（电气工程专业论文）双馈风力发电机的稳态分析与变流器设计.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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) 学位敝作者躲挪灿 签字日期矽向年月2 7 日 翩躲铋九 签字日期- 砂牌7 月2 日 一1；r - 太 、 一 l d 中图分类号：t m 6 1 4 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 双馈风力发电机的稳态分析与变流器设计 s t e a d y - - s t a t ea n a l y s i so fd o u b l y - - f e dw i n d p o w e r g e n e r a t o ra n dd e s i g no ft h ec o n v e r t e r 作者姓名：郁灿 导师姓名：金新民 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 0 2 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：风力发电 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师金新民教授的悉心指导下完成的，金新民教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 金老师对我的关心和指导。 童亦斌副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向童老师表示衷心的谢意。 刘京斗老师对于我的科研工作提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，博士生张禄、战亮宇、周飞、唐芬、梁建钢 等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，张光听、赵志军等同学对实验的 顺利进行给予了支持，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 i i i 叫叫j 芒 j 中文摘要 中文摘要 摘要：随着全球性能源紧张和环境污染的加剧，世界各国都在积极寻找一种可持 续发展且无污染的新能源。风能凭借其多方面的优点，在新能源的开发利用中脱 颖而出。在大功率风力发电领域，双馈风力发电机凭着其体积小、重量轻、所需 变频器容量小、供电质量高等特点而成为大型风力发电机的主力机型。 双馈风力发电机将由叶片吸收的风能，经齿轮箱升速后转换为电能，双馈变 流器对发电机发出的电能变频、滤波并将其并入电网。因此风力发电的核心技术 是并网变流器，其效率的好坏、可靠性的高低将直接影响系统的性能和投资。 本文与其他论文对双馈风力发电机分析的不同点是从双馈风力发电机的等效 电路出发对其进行稳态分析，进而进行变流器的设计，避免了对双馈电机进行数 学建模和矢量变换的复杂性。 本文首先提出了双馈风力发电机的工作原理和运行工况，随后从电机的等效 电路出发对其进行稳态分析，并运用m a t l a b 软件对电机的稳态分析进行仿真。 最后从主电路、辅助与控制电路、结构和软件四个部分对双馈风力发电变流器进 行设计，并在现有的条件下，对所设计的变流器进行实验，从实验所得的数据验 证理论分析和设计的正确性。 关键词：双馈风力发电机；定子；转子；电网侧；电机侧；p w m ；变流器 分类号：t m 6 1 4 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t hc r i s i so fg l o b a l e n e r g y a n di n t e n s i f i c a t i o no fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n , c o u n t r i e si nt h ew o r l da r ea c t i v e l ys e a r c h i n gf o rs u s t a i n a b l ea n dn e we n e r g y w i n dp o w e rs t a n d so u tf r o mt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e we n e r g yb e c a u s eo f i t sm a n y a d v a n t a g e s t h ed o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o rh a sb e c o m et h em a i nm o d e l o ft h el a r g e s c a l ew i n dt u r b i n e sb e c a u s eo fi t ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t , s m a l lc a p a c i t y r e q u i r e df o ri n v e r t e ra n dh j l g hq 试i t yo f t h ep o w e rs u p p l yi nt h eh i 曲w i n dp o w e ra r e a t h ed o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o rt r a n s f o r m st h ew i n de n e r g ya b s o r b e db yt h e b l a d e st oe l e c t r i cp o w e ra f t e ri t ss p e e di sr i s i n gb yt h eg e a r - b o x t h ec o n v e r t e rc o n n e c t s t h ee l e c t r i cp o w e rw i 吐lt h eg r i da f t e rt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n df i l t e r s ot h ec o r e t e c h n o l o g yo f t h ew i n dp o w e ri st h ec o n v e r t e r , i t se f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yw i l ld i r e c t l y a f f e c tt h ep e r f o r m a n c ea n di n v e s t m e n to ft h es y s t e m t h ed i f f e r e n c eo nt h ea n a l y s i so ft h ed o u b l y - f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o rb e t w e e n t h i sp a p e ra n do t h e r si st h a ti ta n a l y z e st h es t e a d y - s t a t eo ft h eg e n e r a t o ro nt h eb a s eo f i t s e q u i v a l e n tc i r c u i t a n di tg i v e st h ed e s i g no ft h ec o n v e r t e r t h ep a p e ra v o i d st h e c o m p l e x i t yw h e nw en e e dt o # v et h eg e n e r a t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dt h ev e c t o r t r a n s f o r m a t i o n a tf i r s t , t h ep a p e rp r o p o s e st h ew o r kp r i n c i p l ea n do p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h e g e n e r a t o r t h e ni ta n a l y z e st h es t e a d y - s t a t eo nt h eb a s eo f i t se q u i v a l e n tc i r c u i ta n du s e s m a t l a bt os i m u l a t et h es t e a d y - s t a t ea n a l y s i s a tl a s t , i td e s i g n st h ec o n v e r t e rf r o m f o u rp a r t s ，s u c ha st h em a i nc i r c u i t , t h ea u x i l i a r yc i r c u i t & c o n t r o lc k c u i t ，t h es t r u c t u r e a n dt h es o f t w a r e w ea l s ot e s tt h ec o n v e r t e ru n d e rt h ee x i t i n gc o n d i t i o n sa n dv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nf r o mt h ed a t aw eg e tf r o mt h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：d o u b l y - f e dw i n dp o w e rg e n e r a t o r ；s t a t o r ；r o t a t o r ；g r i d s i d e ； g e n e r a t o r - s i d e ；p w m ；c o n v e r t e r c l a s s n o ：t m 6 14 序 序 本人在研究生学习阶段，在实验室参与了2 m w 直驱式风力发电变流器和 1 5 m w 双馈式风力发电变流器的研究与开发。在学习研究中，掌握了大功率变流 器的设计、控制电路的设计、双馈风力发电机的稳态分析等方面知识。本人研究 生毕业设计题目为双馈风力发电机的稳态分析与变流器设计，通过导师的指导 和同学的帮助，学习和掌握了双馈风力发电方面的知识，并且在实验室提供的实 验条件下，完成了1 5 m w 双馈风力发电变流器的开发，并成功配合1 5 m w 双馈 风力发电机满功率并网发电。但是由于学识水平、实践经验以及时间等的限制， 在很多方面做得还不够完善，需要进一步的努力。 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t - - 。v i i 序i 】【 1 引言1 1 1研究背景及意义1 1 2双馈风力发电系统3 1 2 1 风力发电技术分类3 1 2 2 双馈变速恒频风力发电系统4 1 2 3 双馈风力发电变流器一6 1 - 3论文主要研究工作9 2双馈风力发电机的稳态分析1 1 2 1双馈风力发电机的结构和基本工作原理1 1 2 1 1 双馈电机的结构1 1 2 1 2 双馈电机的基本工作原理1 2 2 2双馈风力发电机的稳定运行状态1 4 2 3双馈变速恒频风力发电系统中电机的运行工况分析1 5 2 4双馈风力发电机的稳定运行状态分析1 7 2 4 1 为什么要引入等效电路1 7 2 4 2 双馈风力发电机的等效电路分析1 8 2 4 3 双馈风力发电机运行在发电工况时的功率流动关系2 1 2 5双馈风力发电机的转矩2 4 2 6双馈变速恒频风力发电系统功率关系2 4 3 双馈风力发电机稳态分析仿真2 7 3 1仿真说明2 7 3 2发电机转速一转矩曲线2 7 3 3典型工作点的计算2 8 3 4仿真结果及分析3 2 3 4 1 转子电压平面3 2 3 4 2 转子电流平面3 2 3 4 3 转子变流器功率平面3 3 北京交通大学硕士学位论文 4 双馈风力发电变流器的设计。3 5 4 1 变流器主电路设计3 7 4 1 1 主电路电流的计算3 7 4 1 2 变流器容量的设计3 9 4 1 3s k i i p 功率组件的设计4 0 4 1 4 网侧滤波电感及主滤波器4 6 4 1 5 电机侧滤波器d u d t 电感的设计4 8 4 2变流器辅助电路和控制电路的设计5 0 4 2 1 预充电电阻5 0 4 2 2 过压保护器5 1 4 2 3 电源。5 2 4 2 4 低压电器5 2 4 2 5 控制电路的设计5 3 4 3变流器的结构设计。5 5 4 4变流器的软件设计5 6 4 4 1 软件控制理论综述5 6 4 4 2 软件控制策略5 6 4 4 31 5 m w 双馈变流器正常启动流程图。5 7 4 4 4 保护功能5 9 5实验结果及分析6 1 5 1概述。6 1 5 2满功率发电试验波形记录和分析6 3 5 3各转速对应数据测量和分析6 6 6 结论与展望6 9 6 1 结论。6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 1 附录a 7 3 附录b 7 4 附录c 7 5 附录d 7 6 作者简历7 7 独创性声明7 9 学位论文数据集8 1 引言 1 1 研究背景及意义 1 引言 随着人类社会进入2 1 世纪，经济迎来飞速发展的新时期。同时工业化进程的 进一步加快，使得能源消耗逐渐增加；工业生产过程中有害物质的排放量与日俱 增，造成气候异常、自然灾害频发和恶性疾病多发，因此能源与环境问题已成为 当今世界所面临的两大重大课题。 长期以来，我国能源利用结构不尽合理。我国的能源利用中煤炭占2 3 以上， 油气及核能和水电比例相对较低。这种能源结构不仅造成煤炭资源过分开采和浪 费，而且造成大量环境污染。因煤炭燃烧而排放的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化 物和烟尘分别占全国相应排放量的8 7 、7 1 、6 7 和6 0 ，这与国家领导人在 2 0 0 9 年底哥本哈根世界气候大会上的许诺“到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳 排放比2 0 0 5 年下降4 0 - - 4 5 相比仍有较大差距，这就要求可再生能源的应 用成为今后发展的必然趋势。同时，我国能源利用技术水平低、能效低，能源加 工、转换、输送和终端利用的效率为3 2 ，比国际先进水平低1 0 个百分点。此外， 我国石油资源有限，现正开采的油田大多数进入开采的中后期。1 9 9 3 年我国从石 油净出口国变为净进口国，石油进口的依存度逐年上升。随着我国对石油需求量 的逐年增加，石油进口的依赖程度会继续大幅攀升，我国能源安全面临重大挑战。 曾有科学家预计，2 1 世纪最重要的能源是核能、风能、太阳能、地热能和潮 汐能等。风能作为新型可再生能源的一种，有着取之不尽、用之不竭的优点。它 是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生自然资源。风 能的开发利用已有数千年历史，在蒸汽机发明以前，风能就曾作为重要的动力， 用于船舶航行、提水饮用和灌溉等。 风力发电具有无污染、投资周期短、占地少等优点，因此，风力发电技术受到 世界各国的青睐，也是当今世界能源开发利用中最成熟、最具商业化开发前景的 领域之一。 1 9 世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1 8 9 1 年，丹麦建成了世界第一座 风力发电站，自那以后，由于经济和技术等方面的原因，风能的开发走过了漫长 的历程。1 9 7 3 年石油危机发生以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料 的能源，投入大量经费，动员高科技产业来研制现代风力发电机组，开仓, l - f 风能 利用的新时期。一百多年来，风力发电技术不断进步，发展速度加快，风场规模 北京交通大学硕士学位论文 不断扩大。与很多年前相比，单个风机的出力达到原来的二百倍，一个现代化风 电场的发电量已经与一个常规电厂的发电量相当【l 】。 2 0 0 9 年全球风电装机总量达到1 5 7 9 千兆瓦，较上年增加了3 7 9 千兆瓦，美国继 续保持世界风电装机容量第一的地位，入网风电达到3 5 千兆瓦，装机容量比去年新 增3 9 ，接近1 0 千兆瓦。去年年初，曾有专家预计美国风电发展可能会由于经济危机 而萎缩5 0 ，但美国的经济振兴计划扭转了风电下滑的趋势。曾经是世界风电最大 市场的欧洲2 0 0 9 年继续保持强劲增长，新增装机容量达到1 0 5 千兆瓦。 我国幅员辽阔，风能资源十分丰富，两大风能地带西北、华北、东北和 东南沿海为风能资源丰富区，跨全国2 1 个省、市、自治区。到2 0 0 6 年底，我国 已建成和在建的共约9 1 个风电场，装机总容量达2 6 0 0 兆瓦。2 0 0 7 年风电市场增 长速度更快，预计到2 0 0 8 年将提前达到5 千兆瓦的目标。同时，有关部门正组织 编制有关风电前期、建设和运行规程，风电场管理在逐步走向规范化。 引言 只有通过现代先进的科学技术手段来规划、解决上述问题，才能使我们的风 力发电更加健康的发展，使风力发电更好的为人类进步和社会发展做贡献。 1 2 双馈风力发电系统 1 2 1风力发电技术分类 一百多年来，随着科学技术的不断进步，风力发电技术也取得了迅猛的发展。 风力机主要有垂直轴风力机和水平轴风力机两种类型 2 1 ，垂直轴风力机可以在任何 方向获得风能，但是其捕获风能的效率低，因此不被广泛使用( 见下图1 1 ) ；水 平轴风力机使用较广，一般采用三叶片形式( 见下图1 2 ) 。 图1 1 垂直轴风力机 图1 2 水平轴风力机 f i 9 1 2h o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e 风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，在此最佳转速时对风能的捕获效 率最高，而且风施加给风力机的应力最大，所以应控制风力发电机组运行在这个 最优化的转速下。 。目前，世界上比较流行的风力发电技术主要有恒速恒频风力发电技术和变速 3 北京交通大学硕士学位论文 恒频风力发电技术两大类。恒速恒频风力发电技术一般使用同步发电机或者鼠笼 式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒 定的数值，继而保证发电机端输出电压、频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄， 只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。 变速恒频风力发电技术是从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、矢量变换控制技术等引入到发电机的控制之中，获得了一种 全新的、高质量的电能获取方式。一般采用永磁同步电机或者双馈异步电机作为 发电机，通过变桨距控制风机使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运 行，是目前风力发电技术的主要发展方向。 1 2 2 双馈变速恒频风力发电系统 由于本文主要研究对象为双馈风力发电机与双馈风力发电变流器，即双馈风 力发电系统，故恒速恒频风力发电系统的相关内容在这里就不再做相关介绍。根 据采用发电机类型的不同，变速恒频风力发电系统可以分为直驱变速恒频风力发 电系统和双馈变速恒频力发电系绀1 4 】 1 5 】。 ( 1 ) 基于永磁直驱同步发电机的变速恒频风力发电系统 直驱变速恒频风力发电系统采用永磁直驱同步电机作为发电机，发电机后直 接与全功率变流器相连，经变流器输出的电能经升压变压器升压后直接并入电网。 该系统的基本拓扑见图1 2 ： 叶片 电罔 图1 3 采用永磁直驱同步发电机的变速恒频风力发电系统 f i 9 1 3t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e mw i t hd i r e c td r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o r 三相永磁直驱同步电机主要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料形状 的永磁体，用以产生恒定磁场，没有励磁绕组。定子上有三相电枢绕组，接可控 的变频电源。在新型的变速恒频风力发电系统里，采用永磁同步发电机直接联接 叶片，能使叶片与发电机之间取消齿轮箱，成为无齿轮箱的直接驱动型。因为使 用全功率变流器，使得系统调速范围宽，风能利用率高；同时因为是直驱系统， 省去了齿轮箱，使传动效率提高，可靠性提高，成本降低。采用永磁同步电机的 4 引言 变速恒频风力发电系统能够全功率变流，使并网电能质量完全可控。 采用永磁同步电机的变速恒频系统也有缺点，如变流器需按1 0 0 额定功率设 计，成本偏高；永磁同步电机价格昂贵，体积重量大，运输、吊装困难。 ( 2 ) 基于双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统 目前在风力发电领域广泛应用的是双馈型变速恒频交流励磁风力发电系统， 该系统采用双馈型感应发电机，发电机定子直接接到电网上，转子通过三相变流 器实现交流励磁1 3 ”。 该系统的基本拓扑见下图： 叶片 电网 图1 3 采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统 f i 9 1 3t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e m 、析md o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r 采用该系统时，由于双馈异步感应电机的特性，其定子绕组直接接到电网上， 转子通过背靠背变流器与电网连接，能够实现功率的双向流动。当风速发生变化 时，双馈风力发电机转速发生变化，通过控制转子励磁电流的频率，可以使定子 频率恒定，实现变速恒频发电。当双馈风力发电机次同步运行时，定子输出电磁 功率，转子输入转差功率；当双馈风力发电机超同步运行时，定子输出电磁功率， 转子输出转差功率。 由于这种变速恒频控制是通过对转子绕组进行控制实现的，转子回路流动的 功率是由发电机转速运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速 设计在整个转速运行范围中间。如果系统运行的转差范围为0 3 ，则最大转差功 率仅为发电机额定功率的3 0 左右，因此该系统交流励磁变流器的容量可仅为发 电机容量的一小部分，可以大大降低成本。 双馈型变速恒频交流励磁风力发电系统除了可实现变速恒频控制、减小变流 器的容量外，还可实现有功、无功的解耦控制，可实现电网的要求输出相应的感 性和容性无功，这种无功控制的灵活性对电网非常有利。但是因为轮毂和发电机 之间增加了高增速比齿轮箱，效率和可靠性有一定降低，价格相对较昂贵，且需 经常维护。但是由于双馈异步风力发电机体积小，重量轻、所需变流器容量小、 5 北京交通大学硕士学位论文 供电质量高等特点，使其依然成为大型风力发电机的主力机型。 双馈风力发电系统要求变流器具有双向能量流动的特性，同时要有良好的输 入和输出特性，以减少谐波对电网造成的污染。随着电力电子技术和电力电子器 件的发展，已经有很多类型的变流器符合这一要求，下面一节对常用的双馈风力 发电变流器进行介绍。 1 2 3 双馈风力发电变流器 对于双馈型风力发电机而言，由于转子能量的双向流动性，要求其转子变流 器也需具有能量的双向流动性，目前比较常用的主要有循环变流器、矩阵变换器 和交直交变流器。 ( 1 ) 循环变流器 循环变流器是将电网工频交流电直接变换成电压和频率可变的交流电，采用 的是晶闸管交交变频电路，其基本拓扑见下图： 图1 4 三相交交变频电路 f i 9 1 4t h r e ep h a s ea c - a cc o n v e r t e rc i r c u i t 循环变流器的特点是容量大( 1 0 0 0 k w 以上) ，且主要组成部分为电力电子器 件，省去了中间储能环节( 电容) ，但是输出电压谐波较多，输入侧功率因数低， 使用功率器件数量多，采用晶闸管自然环流方式。并且该电路动态响应较低，当 电网发生故障，如电网电压跌落时，难以对双馈电机进行较精确的控制，在中小 容量的变流器中已经很少采用。 ( 2 ) 矩阵变换器 为了既能省去中间储能环节，增加系统寿命，又能有效减少输出电压谐波， 现在受到关注较多的是矩阵变换器，其基本拓扑见下图： 6 引言 a b 、 c 、 w 图1 5 矩阵式交交变频电路 f i 9 1 5m a t r i xa c a cc o n v e r t e rc i r c u i t 矩阵式变换器由于没有中间储能环节，提高了其变换效率和使用寿命，同时 减小了变换器的体积，并且可以通过使用合适的功率器件，使部分功率器件的开 关过程为软开关过程。但是由于该电路所用开关器件较多，9 个开关单元共需1 8 个全控型器件，使得电路结构复杂，成本较高，同时控制电路复杂，控制方法也 没有完全成熟。 因此，该电路虽具有十分理想的电气性能，但是目前尚处于理论研究阶段 2 3 】。 随着电力电子技术的不断发展和计算机技术的日益进步，矩阵式交交变频电路将 有很好的发展前景。 ( 3 ) 交直交变流器 交直交变流器分为电压型和电流型两种，目前应用较多的是电压型变流器， 这主要是因为：电流型变流器中的器件必须对称承压，且器件工作比较慢；电流 型变流器的动态响应与电压型变流器相比较为迟缓，电流型变流器不能开环运行， 而开环的压频比控制对电压型变流器是很普遍的；最为重要的是电流型变流器需 要接一个最小负载才能正常运行，这种缺陷限制了它在很多领域的应用。反之， 电压型变流器很容易在空载情况下运行【5 j 。 这里主要介绍电压型交直交变流器，这种类型变流器的基本拓扑见下图： 图1 6 交直交变流器 f i 9 1 6a c d c a cc o n v e r t e r 上图中，变流器主要由两个背靠背的p w m 变换器组合而成，一个p w m 变换 器可以同时实现整流和升压的作用。当系统工作时，电网侧的p w m 变换器工作在 整流状态，将交流电转换成直流电，电机侧的p w m 变换器再将直流电变换为负载 7 北京交通大学硕士学位论文 所需电压和频率的交流电。在运行的具体控制过程中，这两个p w m 变换器各司其 责。其中，电网侧变流器保证其具有良好的输入特性，同时保证直流母线电压的 恒定；电机侧变流器完成对双馈电机有功和无功的控制。 三相电压型p w m 整流器是目前应用最为广泛的技术，其应用实例、科研开发、 研究论文【柏】都是最多的，控制技术也是最先进的，并且现在已经有功率元器件厂 家生产专用于p w m 整流器的功率模块，这种模块集成了i g b t 驱动、过流、超温保 护等功能，给我们应用三相电压型p w m 整流器设计大功率变流器带来了很大的便 利。但是由于变流器中间增加了直流环节，需用大容量的电解电容进行储能，而 电解电容随着使用时间的增加，其寿命会受高温、谐波电流等的影响而减少，从 而使整个系统寿命减少。 ( 4 ) 三种变流器的比较 前面介绍了三种可用于变速恒频双馈风力发电系统的变流器，下面从功率元 器件数量、效率、谐波问题、控制程度的复杂性来对三种变流器进行比较分析， 选择最适用于变速恒频双馈风力发电系统的装置。 功率元器件数量 循环变流器是在以晶闸管作为开关器件的交交变频电路的基础上搭建而成 的，需要大量的晶闸管，且每个晶闸管的利率用却很低；矩阵变换器需要双向功 率开关器件，如按现有的单向功率开关搭建的话，所需的功率开关器件要比交直 交变换器多，所以从功率元器件数量上比较，交直交变流器有着一定的优势。但 是循环变流器和矩阵变换器没有中间储能装置，从而延长了装置的寿命，这是它 们优于交直交变流器的方面。 效率 效率的问题也就是损耗的问题。对于变换器而言，损耗包括开关功耗和导通 损耗两部分。相对于交交直接变换和矩阵式变换还说，交直交变换是最具优势和 潜力的。 谐波问题 在上述介绍中已阐明，循环变流器由于采用半控型器件，晶闸管为主要功率 元器件，输出电压谐波多，输入侧功率因数低；矩阵变换器和交直交变换器都能 有效抑制谐波。 控制程度的复杂性 循环变流器采用晶闸管自然环流方式，但是电路动态响应低；矩阵变换器控 制电路复杂，控制方法也没有完全成熟，目前尚处于研究阶段。这三种中，控制 方案最简单、可靠，技术上最成熟的是交直交双p w m 变换器。交直交变流器的核 心部分是p w m 整流器，近年来已得到广泛应用，其控制方案现也已发展的很成熟。 8 引言 综上所述，通过比较得出结论：电压型交直交双p w m 变换器是目前用作双馈 变速恒频风力发电交流励磁电源的最具优势的一种变流器。 1 3 论文主要研究工作 本文的主要任务是1 5 m w 双馈风力发电机的稳态分析和变流器的设计，包括 双馈风力发电机工作原理的分析，电机稳态运行工况的分析，变流器主电路拓扑 结构的选择，主电路参数的计算及其所需器件的设计和选型等。 ( 1 ) 首先从风力发电必要性、国内外风力发电发展现状和风力发电面临的挑 战三个方面介绍了课题研究背景及意义，随后提出了双馈变速恒频风力发电系统， 并从风力发电技术分类、双馈变速恒频风力发电系统和双馈风力发电变流器三个 方面进行介绍，最后给出了论文的主要研究工作。 ( 2 ) 分析双馈风力发电机的结构和基本工作原理，介绍了何为双馈感应电机 的稳定运行状态，明确双馈变速恒频风力发电系统的运行机理。讨论了双馈电机 在次同步电动、次同步发电、超同步电动、超同步发电等工况下的运行特性及各 工况下有功功率在双馈电机中的流动过程。随后给出了双馈电机的等效电路，并 从引入等效电路的原因、等效电路的分析和发电工况时的详细功率流动关系三个 方面进行了介绍。最后给出了电机转矩的定义，并介绍了双馈变速恒频风力发电 系统的功率流动关系。 ( 3 ) 根据双馈风力发电机等效电路的分析，计算其在次同步发电和超同步发 电时转子电压、电流和有功功率的大小，并应用m a t l a b 软件的数据可视化功能 进行仿真，分别在三维立体空间中绘出转子电压、电流和有功功率与转速和转矩 的关系平面，并进行分析。 ( 4 ) 从变流器主电路的设计、辅助电路和控制电路的设计、结构的设计和软 件的设计四个方面介绍了双馈风力发电变流器的设计。 ( 5 ) 在实验室用原动机拖动1 5 m w 双馈风力发电机，并带设计的双馈风力 发电变流器满功率发电，测量各转速时定子电流、转子电流和电网电流等电量来 进行稳态分析的验证和变流器设计的校验。 9 双馈风力发电机的稳态分析 2 双馈风力发电机的稳态分析 2 1 双馈风力发电机的结构和基本工作原理 2 1 1双馈电机的结构 随着风力发电技术的蓬勃发展，双馈异步风力发电机受到了越来越多的重视。 双馈异步风力发电机在结构上和绕线异步电机类似，因其定子、转子都可以馈入或 者馈出能量，“双馈 的定义由此而来。由于双馈发电机是由转子提供交流励磁， 所以双馈发电机也称为交流励磁发电机。 双馈电机的工作原理是电磁感应原理，定子的三相电流产生旋转磁场，并与转 子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量交换。正常情况下，感应 电机的转速总是略低于或略高于旋转磁场的转速( 同步转速玎。) ，因此感应电机 又称为“异步电机”【3 j 。 双馈风力发电机的结构见下图： 图2 1 双馈电机的基本结构示意图 f i 蜉。1t h eb a s i cs t r u c t u r ed r a w i n go fd o u b l y f e dg e n e r a t o r 双馈电机主要由定子、转子和气隙组成。 感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，定子铁心是主磁路 的部分，在定子铁心内圆上，均匀地冲有许多形状相同的槽，用来嵌放定子绕组， 如下图中的照片所示： 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 双馈电机定子实物 f i 醇2t h es t a t o r sp h y s i c a lp h o t od o u b l y - f e dg e n e r a t o r 电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。双馈异步风力发电机在结构上 和绕线异步电机类似，绕线型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的 三个出线端接到设置在转轴上的三个集电环上，再通过电刷引出，见下图中的照片： 图2 3 双馈电机转子实物 f i 薛3t h er o t o r sp h y s i c a lp h o t od o u b l y f e dg e n e r a t o r 为了减少激磁电流、提高电机的功率因数，电机的气隙通常选的较小。 2 1 2双馈电机的基本工作原理 异步电机基本的工作原理是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场，若忽略槽的 影响和由于非理想绕组分布产生的空间谐波，当正弦三相对称电源加到三相定子绕 组上会建立一个同步的旋转磁场，若初始时转子处于静止状态，磁场将从转子导条 上扫过，从而在短路的转子电路中感应出相同频率的电流，气隙磁链和转子磁动势 相互作用产生转矩，使电机转动嘲。 在电机以同步转速刀。运行时，转子中不可能产生任何感应，因此，也不可能 产生转矩。在电机运行在任何其他转速刀时，同步转速刀。与转子转速n 之差称为转 差，转差会感应出转子电流，从而产生转矩。转差血与同步转速刀。的比值称为转 差率，用s 表示，即 1 2 双馈风力发电机的稳态分析 。一n s n s = l 一 馋 当电机的负载发生变化时，转子的转速和转差率将随之变化，使转子导体中的 电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。 双馈电机工作时定子连接到电网上，转子接有变频电源，转轴上施加转矩。上 述三者共同决定了电机的运行状态。转子激励源对转子电流的控制决定着电磁转 矩。它不仅可以控制电磁转矩的大小，还可以控制电磁转矩的方向。异步电机只能 工作在次同步电动和超同步发电状态，而双馈电机还可以工作在次同步发电和超同 步电动状态。异步电机在定子电压恒定时，外特性是一条曲线，双馈电机则是一个 二维区域。在定子接到电网的情况下，电磁转矩取决于转子电流。 当转子转速低于同步转速时( 以 刀 0 ) ，转差