（电力电子与电力传动专业论文）双馈风力发电系统模糊控制技术的研究.pdf

r e s e a r c ho nf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yo f d o u b l y f e dw i n d p o w e r s y s t e m c h e nt i a n l i ( p o w e re l c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k a n gz h o n g j i a n a b s t r a c t w 胁t h eo v e r u s eo fp e t r o l e u me n e r g ys o u r c e s ，e n v i r o n m e n td e p r a v a t i o na n dt h e w o r s e n i n go fp o w e rs u p p l yc i r c u m s t a n c ep r o b l e m si n c r e a s i n g l y , i ti sp r o v i d e dw i t hv e r y i m p o r t a n tm e a n i n g st os o l v ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n td e p r a v a t i o nb yu s i n gw i n d e n e r g ya st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc l e a rs u b s t i t u t e de n e r g ys o u r c ei nt h ef u t u r e t 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 ) w i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mr u n si naw i d e s p e e dr a n g e ，e n e r g y c a nf l o wi nd o u b l ed i r e c t i o n ，a n di t st r a n s d u c e r p o s s e s s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lc u b a g e ，l i g h tw e i g h ta n dl o wc o s t s ot h ev s c fd o u b l ef e dw i n d e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mu s e di nt h ew i n de n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mw i d e l ya r eb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h et w o l e v e ls o u r c eb a c k t o b a c kp w mc o n v e r t e ri su s e di n t h i st h e s i s t h ev s c f w i n d - p o w e rs y s t e mw i t hd o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o ri sc o m m o n l yc o n t r o l l e dw i t hp i c o n t r o l l e rw h i c hd e p e n d so i lt h ep a r a m e t e r so fs y s t e m t h ec h a n g eo fg e n e r a t o rp a r a m e t e r s a n dt h es p e e do fw i n dh a sa l le f f e c to nt h ec o n t r o le f f e c t t h ef u z z yc o n t r o li su s e dt oc o n t r o l t h e d o u b l y - f e dw i n d - p o w e rs y s t e mi no r d e rt oi m p r o v et h er o b u s to ft h es y s t e m i nt h er e s e a r c ho ft h e 鲥d - s i d ep w m c o n v e r t e r ，i nt h i st h e s i san o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi s d e s i g n e dc o m b i n e dp i dw i t hf u z z yc o n t r o la n df e e d f o r w a r do fl o a dc u r r e n tw h i c hi sa p p l i e d t oo p t i m i z ep w m r e c t i f ys y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g y i sc o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp w m r e c t i f i e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n b a l a n c e dg r i d ，an e wd u a lc l o s e l o o pc o n t r o l l e ro ft h e t h r e e p h a s e sr e c t i f i e ri sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a l t h r e e 。p h a s e sr e c t i f i e rt h a tt h e r ei st h es e c o n dh a r m o n i cp o w e ri nt h ed cs i d ew h e nt h e 鲥d v o l t a g e sa r eu n b a l a n c e d t h ef u z z yp ic o n t r o li su s e df o rt h ev o l t a g eo u t e r l o o pt oi m p r o v et h e s p e e do fd y n a m i cr e s p o n s e t h er e s p e c t i v ec o n t r o lo ft h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c e c u r r e n t sa r eu s e df o rt h ec u r r e n ti n t e r l o o pw i t h o u tt h es e q u e n c ec u r r e n td e c o m p o s i t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rc o u l da d j u s tt h ed cv o l t a g es t e a d y q u i c k l y , d e c r e a s et h eh a r m o n i cp o w e ra n di m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er e c t i f i e r u n d e rt h eu n b a l a n c e d 鲥dv o l t a g ec o n d i t i o n a sf o rt h er o t o r - s i d ep w mc o n v e r t e r , t h ev e c t o rt r a n s f o r mb a s e do ns t a t o r - f l u x o r i e n t e d i su s e dt os i m p l i f yt h em o d e lo fd f i gt h ef u z z yc o n t r o li su s e dt or e a l i z ei d l el o a d 卯d c o n n e c t i o nc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m et oac o n c l u s i o nt h a tf u z z y - c o n t r o lh a s g o o dr o b u s t n e s sa n da p p l i c a b i l i t yi nt h ei d l el o a dg r i d c o n n e c t i o nc o n t r 0 1 t h ep r i n c i p l eo f t h em a x i m u mw i n de n e r g yt r a c k i n gi si n v e s t i g a t e dd e e p l y a 鲥d v o l t a g e o r i e n t e dv e c t o r c o n t r o l l e ro fd f i gi s d e s i g n e d ，w h i c hc a nm a k et h es y s t e mc a p t u r et h em a x i m u mw i n d e n e r g ya n dd e c o u p l et h ea c t i v ea n dt h er e a c t i v ep o w e r t h et h e o r ya n a l y s i sa n ds 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 et h i sc o n t r o ls t r a t e g yi sc o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t 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 ；f u z z yc o n t r o l ； u n b a l a n c e d g n d ； d i s t u r b a n c eo f p a r a m e t e ro fg e n e r a t o r ；s t a t o r - f l u x 。o r i e n t e d ；m a x i m u mw i n de n e r g yt r a c k i n g 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：沙年6 月弓日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：醯墨玺 指导教师签名： 日期：砷，口年幻弓日 日期：加f 律易月弓日 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题来源及研究意义 本课题为自选课题。 目前随着石化能源的过度使用而导致的环境问题日益加剧和资源的严重枯竭，人类 越来越迫切地开发清洁的新能源，风能作为未来几十年内重要的新能源之一，对于缓解 能源匮乏和环境保护具有十分重要的意义。风能的开发和应用已经受到世界各国政府的 高度重视。 风能具有随机性和不稳定性的特征，风力机在每个不同风速下都对应一个最佳运行 转动速度，此速度下对风能的捕获效率才能达到最高，此时风力机才能获得最大的能量 利用效率，所以应控制风力发电机组运行在这个最佳转速上。而传统的恒速恒频发电方 式只能运行在某一固定转速上才能达到最高运行的效率，当风速变化时风力机就会离开 最优运行转速，致使效率下降，风力资源得不到充分利用，进而增大风力机的摩擦而致 使风力机损坏。如果采用变速恒频发电方式，就能依据最大风能捕获的原理，在风速改 变的情况下不断实时地调节和控制风力机转动速度，使风力机一直运行在与此时的风速 对应的最佳转速上，在这种情况下可使风力机获得最大的能量转换效率。采用变速恒频 发电技术后，还可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，并且变速恒频风力 发电系统的调速范围宽，它的变频器接到转子侧，流通的能量小，因而具有重量轻、体 积小、成本低等特点，基于以上优点，双馈风力发电系统已成为当今风力发电的发展趋 势和重要的研究方向。 由于双馈风力发电机在结构上与绕线式异步电机相似，具有高阶、非线性和强耦合 的特点，通过矢量变换对双馈电机的数学模型加以改造，获得像直流电机那样简洁的、 线性的数学模型，进而获得所要求的控制目标和要求。本文通过矢量控制对双馈发电机 进行研究和分析，建立了双馈发电机在两相同步旋转坐标系下和d 轴定向下的数学模型。 通常对于采用双馈电机的变速恒频风力发电系统，多采用p i 控制器对系统进行控制， 但是此控制方法需要系统参数不变，而当电机参数改变和外部条件变化时，控制效果会 受到严重影响甚至使系统恶化。而模糊控制器的设计不依赖于受控对象的数学模型，并 且控制结构和控制算法简单，设计良好的模糊控制器使得系统动态响应快，系统控制的 精度高，对受控对象的不确定因素和扰动性具有良好的鲁棒性。模糊理论的优点是用一 个隶属度函数来描述系统的可能程度。大量的理论研究和工程证明，单纯的模糊控制器 1 第1 章引言 和传统的p i d 控制对非线性系统都不会取得很好的效果，而采用f u z z y 控制和p i d 控制 相结合的控制方法能够融合两者的优点，使控制系统获得非常好的控制效果。将 f u z z y p i d 控制技术应用在双馈风力发电系统中，可以大大提高系统的鲁棒性和稳定性， 进而提高风力发电系统的运行性能和控制效果。 1 2 风力发电的国内外发展现状 1 2 1 风力发电的国外发展现状 自2 0 世纪7 0 年代以来，美国、德国、西班牙等发达国家为了寻求替代化石燃料的 新能源，相继投入大量的科研经费和人力投入，大力推动高科技产业和风能的利用，利 用微型计算机、空气动力流体学、结构力学和电机学等领域的新技术研发了很多种类的 风力发电机组，开创了利用风能的新时期【l 】。世界上很多国家都已经将发展风能作为应 对能源匮乏和环境污染双重挑战的重要手段之一，风能是除水能之外的所有可再生能源 中最接近商业化的可再生能源之一，而且风能是可再生能源，另外对环境也不会产生任 何大的影响，在未来的几十年内将是发展最快的新能源之一。根据目前的风电技术水平， 在不计算常规电力的环境成本情况下，风电成本仍远远高于常规电力成本，因此许多国 家采取了价格和税收等各种政策支持来发展风电。 在各种优惠政策的推动下，1 9 9 4 年全球风力发电的装机总容量为3 5 0 万千瓦左右， 2 0 0 1 年装机的总容量为2 4 0 0 万千瓦左右，2 0 0 8 年世界风电新增装机的容量就超过2 7 0 0 万千瓦，2 0 0 8 年底总装机得容量达到了1 2 0 8 0 万千瓦左右，世界风力发电装机得容量的 年增长速度为3 5 5 0 ，己进入快速发展时期【2 】。风电是最近几年内新能源领域增长最 快的行业，总共为世界各国提供了2 0 多万个就业岗位，极大地缓解了严峻的就业问题。 数据统计仅2 0 0 6 年一年投入风电场的资金就达到1 7 0 亿欧元左右。其中德国是风电装 机容量最大的国家，装机的总容量己超过2 0 0 0 万千瓦；美国和西班牙两国也都超过了 1 0 0 0 万千瓦；印度装机的总容量也超过6 0 0 万千瓦。随着现代风力发电技术的快速发展 和同趋成熟，向大型化机组方向发展是风力发电机组发展的方向。在2 0 0 2 年国际风电 市场上大部分机型已超过1 5 m w 。目前，欧洲各国已大规模安装3 6 m w 风力发电机组， 美国己成功研制并应用了7 0 m w 风力发电机组，与此同时英国正在研发巨型风力发电 机组，当今国际上主流的风力发电机组容量已达到2 - 3 m w 。2 0 0 4 年兆瓦级的风机机组 已经成为商业化机组的主流，1 0 m w 以上的兆瓦级风机机组占到新增的装机容量的 7 4 9 ，比2 0 0 3 年略有提高，是2 0 0 0 年的两倍左右【3 1 。 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 经过3 0 多年的不断努力，随着市场不断扩大和风力发电技术的快速发展，从而使 风电的成本也大幅度下降，每千瓦时风电成本由2 0 世纪8 0 年代初的2 0 美分左右减少 到2 0 0 7 年的5 美分左右。尤其在风能资源较好的地方，在价格上风电可以和燃煤电竞 争，在风能资源很好的地区甚至可以与燃气电力匹敌。尽管发展风电在许多地方发展仍 然存在着很多的难度，如对电网的影响、风能资源预报水平的限制、海上风电的发展问 题等，但随着市场稳步扩大和产业商业化不断提升，与常规能源相比的经济性优势和对 环境的保护方面优势渐渐凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。 1 2 2 风力发电的国内发展现状 我国风力资源相当丰富，根据我国风能资源相关部门普查最新统计结果显示，探明 陆上离地1 0 米高度的风能资源总量约为4 3 5 亿千瓦左右，其中技术可开发量上网风能 资源在3 亿千瓦左右，如果计算到风力发电机组轮毂高度风能技术可以开发的总量在6 亿千瓦左右，主要分布在我国东北北部、西北大部、华北北部、青藏高度以及沿海等地 区【3 1 。 2 0 0 0 多年前我国就开始了对风能的利用和开发，最初主要用于风力提水和风车上， 但由于一些原因使得风力的发展非常缓慢。从上世纪5 0 年代才开始研制小型风力发电 装置。到了6 0 年代，开始小批量生产一些小型风力发电机组。进入7 0 年代后，我国对 风能的利用研发和应用进入了一个全新的发展时期。1 9 8 1 年1 2 月，中国科协批示成立 风能专业委员会。1 9 8 5 年原国家质量技术监督局批准成立了专业的标准化技术委员会一 “风力机械标准化技术委员会”，其功能是主要负责全国风力发电、风力提水等专业领 域的标准化技术标准的制定工作，并制订了很多有关风力发电机和风力提水机的相关标 准。从9 0 年代我国开始了从小型风力发电机组的研发和广泛应用向大型风力发电机组 的开发、引进和创新发展的道路。中华人民共和国可再生能源法于2 0 0 5 年2 月2 8 日通过，自2 0 0 6 年1 月1 日颁布后，我国风电行业取得巨大的发展。截止到2 0 0 8 年底， 我国风电装机的总容量约为8 9 4 万千瓦，占全国装机总容量的1 1 左右【4 】。目前我国对 小型风力发电机组的研发和制造积累了非常丰富的经验，技术上已逐渐成熟，并有部分 小型机组出口。尤其最近几年来，在国家计划委员会主持下开展了小型风力机“光明” 工程和大型风力机“先锋工程，这将大力推动我国风力发电事业的蓬勃发展。 3 第1 章引言 1 3 风力发电技术 1 3 1 风力机类型 风力机是风电机组中的重要部件，可以分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。 1 ) 水平轴风力机 水平轴风力机是最常见的设计，它的风轮的旋转轴向与风向平行，一般分为阻力型 风力机和升力型风力机两类。阻力型旋转风力机速度慢，升力型风力机旋转速度快。大 多数的水平轴风力机有对风的装置，能够根据风向的变化而改变运动方向。升力型水平 轴风力机在风力发电中得到最广泛应用。 2 ) 垂直轴风力机 垂直轴风力机在风向变化时不需要对风，因而没有对风装置使得设计简单，风轮的 旋转轴垂直于地面或气流方向，这是相对水平轴风力机的一大优点，减小了风轮对风时 的陀螺力。这种方式的优点是能够比较容易获得风能，但是具有无法自起动的缺点，因 而比水平轴风力机效率低，但由于其设计简单和成本低，也得到广泛应用。 1 3 2 风力发电系统 发电机和它的控制系统是风力发电技术的另一个重要的组成部分，它将风力机传输 过来的机械能通过控制系统的控制转换为电能并入电网，因此发电机及其控制系统的运 行状况，直接影响着着整个风电系统的性能、效率和电能质量。根据发电机的运行特征 和控制技术，风力发电系统可分为恒速恒频( 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 ) 发电系统和变速恒频( 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 ) 发电系 统两大类5 1 。 1 ) 恒速恒频发电系统 在风力发电系统中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率 保持一致。恒速恒频即在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒频的电 能。在恒速恒频发电系统中，通常使用定桨距失速或者主动失速来控制风力机，而大容 量的风力发电机组主要是采用主动失速控制。当然，也有风力机采用变桨距控制的恒速 恒频发电系统，但是这种系统有齿轮箱易磨损和输出功率不平稳等缺点，因此很少被采 用。导致这些缺点是由于桨叶节距角的调节不能跟随上风速的变化，使风力机转轴上的 转矩波动得十分厉害，从而影响齿轮箱的使用寿命和输出功率的平稳性。 2 ) 变速恒频发电系统 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 风能具有间歇性、地区差异大、随机性和可调度性低等特点，而恒速恒频发电系统 只有固定运行在某一最优转速上才能达到最高的运行效率，捕获最大的风能，而当风速 变化时风力机就会偏离最佳运行转速，导致效率下降，使风力资源大量浪费。变速恒频 即在风力发电过程中让电机的转速随风速变化而变化，通过对变流器的控制从而获得恒 定频率的电能。在变速恒频风力发电系统中可根据最大风能捕获的要求，当风速变化时 实时地调节风力机转速，使之始终运行在与该风速对应的最佳转速上，从而提高了发电 机组的效率。采用变速恒频发电技术后，还可使发电机组与电网系统之间的连接实现良 好的柔性连接。由于交流调速技术在很多电力电子产品中已经得到了比较广泛和成熟的 应用，转速的调节可通过控制电机转子电流的大小、频率和相位来实现，可在很宽的风 速变化范围内获得最佳叶尖速比，最终实现最大的风能转换效率；与此同时又可以采用 一定的控制策略来有效地调节系统的有功功率和无功功率，提高功率因数，减少功率损 耗，提高系统运行效率。将调速系统和变桨距调节技术结合就构成了变速恒频发电系统。 尽管与恒速恒频发电系统相比，变速恒频发电系统中电力电子设备结构上比较复杂和价 格上比较昂贵，但成本在整个风力发电系统中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频 风力发电技术将是今后风力发电的必然趋势。 采用变速恒频技术配备不同类型的发电机，并辅电力电子变流器件，通过控制调节 发电机运行方式，就构成了各种各样的变速恒频风力发电系统【6 】。 1 ) 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 在国内外并网运行的风力发电机组中，鼠笼型异步发电机被广泛使用。鼠笼型异步 发电机变速恒频风力发电系统结构框图如图1 1 。由于风速的变化，使得风力机和转子 的速度也随之变化，导致发电机发出交流电的频率也是不断变化的。本系统在定子绕组 与电网之间增加变频器环节，可以把频率变化的电能转换为与电网同频率的电能并入电 网。这种方案实现了变速恒频发电，具有调速运行范围宽、适用于风力变化大的环境和 维护比较简便等优点。但是由于变频器安装在发电机定子侧与电网并联，变频器的容量 必须与发电机的容量相等，使得变频器的重量大、体积大，而变频器的价格非常昂贵， 系统成本非常高，因此又把这种配置方式称为全额定值变换配置。 5 第1 章引言 图1 1鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 f i g l - 1 t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e mo fc a g eo f i n d u c t i o ng e n e r a t o r 2 ) 同步发电机变速恒频发电系统 在当今并网型发电系统中，最普遍使用的是同步发电机变速恒频发电系统。同步发 电机在运行时既能提供有功，又能输出无功，并且发出电的频率十分稳定，供电电能质 量非常高，因而在电力系统中得到广泛应用。在同步发电机中，转速、极对数及频率之 间有着固定不变的数学关系，只有这样才能使发电机发出电的频率与电网的频率保持一 致，否则发电机将与电网解列，严重时导致电网崩溃。因此，对于同步发电机，其应用 在风力发电系统中有两种形式：一是带电磁转差离合器的同步发电机发电系统，其系统 结构示意图如图1 2 所示。当风速改变时，能够使同步发电机的转速等于同步转速而维 持恒定，从而使同步发电机输出恒压恒频的交流电。从同步发电机的外特性来看，其转 速一直与同步转速相等，处在恒速恒频的运行状态，但是从整个风力发电系统来看，风 力机转速是不断变化的，因此，也把这种系统称为变速恒频发电系统。这种发电系统具 有控制结构简单和输出电能质量高的优点，但是很大一部分风能消耗在电磁离合器磁极 的发热上，导致了运行效率比较低。 图1 2同步发电机恒速恒频风力发电系统 f i g l - 2 t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t i o n 另外一种是带变频器环节的同步发电机风力发电系统，其系统结构示意图如图1 - 3 所示。当风速改变时，同步发电机发出电能的频率也随之变化，此系统通过变频器环节 控制同步发电机，把频率变化的电能转换为与电网频率相同的电能输送至电网。这种方 案具有较宽的转速范围，能得到频率不变的交流电，并且中间无须调速装置，最终实现 了变速恒频发电运行。缺点同样是变频器安装在发电机定子侧，变频器的容量必须等于 6 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 与发电机的容量，导致系统成本非常高。 图l - 3 带变频器的同步发电机变速恒频风力发电系统 f i g l - 3t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t i o nw i t hc o n v e r t e r 3 ) 双馈风力发电机变速恒频发电系统 异步发电机转子侧没有励磁绕组，因而电网通过定子侧绕组给其励磁。随着电力电 子技术和微机控制技术的快速发展，人们不断地探索新的方法来解决电力系统稳定问 题，提出了采用给转子侧绕组提供交流励磁的发电机取代常规同步发电机的方法，并在 实际中取得了重大成果。在同步电机和异步电机的基础上提出了交流励磁发电机这样一 种新型发电机，其转子侧安装三相交流励磁绕组，当为转子侧提供某一频率的交流电时， 转子侧会产生一个以某一速度旋转的磁场，而这个旋转磁场对于定子来说是以同步速旋 转，因而会在电机气隙中形成一个以同步速度旋转的气隙磁场，并在定子侧感应出同步 频率的感应电动势。从定子侧看，这与同步发电机在电机气隙中形成一个以同步速度旋 转的磁场是等效的。根据电机的转子旋转速度与同步转速是否相等，电机可分为异步发 电机和同步发电机两类，根据这点交流励磁发电机应归为异步发电机。但是交流励磁发 电机在很多地方又与同步发电机相似，也把交流励磁发电机称为异步化同步发电机。用 直流电励磁的同步发电机通过调节直流励磁电流的幅值来控制电机，所以同步发电机励 磁只能对无功功率进行控制，而交流励磁发电机可通过调节励磁电流的幅值、励磁电流 的频率和相位来实现对电机的控制。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速以 达到调速的目的，而发电机的功率角的调节可以通过改变励磁电流的相位来实现，最终 既可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。该发电机定、转子侧都 接入电网，因此又把这种交流励磁发电机称作交流励磁双馈发电机。由双馈发电机构成 的变速恒频风力发电系统结构示意图如图1 4 所示。 7 第l 章引言 图1 - 4 双馈发电机变速恒频风力发电系统 f i g l - 4t h ev s c fw i n dp o w e rs y s t e mo f d o u b l e - f e dg e n e r a t o r 由于双馈发电机是通过控制转子侧变频器的方法来实现变速恒频控制，所以流过转 子回路的功率是由转差功率决定的，该功率仅为定子额定功率的一小部分，这大大降低 了变频器的体积和重量从而降低了成本，并且可以实现能量的双向流动。与同步发电机 不同的是，采用双馈发电方式，还实现了机电系统之间的柔性连接。由于以上优点，双 馈发电变速恒频风力发电系统已经成为当今国际上风力发电的研究热点。有关双馈发电 机的双p w m 变换器控制方案以及系统运行性能分析将是本文重点研究的内容。 1 3 3 风力发电系统控制策略 为获得良好的控制效果，很多学者致力于风力发电系统控制的设计和研究，当今国 内外学者所研究的控制器主要分为以下几种： 1 ) 传统p i d 控制器 + p i e ) 控制器是常见的反馈回路部件，它把采集到的数据实际值和一个参考值进行比 较，来消除此误差的控制策略，它在参数的选定上可以根据被控过程的特性确定p i d 控 制器的比例、积分和微分参数的大小，这些优点使得p i d 控制器具有良好的控制性能， 而当今风力发电系统中一般都采用p l 控制器，并取得了良好的效果【7 1 。但是，由于传统 p i d 控制器控制主要是控制具有精确的数学模型的线性过程，参数一旦设定不能随着系 统和环境的变化而改变，而风力发电系统存在严重的非线性和电机参数会因条件的变化 而改变，当工作设置点发生变化时，p i d 各个控制参数也应做相应的调整来获得最优的 效果，因此而传统p i d 控制器在一定程度上受到制约。 2 ) h 0 。控制【8 】【9 】 h 。控制综合考虑了控制系统的鲁棒性和目标函数最优控制，以某最优运行区间的性 能指标为目标，它不但可以对控制系统进行优化控制，而且其控制精度高，从而使控制 器具有较强的鲁棒性。将h 。控制在风力发电控制系统中也得到了一定的应用，提高了 风力发电系统的抗干扰性和鲁棒性，使得风力发电系统能够最大程度上能够捕获风能， 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 从而提高风力发电系统的运行效率。h 。控制的缺点是其降低了运行点性能指标的最优 性，权函数如何选取也需要进一步研究和在实践中应用。 3 ) 滑模变结构控制1 0 】【1 l 】 滑模变结构控制实际是一种不连续的开关控制，它要求频繁并快速地切换系统的控 制状态。它能够有快速响应系统的变化，而且对系统参数变化不敏感具有很好的鲁棒性、 设计简单和易于实现，因而在电力系统中得到广泛的应用。滑模变结构控制能够有效地 改善小干扰甚至大干扰条件下风力发电系统的稳定性，具有良好的鲁棒性。滑模变结构 控制的不足之处是存开关控制过程在在切换抖动，产生巨大扰动对风力机械设备造成冲 击，严重影响系统设备的使用寿命从而增加了系统的维护成本。 4 ) 自适应控n t l 2 】【1 3 】 自适应控制是通过对被控系统定参数进行在线估算，并自适应调整控制器参数，进 而可以使整个系统的动态特性获得最优控制。该控制能够有效地解决控制器对系统运行 环境变化而带来的问题，具有良好的鲁棒性。但自适应控制在参数设定前需要大量的离 线运算，在中现场不容易实现。风速是不断变化的，自适应控制器便不断地根据风速的 变化估算被控系统的参数，与此同时，反馈线性化模块使用这些的参数通过控制来消除 被控系统的非线性，从而获得良好的控制效果。但是实时参数估计是其主要的缺点是将 消耗大量的时间，并且它依靠精确的数学参考模型，但在风力发电系统中很难建立一个 精确的数学参考模型。 5 ) 模糊控制 模糊控带l j ( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是在模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础上 发展起来的的一种计算机智能控制。模糊控制是用隶属度函数来描述系统变量的可能程 度，其优点是不需要知道被控对象精确的数学模型，对多输入多输出、时变以及滞后等 复杂的非线性系统都具有良好的控制效果。模糊控制在锅炉温度调控、交通枢纽指挥控 制、热水装置温度调节以及汽车速度和航天等领域上得到成功的应用。并且随着其广泛 应用正在向复杂系统、智能系统以及人类与自然系统方向发展。随着模糊控制理论的不 断完善，它必将会在各个领域得到广泛应用 16 1 。风力发电机并网时风速、转速都不断变 化，所以只有把风速、转速、电流、电压等通过信号采集装置得到的信息融合起来，并 通过控制器的控制获得理想的效果，这一过程可由模糊算法来实现。文献1 4 和1 5 将模 糊控制理论应用到风力发电系统中得到非常好的控制效果。大量的理论研究和工程实践 证明，单纯的模糊控制器和传统的p i d 控制对非线性系统都不会获得很好的效果，而采 9 第1 章引言 用f u z z y 控制和p i d 控制相结合的控制方法能够融合两者的优点，使控制系统获得非常 好的控制效果。本文将采用f u z z y - p i d 控制应用到变速恒频风力发电系统中，与传统p i d 控制进行比较并研究控制器的设计方法。 1 4 本文的主要工作 本课题研究目标是利用矢量变换简化电机模型，采用m a t l a b 仿真系统建立双馈电 机的仿真模型和变速恒频风力发电系统模型，设计出基于模糊控制的双p w m 变换器的 双馈风力发电系统，并利用实例进行仿真研究，研究控制器的控制效果。 本文主要的工作为： ( 1 ) 在分析双馈发电机的结构和工作原理的基础上，推导出双馈发电机三相静止 坐标系下的数学模型。应用矢量变换原理获得两相旋转坐标系下的数学模型，并详细推 导和分析了双馈发电机中功率、电磁转矩等的表达式及其相互关系。 ( 2 ) 在网侧p w m 变换器的研究中，将传统p i d 控制与模糊控制相结合，并引入 负载电流前馈补偿，提出了一种新颖的控制策略，优化p w m 整流系统，并利用实例进 行仿真研究，研究控制器的控制效果。并在分析不对称电网特点的基础上，对传统双闭 环控制做改进，提出一种新型的控制策略，使得网侧p w m 变换器在不平衡电网下获得 良好的控制效果。 ( 3 ) 在转子侧p w m 变换器的研究中，根据变速恒频风力发电系统下空载的条件简 化系统模型，并结合模糊控制技术，给出了基于模糊控制技术的双馈风力发电机空载并 网控制策略。采用矢量控制简化双馈发电机模型，并在此基础上确定了最大风能捕获的 控制策略。本文将模糊控制技术引入双馈风力发电系统有功功率和无功功率解耦控制 中，从而获得良好的控制效果。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 第2 章双馈风力发电的基本理论 变速恒频风力发电技术是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型风力发电技术，它 融合了电力电子技术、矢量控制技术和微机控制技术，并应用到风力发电机的控制中， 从而获得了一种新颖的、高效能的发电方式，成为当今电力电子技术研究中的热点。双 馈电机在2 0 世纪四十年代就已经出现，随着电力电子技术和微机数字控制技术的发展， 双馈电机在电气性能方面展现出的一系列优点，已引起国内外科研工作者的高度重视并 对其进行了深入的研究。双馈电机在结构上与绕线式异步电机相似，具有定子绕组和转 子绕组两套绕组。在控制中，双馈电机转子由接到电网上的变频器进行交流励磁。双馈 异步感应发电机( d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，简称d f i g ) 在变速恒频风力发电中得 到了广泛的重视，由于双馈电机能够通过转子侧变换器调节输出功率因数和实现风能的 最大捕获，所以基于双馈电机的变速恒频风力发电技术是当前风力发电研究的一个重要 方向。本章在研究双馈发电机数学模型的基础上，对双馈发电机系统功率流动特性、运 行特性等进行了定性分析，为后续章节采用矢量控制对系统进行控制提供了理论依据。 2 1 双馈风力发电系统 双馈风力发电系统模型结构图如图2 - 1 ，基本结构主要包括如下部分：风力机、变 速箱、双馈发电机、变压器、双p w m 变换器、电压电流测量系统和微处理器等。 图2 - 1 双馈风力发电系统结构框图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo fd o u b l y - f e dw i n dg e n e r a t o rs y s t e m 第2 章双馈风力发电的基本理论 在双馈风力发电系统中，双馈发电机的三相定子绕组接入三相工频交流电网，转子 绕组经转子变换器与电网相连来实现为转子励磁绕组励磁。双馈电机结构类似于绕线式 异步电机，其定子和转子均安放对称三相绕组，由具有固定频率的对称三相电源为定子 侧绕组供电。转子绕组由具有频率可调的对称三相电源供电。电机的转速由定转子之间 的转差频率确定。电机的定转子磁场和气隙磁场相对于定子是同步旋转的，因此双馈电 机具有类似同步电机的特性。 当电机的三相对称定子绕组由频率z 的电网供电时，气隙中会产生同步转速为n ，的 基波旋转磁场，满足z = pn 。6 0 ( p 为定转子极数) 。当转子以转速n 旋转时，并由频 率为旷的电源为三相对称转子绕组供电时，会在转子中产生三相对称电流，而此电流 所产生的基波磁动势f 对于转子以转差速度s b ，旋转，而对于定子以同步速以，旋转。气 隙中基波磁场会在定子绕组中产生的感应电动势，该电动势与外加至定子绕组中的电压 共同作用得到三相对称定子电流，产生以同步速旋转的定子基波磁动势f 。定转子磁动 势相都以同步旋转旋转保持相对静止，两者在气隙中形成合成磁动势巴，由此在气隙 中形成合成磁场，并在绕组中分别产生频率为，的感应电势巨、频率为矿的感应电 势易。 电网与转子侧连接的变频器由转子侧变换器和网侧变换器组成，本文中网侧变换器 为三相p w m 整流器，其目的是获得获得稳定的直流母线电压，并保证网侧输入功率因 数可调和网侧电流正弦化，且使直流母线电压抗负载扰扰动性能好；转子侧变换器为逆 变器，通过控制转子侧变换器来实现对d f i g 以及整个风力发电系统的控制，决定了整 个风力发电系统的性能，实现最大风能追踪和d f i g 定子输出无功功率的控制。本文重 点研究双馈风力发电系统的双p w m 变换器的矢量控制。 2 2 双馈风力发电机的数学模型 变速恒频风力发电系统的双馈电机的基本结构类似于绕线式异步电机，为了研究方 便，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，在空间中相差1 2 0 。的电角度，磁动势沿 气隙圆周按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和的情况，假设各绕组的自感和互感都是恒定的； 1 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 忽略定转子铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度的变化对绕组电阻的影响。 2 2 1三相静止坐标系下双馈电机数学模型 将三相绕线转子折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这样，实际 电机绕组就被等效成图2 2 所示的双馈电机的物理模型【1 7 】【19 1 。 b b c 图2 2 双馈电机的物理模型 f i 9 2 - 2p h y s i c a lm o d e lo fd o u b l y - f e dg e n e r a t o r 图2 2 中，三相定子绕组轴线a 、b 、c 在空间中是固定不变的，并互差1 2 0 。；三 相转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴相差目的电角度，称为转子 位置角，是旋转变换中重要的一个变量。下标s 表示定子侧参数，下标r 表示转子侧参 数，三相定子绕组的电阻均为b ，三相转子绕组的电阻均为r ，双馈发电机的数学模 型由以下定转子绕组电压方程、定转子绕组磁链方程、电磁转矩方程和运动方程组成。 1 ) 定转子绕组电压方程1 7 】 三相定子绕组电压平衡方程为： 同理可得，三相转子侧绕组折算到定子侧后的电压平衡方程为： 1 3 一 口一 c 一