（电力电子与电力传动专业论文）变速恒频双馈风力发电机矢量控制研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 变速恒频发电技术是一种新型高效的发电技术，在风力发电领域有着良好的应 用前景。本文分析了风力机运行特性及其最大风能追踪原理，对双馈电机进行数学 分析，给出了功率在双馈电机中的流动图解；针对双馈电机转子能量双向流动的要 求，选择了具有能量双向流动能力的双p w m 交流励磁用变频器，研究了基于定子磁 场定向的变速恒频双馈风力发电机的控制策略，实现了最大风能追踪，分析了电网 不平衡条件下双馈电机的控制策略；基于m a t l a b 软件建立了变速恒频双馈风力发 电机组的仿真模型，针对提出的控制策略对变速恒频双馈风力发电机组的并网运行 特性进行了仿真研究，仿真结果表明了该控制策略的正确性和可行性。 关键词：变速恒频，风力发电，双馈发电机，双p w m 励磁变频器 a b s t r a c t v 打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( vs c f )o p e r a t i o ni s an e wh i g he m c i e n t t e c h n o l o g yf o rp o w e rg e n e r a t i o n ，w h i c hh a sag o o df u t u r ei nt h ef i e l do fw i n dp o w e r g e n e r a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dm ep e r f b 姗a n c ec h 躲l c t e r i s t i co fw i n dt u r b i n ea n dt h e p r i n c i p l eo fo p t i m u mu t i l i z a t i o no fw i n d - e n e r g y ，a n a l y z e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f 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 ( d f i g ) ，as c h e m a t i ci sg i v e na b o u tt h ep o w e rn o wi n g e n e r a t o r i ts e l e c t e dt h ed u a lp w m c o n v e n e ra i m e da tt h ed e m a n do fr o t o re n e r g y b i d i r e c t i o n a ln o w ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rv s c fd o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o r b a s e d o ns t a t o rf l u xo r i e n t a t i o ni sp r o p o s e d ，r e a l i z e dt h eo p t i m u mu t i l i z a t i o no fw i n d - e n e r g y ， a n a l y z e dt h ec o n t r o ls t r a t e g y o fd f i gf o ru n b l a n c e ds u p p l y u s i n gm a t l a bt h e s i m u l a t i o nm o d e lo fv s c fi sb u i l t ，t h es i m u l a t i o no ft h ei n t e r c o i l i l e c t e dp e r f o m a n c e c h a i a c t e r i s t i co fv s c fu n d e rt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sc o n d u c t e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sr e a s o n a b l ea n df - e a s i b l e b a it i n g y u ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r o f l ih e - m i n g k e yw o r d s ：v a l 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 ，d o u b i y - f e d g e n e 豫t o r d u a lp w m e x c i t a t i o nf r e q u e n c yc o v e r t e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变速恒频双馈风力发电机矢量 控制研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 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 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学砬论文作者签名：鱼造垂：日 期： 沙d 劣、l 、吾 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：日托土 作者签名：上f 当 日 新签名翻导师签名：翌翌：) 华北电力人学硕十学侮论文 1 1 课题的背景小3 1 第一章引言 随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大，能源的短缺成为全球性的难 题。能源是人类发展的动力，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速地增长，急 剧膨胀的能源消耗迅速推动了工业化进程的发展，提高了社会发展水平和人类生活 水平。在全球经济急剧增长的今天，对能源的需求越来越大，世界不可再生能源的 储量越来越少，能源危机越来越严重，已经阻碍了人类进一步发展。能源危机一个 明显的表现就是近几年来严重困扰人民生活和生产的电力紧张。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、可再生能源开发不足方面的因素。由于中国目前的电力供应主要以水力发 电和火力发电为主，一旦干旱严重或煤炭供应紧张，电力供应就会受到很大的影响。 目前煤炭短缺，价格上扬，很多火电厂因无煤可用而被迫停机，致使电力供应减少。 另一方面，伴随着能源的大量消耗而来的是地球环境的日益恶化。仅2 0 世纪1 0 0 年，全球能源消耗规模扩大了约2 0 倍，己经达到了阻碍地球生态系统自律功能正 常运转的程度。温室效应引起的全球变暖，是这方面最初的征兆。全球气候的变化 对农业和生态造成了严重的影响，由于煤炭燃烧所产生的越来越多的酸雨，破坏了 陆地上的植被，进而造成水土流失、珍贵动植物资源日益减少甚至消失。环境的恶 化进一步导致了干旱、洪涝、飓风等严重的自然灾害，时刻威胁着人类的生命和财 产安全。经过惨痛的教训和艰难的探索，人们发现只有采取可持续性发展战略，开 发可再生能源，才能解决能源危机和环境危机带来的各种问题。太阳能，水力，风 力，潮汐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。为了我们的地球，为了我们的子孙后代，开发利用可再生能源，实现电 力的绿色化生产己是当务之急，迫在眉睫。 中国经济持续发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境 问题日益突出，随着风电技术的发展和批量的增大，成本将会继续下降，必然成为 重要的清洁能源。可以预见的是，东部沿海还有更为丰富的海上风能资源，距离电 力负荷中心又近，海上风电场在不远的将来必定成为后续能源基地。通过对我国目 前存在的电力能源危机的清醒认识和分析，以及国外发达国家对可再生能源的大力 发展和利用的现实，并结合我国的实际情况，大规模发展风力发电等可再生能源发 电技术，确实有希望从根本上解决我国能源和电力短缺问题。 华北电力人学硕十学位论文 1 2 风力发电技术的研究现状和发展趋势 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风 轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形， 在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过变速齿轮 箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。风电机组中的风力机和发电机是其中的 关键部件。风电机组中配备不同类型的发电机，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，就构成了形式多样的风力发电系统。 1 2 1 国外风力发电历史和现状 近年来，风力发电技术在世界各国迅猛发展儿圳。据统计，世界风力发电装机 容量1 9 8 0 年为4 m w ，1 9 8 5 年达到6 9 4 m w ，增长1 7 0 多倍：至2 0 0 2 年底，全世界 风力发电装机容量突破了3 2 0 0 0 m w ，其中当年新增容量达到7 2 3 l m w ，比上一年 增长3 0 。专家预测：从2 0 0 3 年开始，世界风力发电机组装机容量将继续以每年 高于2 5 的速度递增，到2 0 l o 年可能突破1 0 0 g w 。 在欧洲国家，国家对风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很快，发展规划 也不断修改，步伐加大。在欧洲过去l o 年间，风力发电机组总装机容量增加了l o 倍， 风力发电成本下降了6 0 ，北欧一些国家风电己占到总发电量的5 一l o 。到2 0 0 6 年年底，欧洲风电装机容量达到4 8 5 4 5 m w ，依然处于领先地位，达到全球总装机容 量的6 5 。 在美洲，美国的风力发电规模较大。美国的风力发电场大都集中建在西海岸的 加利福尼亚地区。8 0 年代初期，风力发电机占主流的是1 0 0 k w 以下的小型机，目前 3 0 0 一5 0 0 k w 的发电机己成为风力发电机的主流。建场地区已由过去集中于加州逐步 向外扩展，美国中、西部地区也拟出了建设风电场的计划。据美国能源部称，2 0 l o 年风电至少能达到国内电力消耗量的1 0 。近十年，美国在大型风轮机的生产方面 投资年均增长率达2 2 。世界新装机量的2 2 在北美地区，2 0 0 5 年市场发展为第三 位，在美国和加拿大发展强劲。2 0 0 6 年安装的新装风电设备容量价值为4 0 亿美元， 使得风电成为国家新的电力生产中最大的资源之一。 一些亚洲国家也在大力丌发风电。印度的风电业发展较快，8 0 年代后期开始建 大型风电场。日本计划在未来几年罩投资额将达到l o o o 亿同元，使风电达到全国电 力总消耗量的7 以上。亚洲是欧洲之外风电装机容量增长最强劲的地区，新增容量 为36 7 9 m w ，使得本洲装机容量超过1 0 6 0 0m w ，在2 0 0 6 年，亚洲增长率为5 3 ， 占到新装机容量的2 4 。亚洲最强劲的市场仍然为印度，新增容量超过18 4 0m w ， 使得总装机数值达到6 2 7 0m w 。 华北电力人学硕十学位论文 表卜l2 0 0 6 年底全球装机最多的1 0 个国家 国家装机容量m w市场份额 德国 2 0 6 2 22 7 8 西班牙 1 1 6 1 51 5 6 美国 1 1 6 0 31 5 6 印度 6 2 7 08 4 丹麦 3 1 3 64 2 中国 2 6 0 43 5 恩人不u 2 1 2 32 9 英国 1 9 6 32 6 葡萄牙 1 7 1 62 3 法国 1 5 6 72 1 世界前1 0 名国家总量 6 3 2 1 78 5 2 世界总量 7 4 2 2 l 1 2 2 国内风力发电历史和现状6 1 7 m 1 我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。据专家预测，我国风能储量 大，分布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。全年平均风速3 m s 及以上的时 间达3 0 0 0 5 0 0 0 h 。平均风能密度为1 0 0 w m 2 ，可开发的风能资源约2 5 3 亿k w 。 我国风力发电从2 0 世纪8 0 年代开始起步。1 9 9 4 年并网型风力发电机组装机3 0 m w ， 年发电量7 5 0 0 万k w h ；到2 0 0 0 年底，并网型风力发电机组容量己达3 4 4m w ， 年发电量约8 6 亿k w h ，同时还有1 3 万台小型独立运行的风力发电机在广大牧区、 海岛、有风无电的边远地区运行；到2 0 0 3 年底，全国风能资源丰富的1 4 个省( 自治 区) 已建成风电场4 0 座，累计运行风力发电机组1 0 4 2 台，总容量达5 6 7 m w ( 以完成 整机吊装作为统计依据) 。风力发电作为我国电力结构中新型分布式供电系统，以其 灵活、实用的方式，为经济发展注入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效 益。国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果，其中包括“八五 期间开发成 功的2 0 0k w 2 5 0k w 风力发电机组和在“九五期间开发的6 0 0k w 风力发电机 组，并成功地开发了并网型风力发电机组的当地控制和远程控制系统，使大型风力 发电机组的一项关键技术得到了解决。国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发 电机、齿轮箱、机舱、主轴、塔架、偏航系统、液压系统等，为我国大型风力发电 机组国产化奠定了基础。我国己经开始了m w 级风力发电机组的研发上作，这是我 国自主研制开发的最大容量风力发电机组，将填补中国风力发电领域的空白。2 0 0 6 年中国安装l3 4 7m w 的风电机，两倍于其总的装机容量。上年数字增长了7 0 ， 这使得中国装机容量达到26 0 4m w ，成为世界第六大市场，中国市场发展受到了 2 0 0 6 年1 月1 日生效的可再生能源法的激励。 华北电力人学硕十学位论文 1 2 3 风力发电发展方向和趋势 风能，作为一种绿色能源，同益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也 逐渐成为科研人员研究的热点。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的 过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。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，是风力发电技术的研究重点 在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术主要有以下几种w 。： 1 定浆距调节风电机技术。这种技术是典型的丹麦风电技术的核心，其基本 原理是利用浆叶翼型本身的失速特性。在高于额定风速的条件下，气流的攻角增大 到失速条件，使浆叶的表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。其优点是： 调节简单可靠，控制可大大简化；其缺点是：浆叶、塔架等主要受力部件的受力增 大。现在国际上6 0 0 k w 以下的机组，大部分仍在使用该技术，如m f g m i c o n ， b o n u s ，n o r d e x 等著名厂商都采用该技术。 2 变浆距调节风电机技术。由于自然界中的风速变化快且无规律，因此一般 的调节方法跟不上因风速变化带来的输出功率的变化，造成功率变化极大，而这种 输出功率的变化将增加机组的负荷，对电网冲击很大。最典型的变浆距调节风电机 技术v e s t a s 技术，采用高滑差发电机，相当于在传动链中增加了一个弹性环节，使 输出功率的变化大大减少。变浆距调节风电机技术的优点是：浆叶受力较小，因此 风电机的结构部件可做得比较轻巧；其缺点是：结构复杂。 3 主动定浆距调节技术。这种方法是上述定浆距调节技术和变浆距调节技术 两者的结合。目前，国际上几大风电机制造商，如m f g m i c o n ，b o n u s 等，在大 于6 0 0 k w 风电机上均采用此技术。这种方法的主要特点是：浆叶采用定浆距失速 调节型，调节系统采用变浆距调节系统。输出功率在额定功率以下时，调节方式与 变浆距方式相同；输出功率在额定功率以上时，调节方式与定浆距方式相同。主动 定浆距调节技术的主要优点是：输出功率变化小、较平稳。 4 变速恒频技术。理论上来说这种技术是最优化的调节方式。目前使用变速 恒频技术的制造商主要是德国的e n e r c o n 、荷兰的l a r g e w a y 。这种调节方法在输出 功率低于额定功率之前使效率达到最高。但当输出功率大于额定功率，即风速大于 额定风速后，其调节方式将与变浆距方式相同。恒频装置价格昂贵，使这种技术只 在德国大量使用，而其他国家很少采用的主要原因。 4 华北电力人学硕十学位论文 1 3 变速恒频风力发电系统简介 变速恒频n 们他3 发电是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，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变 速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景： 1 风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源，传统的恒速恒频发 电方式由于只能固定运行在同步转速上，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，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。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时地调节风力 机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的 运行条件。 2 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频恒压。同时采用矢量变换控 制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解耦( 简称p 、q 解耦) 控制。控制有 功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可 调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 3 采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及运行n 引4 1 。 变速恒频发电技术的诸多优点使其受到了人们的广泛关注，它越来越多地被应 用到风力发电中。自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用 变速恒频方式，特别是m w 级以上的大容量风电系统。随着风力发电技术的广泛应 用，变速恒频风力发电方式将得到更多的重视，应用范围将不断扩大。目前，采用 变速恒频技术的风力发电机组，由于采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，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系 统。 1 3 1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 国内外与电网并网运行的风力发电机组中，多采用鼠笼型异步发电机。其系统 结构示意图如图卜1 所示。随着风速的不断变化，带动风力机以及转子的转速也随 之变化，发电机发出的电能的频率也是变化的。在定子绕组与电网之间增加一个变 频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电 能送入电网。这种方案实现了变速恒频，具有了变速运行范围宽的优点，适用于风 力变化较大的环境能力强，而且维护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频 器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵， 华北电力人学硕十学位论文 因此有些文献又把这种系统配置方式称为全额定值变换。因此有些文献n 朝又把这种 系统配置方式称为全额定值变换。 图卜1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 1 3 2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统 由于普通异步电机的转差变化范围很小，一般在5 以内，所以其转子转速变 化范围也很小，近似可看作恒速。如果改变转子回路外串电阻的大小，从而改变消 耗在转子回路电阻中的转差功率来改变转差率，以达到调速目的。采用这种方式的 典型代表是丹麦的风电机组制造商v e s t a s 的v 3 9 型风机，其转差率可达1 0 。因此， 有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。 1 3 3 同步发电机变速恒频风力发电系统 在常规并网发电系统中，同步发电机是使用最普遍的。同步发电机在运行时既 能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定，电能质量高，因此被电力系统 广泛接受。在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有着严格不变的固 定关系，以便维持发电机的频率与电网的频率相同，否则发电机将与电网解列。带 变频器的同步发电机风力发电系统，其系统结构示意图如图卜2 所示。和鼠笼型 异步发电机变速恒频风力发电系统类似，当风速变化时，同步发电机发出频率变化 的电能，通过中间变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电 网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案可以在较宽的转速范围内得到频率恒定 的交流电，并且无须中间调速机构，实现了变速恒频发电运行。缺点是变频器在发 电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大， 系统成本昂贵。这种系统配置方式也属于全额定值变换。 图卜2 同步发电机变速恒频风力发电系统 6 华北电力人学硕十学位论文 1 3 4 双馈发电机变速恒频风力发电系统 常规的同步发电机采用直流励磁方式，而异步发电机没有励磁绕组，其激磁通 过定子取自电网。随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻求 新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了采用交流励磁【1 6 】f 1 7 】【1 8 1 发电机 取代或部分取代常规同步发电机的设想，并已由理论到实践取得了一定成果。交流 励磁发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其 转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率( 转差频率) 的交流电时，就会产生 一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的 转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步 频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时， 在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按电机的转子转速是否与同 步转速一致来区分异步发电机或同步发电机，则交流励磁发电机应当被称为异步发 电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发电机类似。从 能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调 量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无功功率进行调 节，而使用这种发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的 频率和相位。通过改变励磁电流的频率来改变发电机的转速，以达到调速的目的， 从而按最佳运行方式调整发电机运行功率；通过改变励磁电流的相位，来改变发电 机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角。因此， 通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功 率。由于该发电机定、转子都外接电源，因此许多文献【1 1 1 【1 9 】【2 0 1 又把这种交流励磁发 电机称作双馈发电机或交流励磁双馈发电机。由双馈发电机构成的变速恒频风力发 电系统结构示意图如图1 3 所示。 图卜3 双馈发电机变速恒频风力发电系统 由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的。类似于绕线式异 步电动机电气串级调速或双馈电动机调速系统，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，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，而 7 华北电力人学硕 学位论文 且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的励磁变频器的容量也仅为发电机容量的 一小部分，这大大降低了变频器的体积和重量。采用双馈发电方式，突破了机电系 统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电 机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电 系统之间的刚性连接为柔性连接。基于上述诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒 频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。 有关双馈发电机的励磁控制方案以及系统运行性能分析将是本文要重点研究的内 容。 1 4 本文主要研究内容 完整的风力发电系统是非常复杂的，它涵盖了空气动力学、电力电子技术、计 算机控制技术和现代控制理论等多种学科的内容。在系统结构上，它一般又可分为 下面几个子系统：风轮子系统、传动子系统、结构子系统、电气子系统、控制子系 统。本文所作的变速恒频发电运行方式研究是属于电气与控制子系统的内容，研究 对象是采用双馈异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。本文从分析变速恒 频双馈风力发电技术运行机理入手，建立各组成部件的数学和仿真模型，对变速恒 频双馈风力发电技术展开比较全面的理论分析和仿真研究。本文主要做以下几个方 面的工作： 1 分析了风力机的基本特性，给出了输出机械功率和转矩的表达式，并从风 力机输出机械功率与转速的关系曲线出发，分析了风力机捕获最大风能的运行原 理。从双馈异步电机的工作原理出发，建立了三相静止坐标系下双馈电机的数学模 型，并定性分析了双馈异步电机运行特性与功率流动关系。 2 从空间矢量的概念入手，分析了矢量控制的基本思路，推导了包括旋转坐 标系与静止坐标系问的变换、三相坐标系与两相坐标系问的变换、直角坐标与极坐 标之间的变换的矢量坐标变换矩阵。 3 针对双馈异步电机能量流动的特点，选择了系统所用变频器类型，分析了 双p w m 变换器的运行机理，分别建立了定子侧和转子侧变换器在d q 同步旋转坐标 系下的数学模型，分析了定子侧变换器基于电网电压定向和转子侧变换器基于定子 磁场定向的控制方法，分析了电网不平衡条件下双馈电机的控制策略。 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立变速恒频双馈风力发电系统各部分的仿真模 型，包括：风力机模型、双馈电机模型、双p w m 变频器模型及其矢量控制系统模 型，并使用该仿真系统进行了基于p 、q 解耦控制的变速恒频仿真和最大风能追踪 控制仿真。 华匕电力人学硕十学位论文 第二章风力机和双馈异步电机运行分析 整个风力发电系统的原动机由风力机吸收风能产生，风力机通过叶片捕获风 能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩，机械转矩再通过传动装置传递给发电 机，带动发电机转子转动，通过电磁感应产生电能，经过适当的控制，最后接入负 载或并入电网。双馈电机( 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 ) ，或称为交 流励磁电机，它早在四十年代就已经出现，随着电力电子技术和数字控制技术的发 展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经引起国内外 的高度重视。它随着转子交流励磁频率的改变，无论在电动机工况，还是在发电机 工况下运行，电机的转速可以调节变化，而定子输出电压和频率维持不变，既可以 调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性，因而在现代交流电机调速和风力 发电等领域有着广泛的应用前景。本章的主要内容是对风力机和双馈电机的运行特 性进行分析，为后续章节采用矢量控制的分析与设计提供了理论依据。 2 1 风力机的运行特性妇瞳幻乜3 1 风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的 动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转换为机械能。它不仅决定了 整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接凶相机组的安全、稳定、可靠运行， 是风力发电系统中关键部件之一。 由风力机的空气动力学特性知，风力机的输入功率为： 11 0 = 寺( p 跏) ，2 = 去筇l ，3 ( 2 1 ) 二二 式中，p 为空气密度；s 为风力机叶片迎风扫掠面积；y 为空气进入风力机扫掠面 积以前的风速( 即未扰动风速) 。 由于通过风轮旋转面的风能不是全部都能被风轮吸收利用，因此可以定义一个 风能利用系数c 。： q =掣粤些墼些嬖：拿 ( 2 2 ) 输入风轮面内的功率 只 、 所以风力机的机械输出功率为： 己：c p 巴：昙艘3 cp ：丢r 2 ，3 c p ( 2 3 ) 式中，月为风力机风轮半径。 j x l 能利用系数c 。是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直 径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论c 。的特性，定义风力机的另一个重要参数 q 华北电力人学硕+ 学位论文 叶尖速比五，即叶片的叶尖线速度与风速之比： a = 尺1 ，= 万r ，l 。( 3 0 1 ，) 式中：为叶片旋转的机械角速度；刀。为叶片的转速。 叶片吸收风能后产生转矩： 互= 恚= 秒v 3 q 击 水平轴的风力机叶片是通过轮毂与主传动轴连接的。 性，可以用一个一阶惯性环节来表示： 警= 考( 巧吲 讲 f 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 轮毂本身具有较大的惯 ( 2 6 ) 式中，五为齿轮箱输入侧转矩，f 。为惯性时间常数。 转矩再通过齿轮箱和次传动轴传到发电机转子侧。为简单起见，这部分可按比 例环节考虑。设齿轮传动比为n ，发电机转子侧机械转矩为乙，转子机械转速为， 则有： = 饥，互= 嘎 ( 2 7 ) 风力机可分为变浆距和定浆距两种。变浆距风力机的特性通常由一簇风能利用 系数q 的无因此性能曲线来表示，如图2 一l 所示。风能利用系数c p 是叶尖速比五的 函数，同时也是桨叶节距角的函数，综合起来可表示为c 。( 五，) 。从图中可以看到， 当桨叶节距角逐渐增大时，c 。( 名) 曲线将显著缩小。 8 r 图2 l 变浆距风力机性能曲线 如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数q 只与叶尖速比兄有关系，则可用 一条曲线描述q ( 五) 特性，这就是定浆距风力机的性能曲线，如图2 2 所示。在定 浆距情况下，叶尖速比五决定着风能利用系数q 的大小。对于一个特定的风力机， 具有唯一一个使得q 最大的叶尖速比，称之为最佳叶尖速比，当叶尖速比五大于或 l o 华北电力人学硕+ 学位论文 小于最佳叶尖速比时，风能利用系数q 都会偏离最大风能利用系数q 。缸，引起 机组效率的下降。根据贝茨理论，风能利用系数的最大值为0 5 9 3 。一般的水平轴 风力机q = o 2 o 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q 一大致在o 4 作用，很难超过o 5 。 图2 2 定浆距风力机性能曲线 变浆距风力机是定浆距风力机的改进和发展，但定浆距风力机特性是变浆距风 力机特性的基本情况，具有代表意义，是讨论最大风能追踪的依据，因此定浆距风 力机及其特性是本文研究的重点。 2 2 定浆距情况下风力发电系统最大风能追踪机理协m 耵 对风力发电机系统而言，输入机械转矩特性相当重要，与之相对应的是风力机 的输出机械功率和转速的关系曲线。设定一种风速，然后取不同的转速计算出相应 的力，由图2 2 查出对应的c 。值，代入式( 2 3 ) ，即可得到该风速下，风力机输出 机械功率和转速的关系曲线。设定不同的风速，重复上面的过程，就可以得到风力 机在不同风速下风力机输出机械功率和转速的关系，这就是风力机输出机械功率特 性曲线。图2 3 所示，即为一组在不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线。 q b 屹 v 图2 3 风力机输出机械功率和机械角速度之间的关系曲线 华北电力人学硕十学位论文 我们知道，当节距角一定时，风能利用系数c 。只有在叶尖速比五为某一值丑，肼 时才取得最大值c 。不同风速下风轮的输出机械功率与转速的关系，可以看出对 应每一种风速，都有一个最佳转速，在该转速下风轮输出的机械功率最大，该转速 与风速，都有一个最佳转速，在该转速下风轮输出机械功率最大，该转速与风速对 应着最佳叶尖速比和最大风能利用系数c ，一，将不同风速下的最大功率点连起 来就得到一条最大功率曲线只。变速恒频风力发电技术可以通过控制发电机输出 功率的办法，使得在不同风况下，风力机都能运转在最佳的叶尖速比如，从而跟 踪这条最大功率曲线圪。，这有效地提高了风轮的风能转换效率。如图3 3 所示， 图中不同风速下风力机的功率一转速曲线组成了曲线簇，每条功率一转速曲线上最 大功率点的连线称为风力机的最佳功率曲线( 曲线) 。风力机运行在曲线上 将会输出最大功率只。，其值为： p 慨= k 玩 ( 2 8 ) 式中k = o 5 p s ( r ) 3 c p 一。 下面定性分析一下最大风能捕获过程。如图2 3 所示，假设原来在风速坞下风 力机稳定运行在最优功率曲线只。的b 点，对应着该风速下的最优转速哆和最优的 机械功率只，此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时 刻风速突然升高至k ，风力机马上就会由b 点跳至u 风速下功率曲线上的d 点运行， 其输出机械功率由只突变至r 。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞 后，发电机仍然运行在b 点，此时发电机输入的机械功率大于发电机系统输出的功 率，功率的不平衡，将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中，风力机和发 电机将分别沿着k 风速下功率曲线的d c 轨迹和最优功率曲线的b c 轨迹运行。当分 别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点c 时，功率将重新达到平衡。此时， 转速稳定在对应于风速k 下的最优转速织，风力机输出最优的机械功率只。同理， 也可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过程。 2 3 双馈异步电机基本原理 双馈电机曙副担驯在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一 样，布有三相分布式绕组；转子与一般发电机不同，它也布有三相分布式绕组。运 行时，定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因 为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以称为双馈电机。也有文献称为交流励磁发 电机，因为转子侧通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用。设系统工作时的双 馈异步电机转子转速为疗，定子磁场的转速( 同步转速) 为，转子绕组通过变频器提 供的励磁电流在转子绕组上所产生的旋转磁场相对于转子的转速为门，双馈异步电 机的定、转子电流的频率分别为万、厶。当发电机的转速随着风力条件的变化而变 华北电力人学硕十学位论文 化时，只要能利用变频器相应地调节输入转子的励磁电流频率 ，以改变转子磁场 的旋转速度月，( 当亚同步速运行时，维持= 刀，+ ，l ，；当超同步速运行时，维持啊 = ”，一丹，) ，就可以在定子上感应出对应于同步转速的工频电压，整个发电系统 即可做到变速恒频运行。 若将双馈发电机的定子接在电网上，则定子侧电源频率可认为是恒定的，由此 可通过检测转子转速来确定转子绕组通过变频器提供的励磁电流的频率疋。由电机 学基本原理可知有如下关系式成立： = 体 石= 以啊6 0 s ：堡二堡 ( 2 9 ) 啊 五= p 他6 0 = s z 式中p 。为极对数，s 为转差率。 转子侧三相电流的相序取决于一刀，的符号，在超同步运行时，转子旋转磁场相 对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相反，此时除定子向电网馈送能量外，转 子也向电网馈送一部分电能；在亚同步速运行时，转子旋转磁场相对于转子的旋转 方向与转子机械旋转方向相同，此时定子向电网馈送能量，而转子需要馈入能量。 双馈发电机的励磁可调量有：励磁电流的频率、幅值和相位。可以通过接在转子侧 的变频器来调节励磁电流频率，保证在变速运行情况下发出恒频电流。也可以通过 改变励磁电流的幅值和相位，调节输出的有功功率和无功功率。当转子电流相位改 变时，由转子电流产生的转子旋转磁场位置就有了一个空间位移，这就使得双馈发 电机定子感应电势矢量相对于与电网电压矢量的位置也发生了变化，即功率角发生 了改变，使有功功率和无功功率得以调节。当然要真正实现这一点，还有一个前提 就是找到合适的励磁控制方法。这里可以采用电机调速系统中的矢量控制技术，关 于这一点本文将在后面的章节中作更深入地探讨。变速恒频的机理可用图2 4 来进 一步说明。 换器一换器 双p w m 变换器 图2 4d f i g 变速恒频运行原理 1 3 华北电力人学硕十学位论文 2 4 双馈异步电机数学模型 由电机学的知识我们可以知道，一台电机在实际运行时的真实数学模型是一组 多变量、时变系数的微分方程，在分析其运行方式时，有必要作出些理想化的假 设，假定如下： 1 忽略磁饱和和空间谐波，设三相绕组对称，均为星形连接，磁动势沿气隙 正弦分布； 2 不考虑温度对电机参数的影响； 3 转子绕组均折算到定子侧，折算后每相绕组匝数相等。 定子三相绕组轴线哪、如、嚣在空间是固定的，以么轴为参考坐标系，转子三 相绕组轴线、6 厂、仃随转子旋转，转子甜轴和定子珊轴间的电角度以为空间角 位移变量。并规定个绕组电压、电流、磁链正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。 这时双馈发电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 1 电压方程： i 甜珊2p y 珊+ 毽么 = p + t 么 【甜a ；p 沙二+ t 么 ( 2 1 0 ) 式中、蚴、为相电压瞬时值；毛、岛、为相电流瞬时值；、虼为各相绕 组励磁；下标“s 、“，”分别代表定子、转子；咫、母为定子、转子绕组等效电阻； p 为微分算子。 写成矩阵形式为： 1 4 ，盯 k ，仃 r ， 足， 足， + + + 可 打 盯 = = = 盯 打 仃 厂?1【 华北电力人学硕十学位论文 尺o0 0尺o 0or oo0 o o o 000 000 o00 oo0 尺oo o尺o o0r + p v 。 p v h p v c s p v 。 p l ；，h 刚， ( 2 一1 2 ) 或写成：“= r f + ( 2 1 3 ) 2 磁链方程： 定转子各绕组的合成磁链均是由绕组自感磁链和与其它绕组间互感磁链组成。 按照上面的磁链正方向规定，磁链方程式可列为： 妒裙= l 豁豁i s + l n s b s 咭s + l 豁c s i c s + l 豁吖i 汀+ l n s b r i b r + l a s e r i 汀 妒b s = l b s i s + l b s b s 吃s + l b s c s i c s + l b s 时i 孵+ l b s b r i b r + l b s c r i c r v c s = l c s 骶i 髂+ l c s b s i b s + l 口昏c s i c s + l c s n r i 口r 七l c s b r i b r + l 口i c r i 盯 中贸= l n r n s i 嬲+ l n 国s i b s + l c s i c s + l a r r i 口r + l 酣b r i b r + l c r i c rm 1 曲 哕b r = l b r n s i s + l b r b s i b s + l b r c s i c s + l b r 吖i 吖+ l b r b r 咭r + l b r c r i c r 矽c r = l 口s i 豁+ l c 而s i b s + l c r c s i c s + l c r 卯i 盯+ l c r b r 咭r + l e r i c r 式中的电感矩阵l 是6 6 的矩阵，主对角线元素是与下标符号对应的绕组的自 感，其它元素是与下标符号对应的两绕组间的互感。 经过简化可得： 阱匮砌 ( 2 1 5 ) 式中： 虮= 】7 ，= 么么乞】r 作= 【，】r ，= 【o ，o r 由于三相电机的对称性，对式( 2 1 4 ) 中的k 、l 、k 、，等可引入等效自感 个等效互感的概念，得到其表达式分别为： 瓦= 厶+ k 一扛一三k 一三k 厶+ k 一三k 专k 一三k 厶也 1 5 ( 2 1 6 ) 甜 缸 岱 计 打 仃 ” 掰 甜 甜 华北电力人学硕十学位论文 k = l 盱= 最= l 。 l t + l m r l r 一互 l ， 一= 匕， l ， 一ik z l t r + l m r 1 ， 一i k c o s 统 c o s ( 9 一扣 c o s ( 包+ 争 一二 2 7 1 r i l 埘， z l l r + l 。j c o s ( g + 争 c o s 见 c 。s ( g 一；万) c o s ( e 一争 c o s ( b + 扣 c o s p ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 3 转矩方程： s 以p 参州等1 式中z 为发电机的电磁转矩。 4 运