（电机与电器专业论文）变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 r s e a r c ho nv c c t o rc o n t r o ls y s t c m si nv a r i a b l es p e e d 锄dc o n s t a l 吡 f q u e i l i yw i n dt u r b i n e a b s t 瑚l c t t h ca u 嘲g y 孤dt h ee l w i r o n m e ma 把t h eu r g c mp m b l 锄w l l i c h wt t l eh l i m 帅s i 玳，i v a l 趾dt h ed c v e l o p m 吼tm l l s ts o l v e n o wv a r i o 啦c o u n l 矗e sh a v ea t 妇c h c di m p 砌mt o 觚lu o f 砌a l e r g y w 如l dp d w 韶昏舶删o nh 嬲b c c o m et h er e a r c hf - o c u so fa l lc o 州e s t h i s t b e s i sp r o p o s e das 昀t e g yt oc o r l 柚o lt h ed o u b l ef e dc l e c 仃i cm h i n eb a s e d s p c e d 翻强i s o r l e s sn 坨! t | 硼 觚既锄a _ i y z i n gs e 、，e r a l 虹心o fv a r i a b l es p e e d 吼dc o n s t 2 m t 缸掣肋c y 谢n dp o w 盯 群! i l 锄矗s y s 蛐sa n dt h e r o d y i l a n l i cp l q ，e r c yo fw i n dt l l f b i n 骼，m e 圮l a t i 们1 s h i po f 枷 p c r w 贸c 仿c i e t ，p i 妯锄g l e 觚d 吐ps p c e d 枷o c o i l l db ew o f 嘲o i i t t h l h ca p p r m 出瑚| t e f o 】血u ho ft l 圮稍n dp o w 既c o e 伍c i e n th a sb 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e i n s t 锄t 锄【e 0 璐a 胡v e 础啊盯w 量l i l e 托a l i z e dt h ee x c i t 朗c u r 啪t 咖血o lo nt h es t a t o rs i d et h i o u g h c o n n o l l i i l gt h ci n s t a m a l l c o 砸r e 枷v ep o w c r t h cm t o rs i d e b e c a u 埘l t i n gm e i n s t a i l t a 】晴o i l sa c t i v ep o w 嚣n e e dn o tt h ei n t e 掣抑t oc o 吼tt 王l em a g n e t i cn l ，t h e a 鳓】m 词锄e de r r o fi sa v o i d a tt h el i n ko f f o t o ri n m k t i o ne l c c t f i cp 毗e 妇lo r i 既l 乜i l i o i i t h cf i r d i 西tf i l t e ri si n 帆) d u c e dt 0 f i l t 盱t h ei n d u c t i o ne l c c t r i cp c 惦m i a ls i 母l a l ，n o to n l yg o o d 锄p l i t u d e 丘蜘u c m yc h a 删：t e f i s t i c sb u ta l s ol i n 朗rp _ l l a 船- n 明l l 锄c yc h 艄| c t e r i s t i ch a v eb 嘲 。比l i l l c d t h r o u g h 锄a l y 五n g ，i 砷d u c e dt l l ef i l t c rm a l 【et 1 呛c 彻栅lm e m o dl l a v ea t h i c ks k i n m 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 t om o 击昕p a 均m 酏眈t h 舶t h ec 打o lm e t h o dc o u l d 铡l i l a i l c et h ei n t e 】r f b f e n c e 蚵e c 6 o ft h e s ) r s t e m a tl a s t i th 鹤b e 锄p r o v e dt t l a tt l l i sm e t h o dc o m p a f e d 、i t l lt h e 蛐a b l ec o n t r o lo ft h e d o u b l e 缸dm o t o rh 私自s td y m m i cr e s p o n 靶，a v o i d sl o 、v - 仔e q u e n c yc o n c u s s i o n ，s oi t sc o n 仰l d 珀瑚【c t e r i s d ci si n t e n r 砌to fs t a t o rm 蛐e t i cf i e l do r i e n t a t i o nm e t h o d 觚ds t a b i ec o n l l m e t h o d ，i t 锄a l s o 他a l i z et h es p e e d - 辩n r l e s sc o n t m lm e t h o d t h e 旭a c t i v ep o w 髓g l l i a t i o ft h cd o u b l ef e de l e 硎cm a c h i n e 锄a l s ob e 坨a l i z e dm m u g hr o t o ri n d l l c t i o ne l e c 仃i c p o t c 埘a lo f i 钮t a t i m e t h o d ，o f w l l i c hh 嬲s i r n p l ec o r 血o ls t r u c n 鹏柚dg r e 砒p 瑚枷c a b i l 时 k e y w o r d ：v 协rc o n t m l ，1 ) o u b 炒蜘m 曩c h i n e ，s p 咖一髓s w 妯dp 佣e r 铲n e r 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j ，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。 签名谴嗽埤，丛! 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，。町以采用影印、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：蔓孟导师签名：隰趔 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 本文直接针对8 6 3 十五计划新能源课题当中的m w 级变速恒频风力发电系统的研 究项目 1 1 风力发电的概述 1 1 1 课题意义及来源 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源如煤、石油、天 然气等存储非常有限，在使用这些常规能源的同时，也造成了严重的环境污染。因此， 对可再生能源如风能的开发与利用显的非常重要。 近年来世界风力发电发展十分迅速，在过去的1 0 年间，风电发展不断超越其预期 的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源地位。1 9 9 8 年到2 0 0 4 年的7 年中， 全球风电装机容量年平均增长率为3 0 4 6 。2 0 0 4 年末，全球风电装机容量达到 4 7 6 1 6 4 m w ，风力发电量已经占至世界总电量的o 5 ，所发电力足够供应1 ，9 万个 欧洲普通家庭或4 ，7 0 0 万居民的电力需求。预计2 0 l o 年全欧洲风电装机将达到 4 0 。0 0 0 m w ，2 0 3 0 年可达到1 0 0 ，o o o m w 。欧洲风能协会和绿色和平组织在近期的一份报 告中指出，到2 0 2 0 年风力发电将占世界电力总量的1 2 ，届时世界风电的装机容量将 达到l ，2 3 1 ，0 0 0 m w ，发电量约为3 0 ，0 0 0 亿k w h 。 我国是一个风力资源非常丰富的国家，风能是我国目前最有开发利用前景的一种新 能源。到2 0 0 5 年底中国累计安装风电机组达1 8 9 2 台，装机容量1 5 0 万k w 。共有5 0 多个风电场，分布在1 4 个省( 市、区) 。预计2 0 0 6 年底风电装机容量能够达到1 3 0 万 k w 。中国目前风电装机容量虽少于上述国家，但近几年来风电发展迅速，预计到2 0 0 7 年新增风电装机容量累计达4 7 0 万k w 以上。目前我国风力发电机组设备制造厂生产机 型有2 0 0 k w 、2 5 0 k w 、6 0 0 k w 、6 6 0 k w 、7 5 0 k w 风力发电机组，这些机组除北京万电 有限责任公司生产的6 0 0 k w 风力发电机组是采用变桨距调节外，其它都是失速型机组。 “十五”期间，为提高国产化率提供科技支持，国家科委安排了风电科技攻关和8 6 3 研究项目。其中，“l m w 双馈型变速恒频风电机组”课题由沈阳工业大学风能技术 研究所承担；完全立足于自主设计，技术方案采取双馈发电机、变桨距、变速恒频技术， 第一台样机已于2 0 0 5 年7 月3 1 日完成调装，国产化率8 5 以上。 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 1 1 2 风力发电技术的发展现状 近年来世界风力发电发展十分迅速，每年其容量以3 0 的速度递增。目前世界市场 上风电机主要的调节技术有：定桨距调节风电机技术，变桨距调节风电机 技术，主动定桨距调节技术，变速恒频四种。 定桨距调节风电机技术( s t a l l g u l a t i o n ) ，这种技术就是所谓的典型丹麦风电技术 的核心。定桨距是指桨叶与轮毅的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时， 桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高 于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限 制发电机的功率输出。其优点是：调节简单可靠，控制也可大大简化；其缺点为：桨叶、 轮毂、塔架等主要受力部件的受力增大。现在国际上6 0 0 k w 以下的机组，大部分仍在 使用该项技术，如m f g - m i c o n 、b o n u s 、n o i m e x 等著名厂商都采用该项技术。 变桨距调节风电机技术( p i t c h 陀g i i l 砒i ) ，该项技术主要代表为v e s t a s 。变桨距是 指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到 运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到4 5 0 ，当转速达到一定时，再调节到o o ，直 到风力机达到额定转速并网发电：在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角 保持在o o 位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根 据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。v e g 啪采 用高滑差发电机，普通异步发电机滑率在2 以下，他们设计的发电机滑率达l o 。这 种做法等于在传动链中增加了一个弹性环节。使输出功率的变化大大减少变桨距调节 的主要优点为：桨叶受力较小，桨叶可以做得比较轻巧，风电机的结构部件都可以做得 比较轻巧；其缺点为：结构复杂。 主动定桨距调节技术( a c t i v cs t a l lf i e g l l l 鲥) ，这种调节方法是前述二种方法的组 合。目前，国际上几大风电机制造商，如m f g m i c o n 、b o n u s 等，在大于6 0 0 k w 风 电机上均采用此种技术。这种调节方法的主要好处是：具有定桨距调节方法的特性，输 出功率变化较小、风轮平稳。 变速恒频( v i 蹦蝴es p e c d ) ，这种调节方法可以在输出功率低于额定功率之前使效 率达到最高。但当输出功率大于额定功率，即风速大于额定风速后，其调节方式与变桨 距方式相同。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风 2 沈阳工业大学硕士学位论文 力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高：控制系统采取的控制手段 可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。目前使用这种技术 的制造商主要是德国的e i l e 咒、荷兰的i a r g e w a y 。 1 1 3 风力发电机组分类 风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频和变速恒频。风力发电机与电网并联运行 时，要求频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，控制发电机转速不变， 从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化，通过其他方法来得到 恒频电能。 变速恒频发电系统是2 0 世纪7 0 年代中期以后发展起来的一种新型风力发电系统， 与恒速恒频风电系统相比，其主要优点是： ( 1 ) 系统效率高。风轮变速运行，可在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速e 殴、最 大功率点运行，从而提高了风力机的运行效率，和恒速恒频风电系统相比，年发电量一 般可提高l o 以上。 ( 2 ) 吸收阵风能量，把能量以飞轮能量的形式存储在机械惯性中，减少阵风冲击 对风机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转矩脉动，延长风机寿命。当风速下降时，高 速运转的风轮的能量释放出来变为电能送给电网。 ( 3 ) 具有同步电机运行特点，功率因数可调。不消耗电网无功功率，还可改善电 网功率因数，提高发电质量。 ( 4 ) 可使变桨距调节简单化。变速运行放宽对桨距控制时间常数的限制，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。减少运行噪声，可进行 动态功率和转矩脉动补偿。 变速恒频风电机组需要变速运行，导致电气控制系统复杂，整机造价高。经分析， 与恒速恒频相比，变速变频风电机组，机械部分( 包括风轮、齿轮箱、塔架等) 的基本投 资可减少1 0 2 0 ，电气部分( 包括发电机和控制系统等) 的投资有较大增加，但电气 的成本在中、大型风电机组中所占比例不大。目前6 0 0 k w 以上大型恒速恒频风电机组 电气部分的投资约为整个机组总投资的1 0 2 0 ，即使变速机组电气部分的投资为恒 速机组电气部分投资的3 4 倍，仍可得到较低的风电成本。说明大型变速恒频风电机 组的经济效益是十分明显的。所以，很多国家( 如德国、美国、意大利、荷兰、俄罗斯 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 等) 都在相继开发变速恒频风电机组。中、大型交速恒频风电机组正逐步的占领着风电 机组市场，因此开发研制兆瓦级变速恒频风电机组是我国发展风电技术的当务之急。 1 2 变速恒频系统概述 目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交流，直流，交流系统、磁场调制 发电机系统、交流励磁双馈乏电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开 关磁阻发电机系统等，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。下面对这些系统分别讨论。 ( 1 ) 交流，直流交流风力发电系统 原理：发电机发出频率变化的交流电，首先通过整流器整流成直流电再通过逆变器 变换为频率恒定的交流电输入电网。在此系统中可以采用的发电机有绕线式同步发电 机、鼠笼型感应发电机、永磁同步发电机。 优点：这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；可调节无功功率。 缺点：变频器的容量和系统的容量相同。有高频电流谐波注入电网。 ( 2 ) 磁场调制发电机系统【l 】 原理：系统由一台高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成，图1 1 示出磁场 调制发电机单相输出系统的原理方框图。发电机本身具有较高的旋转频率f ，用频率厶 的低频交流电励磁( 厶即为所要求的输出频率，一般为5 0 h z ) ，当频率l 远低于频率 z 时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为( z + 厶) 和( 一一厶) 的两个分量 组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是厶，包络线所包含的高频波的频率是。 将三相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为l ( 带有频率为6 f 的若干纹波) 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。最后经 滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为厶的恒频正弦波输出波形。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。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1 磁场调制式风力发电系统 f i 舀l 1w i n dp o w 盯g e 咒吐i s y s b c mo f m a g n e t i ct i c l dm o d l | l a t i n g 优点：经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，晶闸管是在波形过零点时开关换向， 换向简单容易，系统效率较高。输出波形中谐波分量小而且频率高，容易滤去，可以得 到很好的正弦波形。磁场调制发电机系统的输出频率与励磁电流频率相同，与电网或柴 油发电机组并联运行十分简单可靠。 缺点：电力电子变换装置容量较大。 适用于中小型风电系统，研究较少。 ( 3 ) 无刷爪极式发电机系统【l l 无刷爪极式自励发电机，定子铁心及电枢绕组与同步电机相同，区别仅在于它的励 磁系统部分。爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一 套共同的励磁绕组。通过交交变频器把爪极发电机发出的高频交流电转变为工频交流 电来实现变速恒频控制。 优点：与一般同步发电机相比励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小， 具有较高的效率。电机为无刷结构，易维护。通过调节励磁可以很方便地控制它的输出 特性，使风力机实现最佳叶尖速比运行。 缺点：交一交变频控制电路复杂。可以考虑用背靠背的四象限变流器。 这种发电机适合用于中功率级的风力发电装置中，研究较少。 ( 4 ) 开关磁阻式风力发电系统1 2 】 开关磁阻式风力发电系统采用开关磁阻发电机。开关磁阻发电机为双凸极电机，定 子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。开关 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 磁阻发电机没有独立的励磁绕组，与集中嵌放的定子电枢合二为一。定子接驱动器将电 能输出到直流侧，然后通过网侧逆变器将能量馈入电网。 优点：开关磁阻电机能量密度大，结构简单，可靠性高没有去磁效应。系统在并网 时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；可调节无功功率。 缺点：逆变器和驱动器容量大，开关磁阻电机容易出现力矩波动。 这种风力发电系统是目前研究的热点之一。 ( 5 ) 无刷双馈发电机系统1 1 3 】 发电 图1 2 无刷双馈发电机系统 f i g 1 2n o b n j s hd o i i b l y - f e d 鲫l e 糟l o rs y s t | 釉 系统如图1 2 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。 转子为笼型结构，无需电刷和滑环，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， 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 厶正= ( 砟+ 儿) 厶 ( 1 1 ) 式中，兀功率绕组电流频率同电网频率； 五控制绕组电流频率； p 。功率绕组极对数； 6 沈阳工业大学硕士学位论文 以控制绕组极对数。 超同步时，式( 1 1 ) 取“+ ”；亚同步时，取“”。当发电机的转速n 变化时，即 兀变化时，若控制正相应变化，可使丘保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就 实现了变速恒频控制。 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，这是由于控制绕组功率为功率绕组功率的 儿( p ，+ 风) ，因此图中所示双向变频器容量也仅为发电机容量的一小部分。 这种风力发电系统与下面介绍的绕线式双馈发电系统有同样的优点，而且实现了无 刷结构，易维护。缺点是定子侧设计复杂。 这种系统也是目前研究的热点之一，还没有实际应用的实例，国内的无刷双 馈电机的设计还停留在理论研究阶段。 ( 6 ) 双馈异步发电机系统 原理：双馈调速系统通过其电机转子绕组和功率变换器相连接，通过变换器的功率 仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，是各种传动系统中效率 比较高的。如图1 3 所示。 优点：转子侧只处理转差能量，降低了逆变器的价格，因为逆变器的额定值通常为 最大功率输出的3 3 ，而发电机转速可以扩展到同步速的5 0 哆6 左右。 图1 3 绕线式双馈异步发电机系统结构 f j 吕1 3w o 埘dd o u b l y f 酣鼬”l c 】h 枷i 锄掣m e m t o rs ) 苫t e i i is 咖c h n 7 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 滤波器大概需要2 5 的额定容量，双馈电机的变换器的谐波含量只占整个系统的一 小部分。无功控制可以用低成本的变换器实现，因为双馈电机本质上是同步电机，所以 可以调节双馈电机吸收的无功功率。 缺点：双馈异步电机转子带有电刷和滑环，需要经常维护，这在一定程度上降低了 系统的可靠性。 这种系统是目前针对大功率发电机系统研究的热点之一，国际上已经出现了m w 级 绕线式双馈调速风力发电机系统。国内在此方向上还比较落后，正期待具有此项技术的 自主知识产权的产业化成果。 1 3 论文的主要内容 本文针对双馈电机风力发电系统的分析和实验，主要完成的工作如图1 4 所示。主 要从两方面进行研究。 一方面，从风轮机叶片的空气动力学研究开始，由于风轮机的空气动力学是研究最 大功率输出和发电机控制目标以及所选用的控制方式的基础，由此对风能利用系数与桨 距角和叶尖速比的关系进行分析，推导了风能利用系数的近似公式。分析了不同风速下 的控制策略，应用单纯形加速法确定最优叶尖速比。 另一方面，从双馈电机控制系统研究出发，分析双馈调速的基本原理，电机 运行状态和电机能量流动，从稳态模型进行分析。再用瞬态模型分析，推导并分 析了定子磁场定向坐标系下的控制方程和解耦特性。最后，根据风力发电当中风轮 机不要求快速动态相应能力，提出了对转子感应电势瞬时采样经低通滤波后再进行定向 的方法一转子感应电势定向方法。该定向滤除了由于电流调节以及力矩电流和转子感 应电势存在耦合关系所产生的高次谐波。在转子感应电势定向坐标系下，各种关系得到 简化，便于实现控制。这种方法相对于双馈电机的稳态控制有快速的动态响应，避免了 低频振荡，因此使得控制性能介于定子磁场定向和稳态控制之间，可以实现无速度传感 器的控制。在转子感应电势定向环节中，引入了f i r 数字滤波器对感应电势信号进行滤 波，不仅有良好的幅频特性，而且有线性相频特性。经过分析，加入滤波器后不仅使得 控制方法得以实现，而且增强了系统的抗干扰性，对定向过程中转子漏感等参数的不准 确产生的偏差也会被滤除，增强了系统的鲁棒性。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 _ 4 论文涉及的工作框图 f 嘻1 4 1 1 ”w o 呔妇n e d i a 鲫i m d l v 酣i l i t t l e p a p c r 最终，根据转子感应电势在转子坐标轴上的角度进行转速估计，同时与利用单纯形 加速法求出的最优叶尖速比共同形成速度闭环控制。通过仿真试验，转子感应电势定向 的矢量控制方法将稳态控制与瞬态控制有机结合起来，相对于稳态控制，这种控制方法 具有快速的动态响应；相对于瞬态控制，具有一些静态特性，简化了分析和控制。通过 转子侧电压电流进行感应电势定向，还可以实现双馈电机无功功率调节，控制结构简单 具有较强的实用性。 9 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 2 空气动力学特性及风电机组控制 风轮机的空气动力特性决定着发电机的控制指标和控制环路的设计，是研究风力发 电系统必须面对的问题。 风力发电系统当中对发电机系统的控制目标是：在可发电风速范围内实现发电功率 的最大化，提高发电机的使用效率。 风力发电系统的能量转换分为两个过程：一、将风能转换成为机械能。二、将机械 能转换为电能并馈入电网。过程一由风轮机实现，过程二由发电机实现。风轮机吸收的 机械能被转换成电能，或者以动能形式存储在风轮机的当中。最终也被转化成电能。过 程二的效率是很高的，提高发电机的效率最主要的是对过程一的控制。这需要对风轮机 的空气动力特性有所了解和研究。 2 1 风轮机气动力特性 风力发电系统的利用效率可以用风轮机的风能利用系数c 。来表示。风能利用系数 是风轮机吸收的机械能与通过风轮机旋转面的全部风能的比例嗍。对于变速风力发电系 统来说，风轮机吸收的机械能直接转化为电能或者暂时转变为桨叶的动能，以动能的形 式存储在风轮机当中，然后被转变成电能。所以风能利用系数直接反映风力发电系统对 风能的利用率。如何在变化的风速当中保持最高的风能利用系数是变速风力发电系统控 制的目标之一。 通过风轮机旋转面的空气所蕴含的动能为： p 2 言5 ；矽2 ( 2 j ) 风轮机从风中捕获的机械能量是空气动能的一部分。风力机的机械输出功率应为： p = 三矿3 q = 詈加2 r 3 q ( 2 2 ) 式中，p 空气密度： 卜风轮直径； p 一空气速度。 对于给定的风力发电机，c 。靠调整桨距角和叶尖速比五来控制 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 风能利用系数反映风轮机捕获风能效率的高低，贝兹( b e t z ) 极限1 5 】证明了理想风 轮的最大风能利用效率c ，一= 等z o 5 9 3 。实际应用当中达不到最大值。对于变桨距风 轮机来说，影响风能利用系数的有两个主要因素：l 、风轮机叶片的叶尖速比a ( 风轮 机叶片尖端的旋转线速度与风速的比值) 。2 、叶片的桨距角口( 叶片的翼弦与水平面 的夹角) ，如图2 1 。 图2 1 桨距角 f i 鲁2 1p 娩h 鲫g i c 双馈调速风力发电机系统采用变桨距的结构，在高风速时依靠调节桨距角控制吸收 的能量可以拓展可发电风速，在风速过高的时候进入顺桨状态保护风轮机不被损害。所 以，在正常工作情况下如何使桨距角和叶尖速比有效配合达到最佳工作点是必须研究的 问题。文献【4 、5 】依靠调节桨距角减少力矩脉动，在风机的运行过程当中起主要作用。 风能利用系数c 。和叶尖速比五在固定的桨距角下的关系曲线已经被广泛引用i 润 如图2 2 ，它显示在固定的桨距下，不论风速大小只要保持固定的叶尖速比，风轮机将 达到最大的风能利用系数。 也就是说，如果随着风速的变化电机转速按照和风速成比例的速度运行将得到最大 的能量。然而风能利用系数对桨距和叶尖速比的二者相结合的关系还没有具体的推导， 在文献【9 】当中，c h 。d i d r 为了得到c 。( ，五) 曲线采用了一组离散的在不同桨距角下的 c ，a 曲线，利用神经元网络自学习系统得到了连续变化芦下的c ，( 卢，a ) 曲线。变速运 行的风力机，使风力机在叶尖速比五恒定的情况下 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 图2 2 固定桨距下的c 。与五关系 f i 量2 2t h ef e l a t i b e “y 嘲c ，a n d 工u n d e r f i x e dp i 吣h 运转，从而使q 在很大的风速变化范围内均能保持最大值，提高效率。对于变速变距运行 的风力发电机来说，c 。是叶尖速比 和桨距角的函数 2 1 1 近似风能利用系数公式的推导 从空气动力角度分析建立函数，如图2 3 所示。 图2 3 平板在空气中受到的空气动力 f i g 2 3 a i r f b 眦t h ep l 蛳i 玎t | i e a i r 沈阳工业大学硕士学位论文 在流动空气中物体受力平面与气流方向夹角设为口，称为攻角。总的合力f 为平板 在流动空气中所受到的空气动力，其方向垂直于板面。此力分解为两个分力：一个分力 e 与气流方向垂直，它使平板上升，称为升力；另一个分力只与 气流方向相同，称为阻力。升力和阻力与叶片在气流方向的投影面积s ，空气密度p 以 及气流速度v 的平方成正比，这里我们只对升力感兴趣，公式如下： 1 0 = 去c ，声矿2 ( 2 3 ) 式中，c ，升力系数。 对于流线型翼型中c 。与攻角口的关系大体如图2 4 。 图2 4 翼型升力曲线 f i & 2 4a i r f o i ll i nc u r v e 风轮在启动后以某一速度旋转时叶片的受力情况有所改变，这时相对于叶片上叶尖 的气流速度将是垂直于风轮旋转面的气流速度v 与该叶片的旋转线速度国，的矢量和t 而且这时的攻角已经不是v 与翼弦的夹角，而是与翼弦的夹角口。如图2 5 所示。 桨距角是翼弦与水平面夹角。 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 图2 5 旋转桨叶在风中的受力 m 觚e 恤t m e r 眦n g b l a d 龉l l a v e i n 出ea i r o = 三c ，声s i i l ( 一a 嘶舭等) ( 研+ 矿2 ) ( 2 4 ) 式中，卜翼弦的截面积。 升力功率为q ，这一功率与空气中所蕴涵的能量吉4 p y 3 ( a 为风轮机的截面 棚眦舨盯c 膨n 删c ，与参脏比豫衲 2 如下公式； c ，= 去，榔一蝴兄t 伊一咖五 咀o ，则以点c 和b 为起点继续；否则收缩，步长减半以b 为謦枣 向b 方向延伸步长至d ； 1 ) 如果c 一 ，则运算步长减半，以b 和d 为起点继续：否则以b 为起 点以步长向a 收缩至e ； 2 ) 如果c * c 砷，则步长减半，以e 和b 为起点继续：如果仍然b 点的工作点最 好，则步长减半继续压缩和反射： 总之，单纯形加速法是自寻优控制当中经常使用的方法，对于一维凸函数的寻优有 很好的效果。 2 4 双馈电机控制方式 2 2 节当中得到的控制策略为：( 1 ) 中低风速下应用最优控制，此时应跟踪最优叶 尖速比。( 2 ) 高风速下调节桨距，恒功率运行，此时应跟踪最佳功率曲线。由此可知， 对于双馈风力发电机主要有两种控制方式：转速控制方式和转矩控制方式。 2 4 1 速度控制方式 转速控制方式的框图如图2 8 。 1 7 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 圈2 8 风力发电机速度控侧方式框图 f 嘻2 81 1 l c 埘n dg 蛐e r a 甜s p e e dc o “n n o ld i a g r a m 双馈电机的外环为速度闭环。通过检测得到的风速以及自寻优得到的叶尖速比可以 求出最优转速。将最优转速作为速度给定输入电机驱动器中，通过转速闭环使双馈电机 达到最优工作点。在发电机运行的过程当中为了跟踪最优的工作点只考虑电机的转速， 不考虑电机的转矩，转矩环节作为速度环节的内环单独设计，当发电机在某一个风速下 稳定地工作在了参考转速下的时候，这时系统已经工作在了最优工作点。这种方法需要 以风速作为控制系统的输入信号。 2 4 2 转矩控制方式 转矩控制方式结构如图2 9 。 此方法以转矩的给定和控制为主要目标，只有一个力矩闭环。控制当中不考虑风速 大小，风速信号也不作为电机控制闭环的输入信号。控制以转速输入信号为参考经过平 方运算得到力矩的给定，然后用力矩闭环控制电机的力矩。由公式 图2 9 风力发电机转矩控制方式框图 f i g 2 9w i n d 鲫c 眦o rt o q u e 咖仃d ld i a 龋蛐 ( 2 2 ) 以及图2 2 可知最优的功率运行状态下，最优转速与风速成比例关系，最大的功 率与风速成3 次方关系，那么最优的力矩与最优的转速成平方关系，如下所示。 1 毫 沈阳工业大学硕士学位论文 国，= k v = 七，； = 七，研 ( 2 9 ) 如果知道最优力矩与最优转速平方的系数，给定力矩指令，可以控制电机随着转速 变化达到最优工作点。这种方法结构简单且没有速度闭环i 协1 3 1 。 1 9 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 3 双馈发电机组矢量控制系统 双馈电机在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机样，布有 三相分布式绕组：转子与一般发电机不同，它也布有三相分布式绕组。运行时，定子侧 直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因为定子与转子两侧 都有能量的馈送，所以称为双馈电机。也有文献【h 】称为交流励磁发电机，因为转子侧通 过变频器接入的低频电流起到了励磁作用。 3 1 双馈电机变速恒频基本原理 3 1 1 双馈调速原理 如图3 1 所示，双馈型变速恒频风力发电机的定子接入电网，转子绕组由频率、相 位、幅值、相位和相序都可调节的交直交变频器供电。 图3 1 双馈型风力发电机基本原理 f i g 3 1 丁h cb 鹤i cp r i n c i p l eo f d o u b l e 一蜘州n dg 即e r a t o f 双馈电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场以及气隙磁场在空问保持相 对静止，转子磁场相对于转予的转速同转差率成正比。设定子电网频率为五，定子旋转 磁场在空间以= 2 矾p 的角速度旋转( p 为定转子绕组极对数) ，则转子旋转磁场相 对于转子的旋转速度应当是： q = 一q = 吼一纨( 1 一j ) = j ( 3 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中，定子磁场同步旋转角频率： 田，转子旋转角频率； 眈转子励磁电流形成的旋转磁场角频率； ，转差率。 式( 3 1 ) 说明转子电流形成的旋转磁场的角频率同转差率成正比，若交流励磁发电 机的转子转速低于同步速，则转予电流形成的旋转磁场与转子旋转的方向相同，如果转 子转速高于同步速，则两者旋转方向相反。 转子的旋转磁场相对于转子的旋转角速度为转差速率q ，馈入转子绕组中的电流频 率正应当是转差频率与转子极对数的乘积即2 斫= p q ，它与转差率之间的关系是： z = 五j ( 3 2 ) 式中，f 转子电流的频率； 厶定予电流的频率a 一般的同步电机是由直流电流激磁的，即转子电流的频率是f = o 。根据式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可知，电机的工作转速只能是同步转速。 图3 2 双馈电机等效电路 f 培3 2d 叩b l 幽d 伊n 啪l 叫e q u i v a j lc 讹u i t 2 l 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 如图3 2 是双馈调速电机的等效电路。定子接电网所以定子磁场是恒定的。气隙磁 场的励磁电流可以从定转子两方面获取，由于定子磁场和气隙磁场励磁回路的串联关 系，又因为存在定子磁场恒定这个约束，所以说定子磁场的励磁电流可以从定转子两方 面提供，这样通过控制转予侧的励磁电流就可以控制电机定子侧从电网吸收的无功功 率，起调节功率因数的作用。 双馈电机的转子绕组中总是作用着两个频率都是厶s 的电源。一个是转予感应电势 e ，另一个是转子绕组的外加电压u ，。e ，是一个受控电压源受双馈电机的转差率和定 子侧电流的约束。调节转子侧附加电压u ，的幅值和相位，就可以控制双馈调速感应电 机转子侧的有功功率和无功功率。不论转差率为正为负总能够调节使得转子侧的有功功 率为正或者为负。所以。不论在亚同步转速或者超同步转速都可以控制电机为制动力矩 或者电动力矩，从而控制发电机可以在任何转速下都可以工作在发电状态。也可以调节 循环于电网和定子之间的无功功率。 在超同步和亚同步两个转速区调节电机的转速，要求转子侧的变频器具有双向传递 能量的能力。能量即可以从电机的转子通过变频器传向电网，也可以沿着相反的方向， 由电网传向电机转子。 双馈调速感应电机的特点： ( 1 ) 在很宽的调速范围内都可以得到电动力矩和制动力矩； ( 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功功率和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。 ( 4 ) 由于充分地利用了转差能量，所以系统的效率很高。 3 1 2 双馈电机运行工况 双馈调速的基本思想就是有效的利用感应电机的转差能量。双馈调速感应电机的运 行工况主要分为四种：亚同步速发电、亚同步速电动、超同步速发电和超同步速电动。 如图3 3 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 在不同的运行工况时，具有不同的功率传递关系【t 5 1 6 1 。忽略机械损耗和杂散损耗时， 双馈调速感应发电机的功率传递关系可以表示成如下形式： 最一兄一只= o 只= 砜 易= 砌 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 一一 一 瞄每互 图3 3 双馈调速发电机在不同工况下功率传递关系 f 喀3 3p o w 盯船塔衙糟l 鲥伽埘d 盯d i 翻伽c o n d i t i 蛐o f d o 删y 一制聊啪衙 a ) 超同步转速发电工况 b ) 超同步转速电动工况 ”s u p e r 喝”c h m n o 啷扭es p c e de j 们c a lc o n d i t i s c ) 亚同步转速发电工况 d ) 亚同步转速电动工况 d ) s u b s y n c h f o n o 峭f o t a 垂cs p e e dc l 喇c a l 咀d i 彻s ；h 一回= 砜j ( 3 6 ) 变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究 其中，只感应电机定子侧的输出功率( 忽略定予侧的损耗) ： 转子轴输入的机械功率； 只从感应电机转子侧输入的转差功率( 忽略转予侧的损耗) 。 只要定转子之间呈动力矩，双馈电机就工作在电动工况，不论是在超同步还是亚同 步转速下。在亚同步转速电动工作状况时，如图3 3 ( d ) 所示，输入到感应电机定子侧 的电功率，扣除定、转子损耗外，一部分成为机械功率，另一部分馈回电网，所以传动 系统的效率很高，而且即使在低速时效率也很高。超同步转速电动工况时，如图3 3 ( b ) 所示，能量方向是从电网流向定子以及从变频器流向转予。来自定子侧的功率正比于同 步转速，来自转子侧的功率正比于转差率，即 只= 7 k ，o + r ( 国一) = 丁幻 ( 3 7 ) 只要定转子之间呈制动力矩，双馈电机就工作在发电工况，不论是在超同步还是亚 同步转速下。在亚同步转速发电工况时，如图3 3 ( c ) 所示，感应电机轴上的机械功率 和转差功率都以电磁功率只的形式送到定