（电力电子与电力传动专业论文）变速恒频双馈风力发电技术研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gr a t i n go ft h ew i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m ，i m p r o v i n g t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fm a c h i n eg r o u pi sb e c o m i n gi m p o r t a n ts t u d yw o r ko f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y 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 y ( v 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 w i t hd o u b l y f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) t h a tc a nc a p t u r et h em a x i m u mw i n de n e r g yi s b e c o m i n gt h eh o tp o i n to fs t u d y t h i sp a p e rf i r s th a sa n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n dt u r b i n ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h em a x i m u m w i n de n e r g yc a p t u r e t h i sl a i daf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo fc o n t r o ls t r a t e g yo f d f i g n e x t ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，o p r a t i o np r i n c i p l e a n de n e r g yr e l a t i o n s h i po fd f ig ，d e d u c e da n db u i l tm a t h e m a t i cm o d e l so fi to n t h et h r e ep h a s es t a t i o n a r ya n dt w op h a s er o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m s ，p u t f o r w a r dt h es 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 yo fd f i gf o rt h e r e a l i z a t i o no fm a x i m u mw i n de n e r g yc a p t u r ea n dd e c o u p l i n gc o n t r o lo fa c t i v e a n dr e a c t i v e p o w e r t h e n ，t h i sp a p e rh a s s t u d i e dt h eb a c k t o b a c kp w m c o n v e r t e rt h a ts a t i s f i e st h er e q u e s to fe n e r g yb i d i r e c t i o n a lf l o w i n go fd f i g s r o t o ra n di t sc o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l y , t h i sp a p e rh a sb u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e l o ft 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 yd o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m ，v a l i d a t e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h e o r y ，m o d e la n dc o n t r o l s t r a t e g yt h r o u g hs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：a ce x c i t 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 ；w i n dp o w e r g e n e r a t i o n ；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 ；b a c k - - t o b a c kp w m c o n v e r t e r 辽j ：i ：稃技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 引言“2 3 1 稳定、可靠和清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障， 煤炭、石油、天然气等化石能源支持了1 9 世纪和2 0 世纪近两百年的人类文 明的进步和发展。然而，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的 压力，同时也感觉到了环境恶化的威胁。2 1 世纪是科技、经济和社会快速 发展的世纪，也将是从化石燃料时代向可再生能源时代过渡的世纪。 风是地球表面大气层各处之间存在气压差的结果。风能是一种干净的、 储量极为丰富的可再生资源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石 油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说 是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源， 其储量将随着利用时间的增长而同益减少。矿物燃料在燃烧利用中会带来严 重的环境污染问题，如空气中的c d 、s d 、 f d 、n o l 等气体的排放量的 增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自2 0 世纪7 0 年代未以来， 随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模 利用肛l 力发电是减少空气污染、减少有害气体排放量的有效措施。 1 2 国内外风力发电发展现状与发展趋势“” 1 2 1 世界及主要国家的风电发展现状 近年来，世界风电装机以年均2 0 多的速度增长，单机容量不断增加， 风电技术发展很快，兆瓦级风机成为主力机型，发电成本大幅下降，具备了 与常规能源发电相竞争的优势。 到2 0 0 3 年底，全球风力发电装机容量已突破四千万千瓦，风力发电占 全球电力供应的0 5 。2 0 0 3 年全球新增风电装机容量便超过8 3 0 万千瓦， 而过去5 年来全球风电装机容量年均增长速度超过2 6 3 。目前全世界风 电工业规模约为1 2 0 亿美元，预计到2 0 2 0 年可望达到1 2 0 0 亿美元。 欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。 2 0 0 3 年底欧洲地区累计j x l 电装机容量为2 9 3 0 万千瓦，约占全球风电总装机 容量的7 3 。尽管2 0 0 3 年欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由0 2 年的3 5 降为2 3 ，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展，预计欧 辽r l + 手￥技术人学硕十学何论文 2 洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。美洲地区风电装机容量达6 9 0 万 千瓦，占全球风电总装机的1 7 。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓 慢，除印度一支独秀以外，其它国家风电装机容量均很小。 风电累计装机容量居前五位( 到2 0 0 3 年底) 的国家依次是：德国 ( 1 4 6 1 2 m w ) 、西班牙( 6 4 2 0 m w ) 、美国( 6 3 6 1 m w ) 、丹麦( 3 0 7 6 m w ) 和印度 ( 2 1 2 0 m w ) 。世界各国风力发电现状如下： a 德国：8 0 年代后期德国仅有1 5 力千瓦风电装机，得益于9 0 年代 初出台的系列鼓励可再生能源利用的政策，1 9 9 9 年底风电装机跃升至 4 4 4 3 万千瓦，2 0 0 3 年底累计装机更高达1 4 6 1 2 m w ，是目前世界上风电装机 最多的国家，占全球风电总装机容量的三分之一以上( 3 6 3 ) 。尽管2 0 0 3 年德国风力发电增幅有所放缓，但仍然维持较高水平。德国雄心勃勃的海上 风电计划将为其风电发展提供新的动力，预计未来五年间德国还将新增 1 3 ，4 5 0 m w 风电装机，约占全球新增装机容量的2 5 。 b 美国：2 0 0 3 年美国风力发电发展迅速，新增装机1 6 9 万千瓦，累计 装机6 3 6 万千瓦。过去5 年来，美国风电年均增速达2 4 ，目前有超过2 7 个 州有风电场建成。美国是全球最重要的风电市场之一，虽然政府政策方西的 不延续性和不稳定性使得风电的发展充满了不确定性，但仍存在着有利于风 电发展的积极因素。 c 西班牙：2 0 0 3 年西班牙新增风电装机1 3 8 万千瓦，目前风电装机总 量达6 4 2 万千瓦，仅次于德国居世界第二。西班牙官方对风电发展定下的目 标是，到2 0 1 0 年装机容量要达到1 3 0 0 万千瓦( 预计这一目标有望在2 0 0 8 年提 j i 实现) 。 d 丹麦：目前丹麦并网风电机组已达3 0 0 0 m * r ，风力发电满足其电力消 费的2 0 。鉴于丹麦风电市场发展水平已经很高，预计未来其风电发展将 保持温和增长的势头。尽管如此，月麦政府最近宣布将进一步发展4 0 0 m w 的 海上j x l 电计划。 e 印度：印度的风电发展在亚洲可谓一支独秀，目前风电装机达 2 1 2 5 m w ，其风电发展潜力高达4 5 0 0 0 6 j w 。印度的风力发电技术国产化水平已 经较高，2 0 0 3 年印度本国制造商在印度风电市场上占有最大份额。 辽宁 。稃技术人学硕：仁学位论文 3 l - 2 2 我国风电发展现状 我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。掘专家预测，我国j x l 能储量大，分布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。可丌发风能源总 量达1 0 亿千瓦，有大规模开发利用的有利条件。近几年，我国风力发电发 展很快，规模逐年扩大。到2 0 0 4 年底，我国并网风电装机总容量为7 6 4 万 千瓦，其中2 0 0 4 年新投入运行的风机容量为1 9 7 万千瓦，年增长率达到 3 4 ，装机容量居世界第十位。我国已经基本掌握单机容量7 5 0 千瓦及以下 大型风力发电设备的制造技术，正在开发兆瓦级的大型风电设备，2 0 0 5 年 样机已经丌始试运行。我国已经建成了4 3 个风电场，安装1 2 9 1 台风力发电 机组，掌握了风电场运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和 施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。2 0 1 0 年， 我国风力发电将达4 0 0 万千瓦，到2 0 2 0 年风力发电将达2 0 0 0 万千瓦。到 2 0 5 0 年，将形成3 5 亿千瓦的装机能力，风电将成为第二大主力电源。尽 管近年我国风电发展较快，但目前仍处于风电建设的初级阶段，无论是装备 制造水平还是装机容量与发达国家相比都还有较大差距。 1 2 3 国内外风力发电技术发展的趋势 国内外风力发电技术发展的趋势是： a 单机容量不断增大，利用效率提高，世界上主流机型己经从2 0 0 0 年 的5 0 01 0 0 0 千瓦增加到2 0 0 4 年的2 3 兆瓦，2 0 0 4 年底5 兆瓦的风机进 入试运行阶段。并已经丌始1 0 兆瓦风机的设计和研制； b 机组桨叶增长，具有更大的捕获风能的能力，在风机尤其是叶片的 设计和制造过程中，广泛采用了新技术和新材料，既减轻重量、降低费用， 又提高了效率； c 塔架高度上升，在5 0 米高度捕获的风能比3 0 米高处多2 0 ： d 变桨距调节方式迅速取代失速功率调节方式，变速恒频并网机组能 随风速大小随意旋转，已经发展成为当今主流产品，无齿轮箱系统的市场份 额在迅速扩大； e ，海上风力发电技术取得进展，同等容量装机，海上比陆上成本增加 6 0 ，但电量增加5 0 以上，并且，每向海洋前进1 0 千米距离，风力发电 辽j 。t 程技术人学硕十学位论文 4 量增加3 0 左右，随着风电技术水平的不断提高，经济性也逐步提高。 1 3 当前主流风力发电技术9 风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，风力机捕获风能并转 换为机械能，发电机则把风力机输出的机械能转换为电能。 功率调节是风力机的关键技术，目前投入运行的机组主要有两类功率调 节技术：一类是定桨距失速控制技术；另一类是变桨距控制技术。 a 定桨距失速控制技术：定桨距失速控制时，风力机的功率调节完全 依靠叶片的气动特性，其风机输出功率随风速的变化而变化，一般难以实现 风能利用系数最大，特别是在低风速段。这种风力发电机组通常采用双速发 电机，即具有两个不同功率、不同级对数的异步发电机状态，大功率高转速 的发电机状态工作于高风速区，小功率低转速的发电机状态工作于低风速 区。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低风能利用系数 来维持功率恒定，在实际中很难做到功率恒定，通常有些下降。 b 变桨距控制技术：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，风力机将对桨距进行调整。变桨距风力发电机 组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，还依靠改变与叶片相匹配的叶片 攻角来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近，此时叶片角度受控 制环节精度的影响，变化范围很小，可等同于定桨距风机。在额定风速以上 时，变桨距机构发挥作用，调节叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许的 范围之内。变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低，停机时机械传动的 冲击应力相对缓和。 比较来看，定浆距失速控制风力机整机机构简单，部件少，造价低，并 具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工 艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的 失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变浆距型风力机能使叶 片的安装角随风速而变化，从而使风力机在各种工况下( 起动、正常运转、 停机) 按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区段有较高 的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电 机等等。当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节结构。现在这两种 辽j + 程技术人学硕十学位论文 5 功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进，都为大、中型风力发电机组 广泛采用。 发电机的发电技术有两类：一类是恒速恒频发电技术：另一类是变速恒 频发电技术。 a 恒速恒频发电技术：在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行 时，要求风电的频率保持恒定。过去由于受到控制技术和电力电子器件水平 的限制，通常采用恒速恒频发电方式，发电机转速不能变，迫使风力机( 原 动机) 在不同风力下维持一个转速，当风速变化时风力机偏离其与最大风能 相对应的最佳速度，导致风力资源浪费，发电效率下降，而且机组机械应力 和磨损增大，原动机受损，也使发电质量下降。 b 变速恒频发电技术：随着控制技术和电力电子技术的发展，变速恒 频风力发电技术逐渐成为科研人员研究的热点，其特点是：风力机的转速可 变，可以通过适当的控制，使风力机的叶尖速比达到或接近最佳值，而不影 响输出电能的频率，从而最大限度的利用风能。 虽然目前风力发电系统采用最多的是恒速恒频发电系统，但变速恒频发 电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越 引起人们的重视。虽然与恒速恒频系统相比风电转换装置的电气部分变得较 为复杂和昂贵，但电气部分的成本在大、中型风力发电系统中所占比例不大， 因而发展大、中型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。变速恒频发电系 统不但可以最大限度的捕获风能，减小风轮机的机械应力，使风轮机在大范 围内按照最佳效率运行，而且还可以减少向电网输送功率的波动，另外变速 恒频发电系统在低速运行时噪音也比较小。 风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发 电技术发展的必然趋势，也是风力发电中的关键核心技术。 可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，如交一直一交系统、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、丌关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机 与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而 实现变速恒频的。 辽j 。【拌技术人学硕士学位论文6 1 4 变速恒频交流励磁双馈风力发电机系统“ 交流励磁双馈发电机的主要结构特点是：定子与一般三相交流发电机定 子一样，具有分布式交流绕组；转子不是采用同步发电机式的直流集中绕组， 而是采用三相分御式对称交流绕组，与三相绕线式异步电机( 绕线型感应电 机) 的转子结构相似，只是转予绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以 输入电能也可以输出电能。它在j 下常工作时，其定子绕组接入工频电网，转 子绕组经一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电。 交流励磁双馈发电机的运行原理：交流励磁双馈发电机定子接入电网， 转子绕组由频率、相位、幅值可调的电源供给三相低频励磁电流，在转予中 形成一个低速旋转的磁场，这个磁场转速与转子的机械转速相加等于定子磁 场同步速，从在而发电机定予绕组中感应出同步转速的工频电压。当风速变 化时转速随之变化，此时相应改变转子电流的频率和转子旋转磁场的转速以 补偿电机转速变化，这样就达到变速恒频的目的。 采用交流励磁双馈发电机的变速恒频风力发电系统具有以下优点： a 最大限度的捕捉风能； b 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了变速 时的机械应力和磨损，同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效 率； c 采用一定的策略( 如矢量控制，双p w m 变频器等) 可灵活调节系统的 有功和无功功率，对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用； d 采用先进的p w m 技术，可抑制谐波，减小丌关损耗，提高效率； e ，需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积 减小，成本降低，投资减少； f 双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生 的电流冲击和过大的电压波动。 j 下是因为这些优点，使得交流励磁双馈风力发电机系统成为变速恒频风 力发电领域的研究热点。本文将对采用交流励磁双馈发电机的变速恒频风力 发电系统进行理论分析和仿真研究。 辽，i ：稃技术人学硕十学位论文 7 1 5 本文选题意义和研究内容 风力发电由于其本身的特点己经引起了人们的广泛关注，随着风力发电 机组设计和控制理论的成熟以及社会对于绿色能源需要的增加，国内必将会 迎来风电发展的高潮，而现在的风力发电机组正向着高效率，大容量的方向 发展，交流励磁变速恒频风力发电系统恰好满足上述的要求，而且是当今世 界风力发电技术的主要方向，因此研究和探讨该技术及相关的控制原理是实 现我国大型风力发电机组国产化和推动我国风力发电事业的时代要求，这正 是研究交流励磁变速恒频风力发电系统的意义所在。 由于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。能力和时间有限，为了突出重点，本文主要研究了 以下内容： a 分析和研究了风力机的运行特性和最大风能捕获运行原理，并建立 了风力机的m a t l a b 仿真模型； b 分析和研究了交流励磁双馈发电机的结构特点、运行原理和能量关 系，并通过对电机基本方程式、等效电路及时空矢量图的分析，证明了发电 机运行性能可表示为转差率s 、转子励磁电压玩及旺与定子电压砖的相位 差角口三个变量的函数，为它的应用提供了理论依据； c 推导建立了双馈发电机在三相静止坐标系下的数学模型和两相任意 旋转坐标系下的数学模型以及定子磁链定向的两相同步旋转坐标系下的数 学模型，研究了为实现最大风能捕获和有、无功功率解耦控制的双馈发电机 的定子磁链定向矢量控制策略； d 研究了变速恒频双馈风力发电用双p w m 变频器的拓扑结构、基本原 理；推导建立了网侧p w m 变换器在三相静止坐标系下的数学模型和电网电压 矢量定向的两相同步旋转坐标系下的数学模型；研究了网侧p w m 变换器的带 电流解羯和电网电压前馈补偿的矢量控制策略； e 以m a t l a b s i m u l i n k 为工具，建立了双馈电机变速恒频风力发电的 矢量控制策略仿真模型，进行了空载运行、并网运行、有功和无功独立调节 运行、最大风能捕获的变速恒频发电运行等运行状念的仿真研究。为控制策 略的实施奠定了理论基础。 辽。j 5 j ：科技术人学硕十学位论文 8 2 风力机最大风能捕获运行原理及风力机的m a t l a b 仿真模型研究 风力发电机组中，风力机负责将空气的动能转变为机械能，再经由发电 机将此机械能转变为电能。作为变速风力发电机组，一个最重要的目标就是 最大限度地将风能转变为电能，以提高机组的运行效率，即风力机最大风能 捕获运行。 2 1 风力机最大风能捕获运行原理 2 1 1 风力机的运行特性 风力机是整个风力发电系统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空气的动能转换为 有用的机械能，所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出， 而且直接影响机组的安全稳定运行。 出风力机的基础理论“”1 可知，风力机的输入功率为： 只= j 1 ( j d s v ) v 2 = l p s v 3 ”( 2 1 ) 式中：p 一一空气密度，1 2 5 k g m 3 ； s 一一风力机叶片迎风扫掠面积； v 一一空气进入风力机扫掠面以前的风速( 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 。： c r = 。n l ( 2 2 ) 式中：只一一i x l 力机输出的机械功率。 所以有： 只= q 只= i 1p s v 3 c p = 三2 v 3 c p = 詈p d 2 v 3 c p ( 2 3 ) 式中：r 一一叶片的半径； d 一一叶片的直径。 根据贝兹( b e t z ) 理论“”，c 。的最大值为0 5 9 3 。一般的水平轴风 力机，c p = o 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 辽j 。i ，稃技术人学硕士学位论文 9 影响，高速风轮实际的c 。大致在0 4 左右，很难超过0 5 。 风能利用系数c 。是表征风力机效率的重要参数，是一个与风速、叶片 转速、叶片直径均有关系的量。为在不考虑叶片转速和直径的条件下对叶片 性能作更普遍的讨论，还可定义出风力机的另一个重要参数叶尖速比五，即 叶片的叶尖线速度与风速之比： 五：2 旦：二一2 7 r n ( 2 4 ) vv6 0 式中：q 一一叶片旋转的机械角速度； n 一一叶片的转速。 风力机的风能利用系数，即风轮将风能转变为机械能的效率与叶尖速比 密切相关。风能利用系数c 。只有在叶尖速比五为某一定值九时才达最大。 如图2 1 模拟的某风力机风能利用系数与叶尖速比关系曲线所示。 ， 。r 一 ；， ，r 图2 1 风能利用系数与叶尖速比关系曲线 由图可见对于一台确定的风力机，总有一个对应着最大风能利用系数 e 。的最佳叶尖速比厶，此时风力机的转换效率最高，换言之，对于一定 的风速v ，风力机只有运行在一个特定的转速r l 下才会有最高的风能转换效 率。 风能利用系数c 。不是一个常数，它随着风速、风力机转速以及风力机叶 片参数( 如攻角、桨距角等) 变化。在某一固定的风速下，随着风力机转速n 的变化，c 的值会相应的变化，从而使风力机输出的机械功率只变化，也 就是说，转速1 3 变化，会导致风力机捕获风能的能力有所不同。我们可以取 辽j 。i 科技术人学硕十学位论文 1 0 几个不同的风速，从图2 1 中查出叶片不同转速时所对应的风能利用系数， 并将风机的额定参数( 这罩取p = 1 2 5 k g m 3 ，d = 7 m ) 带入( 2 3 ) 式，即 可算出该风力机对应于不同风速下的输出机械功率，其曲线如图2 2 所示， 图中虚线为风力机的最大输出功率曲线。 图2 2 风力机的输出功率一转速特性图 由图可以看出，它有以下几个特点： a 在某一固定的转速下，风速v 越大，风提供的输入功率会越大，由 此风力机输出的机械功率也会越大； b 在某一固定的风速下，风力机在某一转速时可以输出最大的功率，l q 较小或太大时风轮机输出功率都会降低，该点与图2 1 中兄= 以、c 。= c 。 点相对应。将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线， 运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率最。输出； c 随着风速v 的增加，风力机输出的最大功率所对应的转速r l 也有所 增加。 从理论上讲，风力机的输出功率是风速立方的函数，随着风速的增加， 它的输出功率是无限的。但实际的变速风力发电机组受到两个基本限制： a 功率限制，所有电路及电力电子器件受功率限制； b 转速限制，所有旋转部件的机械强度受转速限制。 所以风机的转速和输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组 的某些部分便不能正常工作。因此变速风力发电机组分为三个不同的区域来 辽j 。f ：科技术人学硕十学忙论文 运行： a c 。恒定区 当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速， 风力发电机组丌始作发电运行，通过对发电机的转速进行控制，c 。不断上 升，直至巳= c 。，进入q 恒定区，这时机组在最佳状态下运行。这段区 域主要是调节发电机阻力矩( 有功功率给定值) 使转速随着风速而变化，使 五= 九，实现最大风能捕获，后面要详述这一过程的控制。 b 转速恒定区 随着风速的增大，机组的转速也在增大，最终达到机组允许的最大转速。 维持这一转速不变，随着风速的增大，c 。值减小，机组的功率在增大。 c 功率恒定区 随着功率的增大，发电机和变流器最终达到功率极限。随着风速的增大， 发电机的转速必须降低，使c 。值迅速降低，从而维持该功率不变。 后面的这两个运行区域主要靠伺服系统控制的桨距调节系统起作用。在 追踪最大风能运行的c 。恒定区，要通过风力机与发电机的配合，使机组在 不同的风速时运行在不同的转速下，保持q = q 一不变，最大限度地捕获 风能。 2 1 2 风力机的最大风能捕获运行原理”“8 要想追踪最佳功率运行曲线，必须在风速变化时及时调整风力机叶片的 转速n ( 也即风力机叶片旋转的机械角速度力) ，使其叶尖线速度与风速之比 保持不变，保持最佳叶尖速比，就可获得最佳的风能利用系数，就可以最大 限度地捕获风能，这就是风力机的最大风能捕获运行原理。 风机转速n 可以通过风力机浆叶变节距调节，也可以通过控制发电机输 出功率调节。采用风力机变节距调速的困难在于风速难检测，调速精度低， 变距系统结构复杂，维护困难。为了避免这些问题，本文通过控制发电机输 出有功功率来调节发电机的电磁阻转矩，进而调节发电机的转速。发电机有 功及无功功率的调节将在第四章中详细介绍。 风力机输出最大机械功率时，发电机的输出功率也应相应地与之配合。 与风力机最大输出功率曲线( 图2 2 中的虚线只。，) 相应的、最合适的发电机 辽j 。j 袢技术人学硕十学位论文 输出功率与转速的关系曲线可这样得到：风力机在不同风速下的最大机械输 出功率除以( 卜s ) 再减去各种损耗，其中s 为转差率，得到相应的最合适 的发电机功率；将风力机在各种风速下产生最大机械输出功率时的转速乘以 增速箱的增速比，即得到相应的发电机的转速。据此，可得到相应的发电机 输出功率与转速的关系曲线即图2 3 中的c o 曲线，称为最佳功率曲线，它 本身己不再是一个简单的立方关系，但它所反映的风力机机械输出功率却正 好与转速成立方关系。运行过程中，以此功率信号作为发电机的给定有功功 率，与发电机输出电功率的反馈信号构成闭环控制系统，使风力机在各种风 速下均按最大功率运行，实现最大风能捕获。后面的仿真工作验证了这一点。 图2 3 变速风力发电机组功率调节过程示意图 风力机在追踪最大风能运行的过程中，机组的功率配合调节如图2 3 所 示：假设原来j x l 速为k 时，风力机稳定运行在只。曲线的a 点上，此时风力机 的输出功率和发电机的输出机械功率相平衡为p a ，风力机将稳定运行在转速 碍上。如果某时刻风速升高至k ，风力机运行至b 点，其输出功率由只突变 至p h ，由于调节过程的滞后和机械惯性，发电机仍将暂时运行在a 点，此时 发电机的输入功率大于输出功率，差值功率将导致转速上升。在转速增加的 过程中，风力机和发电机分别沿着b 至c 和a 至c 曲线增速，到达风力机功 率曲线与最佳曲线相交的c 点时，功率将再一次达到平衡，转速稳定在对应 于风速k 的最佳转速n ，上。同理也可以分析风速从k 到k 的逆调节过程。 2 2 风力机的m a t l a b 仿真模型 在某一个固定风速下风力机输出机械功率随风力机转速而变化，每一个 风速下存在一个最大输出功率点圪对应于图2 1 的最大风能利用系数 c ，。按照风力机的最大风能捕获运行原理，假设风速为v ，则当系统运行 辽j 。i 程技术人学硕十学位论文 于稳念时有： p m 。= p c p 。= j lp 跏3 q 。( 2 5 ) 只。= 只q 。2 互1 s ( r 丸f 2 , 3 q m 舣_ 尹1( c _ k 加( 2 6 ) 式中：k m - 对于某一固定机型为常数，k 2 丢胪( 云r c p m “。 k 警= 若q 7 仁p o = p j = p ：m a x _ 善a p 也s ， 辽j 1 t 拌技术人学硕士学位论文 1 4 功功率，通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁阻转矩，进而调 节发电机的转速，也即调节了风力机转速力，使其叶尖线速度与风速之比保 持不变，保持最佳叶尖速比，因此可获得最佳的风能利用系数，使风力机在 各种风速下均按最大功率运行，就可实现最大风能的追踪与捕获。 由于m a t l a b 中没有风力机的仿真模型，因此本文采用s i m u l i n k 基本 模块自己搭建了一个风力机的仿真模型，如图2 4 所示。 图2 4 风力机的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型 冥中：v 一一风速； 纯一一双馈发电机转子机械角速度； k 一一齿轮箱增速比； r 一一风力机叶片的半径； l m d o p t 一一最佳叶尖速比乃； z 一一风力机的实际输出转矩； 只。，一一对应于式( 2 5 ) 的咒。； 0 。一一对应于式( 2 6 ) 的p m 。： 图2 5 封装后的风力机模型 己一一风力机的实际输出机械功率，对应于式( 2 7 ) 中的巴： l o o k u pt a b l e 模块一一对应于图2 1 的风能利用系数与叶尖速比关 系曲线。 风力机的仿真模型封装为子系统后如图2 5 所示。 辽j 。i 。程技术人学硕十学位论文 1 5 3 变速恒频风力发电用双馈发电机的研究 长期以来，常规的交流同步电机为直流励磁，异步电机没有励磁绕组， 其励磁通过定子取自电网。近年来，随着电力电子技术和数字控制技术的发 展，出现了双馈形式实现交流励磁的交流电机。这种电机随着交流励磁频率 的改变，不管是电动机或发电机，可以运行在不同速度，也就是说，可以变 速发电或调速拖动。同时发现这种电机有调节电网功率因数和提高电网稳定 性的功能，而且可以使水轮机、风力机等原动机或水泵等被拖动机械运行在 最佳工况，使机组效率提高。 交流励磁双馈发电机的数学模型、能量关系较复杂，传统的控制手段难 以达到要求。本文将对双馈电机的数学模型、能量关系、调节特性及其控制 策略作较为细致的研究。 3 1 交流励磁双馈发电机的结构特点“2 “2 1 交流励磁双馈发电机的主要结构特点是：定子与一般三相交流发电机定 子一样，具有分布式交流绕组；转子不是采用同步发电机式的直流集中绕组， 而是采用三相分布式对称交流绕组，与三相绕线式异步电机( 绕线型感应电 机) 的转予结构相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以 输入电能也可以输出电能。它在萨常工作时，其定子绕组接入工频电网，转 子绕组经一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电。 并网运行时的交流励磁风力发电机系统如图3 ，l 所示。 图3 1 并网运行时的交流励磁风力发电机系统 3 2 交流励磁双馈发电机的运行原理“2 2 1 交流励磁双馈发电机定子接入电网，转予绕组由频率、相位、幅值可调 辽j 。i 。稃技术大学硕十学位论文 1 6 的电源供给三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转的磁场，这个磁 场转速与转子的机械转速相加等于定子磁场同步速，从而在发电机定子绕组 中感应出同步转速的工频电压。当风速变化时转速随之变化，此时相应改变 转子电流的频率( 即改变转子旋转磁场的转速) 以补偿电机转速变化，这样 就达到变速恒频的目的。 根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以 得出交流励磁双馈发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数 学表达式： z = 等圻“3 1 ) 式中： 彳一一定子电流频率。由于定子与电网相连，所以z 与电网频率相同； 疗。一一交流励磁双馈发电机的极对数； h 一一交流励磁双馈发电机的转速； 六一一转子电流频率。 当交流励磁双馈发电机转速，z 发生变化时，若相应调节f 2 ，则可使z 保 持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制。当 胛 n 时，风力发 电机处于超同步速运行，上式取负号；当g = n l 时，f 2 = 0 ，变频器向转子提 供直流励磁，此时发电机作为同步电机运行。 3 3 交流励磁双馈发电机的基本方程式、等效电路和时空矢量图“”2 ” 交流励磁双馈发电机从结构上看，当转子采用三相对称绕组且通过三相 对称交流电流励磁时，就相当于一台转子侧施加三相对称交流电源的绕线式 异步电机，因此，由异步电机的基本关系式可得交流励磁双馈发电机的基本 方程式。 在交流励磁双馈发电机中，电压、电流、磁通和电动势的大小和方向都 是随时间变化的，为了j 下确的表明它们之间的关系，必须先规定他们的正方 向。这罩采用电工惯例规定的正方向： a 在同一支路中，电压与电流的正方向一致； 辽。j 1i 。拌技术入学硕十学位论文1 7 b 磁通的f e 方向与磁势的j f 方向一致； c 由交变磁通量产生的感应电动势正方向与产生该磁通量的电流的正 方向一致，并有p ：一掣的关系( 电磁感应定律) 。 把转子方各物理量折算到定子方，定子方按照发电机惯例，可写出折算 后的基本方程式如下： ju i = 一巨一厶( + 办i ，) ； 以步_ 毫+ 二缈+ ( 3 2 ) i 最e li m ( o + 风) ； 【e = i i + l 其中： 吐、啦厶和j 分别为定子每相电压、转子每相电压折算值和双馈电机的 转差率； 和矗分别为定子每相电流和转子每相电流的折算值； e 和宦分别为主磁通在定子每相绕组和转子每相绕组中感应出的电动 势，后者为折算值； 、巧扣和分别为定子每相电阻、转子每相电阻折算值和反映铁耗的 励磁电阻： x ，、蔓，和，分别为定子每相漏电抗、转子每相漏电抗折算值和对应气 隙主磁通的励磁电抗； 出基本方程式可画出交流励磁双馈发电机的等效电路图和时空矢量图 如图3 2 和图3 3 所示。 时空矢量图3 3 中，先把主磁通屯画在水平位置，定为参考相量。由 于- e = - n 皇争，则岛= e 滞后蛾9 0 度电角度。由于存在铁耗，所以产生晚 的励磁电流厶要超前它一个口。电角度。双馈发电机通常给定以，则由 啊= 一丘一( 1 + 办，) 可得五。再由= + 可得乏。最后由 d ：b = 一：+ i ：啦 s + j t ，) 可得以b 。 辽j 。l 拌技术人学硕 学位论文 1 8 图3 2 交流励磁双馈发电机的单相等效电路图 o ：斟 j i ：矗， 多l 协 一g 亍一巨i 酚一 、一，1 ， 式，鹾= 与 图3 3 交流励磁双馈发电机的时空矢量图 从双馈发电机的基本方程式、等效电路图和时空控矢量图可以看出，如 果给定定子电压玩、定子电流五、功率因数角仍和转差率j ，且知道电机的 各个电阻、电抗参数，则可求出需要的转子电压玩、转子电流厶和励磁电 流i o ，；而如果定子输出功率墨、定子电源电压玩和功率因数c o s p j 一定时， 双馈发电机的运行特性实际上只是转子转速怫或转差率s 、转子励磁电压玩 以及玩与定子电压吐的相位差角a 三个变量的函数。 3 4 交流励磁双馈发电机的能量关系“” 出于，忽略名，交流励磁双馈发电机忽略铁耗时的能量关系如 下： a 定子功率平衡方程 匕，= 眉十p ( 。( 3 3 ) 式中：匕，为电磁功率；只为定子输出的电功率；只。，为定子绕组的铜耗。 辽。j ：f 。程技术人学硕十学位论文 t 9 b 转子功率平衡方程 只= 匕2 + p c - 2 ( 3 4 ) 式中：最为转子边输入或输出的电功率；n 。：为转子绕组的铜耗；匕：为转子 绕组转换或传递的电磁功率。 出交流励磁双馈发电机的基本方程式可推出“下式 匕2 = s 匕”( 3 5 ) 由此式可以看出，转子的电磁功率始终保持为转差功率j 巳，仅为定子 电磁功率的- - 4 部分，这样转子所加变频器的容量仅为发电机容量的- - 4 部 分，为励磁电源的设计提供了理论依据，这样既大大降低了变频器的成本， 又有利于提高双馈发电机的容量。这正是交流励磁双馈发电机作为变速恒频 发电机的一个优势所在。 对于交流励磁双馈发电机，匕为正值，所以当j o 时，匕：为j 下值，此时转子由变频 电源输入电磁功率。可见，交流励磁双馈发电机的转子能量是在电网和电机 之问双向流动的。 c ，能量守恒方程 若交流励磁双馈发电机轴上输入的机械功率为只。，根据能量守恒原理 有， 。+ 匕：= 厶( 3 6 ) 因此 巴。= 一厶：= ( 1 一s ) 巴，( 3 7 ) 当转差率s 匕，转子输入的机械功率大部份将转换成电磁 功率由定子输出，小部份转换成电磁功率匕：由转子输出；当转差率 s 0 ，只。 匕，此时定子的电磁功率大部份由转予机械功率只。转换而来， 小部份则是出转子输入的电功率匕：传递而来。 3 5 交流励磁双馈风力发电机的数学模型“2 7 1 交流励磁双馈电机由于在转子方加有三相交流励磁电源，其转子上三相 电压也就不等于零，这一点即不同于感应异步发电机也不同于加直流励磁的 同步发电机，因此建立它的数学模型是非常重要的，也为今后的矢量控制提 辽j 。i ：稃技术入学硕十学位论文 供依据。双馈电机内部的电磁关系也较感应异步发电机和同步发电机复杂， 为了突出主要问题，我们对实际电机作出如下假设： a 忽略空i 日j 谐波，设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 度电角度) ，所 产生的磁势沿气隙圆周按照正弦规律分布； b 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定( 定常线性对称) 的； c 忽略铁芯损耗； d 不考虑频率和温度变化对各绕组电阻的影响： e 转子绕阻已折算到定子侧，折算后每相匝数相等。 说明：在以下推导中，定予侧参数用下标l 表示，转子侧参数用下标2 表示。 3 5 1 三相静止a b c 坐标系下交流励磁双馈发电机的数学模型 在建立基本方程之前，首先要选定磁链、电流和电压的币方向。图3 4 所示为交流励磁双馈发电机的物理模型和定、转子回路示意图。图中，定子 三相绕组轴线q ，6 l ，q 在空间上是固定的，以q 轴为坐标参考轴；转子绕 组轴线a ：，6 2 ，c 2 随转子旋转，转子d ：轴和定子a l 轴之间的电角度。为空| 日j 角 位移变量。定子电压、电流诈方向按照发电机惯例标示，转子电压、电流正 方向按照电动机惯例标示。定子、转子绕组分别连接成星形，定子、转子各 相绕组的电阻分别相等。选定各相绕组轴线的e 方向为各项绕组磁链的正方 向。如下图3 4 所示： a ) 受流蚋融t 瑚艇电目l 的物胛摊懂b ) 童洫j 曲磷取铷艇i u 机们定，转于叫路示意圈 图3 4 交流励磁双馈发电机的物理模型和定、转子回路示意图 辽+ f ：稃技术人学硕十学位论文 2 l 这时，交流励磁双馈电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩 方程和运动方程组成。 a 电压方程 一0 0 0 - 1 1 , 0 00一 o0o 0o0 0 oo 000 000 000 r 2 00 0吃0 00 r 2 i 屯l “ l n 2 b 2 2 + j 口