九个年头，越来越多的问题已经横亘在我们的面前，其 中最为严峻的就是能源和环境的问题。 能源供应和环境保护是经济持续发展的必要条件。如果不再重视可再生能源的开发， 下一个世纪由于能源资源的匮乏将导致全球的能源危机。去年联合国环境署报告：“在过 去2 0 年，全世界能源消耗增长了5 0 ，从现在到2 0 2 0 年，全球能源消耗还将比现在增长 5 0 到1 0 0 ，由此造成的温室效应气体排放将会增加4 5 到9 0 ，从而带来灾难性后果一。 而伴随着经济的快速发展和全球工业化进程的加快，能源消耗日益增长、环境污染日渐严 重。常规能源如煤、石油、天然气等不可再生能源有限，人类在过去的几百年来无节制的 开采和滥用这些不可再生能源，现在已经面临枯竭。而且大量的使用过程中，已经对环境 造成了不可估量的严重破坏，全球变暖的温室效应，酸雨等现象就是由于能源的不合理滥 用，引起c 0 2 ，s 0 2 ，n o ，c o 等有害气体过量排放。我们能否解决好在利用常规能源的 同时，积极开发对生态有利的新型能源，已成为保持世界经济的可持续发展的一个重要因 素【1 1 0 核电技术由于其对环境的巨大潜在威胁而遭到德国、荷兰、瑞典和丹麦等国家的永久 放弃，给作为清洁能源的风力发电带来了生存和发展的有利时机。另一方面，出于能源安 全和本地化的考虑，化石类能源终究是有限的，替代能源的研究和开发迫在眉睫。风能、 太阳能、潮汐能的开发利用可以有效缓解世界能源供应困局，其中产业化条件最为成熟的 首推风力发电。并且风能作为一种没有任何污染的可再生的能源，越来越受到世界各国的 重视。其资源丰富，蕴含量巨大，全球风能资源总量约为2 7 4 x1 0 9 m w ，比地球上的水能 总量大近1 0 倍，这就相当于1 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 座1 0 0 万瓦量级的原子能发电站。其中可利用 的风能为2 1 0 7 m w t 2 。近几十年来，各国都看到了风力发电的潜力，技术有飞速的发展， 每年装机容量的平均年增长率可以达到3 0 ，1 9 8 4 年世界风电装机容量为2 7 4 0 0 0 0 w ，到 2 0 0 4 年年底，世界风电装机容量已经突破了4 7 6 1 6 4 m w ，风力发电量已经占到世界总电 浙江工业大学硕士学位论文 量的0 5 ，2 0 0 7 年全球风能装机总量为9 0 0 0 0 m w ，2 0 0 8 年全球风电增长2 8 8 ，2 0 0 8 年年底全球累计风电装机容量已超过了1 2 0 8 0 0 m w ，已经相当于减排1 5 8 亿吨二氧化碳。 随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上完全可以与燃煤发电竞争。目前全世 界风电装机容量达到4 9 0 0 0 0 m w ，而且还在以年均3 0 的速度增长例。 由于近年来电力电子技术发展的势头突飞猛进，尤其是计算机与控制技术的飞速发 展，各国看到了风能的潜力，都在风能的开发利用上投入了大量的人力物力精力，风力发 电的技术得到长足的进步和飞速发展。机械、空气动力、计算机、自动控制、电力电子技 术的发展和新领域的利用，促进了很多当初制约风力发电发展的一些技术难关的攻克，并 且在各国政府的大力支持下，风电的时代即将来临。预计到2 0 2 0 年，世界风电的装机容 量将达到1 2 3 1 0 0 0 m w ，发电量约为3 0 0 0 0 亿k w h ，风力发电将占世界发电总量的1 2 ， 不久的将来，必将取代传统的燃煤发电【4 】。 1 2目前世界风力发电的发展状况 近2 0 年来，世界上许多发达国家已经在风力发电上取得了惊人成就，远远超过了我 国。风力发电机组从其单机容量数十千瓦级已经发展到现在的兆瓦级机组。并且从2 0 世 纪8 0 年代开始发展起来的现代并网风力发电机组，只经过数十年，即已形成商品化和产 业化的风力发电机组研发制造产业。 近几年世界风力发电产业继续以飞快的速度蓬勃发展，到2 0 0 6 年底，风电发展已经 涵盖世界各大洲，并呈快速增长态势。风电装机超过1 0 0 万千瓦的国家已经由2 0 0 5 年的 1 1 个增加到1 3 个，其中包括8 个欧洲国家( 德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、 葡萄牙、法国) 、3 个亚洲国家( 印度、中国、日本) 和2 个美洲国家( 美国、加拿大) 。 欧洲继续保持领先地位，亚洲正成为全球风电产业发展的新生力量。与此同时，位居全球 风电市场前五位的德国、西班牙、美国、印度以及丹麦风电装机容量所占世界份额呈下滑 趋势，由2 0 0 3 年的8 2 降至2 0 0 6 年的7 1 ，新增份额由7 9 降至5 3 。表1 - 1 中，显示 了截止到2 0 0 6 年年底，世界各大洲的风电装机总容量情况。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 12 0 0 6 年世界各大洲装机容量情况( 单位：万千瓦) 0 6 底装机容量比0 5 年增长增长率占世界比重 欧洲4 8 5 57 7 11 8 7 6 4 5 美洲1 3 5 7 3 5 33 5 1 8 3 亚太1 1 6 73 7 94 8 1 1 5 7 非洲及中东 4 4 1 1 7 26 2 7 o 6 美国的新装机容量达到8 3 8 万千瓦，这一增长使其总装机量达到2 5 2 0 万千瓦，超过 德国，已经跃居为全球风电装机量最大的国家。在欧洲，大约新增8 9 0 万千瓦的装机容量， 使总装机容量达到6 6 0 0 万千瓦。根据欧洲风能协会的消息，风电首次成为欧洲新增电力 装机容量的领军能源。在风电市场方面，法国、英国和意大利目前成为继德国、西班牙和 丹麦后的新锐，使风电的发展在整个欧洲更加均甜5 】【6 】忉。 全球近l 3 的新增装机量发生在亚洲。而其中最显著的增长在中国，去年的新增装机 容量达到6 3 0 万千瓦，使中国的总装机容量突破了1 2 0 0 万千瓦。预计，中国风能总装机 容量将达到3 0 0 0 万千瓦，有望赶超德国和西班牙，仅次于美国隅j 。图1 1 显示了截止2 0 0 6 年年底，世界各大主要风电国家装机容量情况。 德国美国西班牙印度丹麦中国意大利英国葡萄牙法国 图1 12 0 0 6 年世界主要风电国家装机容量情况 我国风能资源十分丰富，陆上可开发的风力资源至少有2 5 3 亿k w ，近海的风力资源 可开发储量有7 5 亿k w ，全国可开发风力资源在1 0 亿k w 以上，具有大规模商业化的风 一 夏日 一 一底 一 爱盈 一 一 泓 涨 揣 狲 泓 帅 o 洲 吣 蓦； 2 2 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 电资源条件。图1 2 显示了中国风力资源的分布情况。 图1 - 2 中国风力资源分布图 由于中国长期以来没有很重视新能源的开发，能源结构相对比较单一，新能源仅占全 国能源消费总量的02 左右，在世界能源短缺的大环境下，我国也越来越重视生态环境和 经济的可持续发展，核电、太阳能、水电、风电等新能源的快速发展，其中尤以风电为首 要发展项目。 截止2 0 0 7 年年底，我国国内风电装机5 9 0 w k w ，世界排名第五位，其中2 0 0 7 年新增 装机容量居全球第三位。虽然发展快速，风电装机量增长势头迅猛，但是，我国作为一个 风力资源丰富的国家，风能的开发和利用水平不高，还远远落后于世界水平。 从2 0 0 2 年以来，我国风电场项目建设进入一个快速发展的时期，2 0 0 3 年9 月国家有 关部门提出了风电发展战略目标：到2 0 1 0 年风力发电装机容量要达到4 0 0 万千瓦；2 0 2 0 年前，咀建立具有自主知识产权的风电产业体系为主要目标，掌握国际上主流机型的设计、 制造和评估技术，实现预定3 0 0 0 万千瓦总装机容量的目标，争取达到5 0 0 0 万千瓦；到2 0 3 0 年，围内风电总装机容量达到1 亿千瓦以上，风电的成本争取低于火力发电，_ | _ l 电将成为 浙江工业大学硕士学位论文 我国重要的清洁电源，并在工业领域中得到应用；到2 0 5 0 年后，我国的风力发电在电源 结构中的比例将达到1 0 ，成为重要的能源之- - n 。 而且在今年，也就是2 0 0 9 年3 月1 8 日国家发改委在最新的一份文件可再生能源发 展“十一五”规划，将2 0 1 0 年风力发电装机容量提高了倍多，目标定为：到2 0 1 0 年， 风电总装机容量达到1 c 0 0 万千瓦。新的规划中，将风力发展目标翻了倍多，很大程度 上要归功于风电近年在中国的迅猛发展。仅在2 0 0 7 年一年，全国风电并网生产的发展规 模就相当于2 0 0 7 年之前所有的年份总和。 规划中还指出；在“十一五”时期，全国新增风电装机容量约9 0 0 万千瓦，到2 0 1 0 年同时形成国内风电装备制造能力，整机生产能力达到年产5 0 0 万千瓦，零部件配套生产 能力达到年产8 0 0 万千瓦，为2 0 1 0 年以后风电快速发展奠定装备基础。到2 0 1 0 年要“形 成江苏、河北、内蒙古等5 个1 0 0 万千瓦级的风电基地”。图1 - 3 显示了1 9 9 0 年以来我国 风电总装机容量的增长情况。 2 0 0 3 - 5 6 7 2 0 0 2 - 4 6 8 2 0 0 1 4 0 0 2 0 0 0 - 3 4 4 1 9 9 9 - 2 6 8 1 9 9 0 2 2 4 1 7 0 | 7 9 1 9 9 5k 3 8 1 9 9 3h 1 5 1 9 9 04 图】3 我国风电总装机容量( 除台湾省) ( m w ) 我国风电事业发展虽然很快，装机容量每年飞速递增，但由于起步相对比较晚实际 风电装机容量仅占全国电力装机总容量的01 4 。而且遗憾的是迄今国内已经投入运行的 浙江工业大学硕士学位论文 风电机组设备主要还是依赖于进口，研究发展水平远远落后于国外。导致我国的风电事业 受到很多方面的制约，不利于风电产业的形成和发展。我国从2 0 世纪7 0 年代开始研制大 型并网型风电机组，但直到1 9 9 7 年在国家“乘风计划 支持下，才真正从科研走向市场， 目前我国已基本掌握2 0 0 k w - - - 6 0 0 k w 大型风电机组制造技术，主要零部件均能实现国产 化，现正在研制兆瓦级风电机组，并已取得一定成果。所以，除了国家的政策需要给予一 定的倾斜以外，风电设备的自主化也需要提上日程，过去对风电设备单纯依靠进口、仿制 国外成熟机组，成本和许多由此带来的问题已经成了我国风电产业继续发展的瓶颈。因此， 提高我国的风力发电的技术水平，使风电设备自主化、国产化，研究风力发电机组的控制 技术，是我们当前的迫切要求。 1 3 风力发电技术 风力发电是利用风能来发电，现代风力发电系统石油风力发电机组、控制装置、监测 显示装置等构成，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械装置。风力发电机组由风轮 机和发电机组成，风轮机将风能转换为机械能，然后由发电机将机械能转换为电能，实现 了能量的转换。因此，风力发电机组是整个风力发电系统的主要装置，对整个系统的性能、 效率有很大的影响，于是，能否研制出有高可靠性、高效率、高控制性能的风力发电机组， 是风力发电技术研究和开发的重中之重。 风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机。按照风力机的控制方式分，风力发 电技术可以分为定桨距失速调节和变桨距调节两种；按照发电机的控制方式来分，则可以 分为恒速恒频( c s c f ) 发电和变速恒频( v s c f ) 发电。而风力机的变桨距调节技术和发 电机的变速恒频发电技术是当前风力发电的主流，是研究的重点，有良好的发展前景【1 0 1 1 1 】。 也是本人研究的方向。 1 3 1风力机的定桨距失速调节技术和变桨距调节技术 ( 1 ) 定桨距失速调节技术( s t a l lr e g u l a t i o n ) 这种技术就是利用桨叶翼本身的自动失速特性，来限制叶片吸收过大的风能。即当风 速高于风力机额定风速时，气流在叶片表面产生涡流，风能利用效率降低，从而可以自动 达到输出功率的额定。其优点是发电机组的功率调节完全由桨叶完成，简单可靠，控制简 化；缺点是桨叶结构复杂，工艺难度大，桨叶、塔架等主要受力部件的受力增大，所以风 机不易大型化。并且存在低风速时候的运行效率问题。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 变桨距调节技术( p i t c hr e g u l a t i o n ) 这种技术是风力发电机组通过调节桨叶节距，在不同的风速情况下根据风速调节叶片 的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，按最佳参数运行以获得较高的输出 功率，使得因为风速变化而引起的输出功率变化大大减少，所以，变桨距风力机在一定的 风速范围内输出功率大于定桨距风力机。 变桨距调节的优点是：桨叶受力比较小，桨叶和风电机的结构部件可以做得相对比较 轻巧，但是，相对的，缺点就是变桨距调节机构结构复杂，控制相对比较困难。 ( 3 ) 主动定桨距调节技术( a c t i v es t a l lr e g u l a t i o n ) 前两种技术各有各的优缺点，为了克服定桨距和变桨距调节风力发电机容易受到空气 密度影响，在失速点附近容易产生功率波动的问题，国际上几个风电机制造商融合了失速 控制和桨距调节的优点，将前两种方法组合成这种调节方法。即：桨叶采用定桨距失速调 节型，调节系统采用变桨距调节。输出的功率在额定功率以下时候，调节方式与变桨距方 式相同；而输出功率在额定功率以上时，调节方式与定桨距方式相同。并且，这种调节技 术可以大大减少机械刹车对机组传动系统的冲击。 这种技术融合了定桨距和变桨距调节的优点，具有输出功率稳定，易于控制，风能利 用效率高【1 2 1 。 1 3 2 变频恒速风力发电系统 在利用风力发电中，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，即风力发电机发出的电能频率恒定，因此，风力发电可分为恒速恒频( c s c f ) 发电和 变速恒频( v s c f ) 发电。 恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，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，所采用的发电机主要是同步发电机或鼠笼型异步发 电机，前者运行于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，系统结构简单，安全系数和可靠性较高。变速恒频发电是指在风力发电过程中发电机 的转速随着风速变化而变化，但是通过一些控制方式来控制输出，保持基本恒定的最佳叶 尖速比，从而得到和电网频率一致的恒频电能，风能利用系数最大。 变速恒频是2 0 世纪7 0 年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，风力机跟随 风速的变化而变速运行，其主要优点在于系统转换效率高，变速运行的风力机以最佳叶尖 速比、最大功率点运行，功率因数可调。风轮以变速运行，由于工业控制领域交流电动机 浙江工业大学硕士学位论文 的调速技术已经在很多设备中得到了成熟的应用，通过调节发电机转子电流的大小、频率 和相位，从而实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，进 而实现追求风能最大转换效率；同时又可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、无 功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率，因而变速恒频发电系统将是今后风力发电 发展的必然趋势【1 3 】。 目前采用变速恒频技术的风力发电机组，使用不同类型的发电机，并辅之相关的电力 电子变流装置，配合发电机进行功率控制，构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。 风力发电机变速恒频控制方案一般有4 种：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统： 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统：无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统；永 磁发电机变速恒频风力发电系统。 相对于交流励磁双馈异步发电系统，鼠笼型发电机成本、体积和重量太大；无刷发电 机在设计和制造上目前还存在难题；永磁发电机虽然尤其优点，但是目前应用范围还比较 小，技术还不成熟。 所以，在众多变速恒频风力发电系统中，交流励磁双馈异步发电系统具有其无法比拟 的诸多优点：由于其方案是在转子电路实现，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运 行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一小部分，而且可以双向流动。因此，励 磁变频器的容量仅为发电机容量的一小部分；采用双馈发电方式，能参与电力系统的无功 功率调节；可实现发电机安全、便捷的并网等。这些突出的优点使得由双馈异步发电机构 成的变速恒频风力发电系统成为国际上风力发电的主流发展方向【1 4 】。 在变速恒频双馈风力发电系统中，采用转子交流励磁的异步发电机，其结构如图1 4 所示。发电机定子绕组接入电网，转子绕组接入一个频率、幅值、相位都可以通过变频器 调节的三相交流电源。这种系统的关键就是通过对转子馈电的控制实现定子侧恒压恒频的 电力输出。 变速箱双馈发电机 电网 图l - 4 变速恒频双馈风力发电系统结构 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 变速恒频双馈风力发电机控制技术 为能在变化不定的风速下能获得频率恒定的电能，全球的风电专家学者研究了很多方 案，基本可以分为两种：一是运用机械手段，通过控制桨叶和齿轮箱使发电机的转速保持 稳定，前面所说的定桨距、变桨距和主动定桨距都属于这一类别；二是通过电力电子技术， 把发电机输出的电能通过变频器的转换，得到符合我们要求的电能，这就是变速恒频技术。 由于机械手段的固有缺点，为了更有效的利用风能、提高利用的效率，双馈电机进入了我 们的视野。 所谓双馈，就是将电能分别馈入电机的定子绕组和转子绕组。由于双馈电机的特殊性， 转子侧既可以输入电能也可以输出电能，具有能量双向流动的特性，双馈电机正常工作时， 定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到一个频率、幅值、相位都可以独立调节的三相变 频电源上，改变转子绕组变频器电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节双馈电机的 转矩、转速和定子侧的无功功率。可以工作在亚同步、超同步转速工作区，可以工作在较 宽的风速范围。由于双馈电机在运行上有很多优点，展现广阔的应用前景。近几十年来， 国内外学者对双馈电机进行了广泛的研究。 1 4 1 双馈发电机的调速技术 从2 0 世纪7 0 年代开始，双馈调速技术的研究就已经广泛开展。双馈发电机的结构与 绕线式异步电机类似，二者的区别在于双馈发电机转子绕组的频率是由外加的交流励磁电 源供电，可以随时变化，而普通的异步电机则不能人为调整。所以相对双馈发电机来说， 调节电机的转速和定子侧无功功率，可以通过改变转子绕组电源的频率、相位、幅值和相 序来实现。 较早应用的是西门子公司在7 0 年代研制的感应电机双馈调速系统，控制原理是根据交 流电机的等效电路和向量图推导出来的，并没有对交叉耦合信号进行补偿，系统中各调节 器的参数整定很难实现最佳；而且电磁转矩和转子相电流是非线性关系，导致系统动态性 能比较差，只能用于动态指标要求不高的场合。 德国工程师f b l a s h k e 于上个世纪七十年代提出的矢量控制原理，使得交流调速技术发 生了一次飞跃，应用在双馈调速上，同样获得了良好的动静态控制性能。矢量控制引入坐 标变换，将原来复杂的双馈电机模型等效为d q 模型，对坐标轴的交叉耦合信号进行有效补 浙江工业大学硕士学位论文 偿，得到了类似直流调速的效果。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量 之间的复杂关系，需要使坐标轴定向在某个矢量上，一般在双馈系统可以选择的定向矢量 有定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比较常用的是以定子磁链和气 隙磁链为定向矢量的控制方法。 双馈电机矢量控制中，基于定子磁场定位或转子磁场定位，控制效果都会受到电机参 数影响，为此，i m a r t i n e z d ea l e g r i a 提出双馈电机的功率误差向量控制，此方法不依赖于 电机参数，不用对参数进行调整，针对不同的情况，用查表法来实现空间向量调制，控制 简单，运行稳定【1 5 】。 除了矢量控制外，k r z e m i n s k i z 基于微分几何的非线性反馈线性理论提出了异步电机 多标量模型及其控制策略【1 6 1 ，并将其应用到了无速度传感器双馈发电机的交流励磁控制中 去【1 7 1 。异步电机的非线性反馈线性化是通过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态 解耦和全局线性化。由于非线性反馈线性化的基础是已知参数的电机模型及电机参数的精 确测量或观测，然而在运行中电机参数受温度和磁饱和现象的影响，并且磁链观测的准确 性很难保证，这些都影响系统的鲁棒性，故目前国内外学者很少采用该模型来实现双馈发 电机的交流励磁控制。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 是最早由a b p l u n k e t t 提出，1 9 8 5 年由德国的 m d e p e n b r o c k 教授成功实现的一种电机控制技术，随后日本学者t a k a h a s h l 也提出了类似的 方案【1 8 】【1 9 1 1 2 0 l 。d t c 变频调速技术是近年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有 高性能的交流变频调速技术。不同于矢量控制，它跳出了传统交流传动技术研究的框框， 不去进行解耦，而是利用电压型逆变开关特点，避免了复杂的坐标变换，减少了对电机参 数的依赖性，只需简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算转子 磁链从而控制电机的电磁转矩，并根据与给定值比较所得误差，进而实现转速控制。文献 2 1 1 采斥j d t c 控制双馈发电机，根据要求运行的功率因数计算转子磁链的参考值，基于估 计的转子磁链的位置、转矩和转子磁链的误差选取开关矢量。然而，d t c 的问题在于双馈 发电机参数的变化会严重影响转子磁链估计值的精度，且在转子磁链参考值的计算中也存 在同样的问题。 因此，在直接转矩控制基础上，d a t t ar ，r a n g a n a t h a nvt 等提出了变速恒频发电系统 的直接功率控制【2 2 1 ( d p c ) ，不同于矢量控制，d p c 没有复杂的坐标变化，通过选择合适 的转子侧电压矢量来直接控制定子侧的有功和无功功率，实现对有功功率和无功功率的独 立调节。文献【2 3 】提出t d p c 控制策略在双馈风力发电系统中的应用。可以认为d p c 是矢 浙江工业大学硕士学位论文 量控制和直接转矩控制的结合，此方法只需估计定子磁链的值从而避免了d t c 中对转子磁 链值的估计。更重要的是，d p c 所唯一需要的机组参数定子阻抗对系统性能的影响是 可以忽略的。仿真结果验证t d p c 策略在运行条件和机组参数发生变化时的有效性和鲁棒 性。但d p c 在电网参数发生变化如故障条件下的控制性能如何，目前还处于实验室研究阶 段。 在双馈电机的不同控制中，矢量控制和直接转矩控制各有有点，于是，z h c n g w a n g , f e n g x i a n g 把两者结合起来，提出了矢量和直接转矩综合控制【2 4 】，此方法不用磁场定位，却 实现了快速响应，且简单，易于实现。 至l j 2 0 世纪9 0 年代，智能控制的飞速发展，使其渐渐开始在电气传动领域内得到应用， 模糊控制嗍、自适应控制、辨识理论、人工神经网络，使电机控制的性能大大改善。y i f a n t a n g 等对双馈电机引入了模糊逻辑控制嘲，主要是通过控制转差功率恢复配置来实现双馈 电机的变速恒频，并且，搭建了d s p 系统，进一步实现了无功功率的控制，具有很好的运 行特性。但是，智能控制发展的时间还很短，应用相对少，很多也仅仅停留在理论阶段， 需要进一步研究。 1 4 2 励磁主电路的拓扑结构 在励磁变换器拓扑结构的研究上，目前最常用的励磁变换器拓扑结构带中间直流环节 ( 电容或电感) 的背靠背( b a c k - t o b a c k ) 电压源( 或电流源) 交一直一交p w m 变换器， 其实质就是两个三相全桥结构，由中间直流电容连接，共1 2 个功率开关。文献【2 7 】对这种 变换器的主电路结构和定子磁链定向控制策略做了详细的阐述。p w m 控制简单成熟，得 到广泛的应用。 近年来新出现的矩阵式交一交变换器结构，其结构相对简单，共9 个双向功率开关， 优点是没有了中间的直流环节，体积小，但控制相对比较复杂。目前控制方案都属于电压 控制型，开关函数复杂。且目前尚无可靠的双向功率开关，因而现在矩阵式变换器仍停留 在控制策略研究和小功率实验样机研究阶段。黄科元等提出了基于矩阵变换器的定子磁场 定向的双馈电机控制策略【2 8 1 ，仿真结果体现了该策略的优势及矩阵变换器的灵活性。 a m a c o 啪等对基于电流可控的矩阵变换器结构的双馈电机的运行稳定性进行分析，得 到了电磁转矩直接可控，系统稳定性好，控制系统简单等优点。 基于循环变流器结构，相对复杂，共3 6 个晶闸管，控制复杂。m i t s u t o s h iy a m a m o t o 等提出了主电路采用循环变流器的并网型气隙磁场定向控制的双馈发电机数学模型【2 9 】，并 浙江工业大学硕士学位论文 对定转子绕组谐波电流的传输特性进行了分析。实验表明控制系统可实现有功和无功的独 立控制，但是同时变换器产生的谐波电流通过定转子绕组的传输会改变定子电流的频率， 而且循环交流器的结构和控制比较复杂。由于是自然换流，变换器输出频率范围小，输出 电压含有大量低次谐波，输入侧功率因数低，对电网造成谐波污染，因而其应用受到较大 限制。 以上几种主要的交流励磁主电路拓扑结构外，比较有代表性的还有d e b i p r a s a d 等提出 的一种新的拓扑结构：将原来b a c k - t o b a c k 结构中的转子侧的i g b t 桥由晶闸管桥和一个 b o o s t - b u c k 直流一直流变换器代替的新拓扑结构 3 0 l ，同样可以实现能量的双向流动，晶闸 管桥在整个速度范围内，都可以成功换流；f e n g x i a n gw a n g 等则也提出了另一种新拓扑结 构1 3 1 1 ，包括整流器、斩波器和逆变器，可实现软启动和斩波调速功能、双馈调速功能以及 同步速度运行模式，可通过转子电压控制电磁转矩和功率因数，并通过实验验证了该结构 的正确性。但是还都仅仅停留在实验室研究阶段，要应用到实际中去还需要继续研究。 1 4 3 最大风能跟踪技术研究现状 变速恒频风力发电系统最大的优点是发电机的输出功率能随着风速的变化而变化，输 出功率与风速和发电机转速密切相关，且在一定风速下存在一个最优转速点，使得输出功 率达到最大。对风力发电系统而言，如何根据风速的变化对发电机转速进行控制以捕获到 最大的风能，对风力发电系统的整体效率有相当大的影响。因此，最大风能跟踪策略一直 是变速恒频风力发电系统研究领域中的热点。目前实现最大风能跟踪的主要方法有最佳叶 尖速比控制【3 2 1 ，功率信号反馈控n t 3 3 1 和最大功率点跟踪控制例【3 5 】等。最佳叶尖速比控制是 通过测量风速与发电机转速，调节风机保持最佳叶尖速比运行，从而获得最佳功率输出； 功率信号反馈控制则是利用风力机特性和双馈发电机功率流特性实现定子有功功率的控 制，从而实现发电机转速的调节，达到最佳功率输出；最大功率点跟踪是通过实时测量风 力机转速和输出功率，利用经典数学寻优方法跟踪最大输出功率点。但以上方法忽略了双 馈发电机本身效率的问题，由于发电机效率会随着电机参数和运行工况的变化而改变，因 此，如何更精确地测量各项参数，捕捉最大风能，人们还在不断地探索当中。 1 4 4 风力发电机组监控系统研究现状 2 1 世纪随着通信网络、嵌入式技术的快速发展，风力发电机组的监控系统也从过去的 分布式发展到现在的基于网络的统一监控与管理。并且得益于无线传感器技术的日益成 浙江工业大学硕士学位论文 熟，各类先进的控制总线和以太网、互联网的应用，风电场已经实现了异地远程监控和无 人职守。而整体风场调度算法更可以将整个风场作为一个整体，根据具体风况和发电需要 来决定每台风力发电机的关停，从而控制整个风场输出指定功率的电能。 1 5 本文主要研究内容 随着中国经济快速持续发展，常规能源的供应短缺及其带来的环境问题日益突出，综 合考虑资源、技术、经济、环保等因素，利用可再生能源如风能，作为未来的替代能源， 可望缓解我国能源和电力短缺问题。本文正是在目前国内外常规能源和电力紧缺这样一种 背景下提出的，并以交流励磁双馈异步发电机为研究对象，对由其构成的风力发电系统及 其相关的控制技术进行研究。针对双馈异步风力发电系统的控制技术特点，本文做了以下 方面的研究： ( 1 ) 双馈异步发电机运行原理分析及其矢量控制技术研究 分析了双馈异步发电机的运行理论和功率关系，在推导双馈异步发电机等效电路和数 学模型的基础上，采用基于定子磁链定向矢量的控制方法，设计双馈异步发电机控制系统， 并对其中电流环和转速环中p i 调节器进行设计，实现双馈异步发电机的转速控制和有功、 无功功率的解耦控制。 ( 2 ) 双p w m 变换器研究与控制