（电机与电器专业论文）变速恒频双馈风力发电系统双pwm变换器控制.pdfVIP

a b s t r a c t t 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 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 di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha s r u n n i n gi nab i g g e rw o r k i n gw i n ds p e e d ，h i g he f f i c i e n c yo fw i n de n e r g ye x t r a c t i o n ， s m a l l e rr a t i n go f t h ee x c i t a t i o nc o n v e r t e r , l o wc o s t ，a n ds oo n ，h a sb e e na p p l i e dw i d e l y i nt h i sk i n do fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ec o n t r o la n dd e s i g no ft h e a c - e x c i t e dp o w e rs u p p l yi so fg r e a ti m p o r t a n c e t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ec o n t r o lo f d u a lp w mc o n v e r t e rf o rt h ev s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t hd f i g b a s eo nt h eg r i dc o n v e r t e rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fp r o p o r t i o n a l r e s o n a n t ( p r ) c o n t r o l l e r , an o v e lc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi sc a l l e dp rc o n t r o l ，i s p r o p o s e d t h i st e c h n i q u em a k e sf u l lu s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fp rc o n t r o l l e r i n r e a l i z i n gz e r os t e a d y - s t a t ee r r o ri na ci n p u ts i g n a li ns t a t i o n a r yf r a m ea n da d v a n t a g e i nl o w o r d e rh a r m o n i cc o m p e n s a t i o n c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld o u b l ec l o s e - l o o p p ic o n t r o l ，t h ep rt e c h n i q u er e q u i r e sn e i t h e rc o m p l e xr o t a t i n gf r a m et r a n s f o r m a t i o n n o rd e c o u p l i n go rv o l t a g ef e e d b a c ki n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r ea n dc i r c u i tp a r a m e t e r t h u s ，t h ec o m p l e x i t yo fc o n t r o la l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o ni sr e d u c e d ，i nt h es a m e t i m er o b u s t n e s sa n dp o w e rq u a l i t yi si m p r o v e d f o rr o t o r - s i d ec o n v e r t e rc o n t r o l ， a d a p t i v ep rc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ed r a w b a c ko fc o n v e n t i o n a l s t a t o rf i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lb a s e do np ic o n t r o l l e r , w h i c hi sc o n t r o l p e r f o r m a n c e i n f l u e n c e db ym o t o rp a r a m e t e r se a s i l y t h e n ，a1 5 m ww i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mo na d a p t i v ep rc o n t r o li ss t u d i e db ys i m u l a t i o n b e s i d e s ，c o o r d i n a t e dc o n t r o lo fd u a lp w mc o n v e r t e ri ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c o m b i n e dc o n t r o ls c h e m e l o a dc u r r e n tf e e d - f o r w a r dc o n t r o li sp r o p o s e dt or e d u c e d c b u sv o l m g ef l u c t u a t i o nc a u s e db yr o t o r - s i d ep o w e rc h a n g e sf r e q u e n t l y s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a to nt h ec o m b i n e dc o n t r o ls c h e m e ，t h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o rc a p a c i t y c a nb er e d u c e dt oe n h a n c et h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：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 , w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ， d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r , d u a lp w mc o n v e r t e r , p r c o n t r o l l e r 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得鑫盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：了承成 签字日期： 2 0 0g 年岁月2 p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：7 吞、武 导师签名：素彳乇 签字日期：z d o g 年芗月三。日 签字日期：碲，月帕e t 第一章绪论 第一章绪论 当前，人类发展所共同面临的两大问题：一是能源枯竭，如煤炭、石油和天 然气等常规能源储量日益减少；二是生态环境的恶化。基于上述的两大问题，开 发和利用可再生无污染能源对于人类生存环境的改善意义重大，人们开始把目光 投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。如果把全世界风能理论蕴藏量的 百分之一用于发电，即可为当今世界经济发展提供强大的动力支持。风能是最清 洁的能源之一，风力发电是大规模利用风能最经济的方式。地球上的风能大大超 过水流的能量，也大于固体燃料和液体燃料的总和。目前世界每年燃烧煤所获得 的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视风能 的开发利用。 1 1 风力发电国内外发展现状及发展趋势 世界风力发电发展现状 1 9 世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机，并于1 8 9 1 年建成了世界上第一 座风力发电站，但由于经济和技术等方面的原因，风力发电一直未能成为电网中 的能源。1 9 7 3 年爆发石油危机以后，美国、西欧等发达国家投入大量的经费， 利用高新技术研制现代风力发电机组，并于2 0 世纪8 0 年代初开始建立示范风电 场，从而开创了并网发电的新时期。 自上世纪8 0 年代以来，风力发电的增长速度较快，全球已有多个国家正在积 极促进风电事业的发展。由于风力发电技术相对较为成熟，许多国家投入较大、 发展较快，使风电价格不断下降，考虑到环保和地理因素，加上政府税收优惠和 政策支持，在投资和电价方面有些地区已可与火电等能源展开竞争。 在过去的1 0 年里，风力发电的年增长率几乎高达3 0 。2 0 0 5 年风力发电的年 增长率高达4 0 ，2 0 0 6 年也高达3 2 。2 0 0 6 年全球新增风力发电装机容量 1 5 1 9 7 m w ，其中亚洲风电市场增加率高达5 3 ，尤其是中国、伊朗、巴西、中 国台湾以及韩国等国家和地区的风力发电新增容量增加了一倍。至u 2 0 0 6 年全球风 力发电累计总装机容量为7 4 2 2 3 m w ，远远高出2 0 0 5 年的5 9 0 9 1 m w 。据全球风能 理事会( g w e c ) 2 0 0 7 年5 月发布的一个预测报告显示，全球风电市场将继续以 1 9 1 的年平均增率增长直至1 1 2 0 1 0 年。2 0 0 7 年5 月在意大利米兰召开的欧洲风能大 第一章绪论 会上的一份报告显示，预计至u 2 0 1 0 年风力发电的装机容量将达到1 4 9 5 g w 。相对 于2 0 0 6 年年装机容量1 5 2 g w ，2 0 1 0 年年装机容量达到2 l g w 。 从全球整体范围来看，风力发电的年装机容量一直保持着较快的增长速度， 但各个国家和地区因其能源状况、政府政策以及风力发电技术等方面的差异，使 得风力发电分布不平衡。目前风力发电主要集中在欧洲，其次是北美洲、亚洲及 其他地区。根据欧洲风能协会( e 、脆a ) 的一份预测报告显示，至u 2 0 2 0 年风力发 电量将占居电力需求量的1 2 。届时，风力发电装机容量将达到1 2 6 1 g w ，发电 量达到3 0 9 3 t w h ，相当于当前全欧洲的电力需求量。2 0 0 6 年全球风力发电累计装 机容量居全球前十位的国家和2 0 0 6 年新增装机容量居全球前十位的国家如表1 1 所示。 表1 12 0 0 6 年部分国家风力发电装机状况 由表1 1 可以看出，截止到2 0 0 6 年底，德国风力发电的累计装机容量居全 球第一，远远领先于并列第二位的美国和西班牙。而美国是风力发电增长速度最 快的国家，印度风力发电装机容量居世界第四，亚洲第一，并且是风力发电增长 速度较快的国家之一。自2 0 世纪9 0 年代中期以后，世界风电装机容量基本上每 年以超过2 5 的平均增长率增长。专家预计，到2 1 世纪中叶，风能将会成为世 界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持续发展的主要动力源。 2 第一章绪论 我国风力发电发展现状 我国风力发电起步较晚，1 9 8 6 年在山东荣城建立了我国第一个并网风力发 电场。其后的十几年时间里，我国政府一直在努力促进风力发电的发展，先后颁 布了多项激励风电发展的政策法规。截止2 0 0 5 年底，我国已经在1 5 个省、自治 区建立了6 2 个风电场，总装机容量达到1 2 6 6 m w ，约占中国电力总装机量的 0 2 。2 0 0 5 年风力发电装机容量位居全球第十位，亚洲第三位，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。 图1 1 为自1 9 9 6 年到2 0 0 6 年十年间我国风力发电累计装机容量示意图。 3 0 0 0 2 5 0 0 窆2 0 0 0 絮1 5 0 0 妥 媒1 0 0 0 嚓5 0 0 图1 1 近年来我国风力发电累计装机容量 由图中可以看出，近年来我国风电装机容量增长较快，到2 0 0 6 年年底，中 国大陆总装机容量达2 6 0 4 m w ，年增长超过了1 3 0 0 m w ，总装机容量跃居世界 第六位，年新增装机容量居世界第五位。 2 0 0 3 年9 月，国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：2 0 0 5 年全国 风电装机容量达到1 g w ，2 0 1 0 年全国风电装机容量达到4 g w ，2 0 1 5 年全国风 电装机容量达到1 0 g w ，2 0 2 0 年全国风电装机容量达到2 0 g w 以上，占全国总 装机容量的2 左右，风电增长3 9 倍。要实现这一目标，在提高国内风力发电设 备制造能力，加速风力发电设备国产化进程的同时，加强对风力发电技术的研究 开发也是十分必要的。 3 ) 风力发电的发展趋势 世界风力发电技术己逐渐完善，其发展趋势主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 风力发电机组单机容量由小容量向大容量发展，兆瓦级以上的大型风 力发电机组比小型机组有更好的经济效益； 第一章绪论 ( 2 ) 定桨距向变桨距发展，变桨距调节起动风速较低，保证了较好的输出 功率品质，停机方便，变桨距调节是大型风力发电系统的最佳选择； ( 3 ) 恒速恒频向变速恒频发展，变速运行提高了系统的运行效率，可以吸 收阵风能量，减小系统承受的机械应力，延长系统寿命，是大型风力发电系统比 较理想的运行方式； ( 4 ) 陆上风电向海上风电发展，海上空气密度高，风速平稳，风能资源丰 富且风速容易预测，适合建设大规模的海上风电场【l 。】； ( 5 ) 结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展。 1 2 变速恒频风力发电技术及研究现状 1 2 1 变速恒频风力发电技术 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。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。此外，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，风力机的叶片将承受较大的扭应力和风力摩擦。为了保 持机械转速恒定，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。并 网运行时还会潜在的影响到电力系统的稳定运行。 变速恒频发电是从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。风力机采用变速运行，即风力机叶轮跟随 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。 相对于恒速恒频运行方式，变速恒频运行具有如下优势【4 5 】： ( 1 ) 风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行， 提高了风力机的运行效率，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。变速运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比 恒速运行的风力机要高。 ( 2 ) 机电系统间柔性连接。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，减少机械应力和转矩脉 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 4 第一章绪论 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 的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电 力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实 现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失 步。 ( 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。由于转子侧与系统交换的能量只是总能量的滑差部分，即滑差功 率，因此，励磁电源的容量只取决于设计转速调节范围的大小。 ( 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。 1 2 2 国内外研究现状 目前，为实现变速恒频，国际上有多种方案，有从发电机本身设计考虑的， 也有采用电力电子学方法的。可以预料，随着电力电子技术、微电子技术的迅速 发展，以电力电子器件构成的变流装置为主要特征的变速恒频技术将成为主流。 下面对几种常见方案作一个简单的介绍： ( 1 ) 采用笼型异步发电机的变速恒频风力发电系统 图1 2 所示为采用笼型异步发电机的变速恒频风力发电系统结构图。 电网 风机 图1 2 采用笼型异步发电机的变速恒频风力发电系统结构图 该系统通过位于定子绕组回路的变频器将频率变化的电能转换为与电网频 率相同的恒频电能。 该方案的优点在于：鼠笼型异步电机成本低，无滑环，便于维护。其缺点为： 电力电子变换装置所需容量较大；系统需要滞后的无功励磁电流，在单机运行时 难以实现自激；电压和功率因数调节比较困难嘲。 第一章绪论 ( 2 ) 采用磁场调制发电机的变速恒频风力发电系统 图1 3 所示为采用磁场调制发电机的变速恒频风力发电系统结构图。 电网 风机 图1 3 采用磁场调制发电机的变速恒频风力发电系统结构图 该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电频率7 ；，用频率为厶( 一般为5 0 h z ) 的低频交流电励 磁。当频率磊远低于频率万时，发电机三相绕组的输出电压波形将是由频率为 触，和f i + f m 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，再通过可控硅开关电路，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、频率为磊 的恒频正弦波输出。 该方案的优点在于：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。其缺点为：电力电子变换装置所需容量较大；对增速齿 轮箱要求较高。适合于中小型风电系统。 ( 3 ) 采用双馈发电机的变速恒频风力发电系统 图1 4 所示为采用双馈发电机的变速恒频风力发电系统结构图。 电网 风机 图1 4 采用双馈发电机的变速恒频风力发电系统结构图 6 第一章绪论 双馈电机的结构类似绕线式异步电机，其定子绕组直接接入工频电网，转子 绕组通过变流器供以低频励磁电流。不论风速如何改变，当电机的转速变化时， 利用变流器相应地调节输入转子的励磁电流频率以改变转子磁势的旋转速度，使 转子磁势相对于定子的转速始终是同步速，定子感应电势频率即可保持恒定，发 电系统可做到变速恒频运行。 该方案的优点在于：既可单机运行，也可并网发电；并网运行时，通过调节 转子励磁电流大小来改善电网功率因数；发电机励磁功率约为转差功率，控制功 率小，因此变换器容量小，系统容易设计与调整；变速运行范围宽，既可超同 步速运行，也可亚同步速运行。其缺点为：转子上存在滑环和电刷，不能避免滑 环和电刷带来的弊端。 ( 4 ) 采用无刷双馈发电机的变速恒频风力发电系统 图1 5 所示为采用无刷双馈发电机的变速恒频风力发电系统结构图。 电网 风机 图1 5 采用无刷双馈发电机的变速恒频风力发电系统结构图 无刷双馈发电机定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电 网；另一个称为控制绕组，通过双向功率变换器接电网。其转子为笼型或磁阻式 结构，无需电刷和滑环。无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别 相当于双馈发电机的定子绕组和转子绕组，通过功率变换器改变输入到控制绕组 的电流频率，可以使发电机的输出频率保持恒定1 7 j 。 该方案的优点在于：对功率变换器容量需求相对较低，可以实现有功、无功 功率的独立控制；由于无刷双馈发电机没有滑环和电刷，既降低了电机的成本， 又提高了系统运行的可靠性。其缺点为：需要两台绕线式三相异步电机，增加了 系统的复杂性和成本，实现难度较大。 ( 5 ) 采用永磁同步发电机的变速恒频风力发电系统 图1 6 所示为采用永磁同步发电机的变速恒频风力发电系统结构图。 7 第一章绪论 电网 图1 6 采用永磁同步发电机的变速恒频风力发电系统结构图 永磁同步发电机定子通过变频器与电网相连，转子为永磁式结构1 8 1 。系统通 过电机定子回路中的变频器将频率变化的电能转变为恒频电能。 该方案的优点在于：风机与发电机直接耦合，省去了变速箱，结构比较简单， 减小了系统运行时的噪声，避免了变速箱漏油的问题，提高了运行可靠性。其缺 点为：由于实现了风机与发电机直接耦合，发电机的转速较低，导致其体积增大， 成本提高；要求变频器的容量等于系统的额定容量，提高了变频器的成本和控制 难度。 此外，开关磁阻发电机、爪极式发电机、高压发电机、横向磁通发电机等新 型电机也被应用到变速恒频风力发电系统中1 1 。 上述变速恒频风力发电系统中，双馈发电机变速恒频风力发电系统的功率变 换器容量仅为系统总容量的一部分，所以这种方案更适用于大、中容量的风力发 电系统，在风力发电中有着很大的竞争优势。直驱式永磁同步发电系统将风机和 发电机直接耦合，省去变速箱，降低了成本，减少了维护，降低了系统噪音，避 免了变速箱漏油的问题，也是目前风力发电技术发展的趋势之一，具有广阔的应 用前景。 1 3 本文主要研究内容 本文主要围绕图1 4 所示的变速恒频双馈风力发电系统的双向功率变换器的 控制技术进行了相关研究。除了第一章介绍课题背景、研究综述外，其余章节内 容安排如下： 第二章对变速恒频双馈风力发电系统各组成部分的基本原理及相关特性进， 行分析。双馈风力发电系统在实际应用中最为广泛，该章首先分析风力机的基本 特性及其最大风能捕获机理和实现；阐述双馈电机变速恒频运行的基本原理及功 率流动关系，建立双馈电机在旋转坐标系下的数学模型；最后对变速恒频双馈风 力发电系统的双向功率变换器的选择及双p w m 变换器原理进行分析。本章所做 第一章绪论 的工作为本文后续研究的开展奠定理论基础。 第三章对变速恒频双馈风力发电系统网侧变换器控制进行研究。首先，根 据网侧变换器数学模型，构建基于p l 控制器的电网电压定向矢量控制系统，并 通过仿真对解耦控制效果及网侧变换器功能的实现进行验证。针对上述控制系统 中会引入受电流参数影响的耦合项和电网电压的前馈补偿，尤其是在低次谐波补 偿方面的算法过于复杂等不足，提出网侧变换器p r ( p r o p o r t i o n a lr e s o n a n t ) 控 制策略。理论分析p r 控制器的特性与数字实现方法，同时，对两种控制策略的 低次谐波补偿的实现方法进行对比分析。最后，对网侧变换器p r 控制系统的性 能进行仿真验证。 第四章对变速恒频双馈风力发电系统转子侧变换器控制进行研究。由于转 子侧p w m 变换器的控制任务主要是实现对双馈电机的有功、无功功率的控制， 因此研究内容针对变换器对双馈电机的运行控制展开。首先，对目前常用的定子 磁链定向的矢量控制策略进行研究，定子磁链定向于d 轴后，双馈电机的数学模 型得到简化，据此构建基于p i 控制器的解耦控制系统，并通过仿真对解耦控制 的效果进行验证。接着，将p r 控制器作为电流内环控制器，构建自适应p r 控 制系统，从系统传递函数的角度对p r 控制器无静差调节特性进行理论验证。最 后，对1 5 m w 风电机组自适应p r 控制系统的性能进行仿真验证。 第五章将网侧变换器和转子侧变换器通过滤波储能电容和直流母线连接， 研究双p w m 变换器的整体控制。由于负载扰动会引起直流母线电压的波动，影 响电容容量的选择，进而对系统的整体性能造成影响。首先，分析双p w m 变换 器独立控制的不足，提出一种双p w m 变换器联合控制策略一负载电流前馈控 制，并对其控制原理进行分析，提出一种无需负载电流传感器的负载电流检测方 法，最后对独立控制和联合控制进行仿真对比分析。 第六章对全文内容进行总结，并对后续工作进行展望。 9 第二章变速恒频双馈风力发电系统 第二章变速恒频双馈风力发电系统 变速恒频双馈风力发电系统基本结构见图1 4 ，整个系统主要由风力机、双 馈电机以及双向功率变换器组成。系统的原动力由风力机吸收风能产生，风力机 主要由风轮叶片、轮毂以及齿轮箱和联轴器等中间传动装置构成。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，带动双馈电机转子转动，通过电磁感应产生电能，通过对双向功 率变换器进行适当的控制，最后接入负载或并入电网。 本章主要对变速恒频双馈发电系统的各个主要组成部分进行分析，为后文的 研究奠定理论基础。 2 1 风力机 2 1 1 风力机特性 由空气动力学原理可知，风力机的输入功率为【1 2 】 只耐= j 1 3 1 死p r 2 1 ，3 ( 2 1 ) 式中v 为空气进入风力机扫掠面以前的风速；彳为风轮截面积；灭为风轮半径； 硇空气密度。 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，贝兹( b e t z ) 理 论指出，风机可吸收的最大功率为【1 2 】 尸m 。= 寺v 3 = 寺拙2 v 3 ( 2 2 ) 为了反映风能的利用率，定义风力机输出的机械功率与输入风轮扫掠面的功 率之比来表示风能转换效率，这就是风轮的风能利用系数o ，其理论最大值( 贝 兹极限) 为 c ：垒：堕0 5 9 3 m “ 1v p m n x2 f 一2 万 1 w i n d 山 1 0 第二章变速恒频双馈风力发电系统 因此，风力机风轮实际输出机械功率尸卅可表示为 己= 三v 3 c p = 三肚2 v 3 c p ( 2 - 3 ) 风能利用系数g 与风速、风机转速以及叶片的节距角有关。为了便于讨论 。的特性，定义风力机的另一个重要参数一叶尖速比 ，即叶片叶尖的线速度 与风速的比值 ，一国。r l - 一v ( 2 - 4 ) 式中国，为风轮转动角速度。 风能利用系数q 是叶尖速比a 和叶片节距角声的函数。当夕一定时，风力 机g 和五关系曲线如图2 - 1 所示。 锄 五 图2 - 1 典型风力机9 a 曲线 由图中可以看出，当叶片节距角一定时，风能利用系数。只有在叶尖速 比五为某一定值厶时才取到最大值q 一。变速恒频风力发电技术可以通过控制 输出功率的办法，使得风力机运转在恒定的叶尖速比厶，提高了风力机的风能 转换效率。 2 1 2 风力机最大风能捕获 ， 1 ) 变速恒频风力发电系统运行区域 从理论上讲，随着风速的增加，风力机的输出功率会无限增大。但在实际变 速风力发电机组中，所有电路及电力电子器件会受到功率限制，同时所有旋转部 件的机械强度又受转速的限制。因此，可以把变速恒频双馈风力发电系统起动后 第二章变速恒频双馈风力发电系统 分三个不同区域运行：最大风能跟踪区、恒转速运行区和恒功率运行区1 1 3 - 1 4 。 图2 2 为变速恒频双馈风力发电系统风机最优输出功率风速曲线。 邑 糌 蚕 弓| 铎 051 01 52 0 风速( r n s ) 图2 - 2 变速恒频双馈风力发电系统风机最优输出功率风速曲线 图中，恒g 运行区、恒转速运行区、恒功率运行区，分别由a b 、b c 、c d 三段曲线表示。a b 是风力发电系统的变速运行区域，其控制目标是最大限度地 将风能转变为动能，根据风速的变化调整转速，保持最优叶尖速比，从而保持最 大的风能利用系数g 一，该区域又称为恒g 运行区；风机运行到b 点时，受风 力发电系统旋转部件机械强度的限制，其转速已经达到极限值，但风力发电系统 的输出功率尚未达到额定值，风机进入转速恒定区b c ，随着风速增大，转速保 持恒定，功率在达到额定值之前一直增大；随着功率增大，发电机和电力电子器 件将最终达到功率极限，通过桨距角调节，适当减少从风能中捕获的功率，系统 进入功率恒定区c d 。 随着风速的变化，风力发电机组运行在上述不同的区域，其中恒转速和恒功 率运行区域主要靠伺服系统控制的桨距调节系统起作用，恒g 运行区要通过风 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g = g 一，最大限度地捕获风能。在对变速恒频双馈风力发电系统进行设计时，为提 高单机运行效率，通常将最常出现的风速范围作为其最大风能追踪的区域，所以 最大风能追踪区域是变速恒频双馈风力发电系统最经常运行的区域。本文就是在 这一区域内利用双向功率变换器对双馈电机进行控制，以实现对整个风电系统运 行控制的目标。 最大风能捕获机理 图2 3 为不同风速下( v l 、v 2 、v 3 ) 风力机输出的机械功率厶与风力机转速 第二章变速恒频双馈风力发电系统 的关系示意图。 厶( w ) p e p c pp p o ” l2 3 ，( r a d s ) 图2 3 不同风速下风力机输出的机械功率与风力机转速的关系示意图 由图中可以看出，在同一风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率， 而且在同一风速下有一个最佳的转速，风力机运行于最佳转速时，就会达到最佳 叶尖速比，从而捕获最大的风能，输出最大功率。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。运行在这条盐线上，风力机将会获得最大 风能捕获。最佳功率尸印，与风力机转速和双馈电机的转速有如下关系 p o p ! = k 国：咄，( 鲁) 3 ( 2 5 ) 式中脚为双馈电机转子机械角速度；为齿轮传动比；凰为常数，且有 k ，= 互1 ( r 厶) 3 c p 一 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过程如下：假设 在风速，1 下风力机稳定运行在，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为匕，风力机将稳定运行在转速l 上。如果某时刻风速升 高至v 2 ，风力机运行至b 点，其输出功率由尸口突变至n ，由于调节过程的滞后， 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，功率的不平 衡导致转速上升。在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着b _ 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也的最佳转速0 9 2 上。同理也可以分析从风速v 3 到屹的 逆调节过程。可见，系统最大风能的追踪过程是由风力机的输出特性和对双馈电 第二章变速恒频双馈风力发电系统 机的控制两者相互作用共同完成的。 3 ) 最大风能捕获实现 风速一定时，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪最佳功率曲线， 必须在风速变化时及时调整转速。使其叶尖速度与风速之比保持不变，保持最佳 叶尖速比，就可获得最佳的功率系数。 定桨距情况下变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获可以通过转速闭环 控制实现，也可以通过控制双馈电机总电磁功率追踪当前最佳功率心删的方法来 实现。由于在风电机组的实际运行中，风速的准确检测比较困难，无法直接给出 与之相对应的最佳转速的指令，这样给转速闭环控制带来一定的困难。本文采用 间接控制双馈电机总电磁功率的方法，利用总电磁功率与转子有功电流分量的关 系，将总电磁功率指令( 最佳功率指令) 转化为转子有功电流指令，通过控制转 子有功电流来调节发电机的电磁转矩，进而调节发电机的转速。 在不计机械损耗的情况下，双馈电机所发出的总电磁功率的指令为【1 5 】 e = 朐。) = k ：= k 鲁) 3 ( 2 - 6 ) 总电磁功率与有功电流的关系为 由此可得有功电流指令 一警昭w = 一去巧 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中p 。+ ，如分别为双馈电机总电磁功率指令和转子有功电流分量指令；只、碥 分别为双馈电机总电磁功率和转子有功电流分量；厶、l ，分别为由坐标系下同 轴定、转子绕组之间的等效互感和定子绕组的自感；为定子磁链矢量的幅值； 0 3 ，为转子电气角速度。 1 4 第二章变速恒频双馈风力发电系统 2 2 双馈电机 2 2 1 双馈电机变速恒频运行基本原理 双馈电机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。 双馈电机稳定运行时，定子旋转磁场与转子旋转磁场均以同步转速旋转并保 持相对静止，其频率方程为 堡五：z60 i ( 2 9 ) 式中 为定子绕组电流频率；压为转子绕组电流频率；胛为转子旋转的转速；n p 为电机的极对数。“+ ”表示转子转速低于定子旋转磁场转速，电机处于亚同步运 行状态，功率变换器向转子供电；“一”表示转子转速高于定子旋转磁场转速，电 机处于超同步运行状态，定子和转子同时向电网供电。 由式( 2 9 ) 可以看出，当转子转速n 变化时，可调节转子绕组电流频率尼， 保持乔不变，实现变速恒频运行。 2 2 2 双馈电机数学模型 由于双馈电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了便于研究分 析，先做如下假设【6 】【1 6 】： ( 1 ) 忽略空间谐波和磁饱和，设三相绕组对称，均为星形连接，磁动势沿 气隙正弦分布； ( 2 ) 不考虑频率和温度对电机参数的影响； ( 3 ) 忽略铁心损耗和铁磁的非线性； ( 4 ) 转子绕组均折算到定子侧，折算后每相绕组匝数相等。 规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则，则 双馈电机在同步由坐标系下的数学模型为( 下标“s ”、“，”分别表示定子、转子) 磁链方程 第二章变速恒频双馈风力发电系统 = l s i 硪+ l m i 啊 = l s l o 坶+ l m i 崎 2 s f 卵+ 己m f w = l r i r a + l m i 砌 = l r jn q + l m i 孵 ( 2 1 0 ) 式中呦、啪、分别为定子、转子磁链的d 、q 轴分量；幻、岛、i , a 、碥 分别为定子、转子电流的由轴分量；l 册为由坐标系下同轴定、转子绕组之间 的等效互感；l 。为由坐标系下定子绕组的自感；l ，为由坐标系下转子绕组的自 感。 电压方程 式中u s d 、u s q 、u r d 、u r q 分别为定子、 转子绕组等效电阻；p 为微分算子； 子的角速度，即转差角速度 式中，为转子角速度。 电磁转矩方程 ( 2 1 1 ) 转子电压的由轴分量； r ，、r ，分别为定、 c o 为同步角速度，。为由坐标系相对于转 蛾= c o l q ( 2 1 2 ) r e = ”p ( v 耐z 。s q j 吵咀0 ) = n p l 。( f 卵i 耐一f 耐k ) ( 2 - 1 3 ) 式中疋为电磁转矩；坳为电机极对数。 功率方程 1 6 ( 2 1 4 ) 瞩蹁肌笏鬻 一 + 一 + p p p p + + + + ：彬：细：彬，切 b 艮凡b = = = = 耐 凹 耐 凹 ” 材 材 甜 ，l 细，细=忉加 岬 耐 w 删 + 一 + 一 白kk 耐 凹 耐 ，砷 虬玑坼” = = = = 暑9 最q 第二章变速恒频双馈风力发电系统 式中尸l 、q 1 分别为定子有功功率和无功功率；p 2 、q 2 分别为转子有功功率和无 功功率。 运动方程 l ：t + 翌鲁+ b ，国，+ k 。见 ( 2 1 5 ) 刀讲 式中乙为风机提供给双馈电机的拖动转矩；，为双馈电机的转动惯量；玩为转 矩阻尼系数；恐为扭转弹性系数；以为相对位移角。通常假定玩= 0 ，整= o ， 则 2 2 3 功率流动关系 乙哪丢等 ( 2 1 6 ) 从总体上说，首先是由风力机吸收风能产生机械转矩，然后通过轮毂、齿轮 箱和联轴器等传动装置带动发电机转子转动，从而将机械功率传递给发电机；转 子绕组本身接入励磁电流建立磁场，由于转子的转动，在定子绕组中感应出电流， 功率就这样通过磁场传递到了定子侧。具体的功率流动过程可以用图2 - 4 来表示。 图2 4 功率流动示意图 图中，p m 为风轮输出机械功率；砌。为齿轮箱损耗；如。为输入机械功率； p e n 为电磁功率；p f e 为铁耗；p l 、p z 分别为定子和转子的有功功率；p c u l 、p c 2 第二章变速恒频双馈风力发电系统 分别为定子和转子铜耗。 尸卅在从风力机向双馈电机转子轴传递的过程中，要经过齿轮箱、联轴器等 中间传动装置，会产生一定的功率损耗，主要是齿轮箱损耗p m e 。风轮输出的机 械功率厶减去齿轮箱功率损耗才是输入到双馈发电机转子轴上的净机械功率 f 。与转子绕组输入的有功功率尻一起，在扣除转子铜耗p o , 2 之后得到电 磁功率。电磁功率传递到定子侧后，又有一部分消耗在定子绕组铜耗p o 和 电机铁耗p f e 上，剩下的功率就是双馈发电机通过定子输出的有功功率，也就是 一般意义上的发电功率。具体的功率关系为 ( 2 1 7 ) 式中s 为转差率。 可以看出，由于电机铜耗和铁耗在总的电磁功率中所占比例较小，转子侧功 率p 2 近似为转差功率。按照前面的正方向规定，当岛 o 时，转子绕组由电网输 入电功率，此时双馈电机工作在亚同步状态下，s 0 ；当尸2 o 时，转子绕组向电 网输出电功率，此时双馈电机工作在超同步状态下，s o 。表2 1 给出了双馈电 机在电动和发电两种情况下的对比分析。 表2 一l 双馈电机发电状态与电动状态的对比分析 2 3 双向功率变换器 r 变速恒频双馈风力发电系统的一大特点就是发电机的转速可以跟踪风力条 件的变化而保持一个相应的最佳值，以充分利用风“b r - ；在发电机转速变化的同时， 通过变频器在转子侧接入转差频率的交流励磁，来确保定子输出频率和输出电压 的恒定。这就需要通过变频器根据控制单元的指令调节输入转子绕组的电流幅 白 凡 只 p 差牛心一 仉讹鸠北o分k”一。 = = 1 1 = 尸。蜘一。祧 第二章变速恒频双馈风力发电系统 值、频率和相位。因此，选择合适的变频器尤为重要。 2 3 1 变频方式选择 双馈感应发电系统的频率控制方式有两种【2 】：一种是他控式，一种是自控式。 在他控式工作方式中，由专门的频率给定装置来独立地控制变频器的输出频率， 在电网频率和变频器输出频率一定的情况下，电机稳态转速不随轴负荷的变化而 变化；当突加负载或其它参数突变时，存在失步问题。在自控式工作方式中，电 机转子侧变频电源的频率是通过系统内部环节来调节的，系统能根据电机的运行 状态进行自动控制，实现变速恒频运行。对于变速恒频风力发电系统来讲，一般 选用自控式。当风力条件发生变化时，让发电机转子转速随之变化，而通过调节 变频器的控制电压来控制变频器实际输入发电机转子的电压，使发电机对应最佳 的输出效率。 由上一节的功率流动关系可知，变速恒频双馈风力发电系统中转子变频器应 为四象限变频器，按其拓扑结构主要可分为交交变频器、交直交变频器和矩阵变 换器三种类型1 7 之。 交交变频器大多采用晶闸管自然换流方式，工作可靠，容易与电源之间进行 无功功率的交换和有功功率的回馈，为四象限变频器，其无环流系统的最高输出 频率为电网供电频率的1 2 。尽管交交变频器还具有无中间直流滤波环节、变频 效率高等优点，在变速恒频双馈风力发电系统得到一定的应用，但由于交交变频 器中晶闸管采用自然换流方式，变频器始终吸收无功功率，功率因数低，谐波含 量大，输出频率低，使用元件数量多，需要隔离变压器等，使之在风力发电领域 的应用受到一定的限制。 矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间 的开关阵组成。矩阵式变频器没有中间直流环节，其功率电路简单、紧凑，可输 出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压。矩阵变换器的输入功率因数可控，可 在四象限工作。有学者建立了基于矩阵式变频器的双馈发电机定子磁链定向的矢 量控制系统，并对其控制方式、输入、输出特性和功率双向流动等特性进行了研 究。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时 导通或关断现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承 受电压高也是此类变换器的一个很大缺点。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤 波电容，虽然其滤波电容的电容