（电力电子与电力传动专业论文）双馈风力发电机矢量控制研究.pdf

安徽理一r ：人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t a st o d a y sw o r l d e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，a sar e n e w a b l eg r e e ne n e r g y , w i n de n e r g yd e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fg r e a ts i g n i f i c a n c e c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dh a v eb e e nc o m p e t i n gt o d e v e l o pt h et e c h n o l o g yo ft h i sf i e l d a m o n ga l lt h e s et e c h n o l o g i e s ，v a r i a b l es p e e d c o n s t a n tf r e q u e n c yd o u b l e f e dw i n dp o w e rs y s t e mi st h em o s tw i d e l yu s e d b a s e do n t h i ss y s t e m ，t h eb a c kt ob a c kp w mc o n v e r t e r sc o u l de n a b l em a x i m u me n e r g yc a p t u r e f r o mt h ew i n d b e c a u s eo fr a n d o mc h a n g e si nw i n de n e r g yw h i c ha r eo ft h ec o n v e r t e r h a sav e r yh i g hd e m a n d ，c o m p a r e d 谢lt r a d i t i o n a lc o n v e r t e r s ，b a c kt ob a c kp w m c o n v e r t e r s 舔t h ec o r ep a r to ft h ev a r i a b l es p e e df i x e df r e q u e n c yp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mh a sb e t t e rm p u t , o u t p u t ，l o wh a r m o n i cw a v ea n dw i d es p e e dr e g u l a t i o nr a n g e c h a r a c t e r i s t i c s t h er o t o rs i d ec o n v e r t e ri sr e s p o n s i b l ef o r t h ev e c t o rc o n t r o lo f d o u b l e - f e dm a c h i n et oc a p t u r et h em a x i m u mw i n dp o w e rb a s e do nt h eg i v e ns p e e da n d i n t e r d e n t a l l yc o o r d i n a t et h er e a c t i v ep o w e r n e t - s i d ec o n v e r t e ri nt h ed cb u sv o l t a g et om a i n t a i nt h ec o n s t a n to ft h ed cl i n k t h r o u g ht h ec o m p l e t i o no ft h er o t o ra n dt h er o t o rs i d ec o n v e r t e ra n dt h ee n e r g y e x c h a n g eb e t w e e nt h e 舒da n dp r o v i d es o m er e a c t i v ep o w e r a tf t r s t t h i sp a p e r a n a l y s e ss e v e r a la s p e c t si n c l u d i n gt h es p e e dc o n t r o lt h e o r yo fd o u b l e f e dm a c h i n ea n d i t sm a t hm o d e l ，m a x i m u m 丽n dp o w e rc a p t u r eb a s e do ng i v e na c t i v ea n dr e a c t i v ea n d s o m ev e c t o rc o n t r o ls c h e m e s af e wr e g u l a t i o nr u l e ss u c ha sp o w e rr e g u l a t i o n , t o r q u e r e g u l a t i o n , a r ec o m p a r e d ，m o r e o v e rb a s e do nw h i c hac o n t r o ls c h e m ea b o u t i n d e p e n d e n tc o n t r o lo fa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ri se s t a b l i s h e d f o l l o w e db ya m a g n e t i cf i e l do r i e n t e dv e c t o rt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e dt ot h ev s c fw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mi nt h en e wi d e a s ，s ob ea b l et oc o m m u n i c a t em o r ed i r e c t l yc o n t r o l t h ee l e c t r i c a le x c i t a t i o n t h e na l la n a l y s i sm a t hm o d e lo ft h r e ep h a s ep w mc o n v e r t e r i n 岫r e f e r e n c e ，b a s e do na s t a b l ed cb u sv o l t a g ea n du n i t yp o w e rf a c t o ro p e r a t i o no f t h ed o u b l e l o o pp ic o n t r o ls c h e m e r e s e a r c ht h ee x p e r i m e n t a lo ft h et h e o r ya b o v ec o n s t r u c tt h ed o u b l y - f e dv s c fw i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mo ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s eo nd s p a c ei n c l u d i n gt h e d e t a i l e dd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dv e r i f i e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h e c o n t r o ls t r a t e g yi nt h i sp a p e r t h r o u g he x p e r i m e n t s 摘要 f i g u r e 4 6 】r e f e r e n c e 【5 8 】 k e y w o r d s ：w i n dp o w e r ，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 y ，d o u b l y - f e di n d u c t i o n g e n e r a t o r ，v e c t o rc o n t r o l ，d s p a c e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 1 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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以外， 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 塞邀理王太堂或其他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 表示谢意。 学位论文作者签名：三隆立日期：么啤年上月孚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：锣冬签字日期：少。7 年石月7 日 钟摊：备灾灿 料嘲：胖们日 1 绪 论 1绪论 1 1 课题背景 1 1 1能源危机，环境危机和绿色能源 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，随着科学技术的飞 速发展和工业规模的不断扩大在提高社会发展水平和人们生活质量的同时，能源 的短缺和环境的恶化已经成为全球性的两大难题。一方面，伴随着工业的飞速发 展，煤炭，石油等能源被大量的消耗，另一方面，工业废水，废气，水土流失， 温室效应等等正在破坏我们的地球，能源危机和环境危机就像两只手日益勒紧我 们发展的咽喉。 能源危机一个明显的表现是最近几年来影响我们生活和生产的电力紧张 4 , 5 , 6 , 7 , s 1 。2 0 0 8 奥运之年，仁8 月问中国拉闸限电省份却达到1 2 个，“电荒无疑 成为奥运盛事中的一抹不和谐暗色，新的电力危机呼唤新的应变。 造成这次电力供应紧张的原因既有经济快速增长，高耗能产业急速发展的因 素，也有能源结构不合理，新能源开发不足方面的因素【6 】。由于我国目前的电力 供应主要以水力发电和火力发电为主，一旦干旱或煤炭供应紧张，电力供应就会 受到很大的影响。目前煤炭短缺，很多火电厂因无煤可用而被迫停机，致使电力 供应紧张6 ，7 ，引。 能源危机与环境危机是我们人类所面临的两大难题。他们即是互相矛盾又互相 联系。解决这个矛盾是迫在眉睫的问题。经过惨痛的教训和探索，人们终于找到 了答案：必须采取可持续发展战略，利用科技手段开发可再生能源。太阳能，水利， 风力等是可再生的洁净绿色能源，它们不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用 之不竭，为了我们的后代为了我们的地球开发可再生资源已成当务之急，迫在眉 睫。 1 1 2 国外风力开发与风力发电 风是由太阳辐射引起的一种自然现象，太阳照射到地球表面，地球表面由于各 处受热不同而产生温差，引起大气的对流运动形成了风。虽然到达地球的太阳能 中只有2 转化为风能，但起总量却是十分可观的。全球的风能约为2 7 4 1 0 9 m w ， 其中可利用的风能为2 1 0 7 m w ，比地球上开发的水能总量大1 0 倍，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。我国的风能资源比较丰富，全国可利 安徽理t 大学硕十学位论文 用的风能资源为2 5 3 亿k w ，风能丰富地区的风能密度为2 0 0 - - - 3 0 0 w m z ，有效 风力出现时间概率为7 0 左右，风速大于3 5 m s 的全年累计时数在5 0 0 0 一 7 0 0 0 h t 4 3 5 1 近十多年来，全球风电产业一直处于持续增长态势，1 9 9 5 - - - , 2 0 0 6 年，全球累 计装机容量平均增长2 8 3 ，2 0 0 6 年新增装机容量1 5 1 9 7 万k w 。其中，美国、 德国、印度、西班牙和中国是新增装机容量前5 位的国家，分别达到2 4 5 4 万k w 、 2 1 9 4 万k w 、1 8 4 0 万k w 、1 5 8 7 万k w 和1 3 3 7 万k w 。2 0 0 6 年底，全球风电累 计装机容量为7 4 2 2 3 万k w 。在全球风电产业持续快速发展过程中，欧洲风电一 直处于领跑地位。按照欧洲几年前制定的发展规划，风电装机容量在2 0 1 0 年要达 到4 0 0 0 万k w ，而到2 0 0 5 年底，欧洲实际装机容量就已经达到4 0 9 0 4 万k w ， 已提i j i 5 年实现了2 0 1 0 年装机目标。根据欧洲风能协会预测，世界风电装机2 0 1 0 年为2 亿k w ，2 0 2 0 年为1 2 亿k w ，2 0 3 0 年为2 7 亿k w 。届时风电将分别占世 界总量的2 2 6 、1 2 和2 1 ，风电将逐渐成为主要的替代能源。 1 1 3 国内风力发电的现状 我国风力发电产业的发展实际是从小型风力发电机组开始，并由小及大的。我 国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从i o o w 到l o k w 的风力发 电机组，累计保有量已经居于世界第一位。离网型风电经过2 0 多年的发展，为农 村电气化做出巨大贡献，到2 0 0 1 年底，开发和生产离网风电机组的单位共有4 3 个，其中科研机构1 6 个、主机生产企业1 7 个，配套生产企业1 0 个，年生产能力 超过3 万台。主要产品品种有i o o w 、1 5 0 w 、2 0 0 w 、3 0 0 w 、5 0 0 w 、6 0 0 w 、l k w 、 2 k w 、5 k w 、l o k w 风电机组等。2 0 0 1 年全国共生产各种型号的离网型风电机组 1 2 1 7 0 台( 约2 5 7 7 千瓦) 。产品以1 5 0 w 机组为多，占总产量的4 1 4 5 ，其次是 l o o w 和3 0 0 w 机组，分别占总产量的2 7 2 9 和1 9 8 。用户对产品的需求仍是 以3 0 0 w 以下机组为主。全国累计到2 0 0 1 年底共生产了离网型风电机组约2 l 万 厶 口o “十五 期间，中国的并网风电得到迅速发展。2 0 0 6 年，中国风电累计装机 容量已经达到2 6 0 万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市 场之一。2 0 0 7 年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2 0 0 7 年底全国累 计装机约6 0 0 万千瓦。2 0 0 8 年8 月，中国风电装机总量已经达到7 0 0 万千瓦，占 中国发电总装机容量的1 ，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大 国行列。 2 1 绪论 2 0 0 8 年以来，国内风电建设的热潮达到了一个新的台阶，到2 0 0 8 年底，风 电规模达到1 0 0 0 万千瓦，到2 0 1 0 年累计装机容量可达2 0 0 0 万千瓦。中国风力等 新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展， 同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2 0 0 9 年该行业的利润总额将保 持高速增长，经过2 0 0 9 年的高速增长，预计2 0 1 0 、2 0 11 年增速会稍有回落，但 增长速度也将达到6 0 以上。 风电发展到目i i 阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优 势在于：能力每增加一倍，成本就下降1 5 ，近几年世界风电增长一直保持在3 0 0 5 以上。中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来 1 5 年，全国风力发电装机容量将达到2 0 0 0 万至3 0 0 0 万千瓦。以每千瓦装机容量 设备投资7 0 0 0 元计算，未来风电设备市场将高达1 4 0 0 亿元至2 1 0 0 亿元。随着中 国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越 来越多投资者的逐金之地。 1 2 风力发电技术概述 1 2 1 风力机类型 风力发电就是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 控制系统将风能转换为机械能，发电机及其控制系统将机械能转换为电能。风力 机作为风力发电系统的关键部件之一，直接影响整个风力发电系统的性能和效率。 目前有两种可用的风力机结构形式，一种是垂直轴风力机，一种是水平轴风力机。 其中目前，水平轴风力机是最常见的设计，从几十瓦到几个兆瓦不等。从发 电角度讲，由于高转速允许采用更小和更便宜的发电机，因此风力机最佳的结构 是2 到3 个叶片，其中3 个叶片的转子在机械和空气动力学上具有更大的优势。 垂直轴风力机与水平轴风力机不同，轴垂直旋转，因此这种风力机可以从任何方 向获得风力，无需随风向的改变而重新定位转子。这种方式的优点是容易获得风 能，缺点是无法自启动，比水平轴风力机功率效率低。 1 2 2 风力机的基本特性 当风速以v 通过面积为a 的区域时， 己耐= 0 5 p v 3 a 其中，p 为空气的密度。 通过这个区域的风能为： ( 1 2 1 ) 3 安徽理工人学硕十学位论文 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。有空气动 力学可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风 能利用系数c 。： q = 苦 2 其中，k 为风力机获得的机械功率只倒为输入风轮面内的功率。于是，若 风力机叶片扫过的面积为a ，则有： = 0 5 c 。a ( 1 2 3 ) 风能利用系数c 。反映了风力机吸收风能的效率，它是一个与风速，叶轮转速 和桨叶节距角均有关系的量。当这些因素发生变化时，c 。发生变化，风力机的运 行点及其运行效率将要发生变化。为了便于讨论c 。的特性，定义风力机的另一个 重要参数叶尖速比旯，即叶片的叶尖线速度与风速之比： 2 一，q 一一 v ( 1 2 4 ) 式中为风力机风轮角速度( t a d s ) r 为风力机叶片半径( m ) v 为主导风速( m s ) 风能利用系数q 是叶尖速比和桨叶节距角的函数，既有q ( 五，) ，于是风 力机的特性通常由图1 所示的一组功率系数c 。的无因次性能曲线来表示。 参 图1 风力机性能曲线 f i g 1w i n dt u r b i n ep e r f o r m a n c ec u r v e 由图可以看出，当桨叶节距角逐渐增大时，q ( 兄) 曲线将显著的缩小。如 4 5 t l 2 l ， q 觚 o 1 绪论 果保持节距角不变，风能利用系数q 只与叶尖速比五有关，可以用一条曲线来描 述c p ( 力) 特性，这就是定桨距风力机的性能曲线，如图2 所示。 五 图2 定桨距风力机的性能曲线 f i g 2f i x e dp i t c hw i n dt u r b i n e sp e r f o r m a n c ec u r v e 在定桨距情况下，叶尖速比z 决定着风能利用系数c 。的大小。对于一个特定 的风力机，具有唯一的使得c 。最大的叶尖速比，称之为最佳叶尖速比，用k 表 示，对应的q 为最大风能利用系数，用c ，一表示。从图2 可以看出，当叶尖比五 大于或小于最佳叶尖比k 时，风能利用系数q 都会偏离最大风能利用系数 c 姗既。引起机组效率的下降。根据贝茨理论，风能利用系的最大值为0 5 9 3 一般 的水平轴风力机c 。= 0 2 0 5 ，同时考虑到在风场中风力机会受到风速与风向波 动的影响。实际的c 舢。大致在o 4 左右。 1 2 3 风力机的功率调节 功率调节是风力发电机的关键技术之一，目前投入运行的风力机主要有两类 功率调节方式：一类是定桨距失速控制，一类是变桨距控制2 5 3 9 1 。 ( 1 ) 定桨距失速控制 定桨距风力机的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化 时，桨叶的迎风角度不能随之变化。它具有结构简单，性能可靠的优点。但这种 风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性，机组的输出功率随风速的变化而变化， 通常难以保证在额定风速之前c 。较大，尤其在低风速时。这种机组通常采用两 个不同功率，不同极对数的异步发电机。其中大功率高转速发电机工作在高风速 5 安徽理t 大学硕士学位论文 区，小功率低转速发电机工作在低风速区，以此来调整c 。当风速超过额定风速 时，通过叶片的失速或偏航控制降低c 。，从而维持功率恒定。 ( 2 ) 变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机需 要进行桨距调整。在定桨距基础上安装桨距调节环节，构成变桨距风力机组。变 桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能，而要依靠叶片节距角 的改变来进行调节。在额定风速以下时节距角处于零度附近，不做变化，可认为 等同于定桨距风力机，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。 当功率超过额定功率时，变桨距机构将调整叶片节距角，将发电机的输出功率限 制在额定值附近。变桨距风力机的启动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械 的冲击应力相对缓和。风力机正常工作时主要采用功率控制，对功率调节的速度 取决于风力机桨距调节系统的灵敏度。事实上在实际应用中，如果没有其他的措 施的话，只是通过变桨距来调节风力发电机组的功率对高频风速成变化仍然是无 能为力的。因此变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制外，还需通过控 制发电机输出功率来调节整个风力发电机组的转速，使之在一定范围内能够快速 响应风速的变化，使风力机的叶尖速比达到最佳，获得最大的风能这就是今年来 发展的变速恒频风力发电技术。 1 2 4 恒速恒频与变速恒频风力发电技术 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，发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个风电系统 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，风力发电技 术可分为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y , 简称c s c f ) 发电和变速恒 频( 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 y , 简称v s c f ) 发电两大类【4 3 - 5 3 1 。 1 恒速恒频风力发电 比较典型的并网型恒速恒频风力发电系统如图3 所示，这是上世纪8 0 年代和 9 0 年代初典型的风力发电系统，容量已从几十千瓦到兆瓦级，具有结构与控制简 单，性能可靠的优点。目前运行的风力发电系统的多采用这种形式。在恒速恒频 风力发电系统中，风力机采用定桨距失速控制或主动失速控制，大容量的机组主 要采用主动失速控制。当然也有风力机采用变桨距控制的恒速恒频风力发电系统， 这种系统有诸如齿轮箱易磨损和输出功率不稳定等缺点，所以很少被应用。产生 这些缺点的原因是桨叶节距角的调节跟不上风速的变化，导致风力机轴上的转矩 6 1 绪论 波动的厉害，从而影响齿轮箱的寿命及输出功率的平稳性。 图3 恒速恒频风力发电系统 无功补偿电容器 f i g 3c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c yw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 这种风力发电系统通常在发电机定子与电网连接处接有无功补偿作用的电容 器组，其电容量一般按补偿发电机空载时吸收的无功功率来设计，负载运行时所 吸收的额外无功要来自电网。为了配合系统的启动，一般要求发电机具有电动机 启动功能。在这种风力发电系统中，由于风速经常变化而风力机转速不变，c 。值 往往偏离最大值，风力机常常运行于低效状态。随着风力发电系统单机容量的增 大，发电效率显得越来越重要，追踪最大风能捕获，提高整个风力发电机组的运 行效率成为当务之急。随着电力电子技术，计算机控制技术及其控制技术的发展， 使得大容量风电机组实现最大风能追踪运行成为可能，这就是近年来发展起来的 变速恒频风力发电技术。 2 变速恒频风力发电技术 虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作 为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新的发电技术，非常适用于风力，水 力等绿色能源开发领域，尤其在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性 和广阔的前景【2 1 盈】。 风能是一种具有随机性，爆发性，不稳定性特征的能源。如前所述，风力机 在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且施加给风 力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。传统的恒 速恒频发电方式由于只能固定运行在同步速转速上，当风速改变时风力机就会偏 离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费资源，而且会增大风力机的磨损。 采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实 7 安徽理i ：人学硕士学位论文 时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高发电机组的效率，优 化风力机的运行条件。变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电 流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值，频率，相位，实现输出电能的恒压恒频。 同时采用矢量变换控制技术，实现有功，无功的解耦控制【4 3 1 。利用变速恒频发电 技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发 电系统更易实现并网操作 2 2 , 5 4 1 。控制有功功率可调节风力发电机组的转速，提高 风力发电机组及其电力系统的动静态稳定性能。随着风力发电技术的广泛应用， 变速恒频发电技术的诸多优点受到了人们的广泛关注和重视，其应用范围将不断 扩大。 变速恒频风力发电系统有多种形式【4 3 1 ，有的是通过发电机与电力电子装置相 结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的，目前国 际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交流直流交流系统，磁场调制发电 机系统，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， 开关磁阻发电机系统等。这些系统都有自己的特点，适用与不同的场合。其中双 馈异步发电机系统如下所示。 系统如图4 所示，系统采用转子交流励磁的双馈型异步发电机，发电机的定 子接到电网上，转子通过一个励磁变换器与电网相接。 当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒 定既满足 彳= 见厶+ 五 ( 1 2 5 ) 式中：石为电网频率； 厶为转子机械频率，厶= 6 0 ，为发电机机械转速； p 。为电机的极对数； 无为转子电流频率 由( 1 2 5 ) 可知，当发电机的转速变化时，即见厶变化时，若控制石相 应变化，可使得石保持恒定不变，实现变速恒频控制。 一8 1 绪论 电 网 图4 交流励磁双馈异步发电机系统 f i g 4a c e x c i t e dd o u b l y - f e da s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs y s t e m 优点：由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功 率是由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部分， 因此双向励磁变换器的的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大的降低， 交流励磁双馈异步发电机除了可实现变速恒频控制，减少变换器容量外，在磁场 定向矢量控制下还可以实现，有功功率，无功功率的解耦，对电网还可以起到无 功补偿的作用。 缺点：双馈异步电机转子带有电刷和滑环，需要经常的维护，在一定的程度 上降低的系统的可靠性。 这种系统是目前针对大功率发电机系统研究的热点之一，国际上已经出现了 5 m w 级的绕线式双馈调速风力发电机系统，具有广阔的市场前景。 1 3变速恒频双馈风力发电机励磁电源介绍 变速恒频双馈风力发电机的控制是通过对转子交流励磁变换器的控制实现 的，从电力电子角度来看，有许多可以实现频率变换的电路可用，采用当前电力 电子技术构造可满足交流励磁要求的变换器主要有，两电平电压型双p w m 变换 器，交一直交电压源，电流源并联型变换器，晶闸管相控交一交直接变换器，矩阵 式变换器等，下面将逐一对他们的原理进行分析。 1 3 1 两电平电压型双p w m 变换器 两电平电压型双p w m 变换器是由两个完全相同的两电平电压型三相p w m 变换器通过直流电容连接而成，如图5 所示。由于在变速恒频交流励磁双馈风力 9 安徽理工大学硕十学位论文 发电系统的运行过程中，两个p w m 变换器的工作状态经常的变换，通常不再以 他们工作于整流或逆变的状态来区分它们，而是按照它们的位置分别称之为网侧 变换器和转子侧变换器，如图5 所示。 网侧p w m 变换器 转子侧p w m 变换器 图5 两电平电压型双p w m 变换器 f i g 5 t w o l e v e ld u a lp w mv o l t a g ec o n v e r t e r 在具体的控制过程中，这两个p w m 变换器各司其职。其中，网侧变换器的 任务主要有两个，一是保持良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波 含量少，功率因数符合要求【”】，理论上网侧p w m 变换器可获得任意可调的功率 因数，这就为整个系统的功率因数的控制提供了另一个途径。二是保证直流母线 电压的稳定，直流母线电压的稳定是两个p w m 变换器正常工作的前提，是通过 对输入电流的有效控制来实现的。 转子侧变换器的作用也主要分为两方面，一是给d f i g 的转子提供励磁分量 的电流，从而可以调节d f i g 定子侧所发出的无功功率，二是通过控制d f i g 转 子转矩分量的电流控制d f i g 的转速或控制d f i g 定子侧所发出的有功功率，从 而使d f i g 运行在风力机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪运行。 1 3 2交直交电压源，电流源并联型变换器 这是一种由电流源型交直交变换器和电压源型双p w m 变换器并联而成的 一种拓扑结构，如图6 所示，只有少数的文献对其讨论【7 i i 引在这种变换器中，两 个电压型p w m 变换器可以分别看作是并联型电力有源滤波器来对电流源变换器 进行谐波抑制和无功补偿，以使得整个变换器保持良好的输入输出特性。由于电 流源变换器承担主要的功率流动，所以称之为主变换器，电压源变换器称为辅变 换器。 1 0 l 绪论 电压源型辅变换器 图6 交一直- 交电流源，电压源并联型变换器 f i g 6t a c s t r a i g h t - c r o s s - c u r r e n ts o u r c e ，v o l t a g es o u r c 圮c o n v e r t e rs h u n t 由图6 可以看出，这种变换器包含了4 个独立可控的变换器，所以有多种控 制方式能保证输入，输出电流正弦。但最具有优势的一种方案是控制电流源型主 变换器使其工作在输出方波电流模式下。这样，主变换器的功率器件在一个基波 周期中只开通和关断一次，开关频率大大的小于等于工频，可大大的降低开关损 耗。在这种工作模式下，主变换器的功率器件可以选择g t o 。与主变换器不同， 电压源辅助变换器则工作与高频下，但由于功率器件中流过的电流只是负载电流 的一小部分，所以开关损耗较少。 尽管这种变换器的拓扑是最近才出现的，其控制方式仍不成熟，但对构成它 的电压源双p w m 变换器和电流源型变换器的单独控制的研究已经很成熟了，可 以认为其控制方案也成熟了。 1 3 3 晶闸管相控交交直接变换器 晶闸管相控交交直接变换器是采用晶闸管作为开关器件，利用交流电网电压 过零，变负后的反向电压关断处于导通的晶闸管。晶闸管按相控方式工作，实现 交一直，直接变频，变压，其特点是输出电压的频率只能低于输入交流电源电压的 安徽理工大学硕士学位论文 频率，以保证输出电压不产生过大的谐波。 实用的晶闸管相控交交变换器大都是有三个单相变换器组成的三相交频输 出，而每个单相变换器都是有三相交流输入，单相低频输出，三个单相变换器输 出的电压大小，频率相同，但是相位相差1 2 0 0 ，组成一个平衡的三相交流电源。 如图7 所示为适用于高压大容量四象限电气传动领域的六相整流三相晶闸管相控 交交直接变频器的主电路拓于b 1 2 0 l 。图中，每相变换器由四组三相桥式变换器构成， 其中变换器1 和变换器2 串联成一个变换器，变换器3 和变换器4 串联成一个变 换器，由于变换器l 和2 输出电压相位相差3 0 0 ，故变换器1 和2 串联后的输出 电压平均值大一倍而脉动更小，脉动频率也提高一倍。变换器3 和4 也是如此。 然后变换器l ，2 再和变换器3 ，4 反相并联。 r 1 3 4 结论 st 图7 晶闸管相控交一交直接变频器电路拓扑 f i g 7t h y r i s t o rc o n t r o l l e dp a y - t op a yd i r e c ti n v e r t e rc i r c u i tt o p o l o g y 通过以往的资料和现实中的应用的比较可以知道，两电平电压型双p w m 变 换器在主功率元器件数量，电压传输比，传感器数量，输入功率因数及输入，输 出的谐波和滤波问题，主电路实现的难易程度，及控制的难易度上具有很大的优 1 2 i 绪 论 势。可以获得结论：两电平电压型双p w m 变换器是用作变速恒频双馈风力发电 交流励磁电源的最具优势的一种变换器。具有谐波污染小，输入，输出性能好并 且具有功率双向流动的功能。 1 4 论文的主要内容 本文的研究对象是图4 所示的双馈异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电 系统。论文的主要研究工作主要在以下几个方面展开。 1 分析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 和等效电路的基础上，研究了发电机的有功功率关系，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。 2 把磁场定向矢量控制技术应用到发电机的控制上，建立发电机有功功率 和无功功率的解耦控制策略。研究发电机参考有功功率无功功率的计算 方法，建立参考有功功率的计算模型。 3 对双p w m 变换器的结构和工作原理进行介绍和分析，建立了在不同坐 标系下的数学模型，并对其控制器的设计进行了分析。 4 建立了基于d s p a c e 实时控制平台的变速恒频风力发电系统。建立风力 发电系统实验平台，利用该实验平台对发电机的控制，有功功率，无功 功率的解耦进行实验研究。 5 最后对变速恒频双馈风力发电系统的发展进行了介绍和展望。 1 3 安徽理丁人学硕士学位论文 2 双馈型异步发电机的运行理论 2 1 双馈异步发电机的优势【9 】 一直以来，常采用的发电机是同步发电机，其次是异步发电机。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 n g 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， 具有定子，转子两套绕组，运行中发电机的定子转子都参与了励磁，“双馈”之名 由此而得。d f i g 兼有同步发电机和异步发电机的特性，如从发电机转速是否同 步转速一致来看d f i g 应称为异步发电机，但在性能上d f i g 又不像异步发电机 相反具有许多同步发电机的特点。如异步发电机本身没有励磁绕组是通过定子来 励磁，而d f i g 本身具有独立的励磁绕组，异步发电机不能调节功率因数，d f i g 可以调节功率因数。相对与同步发电机d f i g 具有很多的优越性。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。d f i g 实行交流励磁， 可调量有三个：励磁电流频率，励磁电流幅值，励磁电流的相位。由于可调量比 同步发电机多了两个，使得控制更方便，改变转子励磁电流的频率，即可实现d f i g 的变速恒频。改变转子励磁电流的相位，既可以调节发电机的功率角达到对有无 功功率有功功率的调节。利用矢量变换控制技术，改变转子励磁电流的幅值和相 位，可以实现d f i g 输出的有功功率和无功功率的解耦控制。在功率调节上d f i g 较同步机具有更多的优越性。 由于d f i g 具有同步发电机所不具备的变速恒频运行能力，是它在以下几个 方面的应用中具有明显的优势。 ( 1 ) 在原动机变速运行场合中，实现高效，优质的发电。 在以往的发电方式中，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，迫使原动机在各种情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，机 器磨损增大发电质量下降，甚至停机。而d f i g 可以通过调节转子励磁电流的幅 值相位和频率，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能。在提高机组 运行效率降低机组磨损的情况下，延长了机组的使用寿命。 ( 2 ) 可实现发电机安全的并 2 2 , s 4 1 同步发电机或异步发电机并网控制较为复杂，往往需要精确的转速控制和整 步，准同步操作。而d f i g 通过对转子实施交流励磁，精确的调节发电机定子输 出电压，使其满足并网要求，实现安全快速的并网操作。 1 4 2 双馈型异步发电机的运行理论 ( 3 ) 能参与系统的无功调节，提高系统的稳定性 随着电力系统的容量越来越大，送电距离的增长。电网负荷变化率也随 着需求越来越大，常出现输电线传输的有功功率高于自然功率的情况。导致出现 过多的无功功率，目前解决的办法是在线路上加静止电抗器或无功补偿器，这些 措施提高了运行技术和经济成本。而d f i g 可以调节励磁电流的相位，达到改变 功率角使得发电机稳定运行的目的，参与电网的无功功率的调节，从而提高电网 的运行效率，由上可知，变速恒频的运行能力是d f i g 的一个重要的优势。其原 理图如图8 。 原动机 发电机 图8d f i g 变透恒频运行原理 f i g 8v s c fo p e r a t i n gp r i n c i p l e 2 2 双馈异步发电机的数学模型 下面分别对双馈异步发电机在三相静止坐标系和两相同步速旋转坐标系下的 数学模型进行建立。 2 2 1双馈异步发电机在三相静止坐标系下的数学模型【4 2 l 进行绕组折算后，d f i g 的绕组等效图为图9 ，在建立数学模型时，定子绕组 采用发电机惯例，定子电流流出为正，转子绕组采用电动机惯例，转子电流流入 为正。d f i g 在三相静止坐标系下的转子，定子数学模型为。 1 5 安徽理t 大学硕士学位论文 b 2 b l 醚。 a 2 1 电压方程 三相转子绕组电压方程 iu a 2 = 恐屯2 + 妣2 硪 u b 2 = 恐2 + 妣2 d t 【u 。2 = 恐2 + 妣2 d t 三相定子绕组电压方程 i “口1 = 一墨j 口i + d 缈。l d t l = 一墨+ d 弘b l 西 【l = 一墨+ 妣i 破 图9d f i g 的模型 f i g 9d f i gm o d e l a l ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中：l ，l ，u c l ，甜出u b 2 ，u c 2 为定子，转子相电压的瞬时值，下标“l ，“2 分 别表示定子，转子。 。，l ，虬l ，虬2 ，：，虬2 为定子，转子各相绕组磁链 ，毛。，之。，乞：，：，之：为定子，转子相电流的瞬时值 墨，是为定子，转子绕组的等效电阻 2 磁链方程 1 6 2 双馈型异步发电机的运行理论 矩阵形式的磁链方程可表示为 盼眨缆 其中： f 厶l + 厶- 0 5 厶l _ o 5 厶l1f ，乙2 + 厶2 _ o 5 乙2 _ o 5 厶21 厶l5 l 一0 5 厶l 厶l + 厶i _ 0 5 k ll ，k = l o 5 匕2 厶2 + 厶2 - o 5 厶2l l _ 0 5 厶l - o 5 厶- 厶l + 厶l l - o 5 乙2 卸5 厶2 厶：+ 厶2 j f e o s o , c o s ( a , - 1 2 0 0 ) c o s ( o , + 1 2 0 0 ) 1 乞l = = ie o s ( o ，+ 1 2 0 0 ) c o s 印c o s ( o , 一1 2 0 0 ) l ic o s ( o , - 1 2 0 0 ) c o s ( o , + 1 2 0 0 )c o s 9j 式中：厶，是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子电感； 乞：是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感： 厶。，厶：分别为定，转子漏电感； p 为转子的位置角； 3 运动方程 瓦一t 毒譬+ 堡至绋 p n 嘲p 。p