（电力电子与电力传动专业论文）风电机最佳功率因数与最小电容值控制算法的研究.pdf

风电机最佳功率因数与最小电容值控制算法的研究 s t u d yo no p t i m a lp o w e rf a c t o ra n dm i n i m a lc a p a c i t a n c ec o n t r o l a l g o r i t h mi nw i n dt u r b i n e a st h eh i g h - p o w e rd e e t r o n i ed e v i c e 鳓c l la si g b ta n dc o n t r o lt e c h n i q u eb e c o m em o r ea n d r f l o r l en l a l l l r e , m o l ea n dm o r ed u a lp w mc o n v e r t e r sa 坤u s e di nm e g a - w a l iv 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 yw i n dp o w e rg e a a e m t i o ns y s t e m d u a lp w m 1 7 a ) l l v e l r t e r sh a v eb e t t e ri n p u ta n do u t o u t p e r f o r m a n c e s , l e s sh a r m o n i cc t l l t e n t sa n daw i d e rf i - e q u e n e ya d j u s 舭, n tr a n g e t h er o t o r - s i d e c o l l v e r t l 苗i sr e s p o n s i b l ef o rm a x i m a lw i n de n e r g yc a t p t u l i n ga n di n d e p e n d e n tr e g d a t i o no f r e a c t i v e p o w e ro u t p u tf r o mt h ea a m ro f t h ed o u b l y - f e di r d n e t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) t h r o u g hv o c t o rc o r a r 0 1 t h e 鲥d s i d e c o n v e r t e r d i v e r t s t h e r o t o r p o w e r t o o r f r o m t h e 鲥d u s i n g a l x ；一l i n k b e t w e e n t h e t w o c o n v e r t e r s l a r g ea l u m i n u me l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r sa l r en o r m a l l yi n s t a l l e dt or e d u c et h ed c - l i n k v o l t a g ef l u c t u a t i o nb u tt h ea l u m i n u me l e c t r o l y t i cc a p a c i t o rh a ss e v e r a ld r a w b a c k sf i o mt h e v i e w p o i n t so fs i z e , w e i g h t , c o s t a n dr e l i a b i l i t yw h i c hb o n 聆t h ef a t a ls h o r t c o m i n go fe x t 曲d i n g t h el i f e s p a no f t h e w h o l es y s t e m i nt h i st h e s i s , ae o n l r o ls t r a t e g yo f d u a lp w mc o n v e r t e r sb a s e do n f u z z yp ic o n t r o li sp r o p o s e dt om i n i m i z et h ed c - l i n kc a p a c i t o r , r e d u c et h eb u s - b a rc a p a c i t a n c e f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f d f i ga n di t ss t a t o r - f l u x - o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o l , at r a d i t i o n a ld u a l - d o s e d - l o o pp ic o n t r o ls c h e m ei sd e v e l o p e ds i m u l a t i o n s t u d yi sc a r r i e do u to i lt h ep l a t f o r mo f m a t l a b s i m u l i n ka n dv a l i d a t e st h ep r o p o s e ds t r a t e g y , w h i c hw i l lg u i d ed e s i g n i n ga n dd e b u e , g i n gt h ep r a c t i c a ls o t l w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m s s e c o n d l y , b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eg n c i - s i d ep w m c o n v e r t e ra n da c c o r d i n gt o t h ee 卿g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o do fd u a l - d o s e d - l o o ps y s t e m , av o l t a g e - c a l r r e n td u a l - d o s e d l o o p c o n t r o ls y s t e mo f g r i d - s i d ep w mc o r l v e l t l 。l w h i c hi si ng r i d - v o l t a g e - o r i e n t e ds y n c h r o n o u sr o t a t i n g “吐相l o ei sd e s i g n e d ，i tb o t t o m e df o rs e e k i n ge o n u o la l g o r i t h mo fm i l l i n l u n lc a p a c i t a n c ev a l u e , a n da l s op r o v i d et h eb a s i so f s e l e c t i n gc o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e ri nl a t e re x p e r i m e n t l a s t l y , i ti n t r o d u c e dt h el o a dc u r r e n tf e e df o r w a r dc o n t r o ls c h e m ea n dt h ep r e d i c t i v eo a r r e n t c o n t r o ls c h e m eo f t h r e e - p h a s ep w m c o n v e r t e r s , a n dp o i n t e do u tt h er e a s o nw h yt h o s et w oc o n t r o l s c h e m ec a n tb eu s e di nt h ew i n dt u r b i n es p e c i f i cl o a d , t h e np u tf o n v a r dt h ec o n t r o ls c h e m eb a s e d o i l 缸呵p ic o n t r o l , c a r r i e do t t tt h ec o m p a r a t i v es i m u l a t i o ns t u d yt oe v d l t l l 越et h ep e r r o n m 舭o f 一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h et r a d i t i o n a ld n a l - c l o s e d - l o o pp ic o n t r o ls c h e m ea n dt h ef u r yp ic o n t r o ls c h e m e , s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t e st h es u p e r i o r i t yo f t h ef u z z yp ic o n t r o ls c h e m eo v e ri t sc o u n t e r p a r t si nl e s sd c 1 i n kv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df a s t e rs t a b i l i z a t i o nt t i u & w i t ht h es a m ef l u c t u a t i o nv o l t a g ea l l o w e d , i f a d o p tt h ef u z z yc o r g r o ls c h e m e , c a n 孕髓t j yr e d u c et h eb u s b a rc a p a c i t a n c e , w h i c hh a sq u i t e i m p o r t 罐i n a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：v s c f ，d u a i - p w m ，d f i g ，f u z z yc o n t r 0 1 m 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：叠查固日期；鲨缂堕! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：叠查鸥导师签名：翌牢笙日期：2 塑2 11 i ：! i 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 世界工业化的进程，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增， 从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此能源与环境问题成为当今世界所面 临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发 清洁的可再生新能源是保护生态环境和维持可持续发展的客观需要。 目前，在除水电以外的各种再生能源的开发中，风力发电的开发最具潜力，发电成本 逐渐降低，并且在技术上日趋成熟，从而形成一个新兴的产业，成为电力系统结构中相对 增长速度最快的新能源发电。因此，对于风力发电技术的研究有着重要的意义。 1 1 国内外风力发电发展概况 现代并网型风力发电机组的发展是十几年来采用高新技术的结果，自1 9 8 1 年建成第 一台采用高新技术的风力发电机组以来，发电成本有了大幅度的下降，向电网供电的大规 模风力发电场得到迅速发展。据统计，世界风力发电装机容量1 9 8 0 年为4 m w ，1 9 8 5 年达 到6 9 4m w ，增长1 7 0 多倍；至2 0 0 2 年底，全世界风力发电装机容量突破了3 20 0 0 m w 。其中当年新增容量达到7 2 3 1 m w ，比上一年增长3 6 。专家预测：从2 0 0 3 年开 始，世界风力发电机组装机容量将继续以每年高于2 5 的速度递增，到2 0 1 0 年可能突破 1 0 0 g w 。风力发电在重视环保的发达国家总发电量中将有相当的比例，到2 0 1 0 年，美国 加州l o ，德国8 ，荷兰1 0 ，西班牙和瑞典1 2 ，市场潜力很大。 风力发电机组的研究与制造以欧洲国家最具代表性，如德国、西班牙、丹麦和荷兰等 国家，其中丹麦生产和销售量居世界首位，而技术和规模发展速度则属德国最快。全球风 电装机容量大于1 0 0 0 m w 的五个国家依次是：德国、西班牙、美国、丹麦和印度，从应用 和管理角度看，德国是全世界风力发电装机容量和发电量最大的国家。国外风力机发展有 两个明显的趋势；一是单机容量大型化，目前己经开发出兆瓦级风力机产品；二是风力机 运行规模化，建立大型风力发电场，以降低风力发电成本。8 5 0 k w 以下的机组己经大量商 品化生产，故障率从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 降低到目前的2 以下，并对风力发电场中 运行的全部机组实现了互联网络的中央控制和跨地区跨国界的远程监控。近两年来， 1 s m w 机组推向市场，其市场份额增长很快，可能成为本世纪初的代表机型m i 。 风电机最佳功率因数与最小电容值控制算法的研究 我国有丰富的风能资源，可开发利用的风能在陆地上有2 ，5 亿k w 左右，在海上有l o 亿k w 左右。1 9 9 4 年并网型风力发电机组装帆3 0 m w ，年发电量7 5 0 0 万k w h ；到2 0 0 0 年底，并网犁风力发电机组容量己达3 4 4 m w ，年发电量约8 6 亿k w h ，同时还有1 3 万台 小型独立运行的风力发电机在广大牧区、海岛、有风无电的边远地区运行；最新统计数字 显示，截至到2 0 0 3 年底，全国风能资源丰富的1 4 个省( 自治区) 己建成风电场4 0 座，累计 运行风力发电机组1 0 4 2 台，总容量达5 6 70 2 m w ( 完成整机吊装作为统计依据) 。预计到 2 0 1 0 年我国风力发电装机容量可达4 0 0 万千瓦，到2 0 2 0 年可达6 0 0 万至8 0 0 万千瓦。风 力发电作为我国电力结构中新型分布式供电系统，以其灵活、实用的方式，为经济发展注 入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效益。 国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果，其中包括“八五”期间开发成功的 2 0 0 k w 2 5 0 k w 风力发电机组和在“九五”期间开发的6 0 0 k w 风力发电机组，并成功地开 发了并网型风力发电机组的当地控制和远程控制系统，使大型风力发电机组的一项关键技 术得到了解决。国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发电机、齿轮箱、机舱、主轴、 塔架、偏航系统、液压系统等，为我国大型风力发电机组国产化奠定了基础。我国己经开 始了m w 级风力发电机组的研发上作，这是我国自主研制开发的最大容量风力发电机组， 将填补中国风力发电领域的空白。 但是，目前中国风力发电发展面临着三个突出问题。一是风力发电发展规模迅速扩 大，形成了巨大的市场空闯；二是国产机组缺乏竞争力，进口机组以压倒的优势占领了我 国风力发电装机的主要份额；三是风力发电核心技术方面。目前世界上流行的几种风力发 电技术，我国只掌握了定桨距失速调节型风力发电机技术，并由此开发出了以现场总线控 制为核心的定桨距失速调节控制器。而另外三种技术，即主动失速调节、变桨距调节和变 速恒频调节，我国目前尚未涉及，更不用说海上风力发电场了。因此，提高单机容量、实 现风力发电机组国产化和尽快掌握世界主流风力发电技术，是推动我国风力发电持续发展 的关键，这也正是我国今后风力发电技术的主要研究方向即j 。 1 2 风力发电技术方式的分类 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 ) n 大类1 7 ) 。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电杌，不论风速如何 沈阳工业大学硕士学位论文 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晟佳值，也就不能实现最大风能捕获，风能转换效率也就不高。除 此之外，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地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。相对于恒速运行方式，变速运行 具有如下优点闸： ( 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 ) 变机电动力系统问的刚性连接为柔性连接。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，减少机械应力和转动脉 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。 风电机最佳功率因数与最小电容值控制算法的研究 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颤发展。 当然，实现变速恒频发电的方法众多 9 ，1 0 l ，如交一直交系统、交流励磁发电机系 统、开关磁阻发电机系统、磁场调制发电机系统、异步化同步发电机变速恒频发电机系统 等。近年来，国内外比较关注的变速恒频风力发电方案是交流励磁变速恒频风力发电系 统。对于在该系统中的发电机，可以是绕线式异步电机( 或双馈感应电机) ，也可以是级联 式无刷双馈电机 1 1 , 1 2 i 。对于在该系统中的励磁电源，可以是交交变频器、交直交型双 p w m 变换器1 1 3 l ，也可以是近年来出现的矩阵变换器【1 4 a 5 1 。 本文研究的方案中采用交流励磁的绕线式双馈感应发电机，为追求最佳功率因数，励 磁电源采用电压型双p w m 变换器，整个风力发电系统的基本构成如图1 1 。 图1 1 变速恒频风力发电系统基本构成 f i g 1 1b a s i cc o m p o s i t i o no f v s c f w i n dp o w e rs y s g m 转子由两个“背靠背”连接的电压型p w m 变换器( 分别记作转子侧变换器和网侧变换 器，总称为双p w m 变换器) 进行励磁，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无功的调节，当电机亚同步 速运行时，往转子中馈入能量，作逆变器运行：当电机超同步速运行时，从转子中吸收能 量，作整流器运行，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，实际作斩波器运行。网侧变换器运行模式与此类似，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 刚侧的功率岗数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。 沈阳工业大学硕士学位论文 相对于传统的循环变流器，双p w m 变换器输入输出特性更好，电力谐波更低，调速 调频范围更宽。而且，随着大功率电力电子器件如i g b t 等和控制方法的日趋成熟，双 p w m 变换器将会更多的取代循环变流器应用于兆瓦级的大型变速恒频风力发电系统中。 1 3 选题意义和研究内容 并网型变速恒频风力发电系统，除了要求定子输出电流与电网频率保持恒定外，还提 出了以下几个方面的控制目标： ( 1 ) 最大风能捕获的转速控制，即实现最优转矩速度曲线追踪，使输出有功功率最 大； ( 2 ) 无功功率的独立控制策略，满足电网的要求，或使电机铜耗最小； ( 3 ) 网侧变换器的直流母线电压调节和功率冈数校正； ( 4 ) 转子侧变换器输出交流电压的幅值、频率和相位的控制( 内含在有功功率和无功功 率控制当中) ； ( 5 ) 网侧和转子侧变换器的协调控制，即在控制前后两个p w m 变换器实现信息共 享，提高直流母线电压控制的动态性能，以及 篷个励磁系统的性能。 高质量的转子励磁变频电源是实现以上控制目标的保证，因此，交流励磁双馈电机变 速恒频风力发电技术实现的关键在于寻求一种输入输出特性好，电力谐波低，能量可以双 向流动的“绿色”变换器。 交一交交频器较早就被应用于交流励磁发电系统，使发电机可以独立调节其有功和无 功功率，以及提高电网稳定性，但同时由于交交变频器固有的缺陷，不可避免地对交流 励磁供电电网造成很大的谐波污染危害，降低了供电电网的品质。m i t s u t o s h iy a m a m o t o 和 0 s a m um o t o y o s h i 在文械1 6 】中，对馈入转子电流谐波的传输特性进行了理论分析和实验论 证，交交变频器不但产生电网的高次谐波，而且还会产生低于供电电网频率的次谐波成 分。因而，为了提高交流励磁供电电网的品质，在设计、制造交流励磁发电系统时，除了 采用更多脉波的变流电路外，还应专门设计安装用于交交变频系统的无功补偿装置及无 源谐波吸收和有源谐波吸收设备。从而，系统复杂且成本大大提高了。总的来讲，交交 变频器主要用于超大功率的变速恒频水力发电中，而不太适合于兆瓦级变速恒频风力发电 的应用。 风电机最佳功率因数与最小电容值控制算法的研究 近年来，出现了一种新颖的矩阵变换器，吸引了众多学者的研究兴趣。它的主电路简 单，采用全控型开关器件，不同于循环变流器的相控，它的控制方式采用的是斩控式，也 是直接变频电路。具有优良的输入，输出特性，输出频率不受限制，能量可以双向流动， 结构紧凑，变换效率较高，且容易实现集成化和功率模块化，应用前景广阔。但目前尚无 实用的商品化双向开关器件，且控制方法还不够成熟，因此还只是停留在理论研究阶段。 为了克服以上几种变频电源的种种缺点，采用高频自关断开关器件( 如i g b t ) 构成的 p w m 整流p w m 逆变的双p w m 变换器，在交流励磁变速恒频发电中获得了高度的重视 1 1 7 1 9 1 。 由双p w m 变换器构成的双馈感应发电机转子励磁电源系统如图1 2 所示。两个三相 p w m 全桥变换器采用背靠背连接，靠中间的滤波电容c 稳定直流母线电压。 电网 图1 2 双馈感应发电机双p w m 励磁系统 f i g1 2d u a l - p w me x c i t a t i o ns y s t e mo f d h g 转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流，完成双馈电机矢量控制任务，实现最大风 能捕获和定子无功功率的调节。网侧变换器控制着直流母线电压的稳定，不管转子侧变换 器负载电流i l 如何变化，也就是要保持如莳堍。实际上对乇。的控制总是滞后于负载电流i l 的变化的，故站始终在一定的范崮内交动，从而使直流母线电压不断波动。因此，滤波电 容c 越大，直流母线电压波动就越小，前后两个变换器依赖性就越小。这种靠提高电容器 容量来稳定直流母线电压的做法，在实际大功率风力发电系统中也足不得已而为之的，因 沈阳工业大学硕士学位论文 为这种大容量储能滤波电容一般是电解电容，其缺点是体积大、笨重而且性能不可靠。如 果对i c 。控制得不好，使i c 太大，将引起严重的温升，使电解电容的性能恶化。可以说， 整个励磁电源系统的寿命的瓶颈在于这个电解电容。解决这个问题，不能寄希望于在风力 发电现场对电解电容的不断检修维护，而应当寻求一种动态响应快的新型双p w m 变换器 控制策略，使网侧变换器能瞬时提供转子侧变换器所需的负载电流，使直流母线电压波动 尽可能的小，这样在同等允许电压波动范围内，便可以大幅减小电解电容器的容量，甚至 可以用轻小且性能更加可靠的薄膜电容替代口以硐。 针对减小直流母线滤波电解电容，本文提出了网侧p w m 变换器基于模糊控制的双闭 环控制系统，以提高网侧变换器追踪转子侧变换器功率的动态性能，最大限度减小直流母 线电压的波动。这对于减小励磁装置体积、重量、成本，提高系统可靠性，减少维护等具 有十分重要的现实应用价值。相对于不控整流或相控整流，p w m 变换器具有功率因数 高，网侧电流谐波小、功率双向流等重要优点，广泛应用于各种变频调速系统中，也完全 能够满足变速恒频风力发电中双馈感应发电机励磁系统的要求。 本文研究内容安排如下： ( 1 ) 双馈感应发电机原理及其矢量控制系统。从系统的观点出发，双馈电机和转子侧 变换器作为网侧p w m 变换器的负载，它的控制算法的应用关系到直流母线电压的利用 率，所以有必要对变速恒频风力发电用双馈感应发电机的运行原理、矢量控制方法有个全 面的分析和了解。这将在第二章中具体介绍，为寻求最小电容值控制算法打下基础。 ( 2 ) 由于网侧变换器的控制直接关系到直流母线电压的稳定与否，直接关系到所要采 用的电容量的大小，所以网侧变换器是研究重点，本文首先建立网侧变换器的数学模型， 介绍了它的电流控制策略，提出空问电压矢量控制算法具有较好的动态性能，然后建立d 轴电网电压定向下基于空间电压矢量的网侧p w m 变换器双闭环控制系统。为下一章提出 的最小电容值控制算法做一下铺垫。 ( 3 ) 在前一章网侧变换器理论分析的基础上，提出最小电容值控制方案，即在前一章 提出的双闭环控制系统中添加模糊p i 控制，利用模糊控制本身不依靠系统准确的参数，环 境适应性强的优点，以进一步提高系统的动态响应能力，减小电容值。 风电机最佳功率网数与最小电容值控制算法的研究 ( 4 ) 进行系统的建模与仿真对比分析，然后得出本文所采用的控制算法具有动态响应 快，超调量小，在同等允许电压波动范围内，可以减小母线电解电容器的电容量的结论。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 双馈异步发电机原理及其矢量控制 在本文的研究中，虽然转子侧变换器和双馈电机只是作为网侧变换器的一个时变负 载，但是转子侧变换器不同控制算法的应用直接关系到直流母线电压利用率的高低，因 此也需做一下研究。 交流励磁变速恒频双馈风力发电系统的控制主要是对双馈感应发电机d f i g ( d o u b l ef e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ) 的功率控制，这是通过转子侧p w m 变换器实施的。 为了对控制对象实现有效控制，矢量控制系统应以d f i g 的数学模型为基础来进行设 计。与普通的三相交流电机一样，三相静止坐标系下d f i g 的数学模型是一个高阶、多 交量、非线性、强耦合的系统，很难进行控制系统的分析与设计。为了实现对d f i g 有 功、无功功率的有效控制，二者必须解耦，因而可把交流调速中的矢量控制技术应用于 d f i g 的有功、无功解耦控制中，即通过坐标变换，使转子电流的有功分量与无功分量 实现解耦，控制转子电流的有功分量和无功分量就可以实现d f i g 的有功和无功功率的 有效、解耦控制。 本章首先阐述了双馈异步发电机的基本特点和其在稳态运行时的能量流动和功率平 衡关系，然后分别建立双馈感应发电机在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数 学模型，并在此基础上设计了双馈电机定子磁场定向下的矢量解耦控制系统。另外，由 于相对于常规的s p w m 控制，s v p w m 控制能将电压利用率提高1 5 a 7 ，所以，本文 为追求最小电容值，在矢量控制系统中采用空间电压矢量( s v i ，w m ) 控制算法。 2 1 双馈异步发电机的基本特点 双馈感应发电机，顾名思义定子与转予两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变 频器接入的低频电流起到了励磁作用，因此又名交流励磁发电机，还有些文献称之为可 变速发电机或变速恒频发电机和异步化同步发电机。随着用途的不同，其结构、设计和 性能也有所差异，有的类似于三相绕线式异步机，有的则更接近隐极式同步发电机，但 从基本原理、基本结构和基本性能上讲都是相同的。 双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布 式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与 风电机最佳功率冈数与晟小电容值控制算法的研究 三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由 一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电。 任何电机稳定运行时，定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相对同步旋转的。对双馈 电机有： 嚣士 = 石 ( 2 1 ) 式中：z 一定子绕组电流频率； 厶一转子绕组电流频率； 玎一转子旋转的转速； p 一电机的极对数。 其中，“+ ”用于亚同步速运行状态，“一”用于超同步速运行状态，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，当转子转速疗变化时，可调节转子的 供电频率五，保持石不变，郾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( 风力机) 在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减小了调速 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，可调节发电机的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发 出的有功功率。应用矢量控制可以实现有、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，使变频装跫体积减小，成本 降低，投资减少。 2 2 双馈异步发电机的能量流动与平衡关系 2 2 1 双馈异步发电机的能量流动关系 由于双馈型异步发电机的转子侧功率流动可以是双向的，因此它具有与一般异步发 电机和同步发电机不同的特点。一般异步发电机在转子转速低于同步转速时处于电动状 态，当转子转速高于同步转速时处于发电状念。面对于双馈型电机具有上述两种工况 外，还具有另外两种工作状态：超同步转速电动状态和次同步转速发电状态。在不同的 沈阳工业大学硕士学位论文 状态运行时，具有不同的功率传递关系，如图2 1 所示。双馈型异步发电机可以工作于 次同步转速发电状态和超同步转速电动状态。 a ) c 1 b ) 图2 1 双馈型发电机不同工作状态下功率传递关系 f i 晷2 1p o w e r l a m l s i f i v er e l 撕o n i n d i f f e r e n t w o l k i l l g s t a t e o f d f i g a ) 超同步转速发电b ) 超同步转速电动 a ) s u p e rs y n c h r o n o u s 删g c f f l f f a f i o nb ) s u p e rs y n c h r o n i z a t i o ns p e e de l e e a o m o t o r c ) 次同步转速发电d ) 次同步转速电动 c ) u n d e rs y n c h r o n i z a t i o n 删掣删d ) u n d e r s y n c h r o n i z a t i o n 删e l e c = h - o m o t o r 上图2 1 b 和2 1 d 所示的是超同步转速电动状态和次同步转速电动状态。它们都是 定子侧输入功率，转子侧输出功率，但是变频器的功率方向与转速有关。图2 1 b 为超 同步转速电动状态，能量流动关系为：定子侧输入的电功率和变频器输入的电功率之和 为转子的输出功率，即鼻+ 明= ( 1 + 媚) ；图2 1 d 为次同步转速电动状态，输入到双馈 感应电机定子侧的电功率，一部分成为机械功率，另一部分回馈电网，即 只一媚= 0 一s ) 只，所以传动效率很高，即使在低速阶段。 图2 1 瘌2 1 c 所示的是超同步转速发电状态和次同步转速发电状态。发电状态时， 特点是转子侧输入功率，定子侧输出功率，变频器的功率流动和转速有关，图2 1 a 所示 是超同步转速发电状态，即j 如，变频器的功率流动方向为流向电网阁。 风电机最佳功率冈数与最小电容值控制算法的研究 2 2 2 双馈异步发电机稳态运行时的功率平衡关系 上面定性的分析了双馈型异步发电机在次同步转速和超同步转速下功率流传递方 向，下面我们从等效电路出发定量研究其功率平衡关系i 硼。 按异步电机分析方法将垒分解为如+ l ! ，丝分解为6 ：+ 坦6 ：，得到双馈 ssss 型风力发电机的一种等效电路图，如图2 2 所示。 图2 2 双馈型异步发电机的等效电路图 f i g 2 2 e q u i v a l e n t c i r c u i t d i a g r a m o f d f i g 根据功率守恒原理，经气隙传递的电磁功率在定子侧可表示为： 只。= 毋+ 气l + 只c 同时，也可以用转子侧的功率来表示： 气= 一；+ 震。甜j z 】 根据对立，型三的分解，上式可以写为： ss ( 2 2 ) ( 2 3 ) = 一吃争一生，2 z ；+ 震。【d ：；：】+ r 。【生矗：；：】 ( 2 4 ) ss 上式中的一，2 e 是转子绕组的铜耗，r 【d ：；：1 为励磁系统输入转子的励磁功率， 一专# r 2 ，；是轴上的机械功率。当嘛 1 时，此项为负，表示它将消耗电磁功率并将其 沈阳t 业大学硕士学位论文 转化为机械功率从轴上输出：当s s ，时励磁系统向发电机转子 方输入电磁功率，存在如下关系： ，输入机械能、，转子输入电能、，耦合场储能增量、，定子输出电能、 一机械损耗一转子铜耗、+ 介质损耗7 、+ 定子铜耗 s o ) ，需要较高的直流母线电压；如果变换器电流含滞后电流分量 ( 奶) 需要的直流母线电压要低一些。 本文为实现最佳功率因数，需要网侧p w m 变换器工作在功率因数为1 的情况下， 这时矢量图如图3 2 b 所示。由图可以看出，输出负载越大，所需的最低直流母线电压 就越高，即使在空载时，直流母线电压也要不小于电网线电压峰值。所以在选取网侧 p w m 变换器的直流母线电压时，最低也不能低于电网线电压的峰值，这实际上是由 沈阳工业大学硕士学位论文 b o o s t 电路的升压特性决定的。网侧p w i v l 变换器从电网吸收的有功功率和无功功率分 别为： 暑= 一0 + ” q | = “j | d 一“一 在d 轴电网电压定向的同步旋转坐标系统中，有： ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 只= 0 ( 3 2 8 ) 级= 叫时0 ( 3 2 9 ) 式( 3 2 8 ) 中，丘大于零表示网侧p w m 变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；只 小于零表示网侧p v t m 变换器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网。式佑2 9 ) 中， q 8 大于零表示网侧p w l v l 变换器呈容性，从电网吸收超前的无功；q g 小于零表示网侧 p w m 变换器呈感性，从电网吸收滞后的无功。所以电流矢量的d 、g 轴分量0 和实 际上分别代表了变换器的有功电流分量和无功电流分量。 当网侧p w l v l 变换器运行于单位功率因数状态时，其功率流动情况如图3 3 所示。 图3 3 网侧p w i v l 变换器在单位功率因数运行时的功率流动示意图 f i 孚3 3 p o w e r f l o ws c l h n 越i cd i 4 酣瑚i n u n i t y p o w e r f a c t o r o f g r i d - s i d e p w m c o n v 渤 a ) 整流运行”逆变运行 a ) p c c 倘e r n m i a g b ) i n v e r t m 衄j j 培 图3 3 a 表示了网侧p w m 变换器运行于单位功率因数整流工况时的功率流向，此 时，由电网提供的有功功率艺，供给了直流侧负载功率和各种损耗的功率，其中损 耗功率包括交流侧线路电阻功耗珞、变换器开关和导通损耗匕、直流母线电容等效并 风电机最佳功率因数与晟小电容值控制算法的研究 联电阻的损耗和给电容充放电的功率只等。 率因数逆变运行时的有功功率的流动情况。 给电网并补偿各种损耗功率。 图3 3 b 表示了网侧p w m 变换器在单位功 此时由直流儇8 有源负载提供的有功功率回馈 在忽略各种损耗后，可以得到变换器的直流侧与交流侧的功率平衡关系： 只= “酗0 = 比i l 。, t = 鼻 ( 3 3 0 ) 当交流侧输入的功率大于负载消耗的功率时，多余的功率会使直流母线电压升高； 反之，会使电压降低。只要能快速地控制交流侧输入的有功电流分量，就可以控制有功 功率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定。 由式( 3 2 1 ) 可得： 于是式( 3 2 8 ) 和( 3 2 9 ) 所表示的功率方程为： p 。叫酗志 ( 3 3 2 ) 耐卜爿 s ， 式( 3 3 2 ) 和( 3 3 3 ) 表明，调节变换器输出电压空间矢量的两个有关分量，可以 调节变换器从电网吸收的有功和无功分量，从而可使变换器在不同的有功、无功状态下 作四象限运行。 3 2 交流电感与直流母线电容参数的选取 3 2 1 交流电感的选取 网侧电感在整流器的设计中具有非常重要的位置，这是因为网侧电感的取值不仅影 响到电流环的动、静态响应，而且还制约着整流器输出功率、功率因数以及直流电压， 它的主要作用有： ( 1 ) 隔离电网电动势与整流器交流侧电压； 3 8 堕啦啬t = = 0 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 滤除整流器交流侧p w m 谐波电流从而实现整流器交流侧的正弦波电流控 制： ( 3 ) 使整流器具有b o o s t 变换性能以及直流侧受控电流源特性； ( 4 ) 使整流器获得良好电流波形，实现单位功率因数控制，网侧纯电阻运行特性。 可见，交流侧电感对整流器系统的影响和作用是综合的，它的设计主要以满足整流 器瞬态电流跟踪指标为原则，既要快速电流跟踪，还要抑制谐波电流。对于正弦波电流 控制，当电流过零时，其电流变化率最大，此时电感应足够小，以满足快速跟踪电流的 要求；另一方面，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，以 满足抑制谐波电流要求。综合以上因素，可得电感计算公式如下【3 1 1 ： 堡垡二坠坠叠厶里( 3 3 4 ) 2 o3 l 式中： 比直流侧电压。 u 。一电网相电动势峰值； ，整流器交流侧基波相电流峰值； i 一谐波电流脉动幅值最大允许值； 砟。删周期。 3 2 2 直流侧母线电容的选取 在整流器主电路参数中，直流侧电容的设计是另一个重要的参数设计，直流侧电容 的作用有：