（电气工程专业论文）双馈型风力发电机控制策略及低电压穿越技术研究.pdf

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过程中提出了很多宝贵的意见，卢彦杰同学在生活和学习方面提供了一些帮助。 在此向他们表达我的感激之情，是他们的关心和帮助使我的研究生生活过得更加 充实和精彩。 另外也感谢家人及所有的朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：双馈型风力发电机组具有变流器容量小、效率高、并网功率灵活可控的优 点，成为目前风力发电领域的重要研究方向。本文以双馈型风力发电系统为研究 对象，重点对双馈型风力发电系统电机侧及电网侧变流器的控制策略及低电压穿 越技术展开了理论研究，并通过仿真和实验对其进行了验证。 首先分析了双馈型风力发电系统的运行原理，在建立双馈电机数学模型的基 础上研究了双馈电机的控制方法。其中，重点对基于定子磁链定向及定子电压定 向的矢量控制控制策略进行研究，并将比较新颖的比例谐振控制器应用到定子电 压定向矢量控制系统中，得到了较好的稳态及动态性能。 其次研究了电网侧变流器的数学模型与控制策略。建立了p w m 整流器的数学 模型和等效电路，在此基础上重点研究了电网电压定向矢量控制策略，其中对p i 调节器及空间矢量脉宽调制策略( s v p w m ) 进行了较详细的阐述。然后，通过仿 真对电网侧的控制策略及其动静态性能进行了验证。 为了使双馈电机在电网电压跌落时不脱网，本文对其低电压穿越控制技术进 行了研究。分析了低电压时双馈电机系统的响应特性；并针对“1 5 m w 双馈型风 力发电系统 确定了一套低电压穿越控制方案；同时，对比分析各种低电压模拟 装置，并提出一种基于定子电压突升的模拟方案。通过仿真对低电压时双馈电机 的响应特性、低电压穿越控制方案及低电压模拟装置进行了验证。 作为对理论分析及仿真的验证，本文通过9 0 k w 双馈型风力发电系统模拟实 验平台对电机侧变流器、电网侧变流器及低电压穿越技术方案进行了实验研究， 通过实验验证了本文双馈电机系统变流器控制策略及低电压穿越技术方案的可行 性。 关键词：风力发电；双馈电机；双p w m 变流器；低电压穿越技术；矢量控制 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：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 ( d f i g ) w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m b e c a m eas i g n i f i c a n tr e s e a r c hf i e l di nw i n d f o r c ed o m a i no na c c o u n to fi t ss e v e r a l a d v a n t a g e si n c l u d i n gl e s sc o n v e r t e rr a t i n g ，h i g he f f i c i e n c ya sw e l la sf l e x i b l ea n d c o n t r o l l a b l ep o w e rc o n t r o la b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dd o u b l y f e di n d u c t i o n g e n e r a t o r ( d f i g ) w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n dm a i n l yc a r r i e do u tt h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h e c o n t r o ls t r a t e g i e sf o rb o t h g e n e r a t o r - s i d e c o n v e r t e ra n dg r i d - s i d e c o n v e r t e ra sw e l la sl o wv o l t a g el u d e t h r o u g h ( l v r t ) t e c h n i q u e t h e nt h i s d i s s e r t a t i o nv a l i d a t e dt h et h e o r i e sb ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s f i r s t l y , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd f i gw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw a s a n a l y z e da n dt h ec o n t r o lm e t h o dw a ss t u d i e do nt h eb a s eo fd f i gm a t h e m a t i cm o d e l m o r e o v e r , t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns t a t o rf l u xo r i e n t e do rs t a t o rv o l t a g e o r i e n t e dw a se m p h a t i c a l l ys t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o n a l s oa p p l i e dn o v e lp r o p o r t i o n r e s o n a n tc o n t r o l l e ri nv o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n da c h i e v e db e t t e r s t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cs t a t ep e r f o r m a n c e t h e n , t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g yo f g r i d - s i d ec o n v e r t e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp w m r e c t i f i e rw a s b u i l la n d 西dv o l t a g eo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yw a sm a i n l yr e s e a r c h e do nt h e b a s i so ft h em o d e l m o r e o v e r , t h ep ir e g u l a t o ra n d s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) w a si n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e rt h a t , t h i sd i s s e r t a t i o nv a l i d a t e d t h ec o n t r o lm e t h o da sw e l la si t ss t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f g r i d - s i d ec o n v e r t e rb ys i m u l a t i o n f o rt h ep u r p o s eo fg u a r a n t e e i n gt h a td f i gw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i l ln o t d i s c o n n e c t e df r o mt h e g r i dw h i l et h eg r i dv o l t a g ed r o p s ，l v r tt e c h n i q u ew a s i n t r o d u c e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e r e s p o n s ep e r f o r m a n c eo fd f i gw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m ，a n dd e t e r m i n e dau s e f u la n df e a s i b l ec o n t r o ls c h e m ea i m e da t 1 5 m wd f i gw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h e n , t h i sp a p e rc o m p a r e da n da n a l y z e d a l lk i n d so fl o wv o l t a g es i m u l a t o r sa n dp r e s e n t e ds i m u l a t i o np r o g r a mb a s e do nt h e r i s i n go fs t a t o rv o l t a g e t h i sd i s s e r t a t i o n a l s os i m u l a t e dt h ec o n t r o ls t r a t e g y i no r d e rt ov a l i d a t et h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o n e x p e r i m e n t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fg e n e r a t o r - s i d ea n d 面d s i d ec o n v e r t e ra n dl v r t s c h e m eo n9 0 k wd f i gw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t s e r t e r ；l v r t ；v e c t o r 目录 中文摘要v a b s 1 7 r a c t v i i l 引言1 1 1 国内外风力发电发展状况1 1 2 双馈型风力发电系统研究概述3 1 3低电压穿越技术概述5 1 4 本文主要研究内容6 2 双馈型风力发电机运行原理及控制策略9 2 1 双馈型风力发电系统的运行原理9 2 2 双馈电机的数学模型1 0 2 2 1 双馈电机在三相静止a b c 坐标系下的数学模型1 1 2 2 2 双馈电机在两相旋转面坐标系下的数学模型1 3 2 3电机侧变流器的控制策略16 2 3 1 双馈电机控制方法简介1 6 2 3 2 定子磁链定向的矢量控制1 8 2 3 3 定子电压定向的矢量控制2 2 2 - 3 4 基于比例谐振控制器的电机侧变流器控制2 5 2 4电机侧变流器控制策略的仿真研究2 8 2 4 1 定子磁链定向矢量控制的仿真研究2 9 2 4 2 定子电压定向矢量控制的仿真研究3 3 2 4 3 基于比例谐振控制器的电机侧变流器控制的仿真研究3 6 3电网侧p w m 变流器的原理及控制3 9 3 1p w m 整流器的数学模型3 9 3 1 1 三相静止a b c 坐标系下的数学模型3 9 3 1 2 两相同步旋转面坐标系下的数学模型4 1 3 2电网侧变流器的矢量控制4 2 3 2 1 电网电压定向控制的基本原理4 3 3 2 2 同步p i 调节4 5 3 2 3 脉宽调制策略的原理与实现4 6 3 3电网侧变流器控制策略的仿真研究4 8 3 3 1 稳态情况下电网侧变流器的仿真研究4 8 北京交通大学硕士学位论文 5 3 3 2 动态情况下电网侧变流器的仿真研究一5 0 双馈型风力发电系统低电压穿越技术研究5 3 4 1低电压穿越控制技术简介一5 3 4 2 低电压时双馈电机系统的响应特性5 4 4 2 1 低电压时双馈电机系统的响应特性分析。5 4 4 2 2 电压跌落时双馈电机定转子电流的计算5 5 4 3低电压穿越控制方案及参数设计5 6 4 3 1 低电压穿越控制方案一5 6 4 3 2 有源c r o w b a r 的参数设计5 8 4 4低电压模拟装置的研究_ 5 9 4 4 1 基于定子电压突升的模拟方案- 6 0 4 4 2 基于阻抗形式的低电压模拟方案6 0 4 4 3 基于变流器形式的低电压模拟方案6 1 4 5低电压穿越技术的仿真研究6 2 4 5 1 低电压时双馈电机系统响应特性的仿真研究6 2 4 5 2 低电压穿越控制方案及参数设计的仿真研究。6 6 4 5 3 低电压模拟装置的仿真研究7 0 双馈型风力发电系统实验结果及分析7 5 5 1 实验系统简介7 5 5 1 1 硬件系统介绍一7 5 5 1 2 系统软件设计7 6 5 2电机侧变流器实验结果及分析7 7 5 3电网侧变流器实验结果及分析。8 1 5 4低电压穿越技术实验结果及分析8 3 6 结论8 7 参考文献8 9 附蜀乏a 9 1 作者简历。9 3 独创性声明9 5 学位论文数据集9 7 引言 1 引言 1 1国内外风力发电发展状况 能源是人类生存的基本要素，经济发展的重要物质基础。随着经济全球化与 人口数量不断增长，能源需求日益增加，人类正面临着能源利用和环境保护两方 面的压力。因此，人类正在努力寻求清洁、高效的可再生能源来减轻对石油、煤 炭等常规能源的依赖。开发利用可再生能源成为世界可持续发展战略的重要组成 部分，成为大多数发达国家和部分发展中国家2 1 世纪能源发展战略的重要选择； 而风能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色清洁的可再生能源已颇受全世界的重 视。风能利用的最重要形式就是风力发电，同时，风力发电又是新能源发电技术 中最成熟和最具规模化开发条件的发电方式之一。因此，近年来，世界的风力发 电事业也得到了迅速的发展。 自2 0 世纪8 0 年代以来，风力发电的增长速度较快，目前全球已很多国家正 在积极促进风力发电事业的发展。由于风力发电技术相对较为成熟，许多国家投 入较大、发展较快，使风电价格不断下降，考虑到环保和地理因素，加上政府税 收优惠和政策支持，在投资和电价方面有些地区已可与火电等能源展开竞争。 现在，不仅把风力发电场建在内陆、岛屿和海岸，英国、荷兰等一些欧洲国 家经验表明，将风力发电场建在海上，经济效益、环境效益和社会效益更加明显。 经过科学测算，今后风力发电年增长均在3 0 以上，并预测到2 0 2 0 年，全世界风 电装机总容量将达1 2 6 0 g w ，风能发电量将达到世界电能总需求量的1 2 。 2 0 0 9 年全球风电装机总量增长3 1 ，中国风电装机容量连续第5 年实现1 0 0 增长，2 0 0 9 年全球风电装机总量达到1 5 7 9 亿千瓦，较上年增加了3 7 5 0 万千瓦， 新增装机容量中有近三分之一来自中国。去年，中国的风电装机容量从前年的1 2 1 0 万千瓦增加到2 5 1 0 万千瓦。而我国目前的能源结构里面，水电、风电、核能等可 再生能源加起来才只占7 ，风电仅占0 8 。相对于一些发达国家，我们差距甚远， 我国风力发电潜力巨大。目前，我国风电行业发展过程大体可分为9 个阶段。 1 1 9 7 5 年，清华大学和内蒙古草原研究所合作，在内蒙古商都地区选择当地 牧机生产企业共同试制了5 0w 、1 0 0w 的离网式微型风力发电机。该阶段所生产 的风力发电设备都属于小容量，没有形成生产力。 2 1 9 7 9 年，中国开始自主研发可以并网运行的试验型机组。1 9 8 1 年，中国风 能协会成立。 到2 0 0 9 年的8 0 多家。但到目前为止，只有约2 0 家企业有成熟产品下线，其他企 业还在建设和产品试验阶段。 随着技术的不断进步风力发电技术得到了飞速的发展，总结国内外风力发电 行业的发展现状，可以发现其发展体现出了以下趋势： 1 风力发电机组单机容量不断增大。经过2 0 多年的发展，世界风电商业化的 单机容量已从2 5 k w 左右增加至2 5 0 0 k w 的水平。实验机组的单机容量更大，德国 r e p o w e r 公司已研制出适用于海上风电场的5 m w 机组。 2 变桨距功率调节方式迅速代替定桨距调节方式。采用变桨距调节方式可以 避免定桨距调节中超过额定风速时发电功率下降的缺点，同时，可以使机组结构 受力小，停机方便安全。 3 变速恒频技术取代恒速恒频技术。变速恒频技术可以通过调节机组的转速 跟踪最大风能捕获，使风力发电机的叶尖速比接近最佳值，提高风力发电系统的 运行效率。 4 无齿轮箱系统的直驱式风力发电机系统增多。采用无齿轮箱的直驱方式可 以提高风力发电系统运行的可靠性及效率。 风力发电是一个集电力电子技术、计算机技术、空气动力学、结构力学和材 料科学等综合性学科的技术。中国有丰富的风能资源，因此风力发电在中国有着 广阔的发展前景，而风能利用必将为中国的环保事业、能源结构的调整，减少对 2 引言 进口能源依赖做出巨大的贡献。展望未来随着风电机组制造成本的不断降低，化 石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电渐具市场竞争力，因此其发展 前景将是十分巨大的。 1 2双馈型风力发电系统研究概述 自2 0 世纪初期人们认识了双馈电机的概念以来，双馈电机设计制造技术得到 不断的提高，双馈电机在许多场合得到了应用。双馈电机常分为有刷双馈电机和 无刷双馈电机。常规有刷双馈电机的结构与绕线式异步电机的结构相仿，其转子 绕组的经滑环和碳刷引出。而滑环和碳刷的存在影响了电机的使用寿命，增加了 电机的维修量，这显然会增加电机的运行成本和有效工作时间。因此，近年来无 刷双馈电机的研究受到学术界的广泛关注。目前无刷双馈电机主要有级联式无刷 双馈电机瞳1 和独立式无刷双馈电机口1 两种形式。但这无刷双馈电机也存在着其明显 的不足之处，对级联式而言，需增加一台控制电机，会损失电机的运行效率；对 独立式而言，其定子可采用一套绕组或两套绕组，需要解决的较为关键的问题就 是绕组的布局。目前风力发电系统中常采用的是有刷型双馈电机，下文中出现的 “双馈电机 一词在没有特殊说明的情况下，均指有刷双馈电机。 近年来，随着现代电力电子技术的快速发展，双馈型风力发电系统以其良好 的调节性能、高效性及稳定性受到了人们的重视，许多国家已经对其进行了深入 的研究并在风电系统中获得了广泛的应用。为了适应不同的应用场合，双馈型风 力发电系统中出现了3 种不同的双馈电机控制拓扑结构h 1 ，如图1 1 所示。 ( a ) 典型变流器结构( b ) 全控型变流器结构 ( c ) 串联控制型变流器结构 图1 1 双馈型风力发电系统拓扑结构 t h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fd 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 其中图1 1 ( a ) 是一种典型的双馈型风力发电机变流控制拓扑结构，其变流器又 北京交通大学硕士学位论文 有多种类型，将在下面对其进行讨论。图1 1 ( b ) 为全控型双馈电机控制拓扑结构。 与图1 1 ( a ) 所示的双馈电机常规控制结构相比，这种控制的优点可概括为：由于 双馈电机定子频率可控，通过适当的控制策略可以使双馈电机保持超同步运行， 从而避免次同步运行时能量在电机内部形成环流的状况，提高系统的发电效率； 可以实现双馈电机与电网之间的完全解耦，从而改善电网电压波动对双馈电机 运行造成的影响，更容易满足电力系统对风力发电机的要求，尤其是风力发电机 的低电压穿越能力。但是这一拓扑结构也有其明显的缺点，主要表现在两个方面： 需要定转子协调控制，控制较为复杂；变流器容量较大、器件较多，这样就 无法体现双馈风力发电机组变流器容量小的优势。图1 1 ( c ) 为双馈电机的串联型控 制拓扑结构，在这种控制结构中，网侧变流器通过串联变压器与电网相连( 类似 于动态电压恢复器的结构) ，电机定子电压为电网电压与串联变压器原边电压之 和。在这种控制结构中网侧变流器能够起到动态调整双馈电机定子电压的作用， 有利于改善双馈电机对电网电压波动的动态响应特性。 由于双馈风力发电机转子能量具有双向流动性，所以，需要的变流器也应该 为双向变流器。目前对最常用的控制结构( 图1 1 ( a ) ) 而言，可用于双馈电机的变 流器拓扑结构主要可分为交交变频器、矩阵变换器和交直交变流器三种类型。 ( 1 ) 交交变频器畸1 采用晶闸管自然换流方式，工作可靠，交交变频的最高输 出频率是电网频率的1 3 1 2 ，适合作为双馈电机转子的变频器电源，在大功率低 频范围有很大的优势。其没有直流环节，变换效率高；主电路简单，不含直流电 路及滤波部分；开关频率低，开关损耗小。但是该结构具有功率因数低、谐波含 量大、动态响应慢以及元件数量多( 3 6 个晶闸管) 的缺点。 ( 2 ) 矩阵变换器哺1 是一种交交直接变流器，由9 个直接接于三相输入和输出 之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由3 个电平组成，输出 电压谐波含量较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的 正弦电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。矩阵变换器有很 多不足之处：不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，其换流控制实现 起来比较困难：其最大输出电压能力低，器件承受电压高；其输入输出不解耦， 即无论是负载侧还是电源侧的不对称都会影响到另一侧；其输入端必须接交流滤 波电容，此电容要承受开关频率的交流电流，其体积也比较大。 ( 3 ) 交直交变流器又可以分为电压型和电流型两种，由于考虑硬件结构和控 制方法等因素，电压型变流器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自 然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中， 在低转差频率的条件下性能比较差，在双馈风力发电系统中应用的不多。采用电 压型交直交这种变流装置具有谐波含量少、定转子功率因数可调等优点，可以明 4 引言 显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流侧电容实 现了电网侧和转子侧的完全隔离。基于电压型交直交变流器的双馈发电机定子磁 场( 或定子电压) 定向矢量控制系统，能够实现风机最大功率点跟踪的发电机有 功和无功的解耦控制，是目前变速恒频风力发电技术的一个主要方向。 1 3低电压穿越技术概述 如今风力发电已经在世界范围内已经成为了一种广泛使用的新能源发电方 式，近年来风力发电装机容量迅速增加，而目前大多数风力发电机在电网发生故 障的情况下脱网保护，不能像常规的发电机一样在故障的时候向电网提供电压和 频率的支撑，这样会对电力系统的稳定性产生一定的影响。因此电力系统对风力 发电场的运行提出了一系列的要求，主要包括：电网频率控制、无功功率和电网 电压控制、低电压穿越( l o wv o l t a g er i d et h r o l 】g h _ - i ，v r t ) 控制以及电能质量控 制等口1 ，本文主要对其中的l v r t 控制进行研究。 低电压穿越，是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电 网提供一定的无功功率以支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越 这个低电压时间。目前各国都在相继制定新的电网运行准则，要求风电系统具有 一定的低电压穿越能力。中国的电网运行准则目前还在制定中，暂时还没有明确 的规定。最具代表性的是德国电网运营商e o nn e t z 对风电场风力机组提出的 l v r t 要求哺1 ，如图1 2 所示。 图1 2 德国e o n n e t z 公司l 玎要求 f i g 1 2l v r tr e q u i r e m e n to fe o nn e t zc o m p a n y 在图1 2 中，仅当电网电压值处于图示折线下方也就是图中所示的风机跳闸区 时，才允许风机脱网解列；而在折线以上区域，风机应继续保持并网，等待电网 恢复。且当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑以帮 助电网恢复。图中当电压跌落到额定电压的1 5 时，要求风机提供无功支持并保 持并网至少6 2 5 m s ，而在电压跌落到9 0 以上时风机应一直保持并网运行。以上 北京交通大学硕士学位论文 是电网对风力发电系统低电压穿越能力的具体要求。 电网电压跌落是电网运行中的常见故障之一，当电网出现故障导致电压跌落 后，会使风力发电机组出现过电压、过电流或转速上升等问题，对于风力发电机 本身及其控制系统的安全运行产生影响。 所谓电网电压的跌落( v o l t a g ed i p ) 通常是指电力系统中某个点的电压突然跌 1 0 0 o - - 9 0 ，并且持续0 5 个周波到l m i n 的时间。电压跌落的原因主要有三类，即 电网故障引起的电压跌落、大电机的起动引起的电压跌落和电机的再加速引起的 电压跌落。对于由电网故障引起的电压跌落，其电压跌落和恢复时间较短，几乎 瞬时发生；对于由其它电机起动造成的电网电压跌落，电压恢复所需时间较长， 通常需要几百毫秒到几秒的时间；对于由电机再加速引起的电压跌落，在电压跌 落的开始阶段，由于电机的惯性，使其类似于一个电压源，从而阻止了电网电压 的跌落速度，而在电网电压恢复时，由于电机的再加速过程和吸收无功功率的增 加又阻碍了电网电压的恢复。与其它两种电压跌落相比，电网故障引起的电压跌 落通常伴随有电压相位的突变及三相电压的不对称等问题h 3 。 针对电网故障引起的电网电压跌落，按照跌落后电压对称与否，又可以将其 分为对称电压跌落和不对称电压跌落两种情况。对于不对称电压跌落的故障，又 可分为单相跌落故障、两相跌落故障。 为了抑制电网电压跌落对双馈型风力发电系统的影响，实现低电压穿越功能， 诸多文献对风力发电机l v r t 技术的做了研究，可主要归结为以下几种方案：基于 转子撬棒( c r o w b a r ) 保护电路的l v r t 控制策略呻1 、基于双馈电机暂态磁链补偿技术 的l v r t 控制策略n 们、基于短暂中断( s t i ) 的l v r t 控制策略n 1 1 、基于提高转子电 流环动态控制增益的l v r t 控制策略n 2 1 、基于能量管理技术的l v r t 控制策略n 3 1 、 基于双馈电机定子电压动态补偿控制的l v r t 控制策略n 钔等。本文第3 章将对这 些控制策略进行分析，目前最常用的是基于转子撬棒( c r o w b a r ) 保护电路的l v r t 控制策略。 1 4本文主要研究内容 本文以“1 5 m w 双馈型风力发电系统变流器的研制 为研究背景，重点研究 了双馈型风力发电系统电机侧及电网侧的控制策略及其低电压穿越技术，主要研 究内容如下： 第一章结合本文的研 并对双馈型风力发电系统 第二章围绕双馈型风 引言 风力发电系统的运行原理。其次，研究了双馈电机在静止坐标系及旋转坐标系下 数学模型，并在此基础上研究了双馈电机的控制方法。其中，重点对基于定子磁 链定向及定子电压定向的矢量控制策略进行研究，并将比较新颖的比例谐振控制 器应用到此矢量控制系统中。最后，通过m a t l a b 仿真软件搭建双馈风力发电系统 仿真模型对以上的控制策略进行仿真研究，并分析其动静态性能。 第三章围绕电网侧变流器的建模及控制展开研究。在分析电网侧p w m 变流器 在静止坐标系及同步旋转坐标系下数学模型的基础上，重点研究了电网电压定向 的矢量控制策略，其中对p i 调节及空间矢量脉宽调制策略( s v p w m ) 进行了详 细的说明。然后，通过仿真对电网侧的控制策略及其动静态性能进行了验证。 第四章围绕双馈型风力发电系统低电压穿越技术展开研究。首先，简单介绍 了低电压穿越控制技术，分析低电压时双馈电机系统的响应特性。其次，确定了 一套确实可行的低电压穿越控制方案，并对各个控制参数进行设计。接着，对比 分析各种低电压模拟装置，并提出一种基于定子电压突升的模拟方案。最后，通 过仿真对低电压时双馈电机的响应特性、低电压穿越控制方案及低电压模拟装置 进行验证。 第五章围绕双馈型风力发电系统实验平台进行了实验研究。首先，从硬件及 软件两方面介绍了实验平台的基本构成和工作原理；其次，从电机侧变流器实验、 电网侧变流器实验及低电压穿越技术实验三个方面介绍了一些实验结果。通过对 实验波形及实验数据的分析，验证了本文对双馈电机系统变流器的控制及低电压 穿越技术的研究是可行的。 第六章对本文的工作进行了总结，同时指出了本文的不足之处，并对后续需 要完善的工作进行了简要介绍。 7 双馈型风力发电机运行原理及控制策略 2 双馈型风力发电机运行原理及控制策略 2 1双馈型风力发电系统的运行原理 双馈型风力发电系统结构图如图2 1 所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏 航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风 轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机， 双馈电机将机械能转化为电能，再经交流器及变压器将其并入电网。通过系统控 制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获， 同时，通过对变桨机构、变流器及c r o w b a r 保护电路的控制来应对电力系统的各 种故障。 图2 1 双馈风力发电系统结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fd f i gw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s 双馈电机是实现机电能量转换的端口，在此系统中起着非常重要的作用。因 其定、转子都可以馈入或馈出能量，“双馈 的概念由此而来。由于双馈发电机一 般由转子侧提供交流励磁，所以双馈发电机也称为交流励磁同步发电机或者异步 化同步发电机。双馈电机主要结构特点是：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，与三相绕线式异步机的转子结构相似。 正常工作时，定子绕组直接接入工频电网，转子绕组通过背靠背变流器与电 网相连。因此，双馈电机定子的电压和频率为固定值，而转子电压的频率、幅值、 相位都可由三相变频电源进行控制。 稳态运行时，双馈电机的定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静 止，有如下数学关系表达式： 啊= 珥+ 吃 ( 2 1 ) 9 北京交通大学硕士学位论文 石2 蠢吩+ 五( 2 - 2 ) s ：刍二堡：垒( 2 3 ) 啊 啊 式中，刀l 、f i r 、7 2 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子 流产生磁场相对于转子的旋转速度，五、五分别为定、转子电流频率，伟为发电 极对数，j 为发电机的转差率。 由上式可知，当发电机转子转速怫发生变化时，若调节转子电流频率正相应 化，可使石保持恒定，从而实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当n r f i l 时，电机处于 超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反， 此时定、转子均向电网馈出电能；当f i r = 以l 时，压= 0 ，变频器向转子提供直流励 磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行n 鄹。 双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加 电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速n 嗣。与传统的直流 励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励 磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率， 还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、 变速运行能力方面有着优良的特性。 2 2双馈电机的数学模型 和鼠笼型异步电机一样，双馈型异步电机也是一个高阶、非线性、强耦合的 多变量系统。研究双馈风力发电机的控制，必须要从双馈发电机的数学模型入手。 双馈发电机的机电能量转换主要是通过基波磁场来完成的，因此，在研究双馈电 机的多变量非线性数学模型时，为了简化分析常做如下假设： ( 1 ) 定转子的三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 。电角度) ，所产生的磁动势 沿气隙圆周按正弦规律分布，只考虑气隙基波磁场的作用，气隙谐波磁场只是在 漏抗中加以考虑，认为定子转子具有光滑表面而忽略齿谐波作用； ( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各项绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响； ( 5 ) 转子绕组均归算到定子侧，折算后的定转子每相绕组匝数都相等。 1 0 双馈型风力发电机运行原理及控制策略 2 2 1 双馈电机在三相静止a b c 爿 在三相静止坐标系下，定子三相绕坌 为参考坐标轴；转子绕组a 、b 、c 随转予 为空f q 角位移变量。进行绕组归算后，双 若定转子侧均采用发电机惯例，电流以i 系下的数学模型如下。 b 醛 6 旗蕊二一 么 “l i 7 以 一 盎 嘲 v 破 v 婚 - c c f i g 2 2t h ep h y s i c a lm o d e lo fd f i gi nt h r e ep h a s es t a t i cc o o r d i n a t e s 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 z “：一尺l 厶一皇等! 讲 拗：瑚l i b 一辈 c l t 们= 一r l i c 一辈 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 u a - - - 舭一警 狮：一尺2 i b 一塑 c l t 址：一r 2 i c 一坐 d l 式中：蚴，劬，l l c ，z h ，u b ，u c 为定、转子相电压的瞬时值； i a ，i b ，i c ，厶，i b ，厶为定、转子相电流的瞬时值； 蛳，妒，沙c ，沙，y 6 ，缈c 为定、转子各相绕组的全磁链； 尼，r z 为定转子绕组的等效电阻。 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 彩f f d z , i d o ) 项属于电磁感应电动势中与转速缈成正比的旋转电动势。 3 转矩方程 在a b c 坐标系下，双馈电机电磁转矩方程可表示为 t 1 r ”- ， r i d j 0 0 d z 1 2 d o 坐o d o ( 2 6 ) 缈6 ，v 。】r ， 感磁链之 ( 2 7 ) ，纠r ，且 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 三，：为与 定子各相 ( 2 1 1 ) 电动势) ， ，甲1 【 r 万d l 2 1 i rd 万l i 2 ，- ( 2 - 1 2 ) 其中，l p 为双馈电机的极对数。 将电感方程( 2 - 1 0 ) 代入上式得： 1 2 双馈型风力发电机运行原理及控制策略 兀= 一n p l , , l ( i a i , + 妇如+ 记厶) s i i l 口+ ( 厶如+ 妇玉+ 记厶) s i i l ( 秒+ 1 2 0 。) ，1 ，、 二- l j + ( i a i c + i b h + i c i b ) s i n ( o - 1 2 0 。) 】 4 运动方程 根据动力学理论，发电机的运动学方程式为 乃一足：一j d o o m t - 旦细+ _ k o ( 2 - 1 4 ) 坳班砌坳 式中：乃为风力机提供的拖动转矩；，为发电机的转动惯量；d 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。 双馈电机在a b c 三相坐标系下的数学模型尽管较为复杂，但由于其各相绕组 的自感参数以及各相绕组之间的互感参数等都可以直接进行设置，并且对定子侧 绕组三角形连接的电机还能够描述其内部的环流特性，所有这些可以进一步提高 双馈电机模型本身仿真研究的准确性，以满足不同研究的需要。但各绕组之间的 强耦合性以及电磁转矩与定转子各相电流之间的非线性作用使得系统的分析较为 复杂，不利于系统的分析研究，一般需采用坐标变换的方法对双馈电机的数学模 型加以变化，使其分析和求解变的相对容易。 2 2 2 双馈电机在两相旋转由坐标系下的数学模型 坐标变化的基本思想是：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，在变换时采用幅值或功率不变 原则。坐标变换主要分为等量变换和等功率变换两类。所谓“等量坐标变换， 是指在某一坐标系中的通用矢量与变换后的另一坐标系中的通用矢量相等的坐标 变换。所谓“等功率”坐标变换，是指