（电机与电器专业论文）变速恒频无刷双馈风力发电机直接转矩控制研究.pdf

华北电力人学硕t - q - 位论文摘要 摘要 在能源消耗同益增长、环境污染同渐，哐重的今天，风能由于其突出的优点而成 为世界各国普遍重视的能源，变速恒频无刷双馈风力发电机直接转矩控制因其高效 性和实用性正受到越来越多的重视。本文首先对无刷双馈风力发电机的运行理论进 行了分析，对其数学模型、坐标变换、运行特性及功率关系进行了理论推导，得出 了控制绕组坐标下的无刷双馈电机的基本电磁方程、功率方程和转矩方程，为全文 的研究奠定了理论基础。在研究了无刷双馈发电机直接转矩控制技术之后，利用 m a t l a b s i m u l i n k 的仿真工具对直接转矩控制的近似圆形磁链控制方法进行了仿真， 仿真结果验证控制绕组坐标下的直接转矩控制策略的正确性和可行性。 关键词：变速恒频，风力发电，无刷双馈发电机，直接转矩控制技术 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 n c r e a s i n gd a il ya n de n v i r o n m e n te m p o i s o nb e i n g s e r i o u sg r a d u a l l y , w i n dp o w e ri s p a i dg r e a ta 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 b e c a u s eo fi t ss t a n do u te x c e l l e n c e ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e 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 ( v s c f ) b r u s h l e s sd o u b l y f e dg e n e r a t o r ( b d f m ) i s p a i d a t t e n t i o nm o r ea n dm o r ef o ri t sh i g h e f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a b i l i t y f i r s t ，t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e sb d f mo p e r a t i o nt h e o r y ，i n c l u d i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fb d f m ， c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n ，p o w e re q u a t i o na n dt o r q u e e q u a t i o n c a nb ea c h i e v e di nt h ec o n t r o lw i n g i n g ( c w ) r e f e r e n c ef r a m e ，w h i c h e s t a b l i s h e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rs u c c e e d i n gs t u d y a f t e rs t u d y i n gt h eb r u s h l e s s d o u b l y - f e dg e n e r a t o rd t ct e c h n o l o g y , as i m u l a t i o nb a s e do nd t ca p p r o x i m a t i o nc i r c l e f l u xc o n t r o lm e t h o dh a sb e e nd o n eb ym a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t 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 d u a ny a h p u ( m o t o ra n de l e c t r i c a la p p l i a n c e 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 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 rg e n e r a t i o n ，b r u s h l e s s d o u b l y - f e dg e n e r a t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g y 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无刷双馈风力发电机直接转 矩控制研究，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：塑垫垫日 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：挫勉建。 导师签名：弓砌仫才p 翰 华北电力大学硕士学位论文 1 1 风力发电技术的发展与概述 随着科学技术的飞速发展和工业舰模的不断扩大，能源的短缺和环境的恶化已 经成为全球性的两大难题。一方面，伴随着工业的飞速发展，煤炭、石油等能源被 大量地消耗地球所蕴藏的不可再生能源逐渐枯竭；另一方面，工业废水、汽车尾气 正在蚕食我们原本美丽的地球，酸雨、沙尘暴、温室效应、水土流失，全人类 都在品尝着自己所酿造的苦酒。能源危机和环境危机就象一只左手和一只右手，日 益勒紧了人类发展的咽喉。 伴随着能源的大量消耗而束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。c 0 2 气体的温室效应引起的全球变暖，是这方面最初的征兆。1 9 9 6 年世界各国 “政府间关于气候变化的专门小组”( i p c c ) 第2 次报告明确指出，地球变暖并不是地 球环境自然的变化，而是由于人类排放的大量c 0 2 等气体引起的温室效应。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。据统计，作为最大能源消耗国的美国排放的有害气体最多，主要 依靠煤炭的发展中国家( 例如我国和印度) 造成的空气污染也非常严重，我国是世界 上最大的煤炭生产国和消耗国，煤炭占商品消耗能源的7 4 ，已成为我国大气污染 的主要来源【2 】。 能源危机与环境危机是人类所面临的两大难题，它们是相互矛盾又相互联系 的。如何解决这两大矛盾，如何突破我们所面临的困境? 经过惨痛的教训和艰难的 探索，人们终于得到了答案：必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发可再 生能源。太阳能，水力，风力，潮汐o 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，实现二次能源一电力的绿色化生产、变换己是当务之急，迫 在眉睫【3 。5 】。 风能作为可再生的洁净绿色能源，具有显著的环保效益，在世界各国重视环保、 强调能源节约的今天，风力发电对改善地球生态环境，减少空气污染有着非常积极 的作用，世界各国都在越来越重视风力发电。 1 1 1 风力机的调节技术【6 - 8 】 华北电力大学硕士学位论文 风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风力 机及其控制系统将风能转换为机械能；发电机及其控制系统将机械能转换为电能。 风力机作为风力发电系统的关键部分之一，直接影响着整个风力发电系统的性能、 效率。风力机的变浆距功率调节技术和下一节要介绍的发电机的变速恒频发电技术 是风力发电的两大先进技术，是今后风力发电技术的发展趋势。本节首先概括性地 介绍了一下风力机的功率调节特性。 1 风力机的特性 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用转毂上的机械能。由空气动力学 可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用 系数g ： c p 2e eov=ppvo(1-1、) 式中：e 一一 时j 内叶轮i l 及收的风能；o t i h e ，一一t 时间内通过叶轮旋转面的全部风能； 一一单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，风力机的机械输出功率； e 一一单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。 系数g 反映了风力机吸收风能的效率，它是一个与风速、叶轮转速和浆叶节距 角均有关系的量。当这些因素发生变化时，g 发生变化，风力机的运行点及其运行 效率将要发生变化。当浆叶节距角不变即定浆距时，风力机风能转换效率与其转速 与风速有关，当风力机的转速和风速满足一定关系时其风能转换效率最大。如果同 时浆叶节距角也在变化，则情况就更为复杂。风力机的整体设计和相应的运行控制 策略应可能追求g 最大，从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功率的提高却 受到两方面的限制：一方面是电气回路中元器件的功率限制；另一方面是机械传动 系统结构部件的转速上限限制。因此风机存在三个典型运行状态：保证恒定g ，控 制风力机转速直到转速达到极限；风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使g 具有较大数值，直到最大输出功率；当风速过大，输出功率达到极限时风力机按恒 定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。 2 风力机的功率调节 功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节 方式：一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。 ( 1 ) 定浆距失速控制 这是一种风力机的功率调节完全靠叶片气动特性的控制方法。这种机组的输出 功率随风速的变化而变化，通常难以保证在额定风速之前c 较大，特别是在低风速 2 华北电力人学硕士学位论文 段。这种机组通常设计为有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转 速发电机工作在高风速去，小功率低转速发电机工作在低风速区，由此来调整g 。 当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低c 口，从而维持功率恒定。 但实际上难以做到功率恒定，通常有些下降，如图1 1 所示。 ( 2 ) 变浆距控制 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，风力机需要 进行浆距调整。在定浆距基础上安装浆距调节环节，构成变浆距风力机组。变浆距 风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠叶片节距角的改变 来进行调节。在额定风速以下时节距角处于零度附近，此时，叶片节距角受控制环 节精度的影响，变化范围很小，可看作等于定浆距风机。在额定风速以上时，变浆 距机构发挥作用，调整叶片节距角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变浆 距风力机的气动风速较定浆距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风 机正常工作时，主要采用功率控制，对于功率调节速度的反应取决于j x l 机浆距调节 系统的灵敏度。在实际应用中，风速的较小变化将造成风能较大的变化，风机输出 功率处于不断变化中，浆距调节机构频繁动作。风机浆距调节机构对风速的反应有 一定的延时，在阵风出现时，浆距调节机构如果来不及动作就会造成风机瞬间过载， 不利于风机的运行。 6 0 0 5 0 0 功率4 0 0 ( k w ) 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 3691 2 1 51 82 l 2 42 7 风速( m s ) 图1 - 1 风力机组功率特性曲线 比较来看，定浆距失速控制风力机结构简单，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节距角随风速而变化，从而使风力机在各 种工况下按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区段有较大的功 3 华北电力人学硕士学位论文 率输出，而在额定风速以上的高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等。 当然，它的缺点是需要有一套比较复杂的变浆距调节结构。现在这两种功率调节方 案在技术上都比过去的有很大改进，都在大、中型风力发电机组得到广泛采用。 1 1 2 变速恒频风力发电技术 9 , 1 0 】 发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换 为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性 能、功率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分 为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，简称c s c f ) 风力发电技术和变速恒 频( 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 ，简称v s c f ) ) x t 力发电技术。 1 恒速恒频风力发电技术 恒速运行的风力机转速不变，而j x l 速经常变化，g 值往往偏离其最大值，使风 力机常常运行于低效状态。 输出功率p ( k w ) 厂发电机 i 、 li 21 41 6 电机转速 同步转速 电动机v 图1 - 2 异步电机输出功率曲线 恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在 电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图1 2 所示，异步发电机的转子转速高于同 步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其 反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3 5 时达到最大值，若超过这个 转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞 车，这是十分危险的。 2 变速恒频风力发电技术 虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作 为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水 4 华北电力人学硕+ 学位论文 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【i l 】： ( 1 ) 风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。如前所述，风力 机在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给 风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。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。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。 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。白上世纪9 0 年代丌始，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。 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、 开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。这些系统 都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。为了充分利用风能，应深入研究各种 变速恒频技术。下面对这些系统加以简单介绍： 1 、交一直一交风力发电系统 这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的，如图1 3 所示。由 于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发 电机发出频率变化的交流电首先通过三项桥式整流器变成直流电再通过逆变器作 有源逆变变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量 相同。这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时，由于频率变 化装置采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。在 此系统中可以采用的发电机有同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和 永磁发电机。 5 华北电力人学硕十学位论文 j - t 图1 - 3 交一直一交风力发电系统 2 、磁场调制发电机系统 这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变 化电路组成。发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。比较适合用于容 量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 3 、交流励磁双馈发电机系统 系统如图1 4 所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线 式异步电机类似。 图1 4 交流励磁双馈发电系统 当风速发生变化引起发电机转速刀变化时， 率恒定，即满足 z = p n 6 0 + 正 式中：彳一一定子电流频率，与电网频率相同； n 转速； p 电机的极对数； 六转子电流频率。 控制转子电流的频率，可是定子频 ( 1 - 2 ) 当发电机的转速疗小于定子旋转磁场的转速n 。时，处于亚同步状态，此时变频 器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网，式( 1 2 ) 取正号；当 n 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器 的能量流向逆向，式( 1 2 ) 取负号；当n = 时，处于同步状态，此时发电机作为同步 电机运行，厶= 0 ，变频器向转子提供直流励磁。 由式( 1 2 ) 可知，当发电机的转速刀变化时，若控制厶相应变化，可使保持恒 定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 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，该转差功率仅为定子额定功率的 6 华北电力大学硕士学位论文 一部分，因此图中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频 器的成本将会大大降低。 这种采用交流励磁双馈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，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网 而言可起到无功补偿的作用。但交一交变频器输出特性差，6 脉波、3 6 管交一交变 频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。只有1 2 脉 波、7 2 管交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发 电系统。目前国际上开发使用p w m 整流一p w m 逆变的交一直一交型变频电源，具 有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励磁变频器。此外绕线式交 流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用 的机组。 4 、无刷双馈发电机系统 系统如图1 5 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机。其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，通过双向变频器 接电网，如图所示。其转子为笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极对数应为定 子两个绕组极对数之和。 图1 5 无刷双馈发电系统 这种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有刷交流 励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着 本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈发电 机，有 = n ( p p p 。) 6 0 + 以 ( 1 - 3 ) 式中： 无定子功率绕组电流频率，由于其与电网相连，与电网频率相同； 疋一一定子控制绕组电流频率； p 。定子功率绕组的极对数； 以定子控制绕组的极对数。 超同步时，式( 1 3 ) 去“+ ”；亚同步时，取“一”。 由式( 1 3 ) g 失n ，当发电机的转速栉变化时，若控制丘相应变化，可使保持恒 定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 7 华北电力人学硕十! 学位论文 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率 仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率 的p 。( p 。+ p 。) ，因此图中所示的变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。 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，还可在矢量控制策略下实现有功、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。本文对该种电机的变速恒频方案作理论推导和仿真分析。 5 、爪极式发电机系统 无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子 铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联 磁路机构，所有各种极的材料较省，所需的励磁功率也较小，具有较高的效率。另 外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机 相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优 点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可 能使风力机实现最佳叶尖速比运行，得到最好的运行功率。这种发电机非常适合用 于千瓦级的风力发电装嚣中。 6 、开关磁阻发电机系统 开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心的，系统如 图卜6 所示。开关磁阻发电机是双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子 上没有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简 洁性。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，就需使开 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 最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数 学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁 阻发电机具有明显的容错能力、组合启动与发电容易、适合高温和高速环境运行和 大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置 和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动 态三维磁空间。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，因而简化了结构，提高了可靠 性。同时，该发电机相绕组间无点耦合，其容错能力大大增强。另外，开关绕组发 电机机械结构简单、坚固可靠。 s 华北电力人学硕士学位论文 图1 - 6 开关磁阻式风力发电系统 1 2 国内外d t c 研究现状 1 2 1 直接转矩控制技术的发展现状 直接转矩控制是由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授和日本的i ta k a h a s h i 教授于1 9 8 5 年分别提出的【1 2 】，现今在此基础上已经发展出了多种控制策略，下面将 对它们进行分类并分析和比较。 1 、传统直接转矩控制策略 在传统的d t c 中，磁链的控制可以采用六边形或圆形两种。在高速范围，由两 点式转矩调节器和磁链调节器就可实现高性能的转矩控制，定子磁链为六边形轨迹： 在低速范围，定子电阻上的压降的影响不能忽略，磁链轨迹发生畸变，并且低频时， 零电压矢量增多，严重影响低速性能，可采用近似圆形磁链轨迹调节方案。 在六边形磁链控制系统中，定子磁链由定子三相电压与电流经过两次坐标变换 后计算所得磁链与磁链给定值比较，得到相应的开关量，转矩滞环调节输出决定插 入零矢量与否，确定正确的电压状态信号，以控制逆变器的输出电压，产生六边形 磁链。 圆形磁链控制是通过检测定子两相电流、线电压和电机转速进行定子磁链观测 和转矩计算，使二者分别通过各自的滞环相比较而输出转矩和磁链的增、减信号， 把这2 个信号输入到优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区位置就得到了满 足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多 级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确【i 3 1 。 2 、无差拍( d e a d b e a t ) 控制空间矢量调制方法 ( 1 ) t g h a b e t l e r 的空间矢量调制( s v m ) 方法 其思想是首先在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差，然后由电机定 9 华北电力人学硕士学位论文 子侧电压方程可以得到使定子磁链幅值达到给定值的所加空问电压矢量，利用这两 个值可以求解出下一采样周期使转矩误差和磁链误差为零的空i 、日j 电压合成矢量，以 达到转矩和磁链无差拍的目的。 ( 2 ) 转矩或磁链的跟踪预测方法 由于在单一电压矢量下转矩脉动存在锯齿不对称，而非零和零电压矢量对转矩 变化的影响也不同，因此若使下一个采样周期非零和零电压矢量共同作用产生的转 矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，便可以获得消除转矩误差的电压矢量作用 时问，达到转矩无差拍控制的目的。若考虑磁链的无差拍控制之后控制效果要好， 既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，并且计算量不会太大【l 4 1 。 3 、离散空间矢量调$ o ( d s v m ) 方法 基本d t c 一个采样周期只输出一电压矢量，若把一个采样周期分为多个时间段， 每时间段输出不同的电压矢量，从而可以合成许多新的电压矢量。电压矢量越多， 转矩和电流脉动越小，然而电压矢量增多需要定义非常复杂的丌关表。实验证明将 一个采样周期分为三个时间段导致转矩和电流波动的明显减小，且不需要太复杂的 开关表。 4 、由p l 调节器输出空间电压矢量的方法 其原理是将转矩误差输入p i 调节器中，经过调节得到q 轴电压矢量分量圪将定 子磁链误差输入p i 调节器中，经过调节得n d 轴电压矢量巧，之后将d 轴和g 轴的电 压矢量旋转变换到静止坐标系下的口轴轴上，用于空间电压矢量的输出，显然这 个空间矢量在空间位置上的相位是任意的。 1 2 。2d t c 在无刷双馈电机控制系统中的应用 无刷双馈电机是一种结构简单、坚固可靠，同步、异步通用的电机。如图1 7 所示，定子铁心上有两套极数不同的绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，两个绕 组共享一个转子铁心，功率绕组直接接至工频电源，控制绕组通过变频器接至工频 电源，转子为笼型或磁阻型结构。和普通感应电机相比，由于通过变频器的功率仅 占电机总功率的一小部分，因此它可以大大降低变频器的容量，和普通双馈发电机 相比，省去了电刷和滑环，大大提高了系统的可靠性，并且由于它可以在无刷的情 况下实矽双馈、速度及功率因数的调节，因此它必将在不久的将来，在变速恒频风 力发电系统中获得广泛的应用，能取得较大的经济和社会效益 1 5 - t 8 j 。 目前，国内外对b d f m 的研究从对电机结构的改进、建立比较准确使用的数学 模型，发展到基于这些模型的控制策略，以期促使他早日进入实用化阶段。从目前 检索到的国内外文献来看，多为矢量控制在无刷双馈电机中的应用，直接转矩控制 在无刷双馈发电机中应用较为少见。 1 0 华北电力人学硕士学位论文 极对数p 。 图1 7 无刷双馈电机结构简图 工频 电源 虽然无刷双馈电机结构特殊，有两套不同极数的定子绕组，并且只有一套定子 绕组可控的，这种复杂的电磁结构导致对它的控制也较复杂，但是根据它的数学模 型、转矩和磁链方程可知，直接转矩控制技术也使用于无刷双馈电机。在无刷双馈 电机直接转矩控制系统中，需要通过控制绕组磁链和总的电磁转矩进行两点式或多 点式调节，也就是在维持电机控制绕组磁链幅值不变的情况下，通过控制控制绕组 的电压空间矢量来控制控制绕组磁链的旋转速度，从而改变功率绕组和控制绕组磁 通角的大小，改变电磁转矩，最终达到控制输出功率的目的。 直接转矩控制技术和无刷双馈电机的结合，将大大提高无刷双馈电机的动态性 能和稳定性，并将进一步推进无刷双馈电机在风力发电中的应用。 1 3 本文主要研究内容 目i j ，变速恒频双馈发电系统已逐渐成为风力发电系统的主流发电方式，同时， d t c 理论以其简洁的控制思路和优良的动静态性能得以迅速的发展，面对无刷双馈 发电机中同步速附近励磁频率控制困难，功率输出难于恒定，电流波形脉动较大等 一系列问题，本文尝试将d t c 技术引入到无刷双馈发电机的控制领域，主要研究内 容： i 分析了变速恒频无刷双馈式风力发电系统的基本理论和运行原理，明确系统 各组成部分的功能和控制系统的最终任务，以及b d f m 中能量传递关系； 2 介绍了b d f m 的网络模型、转子d q 坐标模型，并且在转子d q 坐标模型的 基础上，重点推导和建立了无刷双馈发电机在控制绕组坐标系下的数学模型，借助 m a t l a b 软件对b d f m 控制绕组坐标模型进行建模，并在空载、负载情况下进行了仿 真。仿真结果验证了b d f m 控制绕组坐标下数学模型的正确性，也验证了b d f m 能 够实现变速恒频发电； 3 分析了变速恒频无刷双馈风力发电机控制策略，提出了变速恒频无刷双馈风 华北电力人学硕士学位论文 力发电机直接转矩控制策略，采用了适合低速范围内应用的近似圆形磁链直接转矩 控制方式，明确了逆变器的丌关状态，建立了无刷双馈发电机控制绕组坐标下的转 矩、磁链模型； 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立系统各个部分的仿真模型，包括：风力机模型、 无刷双馈发电机模型和直接转矩控制系统模型，调试系统参数，优化仿真过程。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 第二章无刷双馈风力发电机理论分析 无刷双馈电机作为一种新型电机，不仅在其调速性能优良，并且当它用作变速 恒频发电时，更具有普通电机无法比拟的优势【1 9 , 2 0 】，主要表现在： l 、b d f m 运行时，所要求的变频器容量小，既减低了系统成本，也减少了谐 波污染，使其可靠性提高。在发电机运行时，控制绕组侧功率与功率绕组侧功率与 它们的极对数成正比，合理设计两绕组的极数，可以用较小的励磁功率获得较大的 发电输出功率； 2 、b d f m 本身没有电刷和滑环，结构简单，坚固可靠，适用于风力发电这样 的恶劣工作环境； 3 、通过调节控制绕组频率，在转速变化的情况下，可以维持功率绕组频率不 变，保证了电能质量； 4 、功率绕组直接接入电网，而不需要变频器，使电能质量更好； 5 、控制绕组侧所接变频器质量可以双向流动，适当的控制可以实现有功和无 功功率的灵活控制； 正是因为b d f m 有这样的优势，有可能发展为变速恒频发电的主流发电机【2 1 1 。 本章主要分析无刷双馈风力发电机的物理结构和发电原理，明确其内部能量流动过 程，为下一章无刷双馈发电机建模与仿真的研究作好充分的准备。 2 1 无刷双馈电机的原型及发展 b d f m 是由两台级联感应电动机发展而来的。所谓两台电机级联，就是将两台 绕线转子电机的转轴相连，转子绕组相互连接。这种级联系统的机构如图2 1 所示。 从结构简图我们可以看出：这种感应电机系统从第一台电机( 图上的p 。对极电机) 的 定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机( 图上的以对极电机) 的原边，第二 台电机的副边绕组( 即其定子绕组) 通过外接电阻短接。这样就省去了滑环，该系统 通过改变外界电阻大小就可以改变电机的转速。下面详细分析原型电机的运行原 理： 在原理分析中，忽略了两台电机的损耗。假设第一台电机的定子输入的电功率 是日，运行于某一转速时的两台电机转差分别是s p 、s 。，由电机学可知，第一台电 机产生的机械功率是： = ( 1 一s p ) p i p ( 2 - 1 ) 在忽略了电机损耗的前提下，己。就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机 的电功率，由于第二台电机的功率来源于它的转子，因此产生第二台电机的转子为 1 3 华北电力大学硕士学位论文 原边，而第二台电机的定子为副边。第二台电机轴上产生的机械功率就是： 乞。= ( 1 一j 。) s p 名p ( 2 2 ) 由此，整套级联感应电机系统轴上的输出功率在两台电机转子绕组反相序相连的条 件下为： 己= 艺。+ 己。= ( 1 一s p s 。) 日。 ( 2 3 ) 式中的s p & 鼻，就是第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 电机 图2 1b d f m 原型：串级联接 现在如果我们改变第二台电机副边( 定子) 电阻的阻值，则消耗在其上的功率 j 。j ，眉。将会发生变化。在系统输入功率一定的前提下，s 。j ，将发生变化，即等效滑 差s = j 。s ，发生变化，相应的第二台电机定子侧电流频率将发生变化。因此，如果我 们能够改变第二台电机定子侧的电流频率，就会反过来改变电机的转速。 在此基础上改进型的，比较实用的级联式无刷双馈变频调速电机如图2 2 所示， 即用变频器来代替原理电机中的外接电阻，既可实现电压频率的调节达到调速的目 的又可实现能量的传递以提高系统的效率。 工 频 电 源 t 搋一拥 变 频 i 时搋驯幽，拽拥 器 图2 - 2 级联式b d f m 结构简图 工 频 电 源 级联式b d f m 虽然可以降低所用变频器的容量，又没有机械的电刷所带来的电 机运行和维护的不便，但是级联式b d f m 需要两台电机，成本较高，而且体积较大。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 最好是用一台电机实现无刷，而且体积越小越好。7 0 年代以后，b r o a d w a y 等对h u n t 发明的电机进行了简化，在转子绕组和转子结构方面都进行了较大的改进，于是就 有了可以进入实用领域的b d f m 如图2 3 所示。 2 2 无刷双馈电机的运行原理 无刷双馈电机的基本结构如图2 3 所示，定子侧有两套绕组，分别为功率绕组 和控制绕组，其中功率绕组负责向外输出电能，频率为；控制绕组也叫励磁绕组， 由变频器供电，频率为以，负责控制电机内部的磁场变化。转子侧是特殊构造的结 构，有两种形式：鼠笼式和磁阻式。 极对数p 。 图2 - 3b d f m 结构简图 2 2 1 无刷双馈电机的异步运行 电网 无刷双馈电机的异步运行与两台电机构成的机组原理上相似，只是分开的定转 子绕组被单一定转子绕组所代替，两磁场共用一个磁路。 b d f m 异步运行时，功率绕组接到工频电源上，控制绕组通过滑动变阻器短接， 调节电阻的大小就可以在一定的范围内调节电机的转矩一转速特性。如果控制绕组 接整流器，可以实现滑差功率的回收。b d f m 与传统绕线电机相比，去掉电刷，可 维护性大大提高，适用范围进一步扩大。 b d f m 异步运行具有如下特点： 1 、定子绕组在接到三相电源时必须产生一个2 p 。极的旋转磁场，并且必须提供 一个由2 阢极磁场感应的电动势的短路回路，这个回路可以在绕组内部短接，也可 以通过电阻在外部短接。当外接电阻或整流器时，定子绕组必须至少6 个抽头。其 连接示意图如图2 4 所示。 2 、转子绕组必须由串联连接的2 p 。极绕组和2 p c 极绕组组成，并且将二者短接。 在低速运行时，二者必须具有相反的相序，也就是说两绕组必须产生方向相反的旋 转磁场。 1 5 华北电力人学硕士学位论文 图2 。4b d f m 异步运行示意图 2 2 2 无刷双馈电机的同步运行和双馈运行 彳 b c 同步运行方式是b d f m 特有的一种运行方式。在这种运行方式下，定子侧功率 绕组直接接到工频电源上，而控制绕组通过变频器连接到电源上，如图2 3 所示。 图2 - 5 三并联通路定子绕组 当b d f m 运行速度在6 0 ( p p + 见) 附近时，2 p 。极磁场以相对于定子的低滑差 速度旋转。如果此时在控制绕组通以直流电，那么电机将牵入同步速而同步运行。 同步运行速度只与电机定子绕组的极数和定子绕组所同电源频率有关，与其他因素 无关。 同时，两组电源不能相互直接影响，这可以通过绕组的适当连接来达到，图2 5 所示的多并联支路绕组可以达到这个目的。 由电机学基本理论，功率绕组和控制绕组在转子中感应的电流角频率分别为： ( o p t2 伪p p p ( - o r c r = c + p c r 其中= 2 矾p p 、吐= 2 # l p 。为功率绕组、 转角速度。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 定子绕组的旋转角速度，q 为转子旋 b d f m 在双馈稳定运行时，转子导条上只有一种电流流过，因此两定子磁场在 1 6 华北电力大学硕士学位论文 转子中感应的电流角频率应该相同，即缈，= ( - i ) c r ，因此 缈p p p ( - o r = + c o + p 。c a r ( 2 6 ) 则，b d f m 双馈稳定运行时的转速为： 甩：6 0 ( f p + f c ) ( 2 - 7 )甩= p p + p c 式中的“ 取决于两台电机的定、转子相对相序。当功率绕组电源和控制绕组电 源相序相同时“+ ”号，反之取“一”。当正= 0 时的转速称为自然同步速。z 前取 负号的调速，称为亚同步速调速，反之称为超同步速调速。 从式2 7 可见，b d f m 作电动机运行时，可通过调节控制绕组的供电频率c 来 调节转速；做发电机运行时，在不同机械转速n ，下调节控制绕组的供电频率c ，可 保证定子功率绕组输出恒定频率的交流电能，也即实现了交流励磁变速恒频发电。 2 2 3 无刷双馈电机的变速- 匣频发电原理 下面分析无刷双馈发电机变速恒频发电原理： 当控制绕组通入频率为五的电流时，在该绕组产生一旋转磁场，其转速为： n 。= 6 0 以p 。( 2 - 8 ) 则控制绕组在转子侧感应出频率为五，的电流，其表达式为： 厶：鲤笔坦 ( 2 9 ) 。” 6 0 ， 式中，当n 。与n ，旋转方向相反时，取“+ 号，反之取“一 号。由于无刷双馈电机 共用一转子，因此两套定子绕组在转子侧感应的频率相等。即 f , r = l r ( 2 1 0 ) 则功率绕组产生一旋转磁场，其相对于转子的转速为： n p r ：6 0 f p r ：( ，l ，聆。) 丝 ( 2 1 1 ) pppp 该旋转磁场相对于功率绕组的转速为： 疗p = r l ，+ ，z p r ( 2 1 2 ) 根据式，可得出功率绕组的电频率为： = p j 口，z ，6 0 = n r ( p ，+ 见) 6 0 正 ( 2 13 ) 由式( 2 - 1 3 ) 可知，当风力机转速m 变化时，只要适当调节控制绕组的输入电流 频率五，即可使功率绕组输出电频率石维持不变，从而实现变速恒频发电。 1 7 华北电力人学硕十学位论文 2 3 无刷双馈电机的能量传递关系【2 2 2 4 】 现分析控制绕组和功率绕组反相序连接时无刷双馈发电机的能量传输情况，由 式( 2 1 3 ) 可知，当控制绕组通入直流电，即正= 0 时，此时的转子转速定义为无刷双 馈发电机的自同步转速n 。，其定义表达式为： 6 0 厂 n o = 旦 ( 2 一。1 4 )2 2 一 【z 。耳j pp 七p c 按风力机转速n 的大小，可将发电机的运行分为几个不同的转速区： ，l n 。为 低速区、n o n , p 为中速区、n p n 为高速区。 l 、低速区( n n o ) 即0 0 、l s 。 0 ，控制绕组磁场与风力机相反。图2 6 为无刷 双馈发电机在低速区运行时的能量传递图。其中z 、只、只分别代表发电机功率绕 组、控制绕组有关的损耗以及转子侧的损耗；e 。为风力机轴上输入的机械功率：圪 为发电机的输出电功率。由图2 - 6 可见，风力机轴上输入的机械功率和变频器输入 的电功率扣除转子侧损耗、发电机功率绕组、控制绕组上有关的损耗后，转换成电 功率从发电机功率绕组输出。 p m 图2 - 6 低速发电状态能量流向图 2 、中速区( ”o n ，z p 、0 s 尹 l 、s 。 0 ，控制绕组磁场与风力机相同。从图2 - 7 可见，j x l 力机轴上输入机械功率扣除转子侧损耗、发电机功率绕组、控制绕组上相关的损耗 后，从发电机功率绕组输出，并从控制绕组通过逆变器向电网回馈能量。 图2 7 中、高速发电状态能量流向图 只 华北电力大学硕十学位论文 3 、高速区( n 。 n ) 即n p 刀。高速区运行 时的能量传输情况与中速区基本相同，控制绕组上连接的变频器的能量传输方向也 是从电机侧传向电网侧，如图2 7 所示。 根据b d f m 在不同转速区的能量传递关系分析可以看出：b d f m 运行在低速 区发电状态时，控制绕组通过变频器从电源吸收能量