（电力电子与电力传动专业论文）交流励磁变速恒频风力发电控制系统的实验研究.pdf

a b s t r a c t n o w ，e n e r 鍪y s o u r c e s c o n s u m ei n c r e a s i n gd a i l y a n d 鼢v i r o n m e n 毫e m p o i s o nb e i n gs e r i o u s g r a d u a l l y , w i n dp o w e 如a s r e n e w 8 b l e ，n op o l l u t i o ne n e r g ys o u r c e ，i sp a i dg r e a ta t t 。n 乜o n 姆 m o f e 氇矾m o r ec o u n t r i e s t h et e c h n o l o g y a l s ob e c o m e 嚣r e s e a r 姐 h o t s p o to fm a n yc o u n t r i e s s c h o l a r t 。 t h i sp a p e rh a sd o n ea l l - a r o u n d s t u d yo nt h ea ce x 。1 t e d v s c fw i n 鑫p o w e rg e n e r a t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m i nl a b a n dh a s e s t a b l i s h e ds t a b i l i t yt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc o n t i n u e8 t u d y w o 。k f i r s t t h i sp a p e rw a sd e t a i l e dt oi n t r o d u c et h ea ce x m e d vs c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m8 n dt h e v e c t o r c o n t f 0 1t e c h n i q u eo r i e n t e db yt h es t a t o rf l u xo f t h eg e n e r a t o f i th a s e s 专a b l i s h e dt h e l a bf l a t o ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n dh a v e d o 建e s o 趣er e s e a f c h w o r ko nt h el a b o fs e v e r a lr u n n i n g c o n d i t i o n i n c l 毽d i 魏驽n 爵l o a d ， c o n n e c t i n g t o g r i d ， s e c o n ds y n e 珏r 。n l z a t l o n ， s v n c h f o n i z a t i 。n ，s u p e rs y n c h r o n i z a t i o n t h r e ec o n d i t i o n so fv a r i a b l e s d e e dc o n s t a n tf r e q u e n c ye x p e r i m e n t t h ea u t h e n t i cr e s u l t v e r l t l e d t h ea n 轾l y t i ca c c u r a c yi nt h e o r ya n dh a v ev e r yi m p o r t 8 n t p r a c t l c a i s i g n i f i c a t i o nt oe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nt h es y s t e m k e yw o r d ： a ce x c r e d ，v a r i a b l es p e e dc 。n s t a n t - f r e q u 。n 。y w l 娃d p 。w 尊rg e n e r a t i o n ，o r i e 拄t e d b y t h es t a t o ff l u x , v e c t o r c o n t r o l ，e x p e r i m e n t i i 辽宁工程技术走擘硕士学位论文 创新点声明 本人声明所量交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。 论文的主要内容是对交流励磁变速恒频风力发电控制系统的技术进行 了较为全面的实验研究，从理论到实践的深入研究，通过对变速恒频风力 发电控制策略的详尽理论分析，为今后进一步的深入研究奠定了一定的理 论基础。 论文首先分析了交流脑磁双馈电桃的变速恒频运行的基本源理和在追 踪最大风能捕获变速恒频风力发电时必需酶定予磁链定l 瓣矢量控制策略； 为从理论上深入研究交速愎频控制策赡建立了交流励磁变速恒频鼹力发电 定子磁链定向控制的实验平台，进行了有、无功功率独立调节的实验分析 实现了从理论到实践的全磷研究。创新点是在前人的理论基础之上研制出 了一套交流励磁的双馈风力发电机控制的实验系统，进行了空载、并网发 电等一系列的运行实验；所完成的实验研究均验证了理论、模型和控制策 略的正确性、可行性。 尽我所知到目前为止国内外文献末见报道。 一 作者：相会杰 日期：2 0 0 6 年2 月 过宇工程援拳竞攀磺女学拉论交 第一章绪论 羔。l 风力发魄的国内外发髅现状 1 1 1 创建节约型移谐祧会震要缘毽电力 惫遂爨我魏生添串不鬻浚多熬登矮筑添演裁鑫，羲镄戆雯瀵蘧寒越谈 赖予电能和溉代机械给我们带来的馕铡。可是，遮样的依赖和僦利背麟， 辍藏着蔻瓿，郡就难入黉将萄箍麓不霹薅釜资潺豹旗竭，现存的能源状况 穗经捷我戳豁逢球麓入爨壤，大爽盛绥寻求廉癸黢霹霉生裁溪，辑戳缫惫 霹嚣生辘源燎人类黢源列翔豹耱潜力。 。 麸臻露整泰学寒巍，麓滚溃费在逐遽扩大，太类嚣簧幂嚣染辉壤鹩发 电系统。这藏怒“环豫电力”的绿色魄力。绿色魄力到底燕一种仟么样的 电力，哪些魄力属予绿色魄力? 目前建这样定义静： ( 1 ) 聪鼹特定鼹笈敷设冬，妇蠢隧邂、太粥戆邂铗发逛、她熬发瞧、 篷貔震辘汽惚发电耱小承嘏等足辩，将诫能、太阳熊等哥蒜生的麓源转倦 裁龟蕤，逶潼运静方式产生懿毫力嚣蒺茨瞧避穆中不产生或缀少产生对繇 麓畜窖藤撵漩妨f 热一氡证缀、二鬣饱氯、二襞鼹凝、造袋酸弼豹- - 蓑稔硫 落) ，且不需消耗纯石燃料，节省了有限的资源锉蓊，相对于常躐的火力发 瞧( 颦透过燃烧爨、匿溃、天然气等健鑫燃料的方建粢获褥瓣惫力) ，求是 予匿孬垒髓滚翳惑力曼舂潮予环城保护髑诞簿缕黢袋，辫藏棱秣为绿热瞧 力。 f 2 ) 不摊效c 0 2 豹发电方式多释多样，哪一释方筑力“熊怒义魏绿色 电力，备国谢不同溪解楚今还浚霄舞褥敌逛义。蓉遍认瑟懿旃法是，蕊 毖与太期熊蹩完全浆绿鱼戆源，赋为发电与太辫越发电是竞熬慧义上的躁 魏瓷力；蠢污繁；褥毒生，耀之季竭躺瀵渣惫力* i 1 。2 鬣彝撼毫发溪避状 风力发电已成为世界上发展最快的电力技术，并继续以强勘的增长遽 炭鹈慕爱袋，强诗熬2 0 1 0 年，盎毽爨巍力笈毫爨砉憨教惫餐翡魄爨将鑫 2 0 0 t 年的0 ，3 2 增长戮l ，7 8 。佟必磷舞生静绿惫憩潦，鼹整墓溢大豹懿犍 l 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 潜力和环保效益，在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快增速。地 球上的风能资源极其丰富。据专家估计，全世界风能资源总量为每年2 万 亿千瓦也就是说，仅l 的地面风力就能满足全世界对能源的需求，风力 发电具有显著的环保效益。风力发电每1 千瓦时电一般可减少消耗0 3 1 0 3 4 k g 标准煤，同时还会减少排放c 0 2 0 8 5 3 o 9 3 5 k g ，以及一定数量的 n 0 2 ，s 0 2 及粉尘灰碴等。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 各国都越来越重视风力发电。 截至2 0 0 2 年年底，全球风力发电机容量达3 2 0 0 0 mw 其总量已经相当 于3 2 座标准核电站。专家预测，世界风电进入快速发展时期。如表1 1 世 界风力发电现有装机情况。 表1 1 世界风力发电利用大国的现有装机量及预期装机总容量( m v ) 国家截止到2 0 0 2 年底2 0 0 2 年装机容量2 0 0 7 年底预期装 婪加煦容屠加煦容骨 德国 11 9 6 83 2 4 72 4 9 6 8 西班牙 5 0 4 31 4 9 31 3 0 4 3 美国4 6 7 44 2 91 1 5 7 4 丹麦2 8 8 05 3 03 8 8 0 印度 1 7 0 22 2 04 0 5 2 意大利 8 0 61 0 62 3 5 6 荷兰 7 2 72 1 9 1 3 8 7 英国5 7 05 53 4 2 0 日本4 8 61 2 91 6 8 6 中国 4 7 36 7 1 3 7 3 1 1 3 中国的风电发展现状及趋势 风力发电受地理环境影响较大，我国地域辽阔，地处北纬亚热带地区， 风能储量大分布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。全年平均风速 3 m s 及以上的时间达3 0 0 0 5 0 0 0 h 。平均风能密度为1 0 0 w m 2 ，可开发的 风能资源约2 5 3 亿k w 。我国重视洁净能源开发，以政府主导、企业推行、 全民参与的风电开发机制正在形成。国家经贸委2 0 0 0 年1 2 月发出国债 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 风电”项目实施方案目前运行情况良好，在引进消化吸收国际先进技术 的基础上，创新提高，开发具有我国自主知识产权的风力发电设备，形成 批量生产能力。预计到“十五”末我国风电装机容量将达到1 6 0 万千瓦。 我国风力发电从2 0 世纪8 0 年代开始起步，到目前全国风电场发展到 2 6 个。同时我国自主开发的2 0 0 3 0 0 k w 级风电机组的国产化率已超过 9 0 ：6 0 0 k w 机组样机的国产化率达到8 0 左右。我国具备了自行研制开 发容量从1 0 0 w 到1 0 k w 的1 0 多种小型风力发电机的能力，还开发了一批 风光、风柴联合发电系统。 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0 1 i ，因此我国的风力发电目前仍处于 起步阶段，为了进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用，发展 的重点是开发6 0 0 k w 及以上风力发电机组，实现规模化生产；研究开发无 齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机组；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。未来的主要目标是：2 0 0 5 年并网风力发电装机容量达到 1 2 0 万k w ，形成约1 5 - 2 0 万k w 的设备制造能力，以满足国内市场需求。 到2 0 1 5 年新能源和可再生能源年开发量达到4 3 0 0 万吨标准煤，占我国当 时能源消费总量的2 ；该产业将成为国民经济的一个新兴行业，有了国 家的重视和政策的支持，作为主要可再生能源的风力发电行业，也必将有 广阔的发展前景。 1 2 风力发电技术的国内外研究发展现状 1 2 1中国风力发电技术的研究发展现状 风力发电凭借其巨大的商业潜力和环保效益，日益受到专家学者的重 视。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发 电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系统的核心， 直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的 运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、 控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。风力发 3 辽宁工程技术大学硕士学位论叉 电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技 术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术发展的必然趋势，也是风 力发电中的关键核心技术。下面着重介绍一下发电机的变速恒频发电技术 的研究概况。 一、发电机的变速恒频发电技术 异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电系 统和变速恒频发电系统。 1 恒速恒频发电系统 恒速运行的风力机转速不变，而风速经常 变化，因此叶尖比速 不可能经常保持在最佳 值，风能利用系数c 。值往往与最大值相差很 大，使风力机常常运行于低效状态。 恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电 ， 输 出 弋j 功 塞 q 毫 v l1214 16 ， 电机转速 同步转速 n 机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械 图1 1异步电机输出功率 特性曲线的稳定区内运行，如图1 1 所示，异 步发电机的转子速度高于同步转速。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。运行点发生改变。 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 变速恒频发电系统 虽然目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系 统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行 的重要优点越来越引起人们的重视。自上世纪9 0 年代开始，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 级以上大容量风电系 统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。 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等， 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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。为充分利用风能，对这几种系统下 系统加以简单介绍。 ( 1 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 2 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相桥式整流器整 流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。 图1 2交一直一交风力发电系统 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 率变换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。 ( 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 电子变换电路组成，图1 3 示出磁场调制发电机单相输出系统的原理方框 图及各部分的输出电压波形。发电机本身具有较高的旋转频率f r ，与普通 同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为f m 的低频交流电励 磁( f m 即为所要求的输出频率，一般为5 0 h z ) ，当频率f m 远低于频率f r 时， 发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为( c + f m ) 和( 一f m ) 的两个分 量组成的调幅波，如图1 3 ( b ) 所示，这个调幅波的包络线的频率是f m ，包 络线所包含的高频波的频率是f r 。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器， 得到如图1 3 ( c ) 所示的基本频率为f m 的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸 管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图1 3 ( d ) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 艇雌陀陪v卅妒i v 吼廿 。( b ) ( e l ( d ) ( e ) 图1 3磁场调制发电机系 最后经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为f m 的恒频正 弦波输出图1 3 ( e ) 。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位， 正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。 磁场调制发电机系统的特点是： 换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。 晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很 易滤去可以得到相当好的正弦输出波形。 磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同， 因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单 可靠。这种发电机系统的主要缺点与交一直一交系统类似，即电力电子变 换装置处在主电路中，因而容量较大。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。 发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。 ( 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。当风速变化引起发 电机转速n 变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足： f l = p + f m + f 2( 1 2 1 ) 式中：f l 一定子电流频率，与电网频率相同； f m 一转子机械频率，f m = n 6 0 ： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 p 一电机的极对数； f 2 一转子电流频率。 当发电机的转速n 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 1 ) 取正号； 图1 4并网运行时的交流励磁发电机系统 当n n l 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 1 ) 取负号；当n = n l 时，处于同步状态， 此时发电机作为同步电机运行，f 2 - - 0 ，变频器向转子提供直流励磁。 由式( 1 2 1 ) 可知，当发电机的转速n 变化时，即p + f m 变化时，若控制 f 2 相应变化，可使f l 保持恒定不变，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。 ( 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，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。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， 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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 l - + l = b ，+ n 玩 ( 1 2 2 ) 式中：f d 一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； f c 一定子控制绕组电流频率： 。 p p 一定子功率绕组的极对数； p 。一定子控制绕组的极对数。 超同步时，式( 1 2 2 ) 取“+ ”；亚 同步时，取“一”。 由式( 1 2 2 ) 可知，当发电机的转 速n 变化时，即f m 变化时，若控制 f c 相应变化，可使矗保持恒定不变 变速恒频控制。 公用 电网 电机系 即与电网频率保持一致，也就实现了 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 。) ，因此图中所示的双向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。本文将对该种电机的变 速恒频方案作理论进行详细介绍。 1 2 2 国外风力发电技术的发展现状“ 现代风力机的发展起源于1 9 5 7 年名为“g e d s e r ”的2 0 0 k w 风力机， 它的主要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、下风式风力机。七十年代末， 名为“r i i s a g e r ”的2 2 k w 风力机，开辟了一个新的领域，在很多的私人庄 园和农舍得到成功的应用。 最近二十年的时间里，风力机的输出功率从2 0 k w 发展到2 m w 。风力发 r 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电技术方面也取得了很大发展，一是在风力机本身的控制技术上：在过去 的十四年里应用了节距控制技术，最近失速调节技术又得到实际应用；二 是在电气技术上，自从1 9 9 3 年，有些生产厂商就用同步发电机替代传统的 异步发电机。在风力发电系统中电力电子技术的进步也引出了新的控制思 想一变速控制。由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的七种风力发电 系统结构如图1 7 所示。下面对图1 7 中的风力发电系统结构加以说明。 图a 是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的比较传 统的结构，如使用笼型转子异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力 机就是这种结构。在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电 容器组，为平滑并网使用了电机软起动器。 图b 是用全程范围或“低风速区域”大小的变频器代替了图a 中的电 容器组和电机软起动器。它能使风力发电机在所有风速下变速运行。 图c 这种结构的基本思想是利用电力电子变换器改变外部的转子电 阻，来改变总的转予电阻，从而使转差率有1 0 的变化范围。控制了转差 率也就控制了系统的输出功率。 图d 这种结构使用双馈异步发电机，用变频器直接控制转子绕组里的 电流。用功率为发电机额定功率的2 0 3 0 的电力电子变换器，即可控制整 个的发电机输出功率。有两个原因促使这种结构得到广泛应用：1 ) 较图c 的结构有更宽的调速范围；2 ) 较全功率变换器更经济i 图e 这种全功率控制结构的典型应用是在航海船只上作为电源。无齿 轮箱，通过两个或三个叶片的上风式风力机与永磁发电机( 一般小于i k w ) 相连，发出的电能经整流器给蓄电池充电。这种结构的风力机也可以应用 于家庭风电系统或混合风电系统，这时风力机一般大于i k w 小于2 0 k w 。 图f 这种结构风力机不被广泛应用，它是通过整流器从电机外部来励 磁的。与前几种结构相比，这种结构吸引力不大是由于三种原因：1 ) 需要 励磁电路；2 ) 需要滑环；3 ) 风力机更加复杂的保护策略。 图g 这种结构风力机也不被广泛应用。与前几种结构相比，如果接于 电网的电力变换器是四象限变频器，那么这种结构就可以实现变速。 9 辽宁工程技术大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 图h 这种结构使用多极的绕线式同步发电机。与图g 的结构相同，但 由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。 笼型转于 使用异步发电机 绕线式转子 广酮 r 1 壅垫矍广 2 网妇。回 使用同步发电机 永磁发电机： e ：滓= 堕 蛔d _ 旺面 绕线式转子 脚乎是刍睁。一 陪娌司伽 图1 7 广泛采用的风力发电系统结构图 1 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 本文的主要内容 由前所述可知，作为绿色可再生能源的风能受到世界各个国家的重 视，风力发电技术同样也成为各国学者竞相研究的焦点。本文的选题就是 在这样的背景下进行的。 本论文主要内容如下： 第一章结合文献综述，介绍了风力发电技术的国内、外研究现状和趋 势以及本文的主要内容。 第二章分析了变速恒频运行的基本理论及定子磁链定向的控制策略， 通过详细的理论推导为下一章建立实验平台确立理论依据。 第三章根据风力机的运行特性和原理，用直流电机模拟风力机的方法， 构建了交流励磁变速恒频风力发电控制系统的实验平台，及实验系统的软 硬件组成，为实验系统的研究奠定基础。 第四章详细的分析交流励磁变速恒频风力发电控制系统的实验结果， 进一步验证控制策略的正确性。 第五章对全文作了总结 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第二章变速恒频运行的基本原理 2 1交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。 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行在最佳工况， 使机组效率提高。 2 1 1 交流励磁电机的优点 如果从电机转子的转速是否与同步转速一致来定义异步机或同步机， 则交流励磁电机应当被称为异步机。但交流励磁电机在性能上又不象异步 机而相反有很多同步机的性能。所以有的称交流励磁电机为交流励磁同步 电机，也有的称为双馈电机，因为定、转子都馈电。实际上，它是具有同 步电机特性的交流励磁的异步机，是一种从旧电机中发展出来的新型电机， 其性能比同步机还优越。交流励磁电机励磁的可调量有三个：一是可调节 励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。通过改变励磁频 率，可改变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过 快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负 荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁电流的相位时，由转子电 流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电 势与电网电压相量的相对位置，也就改变了电机的功率角。这说明电机的 功率角也可进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功 功率。当电机吸收无功功率时，往往由于功率角变大，使电机稳定度降低。 如通过调节交流励磁的相位，减小机组的功率角，使机组的运行稳定性提 高，从而可多吸收无功功率，克服目前由于晚间负荷下降、电网电压过高 的不利局面。因此说，交流励磁电机较同步机有更优越的运行性能。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理 由于交流励磁电机的这些独特优点及上述工程应用前景，本文将其选 作变速恒频运行的风力发电机。交流励磁变速恒频风力发电系统结构框图 如图2 1 所示。由风力机、齿轮箱、变压器、双p w m 变频器、双馈异步 发电机滤波器几部分构成。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系式： 图2 1 风力发电系统结构框图 众所周知，任何电机在稳定运行时，定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相 对静止、同步旋转的。对双馈电机有：嚣厶2 z ( 2 l 1 ) 式中：f l 一一定子绕组电流频率；f 2 一一转子绕组电流频率； n 一一转予旋转的转速：p 一一电机的极对数。 其中，“+ ”用于亚同步运行，“一”用于超同步运行，后者要求转子绕 组相序与定子相反。从这个关系式可以看出，当转子转速n 变化时，可调 节转子的供电频率f 2 ，保持f 不变，即保证定子馈电频率不变与电网一致。 采用这种交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点： ( 1 ) 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调 速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活：方便，提高了机组运行效率。 ( 2 ) 调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率：调节励磁电流相位， 可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。 ( 3 ) 需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积 减小，成本降低，投资减少。 正因为这些优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领 域应用的主流发电机。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 2 交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制策略研究 矢量控制技术是交流传动调速系统实现解耦控制的核心，它通过电机 统理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转 坐标系的励磁电流分量和与之相垂直的转矩分量，然后分别对它们进行控 制使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能。 借鉴这一思想，对于交流励磁双馈发电机系统来说，电机定、转子的 电流分别是工频和转差频率的交流量，是一个强耦合系统，简单地对交流 电流进行闭环控制而不进行解耦，效果并不理想。为了实现解耦控制，必 须应用矢量控制技术将实际的交流量分解成为有功分量和无功分量，并分 别对这两个分量进行闭环控制。因双馈电机的定子绕组直接连在无穷大电 网上，可以近似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的，所以双馈电机 矢量控制一般多选择定子电压或定子磁场定向方式，使定子磁链矢量与m 轴重合，定子电压矢量与负t 轴同向。本节将对这种定向方式下的矢量控 制策略进行详细研究。 2 2 1 基本的坐标变换关系 空间坐标位置关系示意图如图2 2 所示。控制中用到的基本坐标关系 有 b 相静止坐标系o0 的变换阵( 模不变型) k m ；磁矧 。 ( 2 ) 由静止两相坐标系c tb 到以任意 转速u 旋转两相坐标系d q 的变换阵 r 审+ 由p ) = i i c 。o i s n o p 。s 。i n 。 目l 图2 2 坐标关系示意图 其中，0 = 6 0 t 。 ( 3 ) 由三相静止坐标系a b c 到任意转速( l ) 旋转两相坐标系d q 的变换阵 辽宁工程技术大学硕士学住论文 ， t a l c 由p ) = r 印一由p ) t a s c 一+ 妒( o ) 2 ； 。阽一三。1 l 3 j “。阽一三。1 l3 。阽+ 三，r l3 一。i n f 口+ 三丌1 l3 ( 2 2 1 以后该式简写为t ( e ) ，简称3 s 2 s 变换。 2 2 2 交流励磁发电机的数学模型 一、电机的电感矩阵“1 应用绕组函数法，将三相定予绕组沿a s 的轴线展开，由三相绕组函数 可表示为 其中 删) = 等c o s 庐 m 炉等c o s 咿争 心( 扔= 等c o s ( + 等) n ：一4 n 。k 石 式中：n 。一一定子每相绕组的有效匝数； n 。一一定子每相绕组的串联总匝数； k ，一一定子绕组的基波绕组系数； 由一一从定子a s 轴线算起的空间电角度。 设转子旋转速度为。，若转子在旋转方向上转过o ，电角度，致使转子 每相绕组较定子的对应相在空间上落后0 ，电角度。仍以定子绕组a s 轴线 作为中= o 的起点，则转子三相绕组的绕组函数为 其中 ，口，( ) = ! c 。s ( 一绋) 6 ，( ) = 了n r c o s ( 一绋了2 7 l ) 心( ) ：了g r 啪s ( 一印+ 挈) z j n ? ：n k i 石 式中：n ，一一转子每相绕组的有效匝数 1 5 护 旧 | 宝 痂 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n ，。一一转子每相绕组的串联总匝数； k ，。一一转子绕组的基波绕组系数； 由定、转子绕组的绕组函数，可得电机的电感矩阵如下： 定子电感矩阵： 转子电感矩阵 l ，= l ，= 定、转子互感矩阵为 l ，= l 。， 上h + 工。 一三k 一昙k 一扛 三“+ 三。， 一扛 一去k 一昙k l b + l 。 l t ，+ l m r 一圭三。，一圭三。， 一丢。， 。+ 。， 一丢三。， 一j 1l 。，一互1 上。，l t r + l , r c o s o ， r 。 2 1 c 0 8 一一了石j r 。2 、 8 一十了万j 咖b + 引 j c o s 0 ， 。 一三石1 l 3 。b 一引 j 。 + 引 j c o s 0 ， 式中：l ，。一一定子绕组每相漏电感； l 。；一一定子绕组对应于主磁路的主电感； l 。，一一转子绕组每相漏电感： l 。，一一转子绕组对应于主磁路的主电感； l 。，二一定、转子间互感系数； 0 ，一一由于转子的旋转，使转子每相落后于定子对应相的电角度。 二、几个矩阵运算关系 由上述的坐标变换阵及电机的电感矩阵，可得出下面几个运算关系式 ( 1 ) t - i p ) = 昙t p ) 1 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( z ，t p ) 丢t 。p ) = t p ) 丢 吾t 。p ) = 三 ( 3 ) 鲁t p ) t - 1 p ) o珊 l 一0 j q t p 卜1 t 。1 p = l1 2 匕1 ：0 ：0 j 为单位矩阵 t ( 0 ) - u - t - ( 0 ) = 0 , u = f 1 ( 6 ) t p ) l t 一1 p e r ) = 吾k l ( 设e = 。，) ( 7 ) t ( e - 良) n t - 1 p ) = 吾。i ( 设。= 0 r ) 喇等m e r ) = c 烀。， 上式中，t ( e ) 定子绕组的旋转变换矩阵，t ( e 一8 ，) 是转子绕组的旋转变 换矩阵，因为转子的旋转使得其三相坐标相对于定子落后0 ，电角度。 三、交流励磁发电机的数学模型 在三相坐标系统中，电机数学模型为( 电动机惯例) ： 定子电压方程 转子电压方程 定子磁链方程 = 。+ 丢t 。 ( 2 2 2 ) u m ：l a b c r + 要甲。 口f 鼍口h 。= l 。i c s + l 。ib ， ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 1j 佃0 阵矩位单为 r = 叫叫“= 1 ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 转子磁链方程 甲。= l 0 i m + l ，i 。6 。 ( 2 2 5 ) 电磁转矩万丰呈 疋= ( a w 卅ci 。= 小。，等b c ， 亿z e ， 应用上面所得到的关系式，将该模型变换至任意速u 旋转的两相坐标 系统d q n 中。( 2 2 2 ) 式两边同时左乘定子绕组3 s 2 s 变换矩阵t ( 0 ) ，可 得 u 蛳= k + 三吾 甲蛳+ i d t 椰 ( 2 2 3 ) 式两边同时左乘转子绕组3 s 2 s 变换矩阵t ( 0 0 ，) ，0 ，= u ，t ， 可得 u 由。，= t a a n r + i ( ! ，) 一i q i 壬却，+ 鲁t 柳 r 1 l ( 一q ) 、o 。j r + 磊 ( 2 2 4 ) 式同时左乘定子绕组3 s 2 s 变换矩阵t ( 0 ) ，并写为 t 揶= t ( 口) l ，t 1 ( 曰) i 舢+ t ( 臼) l t 1 ( 臼一明i 却， 可得 叩由。= ( k + 吾三。) ：? t 由。+ 三t ， j ： - ；由。 ( 2 2 5 ) 式同时左乘转子绕组3 s 2 s 变换矩阵t ( 0 0 ，) ，并写为 t 却，= t ( 口一只) e ，t - 1 ( 日) i 由m + t ( 臼一p ) l ，t 一( 臼一只) i 由 可得 t 却，= 吾t ， ：o ；椰+ ( 。+ 吾k ，) ：o t 如， ( 2 2 6 ) 式可写为 可得 t 叩h 臼) t 舢1 鲁t 1 p 讲t 帆 辽宁工程技术大学硕士学位论文 聊号k 叫， 经匝比折算，并省去上标”，可写出在任意速两轴坐标系下电动 机惯例的数学模型( 标量式) ： 定子电压方程 转子电压方程 定子磁链方程 转子磁链方程 电磁转矩方程 t ：= 3p z 。i q , i d r - - i d s i q r ) 将定子绕组改为发电机惯例，而转子不变，则可以得到可用于矢量变 换控制的电机模型： 定子电压方程 转子电压方程 出 驴 y 妒 d一西d一班 + + 驴 出 y y 甜 一 + 出 俨 0 = = 出 驴 ” 由 旷 y y d一出d一出 + + 旷 出砂砂 一 一 0 一 + 出 矿 0 0 j j = 出 旷 “ h 0 0 0 + + 0 0 ，o j i l 出 驴 y y ，、l 出 矿 f f + + k 0 m f ， 一一 = 咖 矿 缈妒 ，、l 出 鲁 y 妒 d一西d一西 一 一 驴 出 y y 缈 + 一 出 驴 0 0 一 一 = = - 毪 驴 辽宁工程技术大学硕士学位论文 定子磁链方程 转子磁链方程 电磁转矩方程 。u p m 2 0 m - l m i d ， 【y 。= 1 j p l m i r i 吵d r = 一，。f 出+ l f i 卉 【少 = 一，。f p + ，w i t = i 3p ，。( f f ， 2 2 3 交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制策略 将上面的发电机惯例任意速坐标系下的数学模型变换至定子磁链定向 的以同步速旋转的两相坐标系m t 中，此时，u = u 、滑差频率u 。= u 一u ， 方程可写为： 定子电压方程 转子电压方程 定子磁链方程 转子磁链方程 p m r = r r i u r 一。毕n + 串m ， 【“n = o f 什+ ，妒胁+ 妒n f i l m s = l s i m s l m i m r 1 妒n = f n z 。f 什 弘m r = 一l 。i + lr i m r 妒n = 一z m i h + l ，i r r 、 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 2 1 0 ) 出 矿 妒 妒 d一曲d一班 + + 旷 卉 砂砂 一 一 p 一 + 打 矿 0 0 = = 廿 矿 胁 持y 一 一 兰茎q + 一 k k 一 一 = 1 i ，jl【 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电磁转矩方程 疋= = 3p ，。( f 。0 一f 。f 。) 由于交流励磁电机的定子总是接在工频5 0 h z 的大电网上，这样的频率 下定子绕组的电阻比其电抗小很多，可忽略不计。这样，以定子磁链来定 向，不论是对电动机还是发电机，定子磁链与定子电压矢量问的相位正好 差9 0 。电角度，使得控制相当简单，在实时控制系统中得到广泛应用。 如图2 3 所示，当选择定子磁链方向 为同步旋转坐标系m 轴方向后，有 。 麓嚣( 2 2 1 2 ， 略去定子电阻后，对发电机惯例来说有 u i = e i = 一盟d t 圈2 3 定子磁场定向示意 那么相电压矢量将比磁链矢量滞后9 0 。，正好落在t 轴的负方向上。由于 定子接于恒定的电网上，电压综合矢量将是常数，保持不变的。由于采用 的是模不变型变换矩阵，在两轴坐标系中，相电压的综合矢量的模仍为三 相系统的相电压幅值t l 。所以有 “m 枷( 2 2 1 3 ) 将( 2 2 1 2 ) 、( 2 2 1 3 ) 式代入( 2 2 7 ) 中并略去定子电阻，可得 j 奶i 乡 ( 2 2 1 4 ) 卜。 2 1 4 可见定子磁链也是恒定不变的。 一、空载时的控制策略 空载时，i 萨i 。= 0 ，代入定子磁链方程( 2 2 9 ) 中，可得 i = 一，。k 【0 = 一。0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 所以有i m r = 一 【f 7 = 0 转子磁链方程( 2 2 1 0 ) 式可写成 iy m = ，o 【矿n = ，f n = 0 那么转子电压方程( 2 2 8 ) 式为 “。= r 。+ 妒。= ( 。+ 丢) r 。 i“n = 。，f m ( 2 2 1 5 ) 该式在it r = o 时是成立的，但实际系统中，i ，不会很准确的为零，可以采 用一个p i 闭环调节来强制它为零。而u 。，和i 。，是一个比例积分关系，可用 一个p i 闭环调节来实现。 二、并网后的控制策略 并网后，机械能将不断地转换成电能从定子侧馈入电网。文“2 1 定义了 正交的两相坐标系中瞬时有功功率及无功功率的概念，考虑到上面的坐标 变换矩阵为模不变型，所以该两相坐标系下的瞬时有功功率、无功功率可 写为 p = 吾l 。“。】 笔 = 吾。k + “。r 。) a = 吾- 。一“。】 2 = 吾。n ，m 一“m ，n ) 由于两相系统中定子的m t 分量均为直流量，所以上式也可以认为是平 均功率的表达式。将( 2 2 1 3 ) 式代入上式，可得平均功率 p = 一三“，i n q = 一三“。k ( 2 2 1 7 ) ( 2 2 1 8 ) kh k j+ 刮 ，l 一 什 = 触p 可 式 心 由 辽宁工程技术大学硕士学位论文 再由转子磁链方程式( 2 2 1 0 ) 得出 一扣小差卜= - a y l + b 。 一小孙圳。 再由转子电压方程式( 2 2 8 ) 得出 “m = k 一吐p n + _ = ( ，+ b 丢t i m r - b m , i r , = u 。恤m 。：。， “。= ，。+ 峨少。+ 矿。= ( + e 丢 。一。蛾妒。+ 。钛k = 如+ “。 式中“0 、“为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，u