（电力电子与电力传动专业论文）双馈风力发电系统控制技术研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , e n e r g yp r o b l e mi sm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a dc o n c e r n e da r o u n dt h e w o r l d r e n e w a b l ee n e r g yp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi st h eb e s tw a yt os o l v et h e e n e r g yc r i s i s 恤dp o w e rg e n e r a t i o ni sa l li m p o r t a n tf o r m so fn e we n e r g yp o w e r g e n e r a t i o n w i n dp o w e rg e n e r a t i o nu n i th a si m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea sam i c r o - p o w e r g e n e r a t i o n , d o u b l y f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m w i t hs u p e r i o rc o n t r o l p e r f o r m a n c eh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o ti nt h ef i e l do fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed o u b l e f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sb a s i c t h e o r ya n dv 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 ( v s f c ) sb a s i sp r i n c i p l ef o rd o u b l e f e d i n d u c t o rg e n e r a t o r ( d f i g ) ，a n db u i l d st h ed f i g sp o w e rm o d e l ，t h e nt h ep a p e r a n a l y s i s t h e p o w e rf l o w s t a t e so ft h ed f i gi nt h e s u b s y n c h r o n o u s a n d s u p e r - s y n c h r o n o u so p e r a t i o nr e s p e c t i v e l y , w h i c hi st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h e l a t e rr e s e a r c h i no r d e rt os t u d yt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd f i g sd o u b l e - p w mc o n v e r t e r ， t h ep a p e rb u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h r e ep h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e m ，a n d c o n v e r t si tt ot h et w o p h a s er o t a r yc o o r d i n a t em o d e lf o rd f i gb yc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n s e c o n d l y , b a s e do nt h es t a t o rf l u xo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n d d f i gm a t h e m a t i c a lm o d e li n r o t a r y c o o r d i n a t e s y s t e m d f i g s n o l o a d 鲥d c o n n e c t i n gc o n t r o ls t r a t e g yb e f o r eg r i d - c o n n e c t e da n do u t p u ta c t i v e ，r e a c t i v e p o w e r sd e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g ya f t e r 班d c o n n e c t e da r ei d e n t i f i e d t h i r d l y , t h e 曲ds i d ec o n v e n e r sm a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p i no r d e rt om a k ed cv o l t a g e s t e a d ya n dm a k es y s t e mr u ni nu n i tp o w e rf a c t o r , t h e 班ds i d ec o n v e r t e r sc o n t r o l s t r a t e g yi sb u i l tb ya p p l y i n gt h e 鲥dv o l t a g ev e c t o ro r i e n t e dm o d e i i lm a t l a b s 删l 、j ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt h er o t o rs i d ec o n v e r t e r s s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d , t h es i m u l a t i o nm o d e lp r o v e st h ec o n t r o ls t r a t e g y b e f o r ea n da f t e rg d d c o n n e c t e di sc o r r e c t ，t h ep a p e ra c h i e v e st h er o t o rs i d e c o n v e r t e r sw h o l ec o n t i n u o u ss i m u l a t i o n b a s e do nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fg r i ds i d e c o n v e r t e lt h ep a p e rb u i l d st h es i m u l a t i o nm o d e lo f 鲥ds i d ec o n v e r t e r t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o lm o d e l i se f f e c t i nt h ee n d , t h ep a p e rd e s i g n st h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rllk wd f i gs y s t e m , a n di n t r o d u c e st h eh a r d w a r es y s t e m sm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t t h e nd e s c r i b e s s o f t w a r es y s t e m sd e s i g nm a n n e r t h e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fo u t p u ts v p w m w a v ei sg i v e n k e yw o r d s ：d o u b l e f e di n d u c t o rg e n e r a t o r , g r i ds i d ec o n v e r t e r , r o t o rs i d e c o n v e r t e r , d e c o u p l i n gc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 侈1 -签字日期： 口。7年占月歹日学位论文作者签名：土 “ 签字日期： 口o 7年6 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二千 ，i 一 签字日期： 口t ，7 年月歹日 导师签名葺酣玄 稗日期：1 引吖日 第一章绪论 1 1 风力发电概述 1 1 1 国内外发展现状 第一章绪论 近来可再生能源的开发利用越发受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有 希望的绿色能源。在风力发电技术中，大型变速恒频风力发电技术已经成为其主 要发展方向之一。但是其主要技术仍然掌握在少数国家手中，我国风力发电绝大 部分关键技术落后，有些甚至是空白。在“九五”期间，我国重点对6 0 0 k w 三叶 片、定桨距、失速型、双速发电机的风力发电机组进行了研制，掌握了整体总装 技术和关键部件叶片、电控、发电机、齿轮箱等的设计制造技术，并初步掌握了 总体设计技术。对变桨距6 0 0 k w 风力发电机组也研制了样机。对变速恒频风力 发电机组只研制过2 0 k w 的风力发电机组。要实现风力发电的产业化，必须降低 成本。而掌握自主知识产权的风力发电设备设计制造技术，实现关键部件的国产 化是降低成本的必要手段。“十五”期间国家在“8 6 3 攻关计划”中对兆瓦级变速恒 频风力发电机组进行攻关，同时国家科技部对7 5 0 k w 的失速型风力发电机组的 产品化和产业化进行攻关【l 捌。 从国际风力发电技术发展的趋势来看，风力发电机组单机容量越来越大，陆 地风力发电机组主力机型单机容量在1 5 m w 、2 m w ，近海风力发电机组的主力 机型单机容量多为3 m w 以上，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发 电市场的主流机型。国产兆瓦级双馈型变速恒频风力发电机组目前还没有定型产 品，与其配套的控制系统及变流器还处于样机研制阶段。国家科技部在“十五” 期间的“8 6 3 攻关计划”中支持了兆瓦级变速恒频风力发电机组的攻关工作，自主 研制的1 m w 双馈型变速恒频风力发电机组样机已投入试运行。由北京科诺伟业 科技有限公司和中国科学院电工研究所共同研制的1 m w 双馈型变速恒频风力发 电机组控制系统和变流器样机已经在甘肃玉门风电场成功并网运行。这些项目的 成功证明了我国已初步掌握了双馈型变速恒频风力发电机组的控制技术和控制 规律【3 4 1 。 从数据统计上看，2 0 0 6 年风电装机容量和发电量占欧盟2 5 国总装机容量和 发电量的比例达到5 4 和3 。而我国在国家各种政策的支持下，我国风电行业 开始进入快车道。据统计，2 0 0 6 年，我国( 除台湾) 新增风电机组1 4 5 4 台，装机 容量1 3 3 7 万千瓦，与2 0 0 5 年同比增长1 6 5 。2 0 1 0 年全国风电装机容量达到年 第一章绪论 全国风电装机容量达到5 0 0 万千瓦；2 0 2 0 年全国风电装机容量要达到3 0 0 0 万千 瓦。虽然风电行业受到政策、电价、设备商的能力等很多因素影响，具有较大的 不确定性。风电的发展速度将会远远超过发改委的预期。2 0 0 7 2 0 1 0 年四年将是 我国风电发展的起飞阶段，2 0 1 0 年之后，将是高速发展期 5 。 风力发电技术的发展可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 风力发电在电力需求中所占比重也得到了提高，如丹麦风力发电占其电力 需求的2 l ，根据风1 2 的规划来看，到年全球风力发电量将占到电力需求 量的1 2 ； ( 2 ) 变速风力发电技术尤其在大功率场合正在取代定转速风力发电技术； ( 3 ) 在大功率风力发电机中，双馈型风力发电机居于主导地位； ( 4 ) 桨距控制逐步取代了失速控制； ( 5 ) 风力发电机的运行可靠性得到了提高，能够保证己装风机中有9 8 正常发 电运行； ( 6 ) 风力机的噪声明显降低，发电机的效率得到了明显提高，风力发电机的热 损不足1 0 ，风能利用系数也由原来的o 4 4 提高到o 5 5 ； ( 7 ) 风力发电机对电网的兼容性得到了明显改善，如双馈型风力发电机和直驱 型风力发电机具有对电网电压的控制能力； ( 8 ) 风力发电在从陆地向近海发展，如丹麦所建的世界最大海上风h o r n sr e v ， 装机容量达到1 6 0 m w ，并且全部采用双馈型风力发电机。 1 1 2 并网型风力发电系统分类 ( 1 ) 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 按照异步电机理论，当异步电机连接到电网上并由原动机驱动，其转速超过 由电网频率和电机绕组极对数所决定的同步转速时，异步电机将处于发电运行状 态。异步电机并入电网后，依靠转差来调整负荷，其输出的功率与转速近似成线 性关系。并网运行时，需要从电网吸收滞后的无功功率以建立旋转磁场，这就恶 化了电网的功率因数，使电网无功不足，影响电压的稳定性 _ 7 ，引。通常给发电机 组配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。这种无须配备相关电力电子辅 助装置的异步并网发电方式，其转速的运行范围一般在1 1 0 5 倍同步转速之间， 即转差率在5 以内，转子本身的转速变化范围很小，异步发电机近似以恒速运 行，属恒速运行风机范畴，其系统结构示意图如图1 1 所示。 第一章绪论 图1 一i鼠笼型异步发电机恒速恒频风力发电系统 上面的系统结构若配备相关的电力电子装置，就可以构成鼠笼型异步发电机 变速恒频风力发电系统，其系统结构示意图如图1 2 所示。 风速是不断变化的，带动风力机以及转子的转速也随之变化，因此发电机发 出的电能的频率也是变化的。如果在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节， 先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入 电网。这种方案实现了变速恒频，具有了变速运行范围宽的优点，适用于风力变 化较大的环境，而且维护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频器的容量 必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵。 图1 2 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 ( 2 ) 同步发电机变速恒频风力发电系统 在常规并网发电系统中，同步发电机是使用最普遍的。同步发电机在运行时 既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定，电能质量高，因此被电力 系统广泛接受。在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有着严格不 变的固定关系，以便维持发电机的频率与电网的频率相同，否则发电机将与电网 解列。带变频器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。 图1 - 3 同步发电机变速恒频风力发电系统 第一章绪论 和鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统类似，当风速变化时，同步发电 机发出频率变化的电能，通过中间变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化 的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案可以在较宽的转速 范围内得到频率恒定的交流电，并且无须中间调速机构，实现了变速恒频发电运 行。缺点是变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，甚 至更大。导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵。这种系统配置方式也属于 全功率变换。 以这种发电方式为基础，风力机直接驱动多极低速永磁同步发电机发电形式 发展迅速，其系统结构示意图如图1 4 所示。这种发电形式采用低速永磁同步发 电机，风机直接与发电机直接相连，省去了增速齿轮箱，系统效率得到了提高， 同时抑制了噪声，减少了由于齿轮箱问题而造成的机组故障，大大减小了维护成 本，应用这种方式使发电机的调速范围扩展n o 1 5 0 额定转速，提高了风能的 利用范剧引。 图1 _ 4 永磁同步发电机变速恒频风力发电系统 ( 3 ) 双馈发电机变速恒频风力发电系统 在双馈型风力发电系统中，双馈发电机( d f i g ) 的定子直接与电网相接，转子 侧通过变频器与电网连接。因此，双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子 电路实现的。类似于绕线式异步电动机电气串级调速或双馈电动机调速系统，流 过转子回路的功率是双馈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小部分，可以双向流动。因此，和转子绕组相连的励磁变频 器的容量也仅为发电机容量的小部分，大大降低了变频器的体积和重量。采用双 馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受 发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子 速度和瞬时位置的影响，机电系统之间的刚性连接变为柔性连接。基于上述优点， 由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已成为目前国际上风力发电方面的 研究热点。 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 5 所示。 第一章绪论 图1 - 5 双馈发电机变速恒频风力发电系统 1 1 3 变速恒频风力发电技术 风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统 两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电 机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发 电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕 获风能，发电效率较低。风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特点的能源。 风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，此转速下对风能的捕获效率最高，而 且风施加给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速 下。传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在某一转速上才能达到最高运行 效率，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，并增大 风力机的磨损【l 。 若采用变速恒频发电方式，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连 接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。总结变速恒频风力发 电系统的优点如下： ( 1 ) 减小了机械应力：阵风能量可以被风力机的转动惯量吸收，这种吸收方 式减小了力矩的脉冲幅度。 ( 2 ) 较简单的浆距控制：通过调节风力发电机的转速，可以使得对浆距的控 制时间常数延长，降低了浆距控制的复杂性，也降低了对峰值功率限制的要求。 在低风速下，浆距通常保持不变，浆距控制只是保证在高风速下，风力机吸收的 功率不超过最大值。 ( 3 ) 提高了系统的风能利用率。转速可以在较宽的范围内变化，可按照捕获 最大风能的要求，在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在与 该风速对应的最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。 目前我国的风电场装机大多数是恒速恒频机组。而国外风电领域中变速恒频 机组已经成为主流，尤以双馈风电机组为主。恒速恒频风力发电技术向变速恒频 风力发电技术的过渡是风力发电技术发展的必然趋势。目前，主流的风力发电系 统包括双馈型风力发电系统和直驱型风力发电系统。本文将重点介绍双馈型风力 第一章绪论 发电系统。 1 2 双馈型风力发电系统 1 2 1 双馈型风力发电系统的特点 常规的同步发电机采用直流励磁方式，而异步发电机无励磁绕组，其激磁通 过定子取自电网。随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻 求新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了交流励磁发电机取代或 部分取代常规同步发电机的设想，并己取得了一定成果。 交流励磁发电机，是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新 型发电机，其转子具有三相励磁绕组。当通以某一频率( 转差频率) 的交流电时， 会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场 所对应的转速等于同步转速，在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，该磁场在定 子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子 以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是相似的。如果按电 机的转子转速是否与同步转速一致来区分异步发电机和同步发电机，则交流励磁 发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地 方与同步发电机类似。因此，交流励磁发电机也称为同步化异步发电机j 。 从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励 磁的可调量只有直流励磁电流的幅值，所以同步发电机励磁一般只能调节无功功 率，而使用这种发电机，其励磁的可调量有三个：除了励磁电流的幅值外，还有 励磁电流的频率、相位。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，从而按最佳运行方式调整发电机输出或输入功率；通过改变励磁 电流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置关系，从 而改变电机的功角。因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机输出无功功 率，也可以调节发电机输出有功功率。同时，由于该发电机定、转子都外接电源， 因此许多文献把这种交流励磁发电机称作双馈发电机或交流励磁双馈发电机。在 本文中称其为双馈异步发电机，简称d f i g 。 根据以上双馈异步发电机的特点，采用该电机的双馈型风力发电系统，可以 获得以下优越的性能： ( 1 ) 调节励磁电流的频率可以在较宽的转速范围内实现恒频发电，满足用电负 载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用角度去调节转速， 提高发电机组的经济效益。 ( 2 ) 调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和 第一章绪论 无功功率。这样不但能够调节电网的功率因数，补偿电网的无功功率需求，还可 以提高电力系统的静态、动态性能。 ( 3 ) f l ：l 于采用了交流励磁方式，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可 以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出 电压，使其满足并网要求。 ( 4 ) 由于控制方案是在转子电路实现的，而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，它仅仅是额定功率的小部分，大大降 一低了变流器的容量，减小了成本。 整套控制系统中转子励磁变流器是系统的关键部分，也是变速恒频风力发电 系统的难点所在。系统对转子励磁变流器有如下三点基本要求：保证能量能够双 向流动；输出电流幅值、频率、相位可调；输出频率范围满足双馈发电机的调速 范围要求，即在7 0 同步速一1 3 0 同步速内连续可调。 1 2 2 研究方向与未来发展前景 国内兆瓦级绕线转子双馈型风力发电机系统已经出现，但系统中部分技术依 然落后于国外的风电公司，整体系统的性能有待提高。双馈型风力发电系统主要 研究方向如下： ( 1 ) 并网前控制：风力机起动后带动发电机至接近同步转速时，由转子回路中 的p w m 变换器对转子电流的控制，实现定子输出电压与电网电压的频率、幅值 和相位相同，以便迅速地并入电网，使并网时基本上无电流冲击。并网控制的研 究难点在于如何在风机启动过程中转速波动剧烈的情况下限制冲击电流，保证并 网控制的安全性和快速性。 ( 2 ) 最大功率追踪控制( m p p t ) ：通过p w m 变换器对转子电流的控制保证风力 发电机的转速随风速及负载的变化而及时地调整，从而使风力机运行在最佳叶尖 速比下，使风能利用效率最大化，实现最大功率追踪控制。m p p t 的实现是保证 风力发电系统运行效率的关键。在风速变化剧烈的情况下，控制响应速度不够， 会造成转速调节的延迟，如何保证控制系统的快速性和鲁棒性是研究的重点。 ( 3 ) p q 解耦控制：运用矢量控制的思想，通过对转子电流的解耦控制，实现 双馈发电机有功功率和无功功率的独立控制。在解耦控制实现的过程中，在理想 状态下转子电流是完全独立控制的，但在实际工程中，往往受一些扰动和偏差的 影响，前馈量的选择不当也会影响控制精度，传统的p i 调节器很难满足解耦控 制精度，误差的长期积累可能会造成失控。因此，先进的控制算法如模糊控制， 及神经算法等在p q 解耦控制中的应用将是研究的热点。 ( 4 ) 大功率变流技术：对于m w 级的双馈型风力发电系统，为了提升整体耐 第一章绪论 压等级和总体电流水平，可采用器件的串并联技术，如何消除串并联使用过程中 带来的负面影响，既实现器件的均压和均流是串并联技术的关键。除此之外，大 容量的电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐 波问题，并网后会对电网造成谐波污染，需采用先进的多电平变流技术，抑制输 出谐波。目前大多数大功率器件采用三电平、五电平变换技术，未来的风力发电 系统的容量还会增加，风力发电机容量的提升要求多电平变换技术更加成熟，如 何将多电平变换技术与适用于风力发电系统的脉宽调制算法相结合也是值得深 入研究的课题1 1 2 j 。 ( 5 ) 低电压穿越技术：当电网发生故障如电压跌落时，风力发电系统需要保持 与电网的连接，只在故障严重时才允许离网，这就要求风力发电系统有较强的低 电压穿越( l 盯) 能力。对于双馈风力发电系统，d f i g 系统转子侧变换器和网侧 变换器采用定子电压定向控制或定子磁链定向控制。当外部电网故障引发定子端 电压骤降时，转子侧变换器的过电流和直流环节过电压都是由d f i g 通过转子侧 变换器转移过来的额外能量引起。因此，电网故障时如何限制转子过电流和直流 过电压是双馈风力发电系统研究的重点t 1 3 , 1 4 。 1 3 本文的研究内容 本文的研究内容安排如下： ( 1 ) 首先介绍了双馈型异步电机变速恒频的工作原理，分析了双馈型异步电 机的几种工况和其功率流动关系。建立三相静止坐标系下的数学模型，并推导两 相旋转坐标系下的数学模型。 ( 2 ) 介绍应用于双馈型风力发电系统的矢量控制技术和定子磁链定向方式，转 子侧的控制包括并往前的空载并网方式和并网后的有功、无功解耦控制。确定空 载并网控制策略，介绍了最大风能追踪技术的原理，确定并网后的p q 解耦控制 策略。 ( 3 ) 介绍了网侧变换器的拓扑结构和网侧变换器的数学模型，根据数学模型确 定了基于电网电压定向的网侧变换器控制策略。 ( 4 ) 根据转子侧变换器和网侧变换器的控制策略模型，在 m a t l a b s 舢l k 环境下建立仿真模型，分析仿真结果，验证控制策略的正 确性。 ( 5 ) 根据理论研究，初步设计了l l k w 双馈风力发电系统模拟实验平台，完成 了系统主电路的搭建和主控电路及硬件外围电路的设计。在c c s 环境下，用c 语言编写软件程序，并完成了系统部分功能的调试和验证。 第二章双馈型风力发电系统基本理论 第二章双馈型风力发电系统基本理论 2 1 双馈型异步电机变速恒频基本原理 双馈电机的结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称 三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三 相电源激励。电机定转子极数相同【15 1 。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电 源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋 转的。变速恒频原理图如2 1 所示。 图2 1 变速恒频运行原理 众所周知，任意电机在稳定运行时，定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相对 静止、同步旋转的。可得： ，z ，n 2 = ，z l( 2 1 ) 因枥= pn l 6 0 ，f 2 = p n 2 6 0 ，固有： 等五= z ( 2 - 2 ) s ：盟：立 ( 2 3 ) = o = 2 l z jj q石 式中：s 一转差率；一定子绕组电流频率；五转子绕组电流频率；正；斯；叻定子 旋转角频率；幼转子转差角频率；c o t - 转子实际旋转角频率；娩= s c o i ；r r - 转子旋 转的速度：，1 1 同步速度；刀2 转子磁场相对于转子的速度：p 电机的极对数。“+ 用于亚同步运行，转子绕组相序与定子相同；“一用于超同步运行，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，z 。变化时，通过调节转子的供电频率正， 可保持 不变，即保证了定子馈电频率与电网一致，这也就实现了双馈发电机的 变速恒频运行。因此，在双馈型风力发电系统的变速恒频控制中，转子电流频率 第二章双馈型风力发电系统基本理论 五的调控是实现变速恒频运行的关键。 2 2 双馈型异步电机的等值电路及运行工况分析 2 2 1 等值电路分析 假定双馈电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均 匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定： ( 1 ) 只考虑定转子电流的基波分量； ( 2 ) 只考虑定转子空间磁势基波分量； ( 3 ) 忽略磁滞、涡流损耗和铁耗； ( 4 ) 变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源，不计其 阻抗l 川。 定子侧正方向按发电机惯例定义，转予侧正方向按电动机惯例。根据磁势与 电势平衡原则，将转子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如下： 巧= 巨一( + y x 。) e i = j i m x m 等= 丘+ 丘( + 成) ( 2 4 ) ss 、一 7 1 2 = i i + i 互= 最 式中：巧为定子电压；五为定子电流；，1 为定子电阻；工l 为定子漏感抗；1 2 为折算 到定子边后的转子电压；如为折算后的转子电流；r 2 为折算后的转子电阻；x 2 为 折算后的转子漏感抗；i m 为激磁电流；x m 为激磁电抗；s 为转差率；l ，恳为感 应电势。 由基本方程式可得等值电路如图2 2 所示。 图2 2 双馈电机并网运行等值电路 第二章双馈型风力发电系统基本理论 作如下假定： ( 1 ) 每一相都取自己的相轴为时轴； ( 2 ) 任一相的电流相量及时间相量) 与该电流产生的磁势矢量以空间矢量) 重 合； ( 3 ) 主磁通与任一相绕组交链的磁通相量( 时间相量) 与主磁通的空间矢量 重合。 由上述假定，可得到双馈电机的时空矢量图如图2 3 所示。 定 l f ，m 图2 3 双馈电机时空矢量图 上述时空矢量图通过主磁通建立了不同频率的定子量和转子量之间的联系。 由于图中所有矢量都以同步转速旋转，各矢量相对静止，因此定子上的时间相量 和转子上的时间相量虽然频率不同，但仍然存在着固定的大小和相位关系，可以 用来分析定转子之间的相互作用【1 7 1 。 2 2 2 双馈异步发电机的定转子功率分析 本节将分别分析双馈异步电机定转子的功率关系，定转子功率关系分析是双 馈异步电机功率流动分析和运行工况分析的基础。 ( 1 ) 定子侧功率关系： 日= r e ( 玩f ) q l = i i i l ( 吃f ) p ，= 矸，i q x i = 矸五( 2 5 ) 鲰= k 一引2 0 。= 暑+ e 。 g t = g + q 。+ q 第二章双馈型风力发电系统基本理论 式中：尸1 定子每相有功功率；q l - 定子每相无功功率；只1 一定子每相铜耗；纵r 定子每相漏抗产生的无功；q ) ( 1 i l 一激磁电抗产生的无功：p g l 一定子侧从气隙中获得 的有功功率；o g , 一定子侧从气隙中获得的无功功率； ( 2 ) 转子侧功率关系： 昱= 黜降1 1 1 ) 型竽 弘6 ， e 2 = 吃 鲰：= 丘恐 乞z = 昱一p ： g ：= q 2 一q z 式中：p 2 转子每相有功功率；0 2 转子每相无功功率；- 转子每相铜耗；q x 2 转子每相漏抗产生的无功；一转子侧从气隙中获得的有功功率；q 9 2 - 转子侧从 气隙中获得的无功功率； 比较( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知： 落琶 ， 1 s g 。= 皱： “ 通过以上等值电路的分析和定量计算，转子方传递至气隙的功率等于定子侧 从气隙中获取的功率与转差率之积。 ( 3 ) 双馈发电机电磁功率关系 按发电机惯例，电磁功率表达式为： 匕= r e ( 3 丘铂 ( 2 8 ) 而由式r e ( 3 吭m = r e ( 3 宣引一r e ( 3 矸( 吒+ 肛) ) 及式( 2 5 ) 化简后可得定子侧 功率关系： 3 e , = 巴一3 e l ( 2 - 9 ) 同理，可得转子侧功率关系： 3 互= 吆+ 3 e 2 ( 2 1 0 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，定子侧通过气隙获取的有功功率实际上就是电磁功率减 去定子铜耗，即为定子侧发出的电功率；由式( 2 1 0 ) 看出，转子侧传递至气隙的 有功功率等于电磁功率与转差率的乘积，这也就是转差功率。 对于发电机，若轴上输入的机械功率为p m ，根据能量守恒原理，有： 艺+ 呢= 巳 ( 2 一1 1 ) 即： 第二章双馈型风力发电系统基本理论 己= ( 1 - s ) 岛 ( 2 1 2 ) 2 2 3 双馈发电机运行工况分析 根据式( 2 1 1 ) ，分析双馈电机发电运行状态下，不同工况下定转子功率的流 动方向。 ( 1 ) 当0 s o 。 此时电磁功率一部分由转子侧电源提供，原动机提供的机械功率为( 1 i s l ) 尸锄，功 率流动关系如图2 4 所示。 ( 2 ) 当s 0 时，电机运行在次同步工况，转差功率为蛾m 0 ，表示转子侧电源 吸收由电机气隙回馈的一部分电磁功率，即转差功率。此时原动机提供的机械功 率为( 1 + l s l ) p 伽，表示定子侧发出的电功率以及转子侧电源吸收的电功率全部来 至于原动机。功率流动关系如图2 5 所示。 ( 3 ) 从以上分析中可以看出，在不同的运行工况下，电机转子的能量流动方 向不同，电机与电网连接时，在亚同步工况，转子侧吸收来自电网的功率；在 超同步工况，转子侧将转差功率回馈给电网。由于电机可以在同步转速上下运行， 因此转子侧电源装置实际上就是四象限运行的变频器。若忽略转子铜耗，变频器 无论是提供功率还是吸收功率，其大小始终为i s l p a ，这为变频器的容量设计提 供了依据【1 8 1 。 图2 _ 4 次同步运行功率流动关系 图2 - 5 超同步运行功率流动关系 第二章双馈型风力发电系统基本理论 2 3 双馈型异步电机的数学模型 2 3 1 三相静止坐标系下d f i g 数学模型 在建立多变量数学模型时，通常作如下假设：忽略空间谐波、忽略磁路饱和、 忽略铁心损耗、忽略绕组电阻参数的变化等【l9 1 ，并将转子绕组等效折算到定子侧， 据此双馈电机的等效物理模型可描述为图2 - 6 。图中定子三相绕组空间位置相对 固定，且互差1 2 0 0 ，转子绕组的轴线随转子旋转，假定转子a 轴和定子a 轴之 间夹角的电角度为研，辞为空间角位移变量，定子侧绕组采用发电机惯例，转子 侧绕组采用电动机惯例，可列出双馈电机的电压方程、磁链方程、转矩方程和运 动方程。 b jl j 勺滞么 、i b 穗凇1 舅 妙j 。 | j l c r 1 t 。 c c 图2 6 三相静止坐标系下d f i g 的物理模型 ( 1 ) 将电压方程写成矩阵形式可得( 2 - 1 3 ) ： a d + 一 d t 峰。 v b s v c s 哔， 峄b r 峄， ( 2 1 3 ) 式中：下标“s ”和“r ”分别表示定子和转子。u 础，“加，“嚣，“卵u 加，断定转 子相电压瞬时值；，i b s ，i e s ，l 。a r ，i b r ，o 定转子相电流瞬时值；， 惭，惭，附定转子相电压瞬时值。足一定子绕组，只厂转子绕组。 kkkoko o o o 0 0 r o o o 0 母o 0 o o r o 0 o 0 b o o o o o 姐o o o o b o 0 o 0 一 r o o 0 o 0 一 船 括 岱 矿 打 盯 ” ” “ “ ” “ 第二章双馈型风力发电系统基本理论 式( 2 1 3 ) n 简写成： “：订+ 坐 f 2 1 4 ) ( 2 ) 将磁链方程写成矩阵形式可得( 2 1 5 ) ： 阱匮墟 口 式中： 2 【儿j ，”2 【虬，g o - j r1 r1 ， t = - i o 乞1 7 ，i r = i a r0f c r 】7 ik + k - o 5 一o 5 ki 厶i = i o 5 kk + 厶- 0 5 ki l - 0 5 k _ o 5 kk + 丘j l 厶，+ l , r o 5 k - - 0 5 l , ri 厶2 = f - 0 5 kk + 厶- 0 5 l m ri l - o 5 k _ o 5 k 工。，+ j l c o s o r c o s ( o r 一2 z t 3 ) c o s ( o r + 2 n 3 ) i 上2 l = r 1 2 = ii c o s ( o r + 2 n 3 ) c o s o r c o s ( 0 r 一2 n 3 ) i - c o s ( o r 一2 n - 3 ) c o s ( o r + 2 7 r 3 ) c o s o r j l m 与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感；旷与转子绕组交链的最 大互感磁通对应的转子互感；l i l i s = l l n r ；l l s ，l i r 分别是定转子漏电感； ( 3 ) 电磁转矩方程 t e = 0 5 n p i rd l , , 小咯叫 亿旧 ( 4 ) 运动方程 乙“去鲁 ( 2 - 1 7 ) 式中：风机拖动转矩；j - 电机转动惯量；缈转子角速度；n p 极对数 从电机的数学模型方程中可以看出：双馈异步电机的数学模型是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量模型。分析和求解非常困难，为了解决这一问题，可以 借鉴矢量控制中坐标变换的方式，将三相静止坐标系下的模型转换为两相旋转坐 标系下的模型2 0 1 。 2 3 2 两相旋转由坐标系下d f i g 数学模型 三相静止坐标系到两相旋转坐标系下的变换矩阵为： 第二章双馈型风力发电系统基本理论 = 厍l s p s ( 0 - 2 万3 ) c o s ( o + 2 n r 3 l ( 2 - 1 8 ) 屯饥，、了i s i n 0 一s i n ( o 一2 x 3 ) 一s i i l ( 口+ 2 万3 ) l 利用( 2 1 8 ) 描述的坐标关系，将d f i g 三相静止坐标系下的数学模型转化为 两相任意速旋转坐标系下的d f i g 数学模型，物理模型可等效为图2 7 。d q 坐标 轴在空间位置上互相垂直，两相绕组之间没有电感耦合，旋转坐标系下的两相模 型与三相静止坐标系下的模型相比大大简化了。 磁链方程： 电压方程： 电磁转矩方程： 甜 。0 图2 7 两相旋转坐标系下d f i g 的物理模型 y d s2l s 出一l m i d r r f l f ，g ，= l ，i q ，一三。i q ， v 曲= 一l m i d s + lr i 如 v g ，= 一l 。i q ，+ l ， ( 2 1 9 ) 2 d s = 一愿l ：一肌+ q l f ，0 u ? 一_ ! 驴一| 紫( 2 - 2 0 ) = 足0 + 肼么一哆， = 尽，+ 肌，+ 哆i 乙= n p l , , , ( i d r i q ，- - t q ，么) ( 2 - 2 1 ) 运动方程： l = t ，丢鲁 将磁链方程代入电压方程，可得式( 2 2 3 ) ： ( 2 2 2 ) 、l d 第二章双馈型风力发电系统基本理论 i “出= ( 咄一厶p ) 么+ q 乞+ 乙p 0 一q 厶0 “秘= q 厶么+ ( 趣一r p ) g , + q 乙o + 厶畴 f 2 2 3 、 iu d r = 玩+ 哆厶l q s + ( 足+ i - m ) i r 一够0 、7 i = 心厶么一k p + 呸0 + ( 尽+ p ) 0 式中p 微分算子；“电压；扣电流：妒磁链；尺电阻；厶定子绕组自感；l 广转子 绕组自感；m 一定转子间的互感；下标s 和r 分别代表定子侧电量和转子侧电量， 下标d 和q 分别代表同步旋转坐标系下由轴分量；l 2 和，分别为电机同步 角速度、转差角速度和转子电角速度；乒转动惯量；t i p 电机极对数：，分 别为电磁转矩和机械转矩。 比较d f i g 两相d q 旋转坐标系下的数学模型和三相a b c 静止坐标系下的模 型，可以看出通过坐标变换的方式，两相的模型消除了复杂的电感矩阵，大大的 简化了数学模型的复杂度，使其变为一组常系数微分方程。这种坐标变换方式实 际上是借鉴了矢量控制的思想，是运动控制系统中解耦控制的常用