（电力电子与电力传动专业论文）级联式无刷双馈变速恒频风力发电系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ,e n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s i n ga n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb e c o m e s e r i o u sg r a d u a l l y w i n dp o w e r , a sr e n e w a b l e ，n op o l l u t i o ne n e r g y , i sp a i dg r e a t a t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , w i n dp o w e ro fa ce x c i t e dg e n e r a t o r s ( d o u b l y - f e dm a c h i n e ) f o rv 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 ( v s c f ) b e c o m et h e d o m i n a n tp r o d u c t si nt h ew o r l d t h ev s c ft e c h n i q u em a ym a k eg o o du s eo fw i n d e n e r g ya n dm a yi m p r o v et h es t a b i l i t ) ，o fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m b e c a u s eo ft h e s h o r t c o m i n g s o f d o u b l y - f e dm a c h i n e ，d e v e l o p m e n t o fc a s c a d e db r u s h l e s s d o u b l y - f e dm a c h i n e ( c d f m ) s y s t e mi s o n eo ft h ep r o m i s i n gs u b j e c t si nt h e c d f mh a st h ea d v a n t a g eo fd e c o u p l i n gi nm a g n e t i cc i r c u i t sb e t w e e nt h et w o m a c h i n e s ，i tm a yb em u c he a s i e rt ob ed e s i g n e da n dt ob em a n u f a c t u r e d b a s i c a l l y , c d f mw a ss t u d i e da sam o t o ra p p l i c a t i o nf o rt h ep u r p o s eo fs p e e dr e g u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fc d f mw e r ei n t r o d u c e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lu n d e rr o t o rr e f e r e n c ef r a m ew a sd e r i v e d s t a t o rf l u xo r i e n t a t i o n c o n t r o ls t r a t e g yo fc d f mw a ss t u d i e da l s o t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e m f o rc d f mw a sb u i l tw i t hm a t l a b s i m u l i n k a n dt h es y s t e mw a ss i m u l a t e d i n o r d e rt or e s e a r c hw i n dp o w e rg e n e r a t i o ni nl a b o r a t o r y ，af e a s i b i l i t yp l a nt oi m i t a t e t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co fw i n dt u r b i n eb yu s i n gd cm o t o rw a sp r o p o s e d ，t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fc d f ma l s oh a sb e e ne s t a b l i s h e d b yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，i tp r o v i d e dag o o d f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d s ：c a s c a d e d b r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e ，w i n d p o w e r ，v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t - t 隆e q u e n c y , c o n t r o ls y s t e m v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：翰刚乏b 本论文使用授权说明 嗍：啤m 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签师签名： 1 1 日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着国际工业化的进程，全球气温逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工 业化进程的能源、电力所主要依赖的化石燃料在地球上的储藏消耗越来越快， 常规能源资源面临枯竭的危险，现代新能源和可再生能源的发展问题摆在了世 界各国的面前 卜2 】。为了不使地球再遭受破坏，由联合国主持召开的日本东京和 阿根廷布依艾若斯国际环境会议，要求各工业国按照会议达成的协议有计划有 步骤地降低二氧化碳等温室气体的排放量。这也是一个全球可持续发展的战略 问题。在这样的背景下，各工业国对清洁能源，尤其是对风能利用倾注了很大 的热情，促使了近2 0 年来风力发电技术的显著发展与进步。 风电具有明显的环境效益，主要表现在它不消耗水资源和不排放任何有害 气体 3 。5 】。这些有害气体可引起人的各种疾病，并产生酸雨、温室效应等毁灭性 灾害。如果按照以每k w h 消耗3 8 0 9 标准燃煤为例，评估装机容量1 0 万千瓦， 年发电量2 3 亿k w h 的风电场环境效益来看，每年可以节约大约标准煤8 7 4 万 吨，大约相当于原煤1 8 万吨，可减排烟尘1 1 5 0 吨、灰渣2 7 6 万吨、二氧化碳 2 6 5 万吨、氮氧化物1 0 3 5 吨、二氧化硫1 4 0 3 吨。如果每k w h 风电可以避免的 污染成本量为0 8 1 元，则上述1 0 万千瓦风电场的环境效益估计每年约4 0 0 0 万 元。如把减排的环境生态效益折合成经济效益，发展风电的前景将更加可观。 1 2 国内外风力发电的发展现状 1 2 1 世界风力发电的现状与趋势 首先，从世界风电装机容量上来看【6 _ 7 1 。由于风力发电在可再生能源中技术 相对成熟、成本相对较低，因此受到各国的普遍重视，装机容量快速增长。从 1 9 9 6 年起，全球累计风电装机连续1 2 年增速超过2 0 ，平均增速达到2 8 3 3 。 根据全球风能理事会( g w e c ) 公布的最新数据，2 0 0 7 年全球新增风电装机容量 上海大学硕士学位论文 为2 0 0 7 3 m w ，增长3 2 1 。美1 雪( 5 2 4 4 m w ) 、西班牙( 3 5 2 2 m w ) 及中国( 3 4 4 9 m w ) 位居前三名，2 0 0 7 年全球累计风电装机容量为9 4 11 2 m w ，增长2 6 8 ，超出 g w e c 之前预估的2 2 6 ，预计到2 0 2 0 年全球风力发电能力将达到4 0 0 g w 。 以地区别来看，欧洲仍是风电最普及的区域，0 7 年占比仍高达6 1 。但是，亚 洲及美国则是未来三年风电市场增长动能的主要来源。另外，北非及中东地区 的风电新增装置容量也迅速增长。 其次，从世界各国对发展风力发电的政策上来看8 。9 】。为促进风力发电的发 展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括：投资补贴、 低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金 用于发展风电、减排c 0 2 奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶 持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业；美国通过金融支持，由联邦和 州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业；印度通过鼓励外来投资和加强对外 合作交流发展风力发电；日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠 政策促进了各国风力发电的快速发展。 最后，从风力发电技术上来看u o - l l 】。经过不断发展，世界风力发电机组的 逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入2 l 世纪后，随 着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展，世界风力发电技术得 到了飞速发展，主要体现在： ( 1 ) 单机容量不断上升。单机容量为5 m w 的风机已经进入商业化运行阶 段。 ( 2 ) 变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式。采用变桨距调节 方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速发电功率将下降的缺点。德国2 0 0 6 年安装的风机中9 5 3 采用的是变桨距调节方式。 ( 3 ) 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。变速恒频方式可通过调节机组 转速追踪最大风能，提高了风力机的运行效率。德国2 0 0 6 年所安装的风机中 9 4 5 采用的是变速恒频方式。 ( 4 ) 无齿轮箱系统的直驱方式增多。去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计 和制造成本，但有效地提高了发电系统的效率和可靠性。德国2 0 0 6 年所安装的 2 上海大学硕士学位论文 风机中5 0 7 采用的是无齿轮箱直驱方式。 随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界风力发电发展迅速，展现出 了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势如下【1 2 “】： ( 1 ) 海上风电将悄然兴起。海上风资源比陆地更丰富，风速更高更平稳， 空气密度也比较高，发电量比陆地高出2 0 4 0 。因此，风力发电强国都在悄然 向海上发展。 ( 2 ) 风力发电机组单机容量继续增大，更具经济性。经过2 0 多年的发展， 世界风电商业化机组的单机容量已从2 5 k w 左右增加到15 0 0 k w 至2 5 0 0 k w 的 水平。实验机组的单机容量更大，2 0 0 5 年德国已研制出适用于海上风电场的 5 m w 机组。 ( 3 ) 新方案和新技术将不断被采用。在功率调节方式上，变速恒频技术和 变桨距调节技术将得到更多的应用；在发电机类型上，控制灵活的无刷双馈型 异步发电机和设计简单的永磁发电机将成为风力发电的新宠；在励磁电源上， 随着电力电子技术的发展，新型变换器不断出现，变换器性能得到不断的改善； 在控制技术上，计算机分布式控制技术和新的控制理论将进一步得到应用；在 驱动方式上，免齿轮箱的直接驱动技术将更加吸引人们的注意。 ( 4 ) 风力发电机组将更加个性化。适合特定市场和风况的风力机将被更多 地推出，目前，德国的r e p o w e r 等公司已经推出了这方面的产品。 ( 5 ) 从事风力发电的队伍将近一步增大。随着对风力发电诱人前景的深入 认识和更多优惠政策的出台，更多的新成员将加入风力发电产业。例如2 0 0 2 年 初刚涉足风能业务的g e 风能公司和英国的f k i 公司。 1 2 2 国内风力发电的现状与趋势 1 5 - i s l 我国的风力资源十分丰富。中国综合资源利用协会可再生能源专业委员会 与美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 合作，在联合国环境规划署( u n e p ) 的支持 与资助下，对我国部分地区的风力资源进行了详细测算。根据该测算结果推测， 我国陆地可以安装1 4 亿千瓦的风力发电装备，如果考虑海上，总资源量将达到 2 0 亿千瓦以上。 3 上海大学硕士学位论文 我国的风电发展大体可分为三个阶段。 第一阶段：1 9 8 6 1 9 9 0 年是我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是 项目规模小，单机容量小。在此期间共建立了4 个风电场，安装风电机组3 2 台， 最大单机容量为2 0 0 k w ，总装机容量为4 2 1 5 万千瓦。平均年新增装机容量仅 为0 8 4 3 万千瓦。 第二阶段：1 9 9 1 1 9 9 5 年为示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建立了5 个风电场，安装风电机组1 3 1 台，装机容量为3 3 2 8 5 万千瓦，平均年新增装机 容量为6 0 9 7 万千瓦，最大单机容量为5 0 0 k w 。 第三阶段：1 9 9 6 年后为扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量 较大，发展速度较快，平均年新增装机容量为6 0 1 3 万千瓦，最大单机容量为 1 5 0 0 k w 。 截至到2 0 0 6 年底，我国大陆共建成风电场9 1 个，安装风电机组3 3 1 1 台， 总装机容量为2 5 9 6 m w ，排在世界第5 位，亚洲第2 位。这在一定程度上表明 我国作为一个风力资源丰富的国家，风能的开发利用水平并不高。 风电设备制造行业是一个进入壁垒较高的行业。所以行业集中度非常高， 全球十大风电设备商累计占全球市场9 6 的份额。仅4 家最大风力发电机组设 备制造商就掌控了全球市场7 5 的份额。 国内市场的风力发电机组产品供应商也主要以国际厂商为主，2 0 0 4 年、2 0 0 5 和2 0 0 6 年，国际厂商产品占国内市场份额的比例分别为7 5 3 5 、7 0 5 9 、 5 8 8 0 。 根据国家发展改革委员会关于风电建设管理有关要求的通知，风电设备 国产化率要达到7 0 以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。因 此，国际风机产业巨头纷纷在中国设立总装厂、配件工厂或是研发中心。随着 未来国内厂商对外方技术的吸收，以及风机制造经验的增加、相关政策的实施、 行业标准的制定，可以预期我国风电产业大环境将得到较大改善，技术研发实 力将得到提高，技术工人将增加，与国际先进技术的差距将缩小。 在未来很长一段时期内，我国对风力发电设备的需求将持续保持强劲增长 态势。自2 0 0 3 年以来，我国风电装机容量增长迅速，2 0 0 4 2 0 0 7 年每年新增装 4 上海大学硕士学位论文 机容量增速均超过1 0 0 。根据国家原风电发展规划，我国风电的总装机容量将 增长到2 0 1 0 年的5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年的3 0 0 0 万千瓦。再根据丹麦著名风电咨 询机构b t m 国际风能发展全球市场动向2 0 0 6 ) ) 预测，2 0 1 1 年中国风电 装机总量将可能达到1 7 4 0 万千瓦。 随着国家产业政策的大力扶持，以及能源短缺和环境保护压力的持续增大， 风力发电技术的逐步成熟和成本的降低，风电行业将保持持续增长态势。 1 3 风力发电技术的研究现状 在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术大体上可分为恒速恒频 ( c s c f ) 和变速恒频( v s c f ) 两大类1 9 - 2 2 。 恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，不论风速如何变化，系统通 过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率的恒定。这样，叶尖 速比不可能总保持在最佳值，也就不能实现最大风能捕获，风能转换效率也就 不高。除此之外，恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统，当风速发生突变时， 巨大的风能还将通过叶片在风力机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机 械应力，增加了这些部件的疲劳损坏程度，缩短了使用寿命。 变速恒频是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型发电方式，它将电力电 子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中，获得了 一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机叶轮跟随风速的变化改变其旋转 速度，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大。 相对于恒速运行方式，变速运行具有如下优点： ( 1 ) 风能转换效率高。与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提 高2 0 以上。 ( 2 ) 机电动力系统间的刚性连接变为柔性连接。当风速跃升时，能吸收阵风 能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减 少机械应力和转动脉动，延长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮的 能量便释放出来变为电能送给电网。 ( 3 ) 通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的 上海大学硕士学位论文 独立调节。 ( 4 ) 交流励磁方式的变速恒频系统中电力电子装置容量相对较小，降低了系 统设备成本。 ( 5 ) 可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求， 在低风速时，桨距角固定，高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。 因此，变速恒频风力发电机技术是目前国内外风力发电机技术的最优化方 案。到目前为止，风力发电专家和研究机构提出了多种变速恒频风力发电的方 案。下面对几种常见方案做一个简单的介绍。 ( 1 ) 采用变频器的异步发电机变速恒频系统 方法：利用变频器将笼型异步发电机发出的变化频率的交流电，变为固定频率。 优点：鼠笼型异步电机成本低，无滑环，便于维护。 缺点：采用鼠笼型异步电机需要滞后的无功励磁电流，在单机运行时难以实现 白激，电压和功率因数调节比较困难；所需变频器容量大，成本高。 ( 2 ) 采用变频器的直驱式同步发电机变速恒频系统 方法：将上述笼型异步电机换为同步电机，也是利用变频器得到恒频输出电流。 优点：省去齿轮箱，大大减小系统运行噪声，提高可靠性。 缺点：发电机转速低，使发电机体积较大，同时对发电机输出的全部功率进行 频率转换，所需变频器容量大，成本较高。 ( 3 ) 采用双馈发电机的变速恒频系统 方法：双馈电机的定子绕组直接接入工频电网，转子绕组通过变频器供以低频 励磁电流。通过对发电机转差频率的控制，可以实现发电机的变速恒频 发电。 优点：变频器容量仅为转差功率，通常为1 3 1 2 的额定功率，还可实现有功、 无功功率的独立控制，对于电网而言可起到无功补偿作用。 缺点：电机采用电刷和滑环实现转子电路和外电路的连接，由于滑动接触和电 刷磨损，不仅降低了运行的可靠性，而且需要定期维护，特别是在易燃 易爆的应用场合不能使用。 ( 4 ) 磁场调制式变速恒频系统 6 上海大学硕士学位论文 方法：由一台专门设计的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z ，用频率为厶( 一般为5 0 h z ) 的低频交流电励 磁。当频率厶远低于频率z 时，发电机三相绕组的输出电压波形将是由 频率为( ，+ 厶) 和( f l ) 的两个分量组成的调幅波，将三相绕组接到 一组并联桥式整流器得到基本频率为厶的全波整流正弦波，再通过晶闸 管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，最后经滤波器滤去纹波，即 得到与发电机转速无关、频率为：，l 的恒频正弦波输出。 优点：控制电路中器件换向简单，输出波形谐波分量小，输出频率仅取决于励 磁电流频率，并网运行时，可直接由电网励磁，简单可靠，可极大地简 化风机调速机构。 缺点：电力电子变换装置所需容量较大，适合于中小型风电系统，发电机须经 特殊设计。 1 4 论文的选题意义及主要研究内容 近年来，国内外比较关注的风力发电方案是交流励磁变速恒频风力发电系 统。这种系统通常使用绕线式异步电机作为发电机，是目前m w 级风力发电机 的主导机型。但由于其结构上存在电刷和滑环，需维护和检修，可靠性不高， 需要研究无刷的双馈电机作为新型变速恒频风电机组。 在无刷结构的双馈电机中，有2 种不同的方案：定子2 套绕组( 1 套为功率 绕组，另1 套为控制绕组) 的单机结构 2 3 - 2 4 1 ；绕线式异步电机的双机级联结构 2 5 1 。前一种方案的优点在于单机结构，但是缺点也是明显的，其主要问题是定 子上多放一套绕组因而降低了电机的功率密度，与同容量的传统电机相比体积 增大；其次是由于采用磁场调制机理，电机气隙中除了所希望的谐波外，还有 一些所不希望的谐波分量，从而增加了电机的附加损耗，降低了电机的效率； 总的看来，对单机形式的无刷双馈电机的研究尚处于应用基础研究阶段，更未 普遍推广应用，尚有许多研究工作要做，至今也尚未见有高性能商品机种的报 7 上海大学硕士学位论文 道。第二种方案的缺点在于双机结构，但可以在商品机型的基础上对2 台电机 分别进行优化设计；相对于单机双馈，该方案降低了电机的旋转速度，从而有 可能取消齿轮箱，实现风力机对发电机的直接驱动，整套电机机组的机械轴细 而长，转动惯量变小，动态响应大幅度提高；另一个优势是功率因数很高甚至 可以达到1 ( 超前、滞后可连续调节) ，具有两个独立的电磁系统，谐波滤过能 力强，对供电电网污染小，有利于净化电网；同时，这也是充分利用国内成熟 技术优势，结合中国特色的电力电子技术和机电一体化技术，从整体优化角度 考虑，可用于实际工业应用的一种方案。 本课题结合上海市科委重点项目“m w 级风力发电机组控制系统关键技术 研究 ( 0 6 1 6 1 2 0 4 0 ) 对c d f m 的模型及其控制系统进行了研究，研究工作主要 包括： ( 1 ) 阐述了级联式无刷双馈电机的发展历程、结构和工作原理，进行了级 联式无刷双馈发电机三相静止坐标系数学模型和两相旋转坐标系数学模型的研 究，并在此基础上提出了适用于级联式无刷双馈发电机的矢量控制策略。 ( 2 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件的s 函数构建了级联式无刷双馈电机的 数学模型，并对其特性进行了仿真研究，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件构建 了级联式无刷双馈风力发电机控制系统的仿真模型，并对其特性进行了仿真。 为开发实用的级联式无刷双馈风力发电系统奠定了基础。 ( 3 ) 为了能在实验室条件下对风力发电技术进行实验研究，提出了采用直 流电机模拟风力机工作特性的可行性方案。分析了风力机工作特性及其最佳风 能利用原理，采用了直流电机转矩控制方案实现风力机特性的模拟，建立了由 工控机、信号采集卡和电力回馈加载控制器构成的风力机模拟硬件平台，利用 c + + b u i l d e r 开发了风力机模拟控制软件，在此基础上形成了完整的风力机特性 模拟系统。 ( 4 ) 级联式无刷双馈风力发电机及其控制系统的实验样机装置研究。构建 了基于d s p 控制器的级联式无刷双馈发电机的励磁控制系统，初步完成了变流 器主电路、驱动电路、保护电路与检测电路的硬件设计以及基于定子磁链定向 矢量控制的级联式无刷双馈发电机变速恒频控制软件编写。 上海大学硕士学位论文 第二章级联式无刷双馈电机理论研究 2 1 级联式无刷双馈电机结构特点 级联式无刷双馈电机( c a s c a d e db r u s h l e s sd o u b l y - f e dm a c h i n e 简称c d f m ) 是将两台绕线式异步电机同轴串级连接【2 6 】。这种调速方法首先在1 8 9 3 年由美国 的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 提出，其早期的结构是两台电机的转子绕组相互 连接，第一台电机的定子绕组接至工频电网，第二台电机的定子绕组通过外接 电阻短接，这样就省去了滑环，通过改变外接电阻的大小改变电机的转速。这 种级联系统从第一台电机的定子输入电功率，通过转子传递给第二台电机的原 边( 即第二台电机的转子绕组) ，然后在第二台电机副边( 即第二台电机的定子绕 组) 所接的外接电阻上消耗掉。 随着电力电子技术的发展，变频调速已被较多的采用。第二台电机的外接 变阻器被变频器所替代，通过变频器改变第二台电机副边的电流频率进行调速。 这样既可实现频率的调节，又可实现能量的传递，提高了系统的效率。这就是 级联式无刷双馈电机的变频调速。 图2 1 级联式无刷双馈电机的结构 图2 1 为一台级联式无刷双馈电机的基本结构示意，它可看作是两台绕线 式异步电机级联的系统。为区别起见，两台电机分别称为功率电机( 极对数p p ) 、 9 上海大学硕士学位论文 控制电机( 极对数凡) 。两电机的转子绕组反相序联接，转子轴机械相联。两套 定子绕组，一套直接接工频三相电源馈电，称为功率绕组；另一套接至变频器， 称为控制绕组。此种结构省去了电刷和滑环，增加了系统的可靠性。而且同样 可以减小变频器的容量，因此这种电机结构具有在双馈变速恒频风力发电系统 中取代有刷绕线式异步电机的潜力，有着广阔的应用前景 2 7 】。 2 2 级联式无刷双馈电机变速恒频发电原理 级联式无刷双馈发电机之所以能够实现变速恒频发电，在于其励磁电流能 根据转速的变化而变化，保持旋转磁场与功率电机定子磁场的相对转速恒定。 下面对发电机的工作原理进行具体分析【2 8 。3 0 1 。图2 2 给出了各电机绕组通以对 称三相交流电后，各套绕组形成的旋转磁场方向及大小，同时也表示出了转轴 旋转的方向。假定功率电机定、转子绕组形成的磁场旋转方向为逆时针方向， 由于转子绕组反相序联接，控制电机的转子电流相序恰好与功率电机的转子电 流方向相反，为顺时针方向，那么，由它所感生的定子控制绕组磁场旋转方向 也为顺时针方向。 ：盟 p c l 以 冬、 ，7 7 e 、 图2 2 级联式无刷双馈电机内部磁场关系及坐标系的选择 1 0 6 一 一 ， 、础如砂石 + | l 。一君坐 上海大学硕士学位论文 由于电机的转子绕组形成的磁场方向相反，由电机内部磁场相互作用关系及 稳态运行条件可得： 6 0 g 一：6 0 f p , n ( 2 1 ) 一一= 一 i ：z il p pp p 盟一刀：盟 p cp c l ，r = l ， ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，、丘分别为定子功率绕组和控制绕组供电频率；厶、厶分别为功率绕 组和控制绕组内感应电势的频率；力为转子旋转速度。 联立( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式，可求得电机转速： 以寻6 0 ( f p - f c ) ( 2 4 ) 以寻一 1 2 4 p p 十p c 可见，当电机作发电机运行时，在不同机械转速n 下，通过调节控制绕组 的供电频率z ，可保证定子功率绕组输出恒定工频的交流电能，即实现了交流 励磁变速恒频发电。 2 3 级联式无刷双馈电机数学模型 2 3 1 基本坐标变换关系 要分析和求解a b c 三相坐标下的级联式无刷双馈发电机数学模型是十分 困难的。这个数学模型之所以复杂，关键是有一个复杂的电感矩阵，也就是说 影响磁链和受磁链影响的因素比较多。因此，必须从简化磁链关系着手，从而 简化数学模型【3 1 1 。 下面先介绍几种基本的坐标变换关系： 1 三相一两相变换( 3 s 2 s 变换) 由三相静止坐标系a b c 到两相静止坐标系口一的变换简称3 2 变换。图 2 3 中绘出了a b c 和口一两个坐标系，为方便起见，选择a 轴与口轴重合。 上海大学硕上学位论文 设三相绕组每相有效匝数为3 ，两相绕组每相有效匝数为2 ，各相磁动势为 有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。在保持磁动势 相同并保持功率不变的约束条件下，可求得两个坐标系之间的关系为： 图2 3 三相、两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 如果要从两相坐标系变换到三相坐标系( 2 3 变换) ，可利用增广矩阵的方法把 g ，：扩成方阵，求其逆矩阵后，再除去增加的一列，则有 1 2 上海大学硕士学位论文 q 萨吲：= 信| - 去孚 r - 。o u 1 一鱼 ( 2 7 ) 按照所采用的条件，电压变换阵、磁链变换阵与电流变换阵相同。 2 两相一两相旋转变换( 2 s 2 r 变换) 由两相静止坐标系口一到两相旋转坐标系m 一丁的变换简称2 s 2 r 变换。 其中，s 表示静止，r 表示旋转。把两个坐标系画在一起，即得图2 4 。图中，m 轴、丁轴和矢量c ( f ，) 都以转速缈。旋转，分量0 、的长短不变，相当于m 、j r t 绕组的直流磁动势。但口轴和轴是静止的，口轴与m 轴的夹角缈随时间而变 化，因此在口轴和轴上的分量屯、i p 的长短也随时间变化，相当于口、绕 组交流磁动势的瞬时值。由图可见，i 口、i 口和0 、i r 之间存在以下关系 图2 4 两相静止和旋转坐标系与磁动势( 电流) 空间矢量 一c o s s l n 缈9 j f l f i m r1 j = c ：，知 c 2 8 ， 矿伊 ? ；| l = 1 j 口 ， 。l 上海大学硕上学位论文 式中 g ，：，= s c ；o n s 矽q ，- s s i n 缈妒 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵。 对式( 2 8 ) 两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得 盼留捌一州咄c o s z q ，c 却o s9 j 嘲l i p 则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是 = _ c o s 唧9 唧s i n q 电压与磁链的旋转变换阵也与电流旋转变换阵相同。 3 直角坐标一极坐标变换( 舯变换) 在图2 4 中令矢量和m 轴的夹角为见，已知k 、i r 求和以， 坐标极坐标变换，简称k p 变换。其变换式应为 = 毛+ 孑 幺= a r c t a n 善 2 3 2 坐标轴系的选择及坐标变换关系 由于级联式无刷双馈发电机的能量主要通过转子绕组来传递，所以建立该 电机数学模型的关键是：在转子绕组基础上建立一个合适的坐标系统，并找出 这个系统下所有定、转子电量之间的关系【3 2 羽】。 设c o 一功。分别为功率电机定予绕组和控制电机定子绕组电量的电角频率； q ，为转子轴的机械角频率；缈，为两转子绕组电量的电角频率。如图2 2 所示， 由于三相转子绕组空间布置的对称性及绕组中电量时间上的对称性，两个转子 绕组各自形成相对于转子本体旋转的圆形磁场，且由于其反相序的连接关系， 两个转子磁场的旋转方向相反。 在对级联式无刷双馈发电机这个整体进行分析时，必须要把电机内所有的 1 4 叻 d 角 ， ， 亿 叫 艏 叫 勃 上海大学硕士学位论文 电量都折算到同一直角坐标系统才能找到确切的解耦后的电量关系【3 4 1 。因此， 如何寻找这样一个直角坐标系统是问题的关键。 两个电机的转子绕组，可以按下列原则为其选择两相坐标系统：逆时针方 向旋转的转子三相系统对应的两相坐标系，取d 轴方向为其综合矢量方向，而 q 轴在旋转方向上超前d 轴9 0 0 ，坐标系的旋转速度为任意速彩。又因两转子绕 组均随转子以q ，的机械速度旋转，所以取c o = f 2 ，那么在转子速d q o 坐标轴系 中的转子电压、磁链方程中将不出现旋转电势项，从而简化数学模型。根据定、 转子磁场间的相互作用关系，该坐标系与两个定子轴系间的相对速度分别为 缈p = p ，q ， ( 2 1 4 ) 国。= p 。q ，( 2 1 5 ) 据此，可以得到各绕组三相量向d q o 坐标系转换的矩阵： 功率电机转子侧 功率电机定子侧 乙( p ，q ，t ) = 控制电机转子侧 ：! 乡= - 雪万)c o s ( + 亏万) ， 1一 一s i n ( o p r 一亏万) 一s i n ( o p , + 亏万) 压后 ( = o ) ( 2 1 6 ) c o s p p q ，r c o s ( p p q ，r 一詈万) c o s ( p p q ，r + 詈万) 一s i n p p q ，f s i n ( p p q ，r 一詈万) 一s i n ( p p q ，r + 詈万) 后压压 ( 2 1 7 ) 上海大学硕士学位论文 控制电机定子侧 酬铊) 一s i n ( o 。一；万) 后 州钐+ 争 c o s ( p c 叩一扣 “n ( p c q ，卜雪万) 压 2 3 3 转子绕组问的电量关系 ( 铊= 0 )( 2 1 8 ) c 。s ( p c q r t + 昙万) j “n ( p c 蛳+ 扣 店 ( 2 1 9 ) 由图2 2 可以看出，在级联式无刷双馈电机三相系统中，转子绕组中电压、 电流量关系为 l “2 “ u p 撕= “。 ( 2 2 0 ) 【”2 “c b r f i 矽= 一o o = 一o ( 2 2 1 ) 【o p e r2 叫c b r 通过3 s 2 r 变换，可得两相旋转坐标系下转子间的电压、电流关系为 _ 矿：， ( 2 2 2 ) p e q r5 一“阿 擘2 ， ( 2 2 3 ) 【2 凹，刮阿 2 3 4 电机的电感矩阵 由于电机定、转子绕组的自感矩阵与定、转子间相对位置无关，均为常数； 1 6 万 2 3 ”后 n一 上海大学硕士学位论文 而定、转子间互感则与定、转子相对位置有关，需要在d q o 坐标系下加以定义。 ( 1 ) 级联式无刷双馈电机定、转子自感矩阵 功率电机定子自感矩阵为： 三芦= l m + l p b 一丢 2 ” 一丢 2 p ” 功率电机转子自感矩阵为： = l p 。+ l p l r 一! 胪2 p h h 一! 2 p t w 一乒胛 l p m + l p l , 一j 1 三胛 一妥l 。 2 p ” l r 七l p i r 一丢三 2 p ” 一昙三，舢 2 即“ 一要胛 2 p ” l 。七l 吨 一! 上m 2 p m 一三三胪2 p i h 朋r + l p l r ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 其中，三胛为功率电机定子绕组对应于主磁路的主电感；l 肚为功率电机定 子绕组每相漏电感；l 删，为功率电机转子绕组对应于主磁路的主电感；三砂为 功率电机转子绕组每相漏电感。 控制电机定子自感矩阵为： k = l 艄七l c b 1 ， 一i l z 1 ， 一i 控制电机转子自感矩阵为： l = 三。，+ 三曲 1 ， 一i l 洲 二 1 ， 一j 三c m r 1 ， 一i l 一 二 l 瓢s + l c b 1 ， 一i l 。 z 1 ， 一j k ， l ，。，+ l c 1 ， 一i l 洲 1 ， 一i l 伽 二 1 ， 一i 厶洲 l 。s 七l c b 1 ， 一i l z 1 ， 一i l 二 l ，。r + l c r ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其中，伽为控制电机定子绕组对应于主磁路的主电感；k 为控制电机定 子绕组每相漏电感；k 为控制电机转子绕组对应于主磁路的主电感；如为控 制电机转子绕组每相漏电感。 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 级联式无刷双馈电机定、转子间互感矩阵 1 功率电机定子a b c 与转子a b c 三相间为依次滞后的相位关系，转子旋 转速度及旋转方向使定、转子同名相间又滞后= p p q ，t 电角度。 功率电机定、转子间互感矩阵为： l 叫r c o s c o s ( + 詈刀) = ，r | c o s ( 一了2 万) c 。s 州一争 州+ 扣 c o s ( a 口r + 雪万) c o s ( 一亏万) c o s s ( 2 2 8 ) 其中，j 芦，为功率绕组与相应转子绕组间的最大互感，定义三刖= 吾，矽为功 率电机激磁电感。 2 控制电机定子a b c 与转予a b c 三相间也是为依次滞后的相位关系， 转子旋转速度及旋转方向使定、转子同名相间又滞后巳= p 。q ，t 电角度。 控制电机定、转子间互感矩阵为： l 。r叱仁万， c o s ( 铊一争 c o s e 7 酬铭+ 扣 酬巳一争 ， c o s ( 以一万) e x , s ( e 。r + 万)c o s 以 ( 2 2 9 ) 其中，。为控制绕组与相应转子绕组间的最大互感，定义k = 三。为控制 电机激磁电感。 2 3 5 电机的数学模型 根据选定的坐标系统，变换矩阵将功率电机与控制电机的定转子电量通过坐 标变换转换到转子机械速坐标系下，就可以得蛰j d q o 坐标系中功率电机与控制电 机的电压、磁链方程。 ( 1 ) 功率电机的电压、磁链方程 上海大学硕上学位论文 电磁转矩为： u 口d s = r 0 油一p p 翠邛+ 锻妇| d t “即2 o 也q r + 出 ( 2 3 0 ) u 曲一- - r , p r p d r1 a _ a l i j 曲江t 、j h 呻r = r d r i 畸r + 拙呻r d t 飞妇= l 0 啼+ l p 曲 飞雄= l 毒邵l 0 珂 吨d r = l ，d s 七l p j d r r = l p 唧+ lp r i _ f t c p = 去p p l p m j 咐乒p d r i 咐0 气 ( 2 ) 控制电机的电压、磁链方程 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) m 豳= r c s i 妇一p c f 2 鼍雒+ 删醯 d t “印2 名寥+ 见q ，气+ 出( 2 3 3 ) u c d r = 名o + d d t 、。 u q r = o i 呻r + 羽q r d t 飞溅= l 豳七l 0 衙 q j = 饥 ( 2 3 4 ) 曲一= t i 幽+ + l 乞c m i o c q 7 r 7 r = k k + o 电磁转矩为： 气 乙= 詈见k ( o 一么o ) ( 2 3 5 ) 厶 将两台电机的磁链方程代入各自电压方程，再运用式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 3 ) 中电压、 电流的关系，对式( 2 3 0 ) 、式( 2 3 1 ) 、式( 2 3 3 ) 、式( 2 3 4 ) 进行简化，可以推导出级 联式无刷双馈电机以电流为状态变量的整体数学模型。 ( 3 ) 电机的整体数学模型 1 9 上海大学硕士学位论文 “硒2 一p p 2 r ( o + k f 即) + 云( o + k ) + o “即5p p q r ( o + ) + 云( 刖o + o ) + o 一见g k 。+ 乞卜鼋卜k 。+ 瓦么卜k ( 2 3 6 ) “掣2 仗q ，( 一k o + k 么) + 云( k o + 乞) + 名o o = ( o + 名) o + 一k 么+ ( o + 乞) k 】 o = ( o + r c r ) i p q r + 云 胛胛+ k + ( o + l ) o 总的电磁转矩万程和运动方程 乙= 乙+ 乇= 三 p p 朋( i p q s i r a r - i t 睹i m , ) 一p 。( i 。q , i e a r + i c a s i m r ) 】( 2 3 7 ) ，譬：乙一乃 ( 2 3 8 ) d t h 、 本节方程式中的符号意义表示如下：u 一电压；f 一电流；p 一极对数；r - - 电阻；一电感；一磁链；q ，一转子机械角频率；，一电机系统转动惯量；乙 一电磁转矩；乃一负载转矩。下标的符号意义表示为：s 一定子；，一转子；p 一 功率电机；g 一控制电机；d _ d 轴；g _ q 轴；小一定、转子同轴互感。 2 4 本章小结 本章阐述了级联式无刷双馈电机的发展历程、结构特点和变速恒频发电的 工作原理，并从坐标变换和交流电机的基本理论入手，推导了发电机基于转子 机械速d q o 坐标系下的数学模型。级联式无刷双馈电机是整个风力发电系统中 重要的一环，因此正确建立发电机的数学模型在理论研究和仿真中起着举足轻 重的作用。 上海大学硕士学位论文 第三章级联式无刷双馈电机控制策略研究 3 1 级联式无刷双馈电机定子同步速坐标系数学模型 在异步电机调速中，最常用也最成熟的控制技术是矢量控制 3 5 。3 7 1 。通过矢 量变换，将电机三相交流量变为两相直流量，以利于控制。矢量控制思路用于 电动机调速时，把定子三相交流电分解成励磁电流和转矩电流两个垂直