（电力系统及其自动化专业论文）双馈风力发电机组励磁控制研究.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t e n e r g ys o u r e es c a r c i t ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r eg e t t i n gm o r ea n dm o l e s e r i o u sd u et ot h ed r a m a t i cd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , a n do u rc o u n t r yi ss t r a n d e di n t h i sp r o b l e ma sw e l l i no r d e rt oq u e s tt h ee n e r g ys o u r c ew i t h o u tp o l l u t i o nt h a tc a l lb e e x p l o i t e da n du t i l i z e db yl a r g es c a l e i ts t a n d si nt h eb r e a c ht od e v e l o pa n du t i l i z e w i n dp o w e r w i t ht h ei n c r e a s i n gs c a l eo fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h ep o w e r g e n e r a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e nf o c u s e do ni m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fw i n dp o w e r g e n e r a t i o n f o rt h i sr e a s o n , i th a st h ea b s o l u t ea d v a n t a g et oa d o p tt h et e c h n i q u eo f 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 s c f ) t h i sd i s s e r t a t i o nn l a k e ss t u d yf o rt h ee x c i t a t i o nc o n t r o lo fv s c fd o u b l y f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i b yr o u n d e ds i m u l a t i o na n a l y s i s f i r s t , an o v e lc o n t r o l s t r a t e g yi sp r e s e n t e df o rd o u b l e f e dw i l l dg e n e r a t o r sn o l o a dc u t t i n g - i nb a s e do nt h e f i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u ea n di m e g r a lv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( t v s c ) a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ee x i s t i n gt e c h n i q u e so f c u t i nc o n t r o lf o rw i n dg e n e r a t o r t h e c o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so f t w oc u r r e n tc o n t r o l l e r su s i n gi v s ca n da v o l t a g ed e v i a t i o n c o n t r o l l e rb a s e do nc h a n g i n gi n t e g r a t i o nr a t e w i t ht h i sc o n t r o ls t r a t e g y , s y s t e m e x h i b i t ss t r o n gr o b u s t n e s st om a n yk i n d so fd i s t u r b a n c e si ng l o b a lr a n g ea n db e s t d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，1 1 l es e c o n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd u a lp w mc o n v e r t e r , w h i c h i su s e df o rd f i ge x c i t a t i o n , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr o t o r s i d ec o n v e r t e ra n d 舒d s i d ec o n v e r t e ri nc o n t r o la n df u n c t i o na s p e c t si sd i s c u s s e d ，i no r d e rt oa c h i e v e t h e p u r p o s e so fc o n s t a n t d c l i n kv o l t a g ea n db i d i r e c t i o n a l p o w e rf l o wf o rt h e g r i d - s i d ec o n v e r t e ro fd o u b l e f e dw i n dg e n e r a t o r , am e t h o do fh y s t e r e t i cc u r r e n t c o n t r o lw i t hv o l t a g es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o df v s m h c c ) a n dv o l t a g ep i c o n t r o lb a s e do nc h a n g i n gi n t e g r a t i o nr a t ei sp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，s i m u l a t i o ns t u d y w r sc a r r i e do u tw i t hv s c fw i l l dg e n e r a t i o ns y s t e m a tl a s t t h er e s e a r c ho fd f i g o u t p u ta c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rd e c o u p l e dc o n t r o la f t e rc o n n e c t e dt op o w e rs y s t e m i ss t u d i e d a ni m e g r a t e ds i m u l a t i o nm o d e lo fa ce x c i t e dv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mi sf o u n d e du s i n gp s c a d b a s e d o nt h i sm o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h e n o l o a dg r i d c o n n e c t i o nc o n t r o l ，t h eg r i d s i d ec o n v e r t e rc o n t r o la n dd f i go u t p u t a c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rd e c o u p l e dc o n t r o la r cc a r r i e do u t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n t e s t i f yt h ev a l i d i t yo f t h et h e o r ya n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：v s c f ；d f i g ；v a d a b ks t r u c t u r ec o n t r o l ；d u a lp w mc o n v e r t e r ； h y s t e r e t i cc u r r e n tc o n t r o l 1 1 1 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容末包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 ； ， 论文作者签看- 二董趟：日期：丛年之月堡日 导师签名： j 盈墨羔童盛)日期：王9 q 2 年l 月二生日 第1 帝绪论 第1 章绪论 1 1 引言 人类社会文明的每次进步都伴随着人与自然界的不懈斗争。对自然资源 的丌发利用贯穿于整个人类的历史长河。由于第三次工业革命的到来，使人类 对化石类燃料的需求达到了空间的境地，随之而来的就是对环境的巨大破坏。 因此，能源、环境问题已经成为当今人类生存和发展迫切需要解决的问题。我 国也正在经受着能源短缺和环境问题的困扰。尤其是我国的能源再也难以支撑 传统工业文明的持续增长，环境更难以支撑当前这种高污染、高消耗、低效益 生产方式的持续扩张。掘统计1 1 】，我国的石油消耗在过去2 0 年里以每年5 的速 度增加，预计到2 0 1 0 年达到3 亿吨左右。而国内年产量仅能达到不足2 亿吨， 届时我国石油供需缺口将近1 亿吨。能源对经济发展的制约作用开始凸现，并 且呈现日益加剧之势。例如，一场席卷全国的“电荒”正在威胁中国经济的发 展，全国在2 0 0 2 年1 2 个省缺电的基础上，2 0 0 3 年，全国2 1 个省市区拉闸限电。 电荒进而又引发了电煤、柴油供应紧张，煤、油紧张又加剧了电荒。缺电，不 仅严重危害国民经济的快速发展，而且还会影响到社会的稳定。其隐性损失更 是不可估量的。 风能作为一种可再生能源，是目前最具有大规模开发利用前景的能源，也 是一种最具有竞争力的非常规能源，更是大自然中取之不尽用之不竭而且无污 染的清洁能源。在电力紧缺和能源危机日趋严重的今天，风能的开发和利用具 有特别的现实意义。从世界范围看，欧洲和北美在开发和利用风能发电方蔚处 于世界领先地位，尤其是欧洲的丹麦、德国和英国以及北美的美国。我国也出 台了相应的政策、法规，采取各种措施鼓励和扶持可再生能源的开发和利用( 2 f 。 我国的风能资源就如沙特的石油储量一样丰富，风电投资前景非常广阔，可利 用风能约为2 5 3 亿k w 。按当前实施的政策，预计至f , 2 0 1 0 年累积总装机约3 0 0 5 0 0 万k w ；2 0 3 0 年累积总装机约8 0 0 0 万k w ：2 0 5 0 年累积总装机约2 亿k w 。届时，胍 能将会成为我国主要的发电能源之一。 东北电力大学硕+ 学位论文 1 2双馈风力发电机励磁控制的发展与概况 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计算机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，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f 3 l ： 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， 提高了风能转换的效率。 2 使发电机与电网之间的刚性连接变为柔性连接。当风速突变时，能吸收 阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少了阵风冲击对风力机带来的疲劳损 坏，减少了机械应力和转矩脉动，延长了风力机寿命。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 通过矢量控制技术，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的独立 解耦调节。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。 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。另外， 变速运行还可以减少运行噪声等其它一些优点。总之，由于这些优点，风电机 组正朝着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展。 2 0 世纪8 0 年代，国外o r t m e g e r 、b r a d y 等学者【4 】1 5 】对双馈电机在v s c f 发电系 统中的应用原理进行了较深入的研究。在9 0 年代，l x u ，l m o r e l ，v i l s b o l l 等学 者 6 - 9 1 进一步对双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用进行了理论分析、计 算机仿真和实验研究。我国学者在文献 1 0 1 3 d p 运用电路法对变速恒频双馈电 机的运行原理、基本方程、等效电路、相量图及功率和转矩等进行了理论分析。 文 1 4 】提出了一种考虑双馈电机主磁路饱和的数学模型，对在不同转速下的稳态 第l 章绪论 特性进行了仿真计算。这些研究成果给双馈风力发电机组的控制方案设计提供 了参考。 到了九十年代，随着微机控制技术的发展，双馈电机在工业领域的应用突 飞猛进。尤其近十年来，是双馈电机发展的黄金阶段。变速恒频双馈风力发电 机的生产技术臼臻成熟，大型变速恒频水轮发电机组、兆瓦级双馈风力发电机 组相继问世。变速恒频双馈风力发电机组已由基本控制技术向优化控制策略方 向发展，即在额定风速以下采用最大风能捕获控制f 1 5 ”】，在高于额定风速时采 用变桨距恒功率控制策略。文 1 5 u 8 提出了一种无需检测风速、基于参考功率 优化计算模型和矢量变换控制技术的最大风能追踪控制策略，并给出了实验结 果。文 1 9 1 以d f i g 的精确数学模型为依据，针对传统的矢量控制方式的不足， 提出了改进的控制方案。可以有效控制转子电流，保护转子励磁变频器，提高 了变速恒频d f i g 在电网故障下的不间断运行能力。 1 2 1d f i g 的关键技术和研究热点 目前，变速恒频双馈风力发电机组向大容量、智能控制和高可靠性方向发 展，发达国家已经研制了3 5 m w 的变速恒频双馈风力发电机组l 硼。由于风电机 组的运行状态和控制策略都是通过转子励磁控制来实现的。所以，变速恒频双 馈风力发电机组的技术是转子励磁控制技术，对变速恒频双馈风力发电机组控 制技术的研究主要是对转子励磁控制器的设计及控制策略的研究1 2 】口2 1 。大体说 来有以下几个研究热点田】： 1 系统的建模与仿真。 变速恒频双馈风力发电机组是一个复杂的涉及多学科的控制系统，特别是 对大型并网风电机组，很难进行实验研究。因此，系统的建模和仿真研究十分 重要，尤其是对转子励磁系统的建模，采用不同的逆变技术和变换器的硬件结 构，有不同的励磁控制模型。还有如何将励磁系统的控制模型和发电机组的控 制模型有机地联系起来也需要深入研究。目前，我国学者也正在进行对系统建 模与仿真、转子励磁控制技术和控制策略的研究。 东北电力夫学硕_ 卜学位论文 2 转子励磁控制器的设计及其逆变技术的研究。 转子励磁用的变换器不仅频率低( 超低频) ，而且要求输出电压的频率、幅值、 相位和相序均是可调节的，不同于以工频逆变为主的通用变频器。这方面的研 究主要应解决的问题是：高电压大功率逆变器的设计、超低频逆变技术、双向 变换控制技术和变换器与发电机的参数配合等问题。 3 变速恒频双馈风力发电机的励磁控制策略。 对变速恒频双馈风力发电机组励磁控制策略方面的应用研究已有不少成 果。但变速恒频双馈风力发电机组是一个庞大复杂的系统，目前国内有关文献 主要集中在：双馈发电机矢量控制特性研究：转子励磁控制策略及技术研究； 最大风能捕获的风电系统控制策略研究等。对整个系统进行综合分析研究的比 较少。 1 3本文主要研究内容 本文研究的变速恒频双馈风力发电机组是采用交流励磁的绕线式双馈感应 发电机。交流励磁变速恒频发电是在双馈电机的转子中施加转差频率的电压( 或 电流) 进行励磁，调节励磁电压的幅值、频率和相位，实现定子恒频恒压输出。 励磁电源由两个“背靠背”连接的电压型p w m 变换器( 分别记做转子侧变换器 ( r o t o r - s i d ec o n v e r t e r ) 和网侧变换器( c m d s i d ec o n v e r t e r ) ，总称为双p w m 变换器 ( d o u b l ep w mc o n v e r t e r ) 组成。转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流， 完成定子磁链定向矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子输出功率的调节。 当电机亚同步速运行时，往转子中馈入能量，作逆变器( i n v e r t e r ) 运行；当电机超 同步速运行时，从转子中吸收能量，作整流器( r e c t i f i e r ) 运行，并通过网侧变换 器将能量回馈到电网；当电机以同步速运行时，向转子馈入直流励磁电流，实 际作斩波器( c h o p p e r ) 运行。网侧变换器运行模式与此正好相反，配合转子侧变 换器的运行，实现能量双向流动。此外，网侧变换器还需控制直流母线电压恒 定以及调节网侧的功率因数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。 风力发电系统包含了由风能到机械能和机械能到电能两个能量转换过程。 发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务，风轮机及其系统承担的是前 一个能量转换过程，对其的研究和设计也是风力发电技术研究中的一个重要分 第1 章绪论 支。但它不是本论文研究的主要内容，故不在赘述。本文关注的是将机械能转 换为电能的发电机。它不仅直接影响这个转换过程的性能，效率和供电质量， 而且还影响到前一个转换过程的性能，效率和装置结构。因此，研制和选用适 合于风电转换使用的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统是 风力发电工作的一个重要组成部分。论文研究工作具体包括以下几方面； 1 通过交流励磁双馈风力发电机数学模型的建立，对变速恒频风力发电用 双馈感应发电机的矢量控制方法进行了介绍。 2 基于滑模变结构控制理论，提出了一种新的基于积分型变结构控制器的 空载并网控制策略。采用p s c a d 软件，搭建了变速恒频双馈风力发电系统空载 并网仿真系统。仿真验证了所提出控制策略的有效性，并于传统的p i 控制进行 了对比研究。 3 ，针对双馈型感应发电机转子能量双向流动的特点，讨论了双p w m 型变 换器尤其是网侧变换器的控制方法。对其采用电压空间矢量电流滞环控制的策 略。提高了整个系统的响应速度，有效的抑止了直流侧电压的波动。 4 根据交流励磁双馈发电机的基本理论及定子磁场定向的矢量控制策略。 对并网后的有、无功功率解耦控制策略进行了研究。建立了变速恒频双馈风力 发电系统的仿真平台，对各种运行工况进行了完整的系统仿真。 东北电力大学硕卜学位论文 第2 章交流励磁双馈发电机的基本理论 2 1 d f i g 变速恒频运行的基本原理 根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得 出变速恒频双馈风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数 学表达式： 石= 裔腑正 ( 2 一1 ) 式中，：为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以z 与电网频率相同；“为 电机的极对数；, 为风力发电机的转速； 为转子电流频率，当转速, 发生变化 时，若调节可使，：保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机 的变速恒频控制。当” , 时，风力发电机处于超同步速运行，式( 2 1 ) 取负号；当n = n ，时，厶= 0 ， 励磁系统向转子提供直流励磁，此时发电机作为同步电机运行。 2 2双馈发电机的数学模型 在讨论d f i g 在三相静止坐标系和两相同步速旋转坐标系下的数学模型时 定转子绕组采用电动机惯例。为了便于讨论，作如下假定： 1 忽略定、转子电流高次谐波和定、转子磁动势高次谐波分量； 2 忽略电机铁心磁滞、涡流损耗及磁路饱和的影响： 3 转予量均折算到定子侧。 在上述假设的前提下，d f i g 的绕组等效为图2 1 的物理模型。根据规定的 正方向，得到d f i g 在不同坐标系下的数学模型如下【冽： 第2 章交流励磁职馈发电机的基本理论 图2 - 1d f i g 的物理模型示意图 2 2 1 三相静止坐标系下的数学模型 1 电压方程 三相定子绕组电压方程 f 蚝1 = 墨岛+ ，巧i u b | 。马f b l + p l ( 2 2 ) 【= 置l - 4 - ，只i 式中：u a 、l 、虬。、“b 2 、l 。2 为定、转子相电压瞬时值，下标“l ”、“2 ” 分别表示定子、转子：f l l 、如、f c 2 为定、转子相电流瞬时值：只，、 、比。、为定、转子各相绕组磁链；马、是为定、转子绕组等 效电阻，p 为微分算子。 2 磁链方程写成距阵形式 卧臣k z 。= j l ： 4 ( 2 4 ) o 口 此此此 + + + k k k膨厨岛 l l l l = ，、，l 程方压电组绕子转相 三 东北电力大学硕士学位论文 其中：鬈= 【只。，。，k 。】t 、= 【，：，乎乞】t 、= 【l a l ，i c l 】7 、毛= ，f c 2 】t ik + k t l 2 k i 一1 2 k ，l ，= l 一1 2 & l 毛+ 厶l - l 2 k ll ( 2 5 ) 【。1 2 k l l ，2 kt 毛+ i j i 丘：+ k 一1 2 k 一1 2 kl 上2 2 = l l 2 三m 2 上l 2 + i m - 1 2 k 2i ( 2 6 ) l - 1 2 k 一1 2 k 丘2 + k j i c o s o , c o s ( e , 一1 2 0 。) c o s ( o , + 1 2 0 。) l 2 l = 厶2 7 = k i fc o s ( e , + 1 2 0 0 ) c o s 缉 c o s ( 一1 2 0 。) f ( 2 7 ) l c o s ( 辞一1 2 0 。) c o s ( 辞+ 1 2 0 。) c o s e ,j 式中：k 。是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感； 三m 是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感，有k 。= 砬； k 。、k 分别为定、转予漏电感； b 为转子的位置角( 电角度) ，对缉取微分得到转子电角速度q 。 3 转矩方程 t = 肌7 鲁如】( 2 - s ) 4 运动方程 乏一正= 去警+ 导q + 鲁辞 q 乃 式中：7 ；为风力机提供的拖动转矩； 以为发电机的转动惯量； 皿为与转速成正比的阻转矩阻尼系数； k 。为扭转弹性转矩系数。 方程( 2 2 ) 至( 2 - 9 ) 是d f i g 在三相静止坐标系下的数学模型。可以看出具有非 线性、时变性、强祸合的特点，分析和求解困难。为了简化分析和应用于矢量 变换控制，应通过坐标变换的方法简化d f i g 的数学模型。 第2 章交流劢磁双馈发电机的萆本理论 2 2 2 两相同步速旋转坐标系下的数学模型 坐标变换的思想是：将一个三相静止坐标系里的矢量，通过变换用一个两 相静止坐标系或两相旋转坐标系里的矢量表示，在变换时可采取功率不变或幅 值不变的原则。 空间坐标系的关系如图2 - 2 所示，经常采用的基本坐标关系有： 1 ，三相静止坐标系a b c 与两相静止坐标系a 1 3 的变换阵( 幅值变型) 。 ，r 1 1 2 1 2 t a l n c t p ( o ) = 亏lo 压2 - ；2i ( 2 - 1 0 ) 2 两相静止坐标系a b 与以任意转速旋转的两相坐标系d - q 的变换阵。 - i 鬻蚓 ( 2 - 1 1 ) 其中，0 = c o t 。 3 三相静止坐标系a b c 到任意转速旋转的两相坐标系d - q 的变换阵。 根据式( 2 一1 0 ) 、( 2 11 ) 可得 k ) = 封篇篙- 圳2 3 ，x 力) 篙圳+ 2 ，3 石x 如) p 1 2 ) b a q l b d 义 。xe。 c 图2 - 2 坐标关系示意图 如果缈= q ( 哆为同步角速度) ，则d q 坐标系即为两相同步速旋转坐标系。 利用上述的坐标变换关系，将三相静止坐标系下d f i g 数学模型中的电压、电流、 东北电力大学硕十学位论文 磁链和转矩变换到d - q 坐标系下，可得到两相同步速旋转坐标系下的d f i g 的数 学模型。由于d q 坐标轴相互垂直，两相绕组之间没有磁偶合，使d f i g 的数学 模型得到很大的简化。两相同步旋转坐标系下的d f i g 的数学模型表示如下【2 5 1 ： i 电压方程 “d l = 蜀f d l + p p d l r a l v d 1 l = 墨l + p i + q l “d 2 = r 2 f q 2 + 砒2 一倒；2 ( 2 - 1 3 ) “乖= 恐l 毒+ p l ；f ，啦+ q 啦 式中：“d l 、“啦分别为d q 轴定、转子电压；f d l ，0 ，缸，k 分别为定、 转子电流的d - q 轴分量；q ，q 分别为同步角速度及转差角速度( 嚷= q q ) ：p 为微分算子。 2 磁链方程 - = 厶f d 。+ k 如 ，= 三l 白+ 三m f q ： 五：上2 乏+ k i 。 ( 2 。1 4 ) = 厶k + k - 式中：甄，、。、妒砬、妒缸、分别为定、转子磁链的d - q 轴分量； k = 1 5 l m 。为d q 坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感； 厶= 丘+ 1 5 k 为d q 坐标系下两相定子绕组的自感； 厶= k + 1 5 三。为d q 坐标系下两相转子绕组的自感。 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 3 ) 可得到电压与电流之间的关系： l a d ! j 3 转矩方程为 墨+ 厶p q 厶 o , a墨+ 厶p - 三m pq 厶 一织k- l m p l a p研k q kz m p 是+ 三2 p 一啦厶 仗kr 2 + l 2 p 王q 1 k ( 2 - 1 5 ) 正= 吾p n ( ，f q l - - v q l f d 。) = l o ( , 。也一。k ) 2 - 1 6 第2 章交流呐磁双馈发屯机的筚本理论 4 运动方程与三相静止坐标系下一致。 2 2 3 双馈发电机定子磁场定向矢量控制策略 矢量变换控制一般用于交流电动机的高性能调速控制上，是交流传动调速 系统实现解耦控制的核心技术。它通过电机统一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中的励磁分量和与之相垂直的转 矩分量。分解后的定子电流励磁分量和转矩分量不再具有耦合关系，对它们分 别控制，就能实现交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使交流电动机得到可以 和直流电动机相媲美的控制性能。d f i g 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d f i g 矢量控制一般选择定 子电压或定子磁场定向方式。我们将同步速旋转坐标系中的d 轴定在d f i g 定子磁 链方向，并将磁场定向后的坐标系重新命名为m - t ( 磁场一转矩) 坐标系，如图2 3 所示。图中a t - 1 3 为两相静止坐标系，a 轴取为定子a 相绕组轴线正方向；a 2 - 1 3 ：为 以转子速q 旋转的两相坐标系，a ，取为转子a 相绕组轴线正方向。瑾：轴与a 。轴 的夹角为肆，m 轴和t 轴为以同步速旋转的磁场和转矩参考轴，m 轴与轴夹角 为吃。 1 3 ， 围2 - 3 各坐标系之间的关系 将式( 2 - 1 3 ) 式( 2 一1 4 ) 的下标d 、q 改为相应的m 、t ，可得m - t 坐标系d p d f i g 的电 压和磁链方程： 东北电力大学硕 一学位论文 定子绕组电压方程 转子绕组电压方程 定子磁链方程 i l = 厶j m l + k k 【，= 厶j i l + k 如 f 2 x t ) ( 2 d 8 ) ( 2 - 1 9 ) 转子磁链方程 ：5 冀鼍l 勺o ( 2 z o ) 【2 = 厶屯+ k l 。 m - t 坐标系中的d f i g 定子输出功率方程为 e 。t = u m - l 一- i - u ti t ：( 2 - 2 1 ) 【岛= 靠c l 一u m l l t 1 定子磁场定向时，定子磁链矢量妖与1 1 1 轴方向一致，因此m t 轴上的磁链分 量分别为：。= 、= o ( 其中为定子磁链矢量奶的幅值) 。由于d f l g 定子 侧频率为工频，定子电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，即冠= 0 ，因而d f l g 感应电动势近似等于定予电压。因为感应电动势矢量e l 落后奶9 0 度，故定子电 压矢量u t ( 并网后的定予电压矢量l i i 等于电网电压矢量以) 位于t 轴的正方向，从 而有】= 0 、甜“= m ( 其中u i 为定子电压矢量码的幅值) 。u r n ，= 0 、u t l = “1 代 入式( 2 - - 2 1 ) 得： 敬：( 2 - 2 2 ) 由( 2 2 2 ) 式可知，在定子磁场定向下，d f i g 定子输出有功功率丑、无功功 率g 分别与定予电流在m - t 轴上的分量成正比，调节乇、0 可分别独立调节。 对于露、q 的控制是通过d f i g 转子侧的变换器进行控制的，也即是通过转子 毗兰薹 一 w 们“ 砬+ 蛳 即蛳 鹏肭 肌 驸 = = l l i | 第2 章交流励磁双馈发电机的摹本理论 的电流( 电压) 来控制的。所以必须根据定予电流与转子电压的关系来导出定 子侧功率与转子各量之间的关系。其关系将在后续章节推导。 2 3本章小结 本章首先介绍了变速恒频的原理，然后着重对交流励磁双馈发电机的数学 模型进行了较为详细的推导。通过坐标变换和矢量控制原理，交代了定子磁场 定向解耦控制的基本思想。 东北电力大学硕上学位论文 第3 章滑模变结构控制理论概述 3 1变结构控制理论简介 近年来，滑模变结构控制理论被广泛地研究，而且已经证明它对于线性和 非线性系统都是非常行之有效的控制策略。高频开关电路的发展使得滑模变结 构控制策略在实际应用中非常可行。滑模控制相对于传统的控制方案的主要优 势在于所具有的参变量的鲁棒性，而且它对无论是线性还是非线性系统参变量 的扰动和负载的变化都具有不敏感性，具有良好的动态和稳态响应。很多不同 方式的滑模控制策略已经应用在各种d c d c 变换器中。而且近年来，每年国际 电力电子相关学术会议和学术刊物都出版关于滑模变结构控制策略的专题文 童。 3 2 滑模变结构控制系统的定义 考虑一般情况非线性控制系统： j d r = ，( x ，“，r ) ( 3 1 ) 其中x r a , u e r “分别为非线性系统的状态变量和控制变量。其中控制量 “= u ( x ，t ) 按式( 3 2 ) 逻辑在滑模面s ( x ，t ) = o 上切换。 屿= 臀嚣描 p z ， 其变结构体现在m + ( 工) u l ( 力，使得： 1 满足到达条件：在滑模面s ( x ，t ) = 0 以外的相轨迹将于有限的时间到达 滑模面。 2 滑模面是滑动模态区，且滑动运动渐进稳定，动态品质良好。 显然这样设计出来的变结构控制使得闭环系统全局渐进稳定，而且动态品 质良好。开关切换的法则称为控制规则，它保证系统具有滑动模态。把s ( 芹) = 0 叫 做滑模面( 很多文献中称为切换函数和切换面，这是由于较早的英文文献大部分 第3 章滑模变结构控制理论概述 都是用s w i t c h i n gs u r f a c e 来描述，而近年来在电力电子领域滑模变结构控制应用 的文献都用s l i d i n gm o d es u r f a c e 来描述，故在本文中统一用滑模面来命名) 。为 了保证滑动运动渐进稳定，动态品质良好，s ( x ) ，s r ”一般取形如式( 3 3 ) 的线型 滑模面： ( x ) = a ，c = c i ，c 2 ，巳书1 】，x = 五，而，x o t , i = 1 ，2 ，m( 3 - 3 ) 3 3 滑动模态及其数学描述 滑模变结构控制是带有滑动模态的变结构控制。通过开关的切换，改变系统 在状态空间中的滑模面s ( x ) = 0 两边的结构。使系统在滑模面上做滑动运动，即 滑动模态。 考虑非线性系统( 3 1 ) 的状态空间中，有- 懒s ( x l ，而，矗) = 0 ，它将状态 空间分成上下两个部分s ( x ) o 及j ( 工) ，当s ( 工) 0 当t 从，o 增大时满足i ( x + o ) ) o ，且存在正数r ，使得t = f 时， 东北电力大学硕i 。学位论文 s ( x + ( f ) ) = 0 ； 类似地，对于_ d x = 厂( 五1 1 - ( x ) ，f ) 的解，x - ( f ) = x o ，x o ，t o ) ，s ( x o ) 0 ，且也存在正数f ，使得r = f 时，s ( x 一( r 9 ) = 0 。 上述到达条件可表示为： ， 时 0 ( 3 - 1 5 ) 吼2 1 厩，瞩 o ，女 0 幂次趋近律：j = 一七 s g n ( s ) ，女 o ，l a 0 一般趋近律：j = - e s g n ( s ) - f ( s ) 以上为变结构控制形式的几种主要形式，其他形式不再列举。 3 5滑模变结构控制系统的抖动问题 从理论角度，在一定意义上，由于滑动模态可以按需要设计，而且系统的 滑模运动与控制对象的参数变化、系统的外部扰动及内部的摄动无关，因此滑 模变结构控制系统的鲁棒性要比一般的常规的连续控制系统强。可以通过适当 的滑模变结构控制作用使系统在有限时间内达到指定的滑模面，从而实现滑动 模态运动。但是，实际滑模变结构控制系统由于控制总是受到限制，从而使系 统的加速度有限：另外开关切换装置不可避免地存在惯性、开关切换的时间空 自j 滞后以及状态检测的误差等因素，都会使得滑模变结构系统在不同的控制逻 辑中来回切换，因而导致实际滑动模态不是准确的发生在光滑的滑模面上，而 是叠加一个锯齿形的轨迹，容易引起系统的高频抖动，从而成为在实际应用中 的一大障碍。当然对于连续系统的光滑控制而言是不会出现的。 在实际中，抖动是必然存在的，人们可以作努力去削弱抖动的幅度，但无法 完全消除它。消除了抖动也就消除了滑模变结构控制的抗摄动及抗扰动的能力。 3 6本章小结 本章对滑模变结构控制作了一个概述。首先形成了变结构控制问题的数学 描述。对滑模运动存在的条件和变结构控制的设计作了相应的介绍。简单的介 绍了滑模变结构控制存在的问题。 东北电力大学硕十学位论文 第4 章双馈风力发电机并网控制 4 1引 言 随着风力发电机组单机容量的不断增大，并网时的电流冲击已不能忽视。必 须对发电机进行并网前调节以满足并网条件( 发电机定子电压和电网电压的幅 值、频率、相位均相同) ，使之能安全稳定地切入电网。通过简单、性能优良的 并网技术来抑制并网时的冲击电流，实现安全、稳定、准时的并网。所以，并网 技术己成为风力发电技术中的一个不可忽视的环节。根据采用的发电机的类型的 不同有多种并网方式【2 8 。0 】。 1 同步型风力发电机 当采用同步发电机时，发电机和电力系统之间为“刚性连接”，即发电机输出 频率完全取决于原动机的速度，与电网和发电机励磁无关。发电机并网之前必 须经过严格的整步和( 准) 同步，并网后也须严格保持转速恒定。由于风速的随机 性，风力机提供给发电机的拖动转矩极不稳定，并网时风力机的调速性能很难 达到要求，并网后如不进行有效的控制，常常会发生无功振荡和失步问题。近 年来随着电力电子技术的发展，在同步发电机与电网之间采用双p w m 变频器， 可以构成全功率变换的变速恒频风力发电系统，避免了复杂的发电机调速问题， 其并网问题也得到了相应的解决。 2 异步型风力发电机( 鼠笼式异步发电机) 异步发电机靠转差率调整负荷，因此对转速调节性能要求不高，不需要同 步设备和整步操作，只需在转速接近同步速时就可并网。并网后不会震荡失步， 其并网的方式也较多【2 引，如直接并网、准同期并网和降压并网，但它们都要求 在转速接近同步速( 9 0 v q o o ) 时进行并网操作，对转速仍有一定的限制。而且 异步发电机的并网还存在一些问题。例如直接并网时会产生过大的冲击电流； 发电机本身不能输出无功功率，需要无功补偿；过高的系统电压会造成发电机 磁路饱和，电流过大，功率因数降低等。 对于变速恒频双馈风力发电机组的并网技术。国内已有不少学者做了相应的 第4 幸双馈风力发电机井网拧制 研究，文献【1 5 】【3 1 研究了双馈风力发电机并网和并网后的最大风能捕获控制。 文献【3 2 】进行了发电机在不同转速下( 亚同步、同步、超同步) 的并网研究。但 传统的控制器对系统的参数摄动以及外部扰动有很强的灵敏性。而且系统的动静 特性也会随着参数的变化而变化。双馈发电机是一种饶线式异步电机，具有高阶 强耦合的特点。而且在运行中由于磁路饱和温度变化，电机参数会发生变化。这就 给依赖电机参数的控制带来困难。鉴于此，文献【3 3 】研究了基于自抗扰控制器的 并网控制。该控制策略不需要精确的电机参数就可以实现并网控制，并对参数的 摄动以及内外扰动都具有很好的鲁棒性。由于变结构控制具有对系统参数变化不 敏感，而且响应速度快、无须系统在线辨识、物理实现简单等优点。所以，本章 基于积分型变结构控制( i v s c ) ，通过与矢量控制技术结合，对矢量变换后的转子 电流m ( 磁场) 轴和“转矩) 轴分量进行控制，产生空间矢量p w m ( s v p w m ) 的输 入指令。考虑到电机互感变化时，由于m 轴参考电流的变化会引起电压幅值偏差， 通过引入电压偏差控制器对其进行微调。 4 2 基于磁场定向的双馈风力发电机空载并网控制 4 2 1p i 控制 由于在空载下定子的m t 分量电流为零，则将0 = o 、。= o 代入式( 2 1 7 ) - 式 ( 2 - 2 0 ) 得发电机空载的电压、磁链方程为2 5 1 ： “。1 = p l q i 警一竺1 ( 4 - 1 ) 材。2 = 屹t m 2 + p 。破一致 = 是如+ 印n + q l = k j 之 。= k 屯 m 2 = 岛f m 2 2 = 上2 i t 2 ( 4 - 2 ) 为了达到定子电压的相位、幅值、频率和电网电压一致，必须根据电网电 压的信息来对转子电流进行控制。应用磁场定向矢量控制技术，通过调节定子 东北电力大学硕卜学位论文 磁链和电网一致来满足并网要求。将r n 轴与定子磁链矢量重合( 见图2 2 ) ，由 于大容量发电机在工频下电感远大于电阻，所以忽略电阻以后，定子端电压矢 量啊超f j 磁链矢量9 0 。，此时： ( 4 3 ) 代入( 4 2 ) 式化简为： 。1 2 l = 0 “i l2 u l u m l = 0 = k k i a = 0 。= 厶k 2 = 0 将( 4 3 ) 、( 4 4 ) 代入( 4 1 ) 式化简得： ( 4 3 ) ( 4 4 ) p = 0 ：置+ 厶k ( 4 - 5 ) = q