（电力电子与电力传动专业论文）变速恒频双馈风力发电机励磁控制系统的研究与开发.pdf

变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 a b s t r a c t n o w ，e n e r g ys o u r c e sc o n s u m ei si n c r e a s i n gd a i l ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n b e c o m em o r es e r i o u sg r a d u a l l y b e c a u s eo fi t ss t a n do u tm e r i t s ，w i n dp o w e ri sp a i d g r e a ta t t e n t i o ni nt h ee x p l o i t a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e t h i sd i s s e r r t a t i o n c h o s et h em o s ta t t r a c t i v ea n db o o m i n ga p p r o a c h 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 ) a sr e s e a r c ho b je c t ，t h ea p p r o a c ho ft h i ss y s t e mr e d u c e dt h ec a p a c i t yo f i n v e n e r ，t h eg e n e r a t o rh a sav e r yw i d es p e e d r a n g ew h i c hc a nb ea d j u s t e df r o ms u b s y n c h r o n o u ss p e e dt os u p e rs y n c h r o n o u ss p e e d t h es t a t o rv o l t a g ea n di t sf i r e q u e n c y k e e pc o n s t a n t ， s ot h ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rc a nb ec o n t r o l l e df i r e e l y b e s i d e s ，t h ed f i gc a nb ee q u i p m e n tf o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no ft h ep o w e r n e t w o r k ，i m p r o v ei t ss t a b i l i t y f i r s t l y ，t h er e s e a r c hs t a t u so fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n dv sc f t e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r a l lk i n d so fe x c i t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s f o rv s c f g e n e r a t o ra n df u t u r et r e n d sa r er e v i e w e d a f ：七e rs t u d y i n gt h em a t h e m a t i c a l m o d e li ns t a t i ct h r e e - p h a s ec o o r d i n a t ea n di nr o t a r yt w o p h a s ec 0 0 r d i n a t e ，t h es t a t o r f i e l d - o 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 si s s u e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd f i ga n di t ss 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 l ， a d u a l - c l o s e d - l o o pc o n t r o ls c h e m ei sd e v e l o p e da n dr e a l i z e sd e c o u p l e dc o n t r o lo ft h e a c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r s i m u l a t i o ns t u d yi sc a r r i e do u to nt h ep l a t f o r mo f m a t l a b s i m u l i n ka n dv a l i d a t e st h ep r o p o s e ds t r a t e g y ，w h i c hw i l lg u i d e d e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gt h ep r a c t i c a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m s p w mc o n v e n e rw h i c hi st h ek e ye q u i p m e n tt or e a l i z et h ec o n t r o lo fd f i gh a sa d e c i s i v ei n n u e n c et ot h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep o w e rq u a l i t y b yu s i n gt h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa c - e x c i t e dv s c fw i n d p o w e rg e n e r a t o r ， t h i s d i s s e n a t i o nd e s i g n e dad u a lp w mc o n v e n e rw h i c hc a nl e tt h ep o w e rf l o wt ot h et w o d i r e c t i o n ，a n da l s od i s c u s s e dt h ef u n c t i o na n dc o n t r o ld i f f e r e n c eo ft h et w oc o n v e r t e r t h eg r i d s i d ep w mc o n v e r t e rc a nr e a l i z eu n i t yp o w e rf a c t o ra n dk e e pd c - b u sv o l t a g e c o n s t a n tb yu s i n gg r i dv o l t a g ev e c t o ro r i e n t a t i o nc o n t r o lm e t h o da n dl o a dc u r r e n t f e d - f o r w a r dc o n t r o lm e t h o db a s e do np o w e rb a l a n c eb e t w e e nt h et w op w m i i i 硕士学位论文 c o n v e n e r s i no r d e rt or e a l i z ed e c o u p l e dc o n t r o lo fd f i ga c t i v e & r e a c t i v ep o w e r a n dt oc a p t u r et h em a x i mw i n dp o w e r f i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u ew a s a p p l i e dt od f i gc o n t r 0 1 ag e n e r a lc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns t a t o rf l u xo r i e n t e d v e c t o rc o n t r o lw a sp r o p o s e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s b e l o wa n da b o v et h es y n c h r o n o u ss p e e d ，t h et w oc o n v e r t e rc a ns h i ra u t o m a t i c a l l ya t r e c t i f i e r i n v e r r t e r ( o ri n v e n e r r e c t i f i e r ) s t a t e ，a n dt h e nb i - d i r e c t i o n a lp o w e rn o wi s r e a l i z e d f i n a l l y ，s i m u l a t i n gs y s t e m o fv a r i a b l e s p e e d c o n s t a n tf r e q u e n c yw i n d g e n e r a t i n gi sd e s i g n e db a s e do nd s pa n ds i m u l a t i n g i ti sc o n l p o s e do fa7 5 k w d f i ga n dg r i d s i d ea n dr o t o r s i d ec o n v e r t e rw h i c hc o n t r o l l e d b yd u a ld s p c o n t r o l l e r s t h ed e s ig no fs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t ， q u a d r a t u r ee n c o d e rp u l s ec i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i th a sb e e nd e t a i l e d k e y w o r d s ： w i n dp o w e rg e n e r 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 o u n dr o t o r d o u b l y f e di n d u c t i o nw i n dg e n e r a t o r ； b a c k - t o - b a c kp w mc o n v e r t e r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：潮 日期：砷年f 月2 r 日 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。本人授权湖南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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 黧鬻茅： 焖锄 硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自从工业革命以 来，全球的能源消耗飞速地增长，迅速推动了世界工业化的进程，提高了社会 发展水平和人类生活质量。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然 气等不可再生资源的储量非常有限。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越 大，致使能源危机成为阻碍人类进一步发展的桎梏。据估计，煤炭还可以持续 3 2 8 年，石油还可以维持4 6 年，天然气还可以维持5 6 年，天然铀原料还可以维 持6 3 年。能源危机的重要表现是能源价格的不断上涨和电力紧张。造成电力供 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。有限的能源储备与社会经 济发展的无限需求之间的矛盾，已经成为一个全球性的问题【l 】。 如何实现能源的持续发展，从而保证经济的可持续发展和社会的可持续发 展，已经是各国政府必须解决的大问题，即能源战略问题。而目前克服能源危 机唯一的出路就是有计划的利用常规能源、节约能源、开发新能源和可再生能 源。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作 为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。然而，除水能之外的所有 可再生能源中，风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一 与太阳能、生物质能相比，风能的产业化基础最好，经济性优势最明显， 而且不存在生物质能所面临的资源约束，另外也没有任何大的环境影响，在可 预见的时间内，都将是最有可能大规模发展的能源资源之一。 国家发展改革委办公厅于2 0 0 5 年3 月公布的关于组织实施可再生能源和 新能源高技术产业化专项的公告中也明确指出风力发电是“可再生能源和新能 源高技术产业化专项重点领域”。2 0 0 7 年2 月发布的国家中长期科学和技术发 展规划纲要将“研究开发大型风力发电设备”列入能源领域的优先主题【2 1 。2 0 0 6 年实施的可再生能源法进一步规范了再生能源的开发与利用，随着2 0 0 6 年 4 月2 0 日审议通过可再生能源中长期发展规划和2 0 0 7 年4 月2 0 日国家发 展和改革委员会公布能源发展“十一五”规划，国家发改委最近修订了于2 0 0 7 年9 月中国政府发布的可再生能源中长期发展规划中提出的目标，提出到 2 0 2 0 年，全国风电总装机容量规模达到l 亿千瓦，我国风力发电正迎来大规模 发展新时期。 因此，研发具有自主知识产权的风力发电系统对我国当前意义重大： 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 ( 1 ) 实现能源多元化，调整我国当前的能源结构 我国目前能源结构仍然是燃煤为主的火电厂为电力主流，风力发电现在在 全国的电力装机容量比重只占到o 1 1 。根据国家发改委的长期产业规划，中国 的风电装机规划为2 0 0 5 年完成1 0 0 万k w ，2 0 1 0 年5 0 0 万k w ，2 0 15 年1 0 0 0 万 k w ，2 0 2 0 年3 0 0 0 万k w ，届时风电装机占全国电力装机的2 。因此，风力发 电作为成熟技术的优势对缓解我国电能紧张、改善我国能源结构的调整有重要 作用。 ( 2 ) 通过自主研发，提升风力发电机组的国产化率和行业竞争力 2 0 0 7 年1 6 月，中国进口风力发电机组的数量总计为6 1o 台千瓦，用汇 1 9 0 ，5 1 9 ，3 5 4 0 0 美元。2 0 0 7 年1 6 月中国出口风力发电机组的数量总计为2 8 1 8 台千瓦，创汇金额总计为2 ，1 5 0 ，8 6 6 o o 美元【引。 中国风电行业虽然发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大 差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很 多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很 多的阻碍因素。正是风电行业投资的高风险，必然为风电行业发展带来高收益， 不论是风电产业的经济效益、对社会的效益，还是中国目前奉行的可持续发展 和节约战略，这些都为发电行业提供了很大的发展空间。因此，研究具有自主 知识产权的大功率风力发电系统具有极大的产业化和市场发展前景，有利于提 高我国大型风力发电机组的研究和设计制造能力，加快我国风电机组的国产化 步伐，提高我国风力发电的技术水平，缩小我国在该领域与国外发达国家的差 距，提高我国风电行业在国际上的行业竞争力【4 】【5 1 。 1 2风力发电的国内外发展现状 1 2 1 国外风力发电现状及趋势 1 8 9 0 年，丹麦人研制了风力发电机，1 8 9 1 年建立了世界上最早的风电场。 但是当时这一新生事物未能引起世人关注，直到2 0 世纪7 0 年代以后风力发电 才进入了一个蓬勃发展的阶段。到了9 0 年代，许多国家纷纷制定了激励风力发 电发展的优惠政策，为风电的发展提供了极为有利的条件，其中欧洲和北美最 为突出。 近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以约3 0 的速度增 长。截止到2 0 0 7 年底，全世界风力发电装机容量约为9 4 0 0 万k w 。图1 1 给出 了各国风电机组累积安装容量的情况，德国、美国和西班牙明显领先于各国。 美国继2 0 0 6 年的大幅增长之后，2 0 0 7 年的新装机容量名列全球第二，达到 l ，7 0 0 m w 。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 2 0 1 0 年全世界风力发电机组装机容量将突破1 0 0 g w 【6 】。近年来，在特别注重环 保的欧洲国家国家对风力发电实施优惠政策发展很快，发展规划也不断修 改，风电技术和产业的发展使风电成本持续下降，使得欧洲的风力发电发展最快。 2 0 0 7 年欧洲风电装机容量新增7 5 8 8 m w ，较2 0 0 6 年增长了2 3 ，总装机容量 超过4 8 g w ，占全世界风能发电能力的6 0 以上，北欧一些国家风力发电己占到 总发电容量的5 - 1 0 ，风力发电成本也下降了6 0 7 】。风力发电和水力发电一 起有效地改善了这些国家的电力结构，减少了大气污染，对保护我们共同的家 园一地球起到了重要的作用。 美幽 图li2 0 0 7 年世界各国风电机组累积装机窖量 22 国内风力发电现状及趋势 牙 我国不仅属于风能利用较早的国家而且还属于风力发电较早的国家，其中 风力发电技术的开发利用起源于2 0 世纪7 0 年代，目的在于解决分敞居住的牧 民区用电需求。我国拥有丰富的风能资源，采用1 0 m 高度的风速测算，陆地风 能资源理论储量为3 22 6 亿千瓦，可开发的风能资源储量为2 5 3 亿千瓦。我国 近海风能资源约为陆地的3 倍，可开发风能资源约为1 0 亿千瓦。 近年来，风力发电在我国逐渐兴起。到2 0 0 5 年年底，国内已有1 5 个省、 区、市建设了6 1 个风电场，总装机容量达到1 2 6 万千瓦。而随着我国可再生 能源法的颁布实施，加上中长期可再生能源发展规划的出台，为风电产业发展 描绘了诱人前景。在华能、国电等五大发电公司的带动下，包括地方的些发 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究j 开发 电公司及海外投资者，纷纷在国内风力资源丰富的地区测风圈场，投资建设风 力发电项目。目前，我国国内风电总装机容量达到2 6 0 万千瓦。仅2 0 0 6 年我 国风能新增装机容量就达1 3 3 万千瓦，相当于过去2 0 年的总和。2 0 0 7 年吊装 数量更是超过3 0 0 万千瓦，累计装机将超过5 5 0 万千瓦。风电产业正面临前所 未有的发展机遇。 虽然我国的风力资源丰富，但是我国在风力发电研究和建设方面相对比较 落后。我国风力发电发展了2 0 多年，仅占全球总装机容量的o 2 。风电的研究 和制造能力与发达国家相比有较大差距，绝大多数风力发电场都是利用国家的 贷款购买国外设备，规模小、成本高。国产风电面临着提高研发设计制造能力、 提高引进设备国产化率、降低成本等三大难题。风力发电设备制造水平，是风 能利用产业化水平高低的重要衡量标准，但我国在这一技术上一直处于落后位 置。目前，国外风电机组已达到兆瓦级，如美国主流1 5 兆瓦，丹麦主流2 0 3 0 兆瓦，4 5 兆瓦的风电机组也已面世。而国内本土化生产的最大风电机组是l 兆 瓦，且在机组总体设计技术上落后于欧美发达国家，甚至落后于印度。在2 0 0 5 年4 9 8 万千瓦的新装机容量中，国内生产的风电机组仅占2 9 7 i 引。 虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年2 0 以上的速度递增，但风 电仍仅占全国电力总装机的o 1 1 ，因此我国的风力发电目前仍处于起步阶段。 为更好地实施国家可持续发展，2 0 0 6 年4 月2 0 日，国家能源领导小组审议可 再生能源中长期发展规划，国家发展改革委与有关部门制定并颁布了一系列促 进可再生能源发展的政策措施。我国风力发电的计划是重点开发6 0 0 k w 及以上 风力发电机组；提高1 0 k w 以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风光 互补、风柴互补和风光柴联合供电系统。我国风力发电的主要目标是；2 0 2 0 年，我国可再生能源开发利用总量将占能源消费总量的1 5 左右，其中风电装 机容量将达到3 0 0 0 万千瓦。以目前的1 2 6 万千瓦计算，未来1 5 年内年均新增 装机容量近2 0 0 万千瓦。该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、 电子、化工、材料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作 用明显，将减少3 0 0 0 多万吨的温室气体及2 0 0 多万吨二氧化硫等污染物的排放， 提供近5 0 万个就业岗位【9 】。可见，有了国家的重视和政策的支持，风力发电必 将有广阔的发展前景。 1 3风力发电技术发展与概况 风力发电利用风能来发电，以风能为动力的发电设备称为风力发电机组。从 能量的转换角度来看，风力发电机组由两大部分组成：一部分是风力机，由它 将风能转化成机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转化成电能。本文的 实验平台不包括风力机部分，用一个直流电动机来模拟风力机的运行。这里仅 4 硕十学位论文 介绍风力机的基本原理。 1 3 1 风力机的基本原理 风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，它用来捕获流动空气所具有 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，而且直接影响机组的安全、稳定、 可靠运行，是风力发电系统关键部件之一。 根据贝兹理论，单位时间内风力机输出捕获的风能为【1 0 】： 圪= b c 姗v 2 卜= 吾q 触3 式中：p 为空气密度，1 2 5 培聊3 ： ( 1 1 ) v 为空气进入风力机扫掠面以前的速度； s 为风力机叶片迎风扫掠的面积： c 。为风力机的风能利用系数，它是叶尖速比五和叶片桨距角的函数。 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的，所以定义风力 机的风能利用系数c 。，根据定义， q = 只圪 ( 1 2 ) 式中：己为单位时间内输入风力机的风能。 它是表征风力机效率的重要参数。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名，即叶片的叶尖线速度与风速之比， 五：丝：譬 ( 1 3 ) 式中：r 为叶片的半径； 织为叶片的旋转角速度： 以，为叶片的转速。 风力机可以分为变桨距和定桨距两种。风力机的特性通常由一簇风能利用系 数c p 的无因次性能曲线来表示。风能利用系数q 是叶尖速比旯和叶片桨距角 的函数，即c p ( 五，矽。当叶片桨距角一定时，q 五曲线如图1 2 所示，这就是 定桨距风力机的性能曲线【1 。 图1 2 中：对于任一角，总有唯一一个五对应着最大风能利用系数q 咪， 此时的旯称之为最佳叶尖速比，用k 表示，此刻风力机的能量转换效率最高。 当叶尖速比五大于或小于时，风能利用系数c p 都会小于最大风能利用系数 e 腿，这样就会降低风力机组的效率。 5 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 图1 2 定桨距风力机的性能曲线 根据贝兹理论，实际的风能利用系数c 。 0 5 9 3 。一般的水平轴风力机， 0 2 c 。 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，高速风 轮实际的c 口一大致在o 4 左右，很难超过o 5 。 在某一固定的风速下，随着风力机转速，l 的变化，风能利用系数c 。的值相应 地会发生变化，从而使风力机输出的机械功率巴变化，也就是说，转速玎变化， 会导致风力机捕获风能的能力有所不同。我们可以取几个不同的风速，从图1 2 中查出叶片不同转速时所对应的风能利用系数，并将该风力机的额定参数代入 式( 1 1 ) 中，即得不同风速下的输出机械功率，风力机的功率转速曲线如图1 3 所示，图中虚线为风力机的最大输出功率曲线【1 2 】。 n f r p m ) 图1 3 风力机的功率转速特性 1 3 2 风力机最大风能捕获原理 在定桨距情况下，同一风速下不同的转速会使风力机输出不同的功率。所以 要追踪曲线，必须在风速变化时及时调整转速q ，以保持最佳叶尖速比， 即最大风能捕获的过程可以理解为风力机的转速调节过程，转速调节的性能决 6 硕十学位论文 定了最大风能追踪的效果。 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1 4 所示： 假设原来风速为h 时，风力机稳定运行在匕曲线的a 点上，此时风力机的输出 功率和发电机的输入机械功率相平衡，都为，风力机将稳定运行在转速璐上。 如果某时刻风速升高至呸，风力机运行至b 点，其输出功率由突变至只，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，此时风力机的机 械功率( b 点) 大于电功率( c 点) ，过剩功率将使转速上升( 产生加速功率只一只) 。 在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着b c 和a 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v 2 的最佳转速哆上。同理也可以分析风速从皑到鸭的逆调节过程 【l3 1 。 丘细) e 忍 足 d 龟吒吩岛a d s ) 图1 4 最佳功率和风轮转速曲线 总之，变速恒频风电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优 化桨距角定浆距运行，由发电机控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比， 从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆 距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机 组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事 故。额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的 运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大 风能。 1 3 3 风力发电技术 现代风力发电系统由风力发电机组、控制装置、监测显示装置等等组成。 风力发电机组由风轮机和发电机组成，实现能量的转换【1 4 】。 风力发电机组中的风轮机按其在空间旋转的位置，可以分为水平轴风机 ( h 州t ) 和立轴风机( v a w t ) 。目前的风力发电中大部分采用了水平轴风机。从运 7 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 行方式上看，风力发电又可以分为三种：一是独立运行方式，二是并网运行方 式，三是联合运行方式。从对风机输出功率的控制上来说，目前的风力发电机 组主要采用两种方式【l5 】：一种是定桨距失速控制，一种是变桨距控制。 目前在国内外的风力发电技术主要有如下几种【l 6 】： ( 1 ) 定桨距失速调节型风电机技术 这种技术的基本原理是利用桨叶翼型本身的失速特性，即风速高于额定风 速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶表面产生涡流，降低效率，达到限 制功率的目的。其优点是：调节简单可靠，控制简单；其缺点是：桨叶、塔架 等主要受力部件的受力大，输出功率随着风速的变化而变化，从风能利用系统 的关系看，难以保证在额定风速之前风能利用系数达到最大，特别是低风速段， 这是丹麦风电技术的主要方式，在世界许多地方仍在使用该技术，特别在容量 几百千瓦的中、小型风力发电机组上面。 ( 2 ) 变桨距调节型风电机技术 变桨距风力发电机组通过变距调节器使风轮机叶片安装角随风速而变化， 以达到控制吸收风能的目的。在额定风速以下时，叶片节距角处于零度附近， 此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风 机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片功角，保证发电机的 输出功率在允许的范围以内。采用变桨距控制一方面可保证获取最大的能量( 与 额定功率对应) ，同时减少了风力对风力机的冲击。在并网过程中，变桨距控制 还可实现快速无冲击并网。 ( 3 ) 主动定桨距调节型风电机技术 这种方法是上述两种方法的结合，国际上大型风力发电机制造商已经在他 们的新产品上采用了该技术。这种方法的主要特点是：桨叶采用定桨距失速调 节型，调节系统采用变桨距调节系统，输出功率在额定功率以下时，调节方式 和变桨距调节方式相同，输出功率在额定功率以上时，调节方式与定桨距调节 方式相同，这种技术的主要优点是输出功率变动小且比较平稳。 ( 4 ) 变速恒频风电机技术 理论上讲这种技术是目前最优化的调节技术。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，但是其输出功率大于额定功率时，即风速大 于额定风速时，其调节方式将与变桨距调节方式相同。该项技术早在上世纪4 0 年代就出现，但是当时受到控制技术及电力电子器件水平的限制没能得到很好 的发展。到了8 0 年代原苏联、日本等国已有兆瓦级的该类发电机投入运行，用 该技术可提高发电系统稳定性，提高系统效率。 通过比较可总结出，定桨距失速控制风力机整机机构简单，部件少，造价 低，并具有比较高的安全系统，利于市场竞争。但是失速型叶片本身结构复杂， 8 硕l ：学位论文 使制造更大机组受到限制。变桨距风力机能使叶片的节距角随风速而变化，从 而使风力机在各种工况下都能按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以 下的工作区段有较大的功率输出，而在额定风速以上的高风速区段不超载。变 桨距控制系统与变速恒频技术相结合，可提高风力发电系统的发电效率和电能 质量。对风电场使用者来说，如何在引进风力机设计制造的基础上加以合理的 使用与调整，保证安全并发挥其最大的经济效益，是值得关注和探讨的问题。 风力发电机变速恒频控制方案一般有六种【l 7 】： ( 1 ) 笼型异步发电机变速恒频风电机组 图1 5 笼型异步发电机变速恒频风电系统 如图1 5 所示，其变速恒频控制策略在定子电路实现，通过定子绕组与电网 之间的变频器把频率变化的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。由于变频 器容量要与发电机的容量相同，使系统的成本、体积和重量显著增加，同时由 于发电机需要从电网吸收滞后的无功功率，因此需要额外的无功补偿装置，并 且它的电压和功率因数控制也很难控制。 ( 2 ) 交流励磁双馈发电机变速恒频风电机组 电网 图1 6 交流励磁变速恒频风电系统 如图1 6 所示，采用的发电机为交流励磁发电机，又称为双馈发电机，其结 构与绕线式异步电机类似，但转子上需要3 个或4 个滑环，馈电方式则和双馈 电机或异步电动机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组则 由一套交一交或交一直一交变频器提供频率、相位、幅值都可调节的电源，实 现恒频输出，还通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的 独立调节，由于变频器只需供给转差功率，大大减少了容量的需求，这是变速 恒频中的优化方案。大型机组通常采用交一交变频器，系统为了得到恒频输出， 先由变频器提供的低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋 转速度国。与转子机械转速鳞相加等于定子磁场的同步转速劬，即筋= 彩。缈， 从而使发电机定子频率保持恒定。当风速变化引起发电机转速彩，变化时，改变 转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速仞。，可使定子旋转磁场璐保持恒定，达 到变速恒频的目的。 9 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 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 由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为额定功 率的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运行 时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽，而定子 输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的 稳定性。这种采用交流励磁发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小 变频器的容量外，还可以实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到 无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。 ( 3 ) 磁场调制型变速恒频风电系统 触发电路 并联桥式 整流 晶闸管开 关电路 图1 7 磁场调制型变速恒频风电系统 如图1 7 所示，系统采用的发电机为磁场调制型发电机，磁场调制型变速恒 频发电机系统由一台专门设计的三相高频交流发电机和一套功率转换电路组 成。发电机本身具有较高的旋转频率，用频率为无的低频交流电励磁，则三相 电枢绕组的输出电压将是由频率为z + 厶和z 一厶的两个分量组成的调制波。将 三个相绕组接到一组并联桥式整流器，然后经过晶闸管开关电路波形的一半反 向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关，频率为无的恒频正弦波输 出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产 生一个所需的低频单相输出。所以磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位 仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合 用于并网运行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网。这样，风力发电 机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单， 运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率 运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速 措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风 力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量 很小，可以得到相当好的正弦输出波形。它的缺点是若想要得到三相输出，则 必须采用三套磁场调制发电机系统，且各套发电机系统间应保持某一合适的相 位差，这就提高了整个系统的成本。磁场调制发电机系统用的高频发电机的转 速较高，而风速一般都较低，故系统需要比较大的增速器，也提高了系统的成 本。另外，因其电力电子变换装置处在主电路中，因而容量要大，同样提高了 成本。 1 0 硕士学位论文 ( 4 ) 无刷双馈发电机变速恒频风电机组 图1 8 无刷双馈发电机变速恒频风电系统 电网 如图1 8 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机，其定子有两套绕组，一个 称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。 其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组 极对数之和。 无刷双馈发电机的转子与风车连接，风车的转速可随风速而变化。当发电 机转速变化时，可通过变频器改变定子控制绕组频率，使发电机功率绕组输出 频率保持不便。尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子 绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分。这种采用无刷双馈发电机 的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、 无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没 有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。另外，无 刷发电机可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调制，使风 力机的运行处于最佳工况，提高机组效率。缺点是需要定制两台电机，增加了 系统的复杂性和成本，实现还是比较困难。 ( 5 ) 永磁发电机变速恒频风电系统 图1 9 永磁发电机变速恒频风电系统 如图1 9 所示，该系统结构与笼型异步发电机变速恒频风电机组类似，只是 转子为永磁式结构。叶轮与发电机直接耦合，提高系统可靠性，虽然该系统发 电机体积大、成本较高，但省去了增速用齿轮箱，整个系统的成本还是有所降 低。同时，风力发电机的设计越来越注重发电侧能量转换效率的提高，采用永 磁发电机或提高发电机输出电压，减少传输线损耗都是有效的方法，例如， l a g e 刑e y a b b 的2 m w 风机输出电压达到3 0 0 0 4 0 0 0 v ，w i n d f o r m e r a b b 的 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 3 m w 风机输出电压达到2 5 0 0 0 v 。 ( 6 ) 开关磁阻发电系统【1 8 】 霞 一 2l 一 一 ，-、 、 图1 1 0 开关磁阻式风力发电系统 如图1 1 0 所示，开关磁阻式风力发电系统以开关磁阻发电机为机电能量转 换核心，开关磁阻发电机为双凸机电机，定子、转子均为凸机齿槽结构，定子、 转子均为凸机齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体， 故机械结构简单、坚固，可靠性高。此外，由于风力机的功率特性有其自身的 特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良 好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载上。开关磁 阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过 控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了控制系统结构，提高了可靠性。 同时，因为发电机相绕间无电磁耦合，容错能力大大增强。 1 4 本文主要研究工作 风力发电系统是一个复杂的系统工程，包括的环节很多，如风速风向检测、 偏航控制、刹车控制、并网控制等，为了突出重点，本论文主要是分析和解决 交流励磁双馈风力发电机的工作原理、数学模型及控制策略。 本文首先简述了国内外风电技术的发展状况，介绍了变速恒频风力发电的 现状及趋势，对交流励磁变速恒频风力发电系统的结构进行了简要的介绍以及 风力发电领域的关键技术进行了较为全面的从仿真到实验、从理论到实践的深 入研究。 接着分析了交流励磁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，建立了交流励磁发电系统的仿真平台，进行了各种运行 工况的系统仿真，可以实现发电机有功功率、无功功率的独立调节，满足最大 风能捕获运行时所需的变速恒频需求。针对其转子能量流动的特点，研究设计 了具有能量双向流动功能的双p w m 变频器，采用电网电压定向控制和基于功率 平衡的负载电流前馈控制策略，并通过m a t l a b 仿真验证了双p w m 变频器具有 输入、输出特性好，谐波少，能量可双向流动的特点，是交流励磁领域的首选 变频器。 1 2 硕士学位论文 最后主要是以d s p 2 8 1 2 作为控制器搭建了实验平台，对实验平台主电路的 计算及其控制板和驱动板做了一个介绍。对系统的软件流程也做了一个介绍， 最后分析了实验结果，验证了控制策略的正确性和可行性。 1 3 变速恒频风力发电机励磁控制系统的研究与开发 第2 章交流励磁双馈风力发电系统的基本理论 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。近几年来，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动在最佳工况，使机 组效率提高。 2 1双馈风力发电机的基本原理 交流励磁发电机的主要结构特点是：定子与一般三相交流电机定子一样， 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的转子结构相似。在正常工 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。因为转子侧通过变频器接入的低频电流起到了励磁作 用，所以成为交流励磁发电机，又因为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以 又称为双馈电机。其原理框图如图2 1 所示。 图2 1 双馈风电机组结构框图 由电机学原理可知，在稳定运行时定转子的旋转磁场在空间必须相对静止 才能产生恒定的平均转矩。即： 告厂：= 厂 ( 2 1 ) 6 0 - ，2 ，l 、7 1 4 硕士学位论文 式中：厂为定子绕组电流频率；厂，为转子绕组电流频率，刀为转子旋转的 转速，p 为电机的极对数。其中当电机运行在亚同步状态时式中符号取“+ 一，当 电机运行在超同步状态时式中符号取“ 。发电机的转速随着风力条件的变化而 变化，利用变频器相应调节输入转子的励磁电流频率，改变转子磁场的旋转速 度，就可以在定子上感应出对应于同步转速的工频电压，整个发电系统就可以 做到变速恒频运行。 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。 采用这种交流励磁变速恒频发电机系统，允许原动机在一定范围内变速运 行