（检测技术与自动化装置专业论文）变速恒频风力发电机组电气控制系统的研究.pdf

摘要 在全球能源消耗不断增长和环境污染日趋严重的今天，风能作为一种绿色清洁的可 再生能源，受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。 变速恒频风力发电机组电气控制系统是整个风电系统的重要组成部分，对风力发电 机组平稳可靠运行、高效利用风能起到非常噩要的作用。本文以完成变速恒频风力发电 机组电气控制系统为目标，围绕着系统功能的实现和控制方法展开了研究。 首先，本文从研究无刷双馈电机的结构和工作原理出发，详细推导了无刷双馈电机 转子速d - q 数学模型和双同步m t 模型，并在s i m u l i n k 系统仿真环境下，构建了无刷双 馈电机的仿真模块。通过对无刷双馈电机定二f 磁链矢量控制策略的研究，建立了无刷双 馈变速恒频风力发电控制系统的s i m u l i n k 仿真模型，并进行了仿真分析。 其次，本文对变速恒频风力发电系统的运行状态进行了研究，分析了系统从启动到 停止过程中，各个工作状态下的控制要求和控制方法。根据电控系统的控制要求，对系 统的输入输出信号和控制单元进行了分析。在此基础上确定了控制器硬件配置及部分信 号接口电路，并基于模块化的编程思想，设计了控制程序。 最后，为提高控制系统过程可视化效果，以组态软件w i n c c 6 0 为平台，设计了变 速恒频风力发电系统监控软件，在p l c s i m 、s t e p 7 、w i n c c 6 0 中对部分功能进行了仿真 联调。 通过对系统进行的理论研究、仿真分析和软件调试，验证了无刷双馈电机数学模型 和变速恒频风力发电控制策略的正确性，为下一步的理论研究和工程实现提供了技术基 础。 关键词：无刷双馈电机，风力发电，变速恒频，矢量控制，监控系统 a b s t r a c t d u et ot h eh u g ec o n s u m eo fg l o b a le n e r g ya n dh e a v yp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n tw h i c h n o n - r e n e w a b l es o u r c ec a u s e sd a yb yd a y , a sag r e e n ，c l e a na n dr e n e w a b l es o u r c e ，w i n dp o w e r g a i nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yg o v e r n m e n t sf r o md i f f e r e n tc o u n t r i e si n t h ew o r l d m e a n w h i l et h ew i n dp o w e rt e c h n o l o g ya l s ob e c o m e sr e s e a r c hh o t s p o to fm a n yc o u n t r y s s c h o l a r s e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mf o rv s c fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o ri sa ni m p o r t a n tp a no ft h ew i n d p o w e rs y s t e m ，w h i c hw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l et ok e e pi tr u n n i n gs t a b l ya n df u l l yu t i l i z e w i n de n e r g ys o u r c e t h et o p i c sd e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e rf o c u so ni m p l e m e n t a t i o no fs y s t e m f u n c t i o na n ds t u d yo fc o n t r o lm e t h o d ，a i m st of i n i s he l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rs t a r t e df r o ms t u d yo ft h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f b d f m ，w h i c ht h e nd e d u c et h er o t o rs p e e dd qm a t h e m a t i c a lm o d e la n dd u a ls y n c h r o n o u sm t m o d e lo fb d f mi nd e t a i l s ，b u i l ts i m u l a t i o nm o d e lo fb d f mi ns i m u l i n k b a s eo nt h es t u d y o fb d f ms t a t o rm a g n e t i cf l u xl i n k a g ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y , t h ec o n t r o lm o d e lo fv s c f w i n dt u r b i n eg e n e r a t o rw a sb u i l ta n da n a l y z e db ys i m u l i n k s e c o n d l y ，i ta n a l y z e dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fv s c fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ， c o n t r o lr e q u i r e m e n t sa n ds t r a t e g i e si nd i f f e r e n tr u n n i n gs t a t e si nt h ea l lp r o c e s sf r o mt os t a r t t i l lh a l t a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，i ta l s oa n a l y z e dt h ei os i g n a l s o fc o n t r o l l e r , w h i c hd e t e r m i n e dt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no fc o n t r o l l e ra n ds i g n a l si n t e r f a c e c i r c u i t s ，t h e nd e s i g n e dc o n t r o lp r o g r a mb a s eo nm o d u l a r i z a t i o np r o g r a mf r a m e f i n a l l y ，i no r d e r t oe n h a n c ev i s u a l i z a t i o no fc o n t r o lp r o c e d u r e ，t a k i n gt h ew i n c e 6 0a st h e p l a t f o r m ，t h em o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r eo fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nw a sd e s i g n e d a n dt h e i n t e g r a t e dt e s tw h i c ha i mt os o m ef u n c t i o n si np l c s i m ，s t e p7 a n dw i n c e 6 0w a s e x e c u t e d t h ec o r r e c t i o no fb d f mm o d e la n dv s c fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rc o n t r o ls t r a t e g i e si s v e r i f i e db yt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i so fs y s t e m ，w h i c ha l s op r o v i d et h e t e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o r t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fp r o j e c ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，v a r i a b l es p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y ，v e c t o rc o n t r o l ，m o n i t o r i n gs y s t e m 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，也不包含为获得丞洼理王太堂或 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。 p l 名 学位论文作者签名：粥缎签字日期：翮年月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼堡工太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太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本和电子 文件。 ( 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： 钙药 签字日期：9 年1 月枷日 导师躲扳暂 第一章绪沦 1 1 风力发电综述 1 1 1 国内外风力发电现状 第一章绪论 伴随世界经济和国际工业化发展进程，世界各国对能源的需求越来越大，人类正面 临着能源短缺和环境保护两方面的压力。一方面，由于人类无节制的开采，煤炭、石油 和天然气等常规能源由于2 0 世纪内无节制开采而日渐枯竭；另一方面，大量化石能源 的使用对自然环境造成了严重的污染和破坏【。能源与环境已成为当今世界所面临的重 大课题，能否解决好能源供应与环境保护之间的矛盾，已成为世界经济能否持续发展的 重要决定因素。多年以来，人类一直在努力寻求清洁高效的可再生能源来摆脱对常规能 源的依赖，风能作为一种清洁的绿色能源，是近期内具有大规模开发利用前景的可再生 能源i j j ，开发利用可再生能源已成为2 1 世纪能源发展战略的必然选择。 自2 0 世纪7 0 年代中东石油危机以来，风力发电产业在世界范围内取得了长足的发 展。1 9 9 5 年到2 0 0 6 年世界风电总装机的年均增长率超过3 0 ，其中大中型风电机组联 网发电是风能利用的主要形式。现阶段风电机组的单机容量从最初的数十千瓦级发展到 近几年的兆瓦级，技术日趋成熟。控制方式从单一的定桨距失速控制发展到变桨距变速 控制，预计几年后将会出现基于人工神经网络或模糊控制的智能型风电机组；运行可靠 性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 0 , 6 ，提高到今天的9 8 以上，并且风电场运行的所有风电机 组均可实现就地控制与远程监控；风电成本也从初期的2 0 美分k w h 降至目前的3 美分 k w h ，已接近常规火电成本【2 ，3 】。今后，风电场将从陆地拓展到海上，发展空间更加广阔。 我国拥有丰富的风能资源，可开发利用的风能在2 5 亿k w 以上。随着经济和技术 的发展，风力发电作为我国电力系统的重要补充，将取得可观的社会经济效益。目前， 我国国产风电机组在风电市场中仍缺乏足够的竞争力，进口机组占据了中国风电市场的 主要份额。因此，大型风电机组的国产化是推动我国风电持续发展的根本途径一训o 1 1 2 国内外风力发电技术研究现状 l 、风力发电技术概况 风力发电的过程就是通过叶轮的旋转将自然风能通过发电机转换成可利用的电能 的过程，而风机及其控制系统是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和 电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转 换的高可靠性、高效率的控制系统和供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研 究重点。 目前，国外m w 级以上大容量风电系统技术比较成熟【3 1 ，市场主流机型多采用变速恒 第一章绪论 频技术。 i 要制造商有：德国n o r d e x 公司，德国g ep o w e r 公司，丹麦维斯塔斯风电设 备公司，英国r e s o r t 有限公司等。其产品功率级别可以达到1 5 3 6 m w ，德国意耐康 e n e r c o n 公司开发的6 m w 的样机也己通过测试。典型产品如g ep o w e r 公司的1 5 m w 系列， 具体参数为：切入、切出、额定风速为4 、2 5 、1 3m s ，叶片转速范围1 2 0 2 2 2 _ r p m , 双馈感应发电机，带远程监控的p l c 主控系统，极限运行温度范围为一3 0 - - - + 4 0 ，功 率控制方式为变桨距控制。 在我国风电机组市场上，占主流地位的m 1 j i f 级大功率风电系统仍以国外产品为主， 虽有部分国产化机组已投入市场，但没有形成规模，多数国内厂家的m w 级产品仍处于 研制实验阶段。国内对风力发电技术研究较为深入的有：沈阳工业大学风能研究所( 0 5 年成一台s u t 6 1 - 1 0 0 0 型1 m w 双馈式变速恒频风电机组样机，国产化率达7 5 以上，为 我国首台具有自主知识产权的大型兆瓦级风电机组) 、华锐风电科技有限公司、南京航 空航天大学、湖北省电力试验研究院、中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学等。总 的来说，我国风力发电机组的生产和研制水平同国外相比还有较大差距。 2 、国内外风力发电领域的主要研究方向 ( 1 ) 变速恒频发电技术的研究 恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，转动速度由发电机极数和齿轮箱决 定。不论风速如何变化，保持风力机转速不变( 通常为同步速) ，从而实现发电频率恒定。 恒速恒频系统的主要缺点是p j ：叶尖速比不能保持在最佳值，风能利用率和转换效率低， 系统为刚性机电耦合，当风速发生突变时，风机的叶片将要承受较大的扭应力和风力摩 擦，为保持机械转速恒定，风能将通过叶片在风机主轴、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，输出功率波动较大， 难以保证恒功率输出，并网运行后，影响电力系统的稳定运行。 变速恒频发电是2 0 世纪末逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，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到发电控制技术中，成为一种全新的、 高质量的电能获取方式。主要特点是：风轮以变速运行，可以通过调节发电机转子电 流的大小、频率和相位实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶 尖速比，进而可以实现风能最大转换效率；可采用一定的控制策略灵活调节系统的有 功、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率；当风速增加，使发电机的输出 功率增加到额定功率附近时，变桨距系统将增大桨叶节距角，使发电机的输出功率维持 在额定功率：采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整机的受力状况大为 改善。调速环节和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。变 速系统与恒速系统相比，虽风电转换装置部分比较复杂和昂贵，但其成本在大型风力发 电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 ( 2 ) 无刷双馈电机控制策略的研究 无刷双馈电机b d f m ( b r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e ) 的数学模型比较复杂，具有优 良动静态性能的控制策略和控制方法还不够成熟，有许多关键技术问题需要解决，如电 机运行控制、功率控制、功率因数控制，电机的参数( 如电阻电感等) 等易受外界的影 响而改变，参数的变化和测定的正确与否将直接影响控制的成功实现。在对b d f m 的研 第一章绪论 究过程中，各国学者提出了多种控制方法，主要有： 标量控制： 无刷双馈电机的模型采用静态等效电路，利用反馈值采用简单p i 调节器来实现 电机控制参数给定，在一定程度上增加了系统的稳定性。当控制系统利用反馈检测出 实际值与给定值的差别较大，且这种差别无减小的趋势时，则控制器会调节给定值指 令，并调节p i 参数，以保证实际值接近给定值。标量控制采用的算法比较简单，容 易在较低价格的微处理器上实现，可以在一定程度上提高无刷双馈电机的机电性能， 但其动态性能不高。只适用于对动态性能要求不高的场合，如风机、水泵等。 直接转矩控制： 直接转矩控制d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 借助三相定子电压和电流来直接计算磁 链和转矩，通过直接控制转矩来实现电机的速度调节。需要测量电机端电压、端电流 以及转子速度来估计电机的磁链与转矩。与普通的感应电机控制不同，b d f m 电机需要 采用转子坐标系，这样b d f m 电机的直接转矩控制就需要比普通感应电机的直接转矩 控制知道更多的信息，而且在控制算法中要包括一个转子坐标系到静止坐标系的转 换。因此，在系统设计中需要对信号的采集与处理进行设计。直接转矩控制的计算量 较大，需要采用高速的微处理器来处理输入输出量，因而成本较高，但其性能比标量 控制优良得多。近来，在d t c 控制基础上又出现了一种模型自适应控制，可以使无 刷双馈电机对负载惯量的变化不敏感，而d t c 控制本身对电机参数的变化不是十分 敏感，这样两者的结合可以使无刷双馈电机达到更佳的性能。但这种方法的实现更加 复杂，目前只处于理论仿真阶段。 矢量控制： 由于无刷双馈电机的数学模型比较复杂，计算量大，而利用矢量变换可以在一定 程度上简化数学模型，使得对电机的控制变的更为简单，因此近年来矢量控制方式在 无刷双馈电机控制研究上得到了大量应用，具体情况将在第三章介绍。 ( 3 ) 大功率高压变频器的研究开发 大功率高压变频器是变速恒频风力发电系统中的关键设备，目前，高压变频器正朝 着大功率、小型化、轻型化的方向发展。现阶段，i g b t 、i g c t 、s g c t 仍将扮演着主要的 角色，s c r 、g t 0 将会逐步退出变频器市场。无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接 转矩控制等技术的应用将趋于成熟，采用参数自设定、过程自优化、故障自诊断技术等 高新技术，利用3 2 位m c u 、d s p 及a s i c 等器件，实现变频器的高精度、多功能。 应用于变速恒频风力发电系统的变频器，应具备以下特点：能够输出对称三相交 流电，并且幅值大小、频率、相位、相序均可自由调节，以控制发电机励磁磁场大小、 相对于转子的位置和电机的转速；励磁电压、电流谐波小，以减小发电机定子输出电 压、电流谐波；功率可快速地进行双向流动，具有四象限运行能力，允许能量从发电 机转子方或功率绕组通过励磁电源装置回馈给电网；作为一种电能变换装置，在较高 的功率因数下运行，输入、出谐波电流较小，以减小对电网的谐波污染。 ( 4 ) 有功、无功功率解耦控制的研究 实现解耦控制功能的关键是：根据风速和负荷变化，通过变频器实时地调节控制绕 第一章绪论 组电流的幅值、相位、频率。根据发电机的电磁关系，通过改变控制绕组矢量来控制发 电机输出，改变其有功分量和无功分量，达到控制有功和无功输出的目的。由于交流电 机的有功和无功电流是藕合在一起的，所以必须对控制绕组电流进行解耦，找出其控制 有功功率和无功功率的电压( 或电流) 分量，通过对有功功率和无功功率的独立控制，实 现输出功率因数的自由调节。 ( 5 ) 发电机输出功率优化方案的研究 针对无刷双馈变速恒频风力发电系统，输出功率优化方案研究内容主要集中在低风 速区的最大风能追踪策略和高风速区的恒功率输出控制上。根据贝兹理论，风力机产生 的机械功率为： 11 p m 一言c p s p l ，j = 寺c p ( a ，卢瑚2 p v 3 ( 1 1 ) 其中p 为空气密度；月为风轮半径；c p 为风功率系数( g 为风力机将风能转换为 机械能的效率，它是叶尖速比a 和桨叶节距角届的函数) ； ，为风速。从公式( 1 1 ) 可以 看出，一旦叶片成型后，要对风力发电机的输出功率进行人为控制，只能通过风能转换 系数c p 来完成，而g 是叶尖速比a 和桨叶节距角p 的函数，研究重点放在对叶尖速比a 和桨叶节距角p 的控制。 叶尖速比a 的控制方法 在低风速区，发电机工作在次同步运行方式下，系统将以功率最大化作为控制目 标。此时桨叶节距角卢固定在使叶片吸收能量最大的位置。在卢恒定的情况下，输出 功率大小将只取决于叶尖速比a 。 叶尖速比a 是风轮叶尖线速度与风速之比的函数- a = 警2 等，( - 望t 一塾6 0 一等) ( 1 - 2 ) 为风轮旋转的机械角速度( r a d s ) ；n 为风力机的转速转( r m i n ) ；。r 为风轮半径。 从典型的叶尖速比和q 的关系图可以看出，存在一个最佳的叶尖速比k ，使g 为最大值即风能转换系数最高。 c p a l 0 3 0 2 o 1 图1 - 1a 和印之间的关系 f i g 1 1r e l a t i o no f 2a n dc p 当风速变化时，只需要利用变频器对电机转速n 进行调整，保持最佳叶尖速比， 第一章绪论 就可以获得最大风能。 桨距角口的控制方法 在安装桨叶时，桨叶绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与 风轮旋转平面( 风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面) 形成一个角度，称为桨距角( 也称 安装角) 。桨距角是桨叶吸收风能多少的一个标志性参数。 当风速超过额定风速后，发电系统的输出功率达到最大点，并且有继续增大的趋 势，为了将发电机的输出功率限定在额定值p = 附近，应增大桨距角以限制风能的 吸收，保证功率的稳定输出，这也就是变桨距的原理和目的。其执行机构主要有液压 控制和电机控制两种方案。液压控制方案以其响应频率快、扭距大、与制动系统同一 液压油源等优点在变桨距控制中占据重要地位。在桨距角控制中，常用方法是三个桨 叶桨距角由一套机构做相同调节，但由于风速分布并不均匀，在风轮转动的过程中将 出现桨叶受力不均产生拍打振荡的现象。因此近年也有研究者提出了独立桨叶方案， 即将桨叶分开独立控制，每一桨叶都有独立的一套控制机构，不仅能稳定输出功率， 还可减小桨叶拍打振荡，具有很强的工业应用前景。 ( 6 ) 风力发电系统的软并网软解列研究 当电网容量比发电机的容量大得多时候，一般可以不考虑发电机并网的冲击电流， 鉴于目前并网运行的发电机组已经发展到兆瓦级水平，所以必须要限制发电机在并网 和解列时的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。 同步发电机与电力系统之间的连接为“刚性连接 ，并网之前发电机必须经过严格 的整步和( 准) 同步，并网后也须严格保持转速恒定。异步发电机的并网对机组的调速 精度要求比较低，并网后不会震荡失步，其并网的方式也较多，如直接并网、准同期 并网和降压并网，但它们都要求在转速接近同步速的9 0 - 1 0 0 时才能进行并网操作， 对转速还是有一定的限制。而采用双馈型发电机，其并网过程与传统的同步发电机及 异步发电机相比有所不同。双馈发电机和电力系统之间构成“柔性连接 ，即并网前发 电机空载，取电网电压( 频率、相位、幅值) 作为控制信息提供给控制系统，可根据电 网电压和发电机转速来调节励磁。为了限制并网这样一个强非线性过渡过程中的产生 的冲击电流，应采用基于状态量反馈的方法来实施闭环控制，调节发电机输出电压和 电网电压在幅值、频率以及相位上相同。这个过程是在变速条件下实现的，并网成功 后，系统将从并网控制策略切换到变速恒频最大风能追踪策略上。随着风电机组容量 的增大，如何有效限制软并网冲击电流已成为一个重点研究问题。 ( 7 ) 大型风电场的计算机监控无人值守系统 目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控 系统。但各有自己的设计思路，致使风电场监控技术互不兼容。如果一个风电场中有 多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成很大困难。因此，国家计委 在“九五 科技攻关计划中实施对大型风电机组进行攻关的同时，也把风电场的监控 无人值守系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。 第一章绪论 1 2 变速恒频风力发电技术 变速恒频发电系统可使风机在很大风速范围内按最佳效率运行的优点越来越引起 人们的重视，自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频 方式。相对于小容量风电系统，m w 级以上大容量风电系统对最大限度捕获风能、提高 发电效率的要求更高。虽然采用的变速恒频装置在技术和成本上要求较高，但在我国科 研院所、企业的努力下，变速恒频发电技术已逐渐被掌握，一部分国产化的成套或部分 产品开始进入风电市场。 从风力机的运行原理可知，为了获得最大限度的风能，就要求风力机的转速正比于 风速并保持运行在一个恒定的最佳叶尖速比状态下，使风能利用系数g 保持最大值不 变，风力发电机组输出稳定的最大功率。从理论上说，变速恒频技术是目前最优的调节 方式，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。 可用于变速恒频发电的系统有多种类型，如笼型异步发电机变速恒频风电系统、交 流励磁双馈型变速恒频风电系统、采用电磁转差离合器的同步发电机变速恒频风电系 统、无刷双馈发电机变速恒频风电系统、永磁发电机变速恒频风电系统等。这些发电系 统有的通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频，有的通过改造发电机本身结构 而实现变速恒频。各个系统都有自己的特点，适用于各种不同场合。下面对这些系统分 别加以简单介绍【0 j ： ( 1 ) 鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统 采用的发电机为鼠笼式转子，其变速恒频控制是在定子电路实现的。风力机以及发 电机的转速随风速变化不受人为控制，所以发出的电是频率不断变化的，只是又再通过 定子绕组与电网之间的变频器把频率不断变化的的电能转化为与电网频率相同的恒频 电能。本方案尽管实现了变速恒频控制，但由于变频器在定子侧，其容量需要与发电机 的容量相同。因此对于大容量的风力发电系统，变频器的成本、体积和重量将急剧增加。 ( 2 ) 永磁发电机变速恒频风力发电系统 与鼠笼式变速恒频风力发电系统类似，区别只在于采用的发电机为永磁发电机，其 转子无需外部提供励磁电源。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，将发出的频率变 化的交流电通过变频器，转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定 容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直 接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提高可靠性。但由于直接耦合，永磁发 电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高。 ( 3 ) 带变频器的同步发电机风力发电系统 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。缺点与以上两 种方案类似。 ( 4 ) 交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统 交流励磁双馈电机又称异步化同步发电机，其定子接入电网，双向变频器一边接电 第一章绪论 网，一边接转子提供频率、幅值、相位可调的三相励磁电流，在转子中形成一个旋转磁 场。磁场旋转速度( 皱) 与转子的机械转速( 甜) 相加等于定子磁场的同步转速，即 = 啦+ t o ，从而在发电机定子绕组中感应出同步转速的工频电压。当风速引起电机 转速变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速皱，可使定子旋转磁场保 持恒定，达到变速恒频的目的。相对于以上三种方案，此方案最大的区别是变速恒频控 制是在转子电路实现的，故对变频器容量的要求仅为定子额定功率的1 4 1 3 ，使得变 频器成本及控制难度大大降低。发电机可以超同步速、亚同步速运行，变速运行的范围 较宽。还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点 是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。 ( 5 ) 无刷双馈发电机( b d f m ) 变速恒频风力发电系统 无刷双馈发电机的定子有两套极数不同的绕组，功率绕组直接接电网，控制绕组通 过双向变频器接电网。转子为鼠笼式或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子极数为定子 两绕组极数之和。无刷双馈发电机的运行方式尽管与交流励磁双馈发电机有本质区别， 但却可以采用类似的控制策略。无刷双馈发电机控制方案虽是在定子电路实现的，但流 过定子控制绕组的功率仅为总功率的一小部分，故对变频器容量的要求也大大降低，仅 为发电机容量的一小部分。这种方案除了具有交流励磁双馈发电机的优点外，同时由于 无刷双馈发电机没有滑环和电刷，降低了发电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。 目前变速恒频风力发电系统较多，但如前所述仍存在一定不足。而无刷双馈电机作 为一种新型电机，可在无刷的情况下实现双馈发电，速度及功率因数均可调节，变流装 置功率容量小，因此在不久的将来，必将在大中容量调速系统和变速恒频发电系统中得 到广泛应用。 1 3 本文的主要内容 无刷双馈风力发电机组电气控制系统是整个风电系统的关键技术之一，对风力发电 机组平稳可靠运行、高效利用风能起到非常重要的作用。本文以完成发电机组电气控制 系统设计为目标，围绕着系统功能的实现和控制方法展开了研究。 主要研究内容包括： 1 、无刷双馈电机及控制策略的研究：推导了无刷双馈电机基于转子速坐标的小q 模 型，并在m a t l a b 的s i m u l i n k 系统仿真环境下，构建了b d f m 仿真模块。为实施对无刷 双馈电机的定子磁场定向矢量控制，在b d f m 的d - q 模型的基础上，详细推导了b d f m 的双同步m t 数学模型。 2 、无刷双馈变速恒频风力发电机组控制策略的研究：在分析了各种无刷双馈电机控 制策略的基础上，研究了无刷双馈电机定子磁链定向矢量控制方法。建立了b d f m 定 子磁链定向矢量控制策的控制模型，并在m a t l a b 中进行了仿真分析。 3 、研究了变速恒频风力发电系统的控制方法：对系统运行的状态进行了分析，研究 了各个控制单元实现的方法和部分参数采集接口电路，为进一步的工程实现做了准备。 4 、控制程序的设计和仿真：针对各个环节的控制方法，编制了基于西门子p l cs 7 3 0 0 第一章绪论 的控制程序并利用仿真软件p l c s i m 中进行了部分程序的仿真调试； 5 、系统监控软件的设计：设计了以组态软件w i n c c 6 0 为平台的风力发电监控系统软 件，在s t e p7 、p l c s i m 、w i n c e 6 0 中对部分功能进行了联调。 第二章无刷双馈电机的原理及运行特性 第二章无刷双馈电机的原理及运行特性 近年来，国内外的研究者将目光投向无刷双馈电机。由于这种电机在定子上实现了 无刷双馈，不仅具有简单的转子结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良 特性，既可作为交流调速电动机，又可作为变速恒频发电机。无刷双馈电机在运行时所 要求的变频器容量小，降低了系统的成本。作为发电机可实现变频恒速发电，特别适用 于风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再生能源的开发、利用，因此无刷双馈电 机的应用越来越受注目，作为一种新型电机也正在获得不断发展。 2 3 无刷双馈电机的基本原理 无刷双馈电机作为一种新型的电机，可以在无刷的情况下，兼有笼型、绕线型感应 电机和电励磁同步电机的共同优点，其基本结构为：1 个定子、1 个转子和1 套公共磁 路，定子绕组有2 套分别对应不同极数的出线端。一套出线接工频三相电源作为功率绕 组，另一套接至交频电源作为控制绕组。控制绕组由变频电源供电，功率绕组直接由电 网供电，通过变频器改变控制绕组的供电频率可以实现速度的调节。 无刷双馈电机有如下优点：通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，当定 予两套绕组极对数分别为3 ，l 时，变频器容量只占系统容量的1 4 ，从而降低了调速系 统的成本；功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标；与交流励磁双馈电机相比， 取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性；在变频器发生故障的情况下，电机仍然 可以运行于异步电机状态下；电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序 有关，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性l ，6 j 。 1 、无刷双馈电机的内部结构 无刷双馈电机是在2 1 世纪初由h u n t 提出的级联式感应电机的基础上发展起来的。 级联式双馈电机由2 台电机同轴串级而成，具有两套磁路彼此无关的定子绕组和转子绕 组p j ，其原型电机见图2 1 ： 图2 - 1 无刷双馈电机结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e 第二章无刷双馈电机的原理及运行特性 如果忽略两台电机的损耗，假设第一台电机的定子输入电功率r ，当电机运行于某 一转速时的两台电机转差分别是昂、& ，由电机原理可知，第一台电机产生功率为： = ( 1 一s p 圪 ( 2 1 ) 将通过气隙传递给第二台电机的原边( 转子) ，那么第二台电机产生的功率为： = ( 1 一芦口只 ( 2 2 ) 由此，整套级联系统的输出功率在两台电机转子绕组反相序相连的条件下为： p - _ + 乞。= ( 1 一s 圪 ( 2 3 ) 在系统输入功率一定的前提下，如果改变第二台电机定子电阻的阻值，则消耗在其 上的功率s p s 。将会发生变化，即等效滑差sts p s 。发生变化，相应的第- - 台e g 机的定 子侧电流频率也将发生变化。经过以上的分析可知，如果能够改变第二台电机定子侧的 电流频率，就会反过来改变电机的转速，因此我们把第二台电机成为控制电机，把第一 台电机称为功率电机【1 0 1 。 在此基础上进一步改进，采用变频器来代替图2 - 1 中控制电机的外接电阻，既可实 现电压频率的调节达到调速的目的，又可实现能量的传递以提高系统的效率。假设两转 子内电流频率为岛，厶，功率电机的定子电流频率为易，控制电机定子绕组的电流频率 为五，则功率电机的转速为： l i p ；6 0 ( f v f , p ) ( 2 4 )a l z - 4 j o 控制电机的转速为： n。e60(lf,c)(2-5) 只 因为两台电机转子电路相连，机械上同轴，所以有： j厶。，”(2-6) n p 。n c 。托 故电机转速为： 刀。6 0 ( f p 4 - - l )(2-7) 刀_ 一 p 士p 结合级联系统中两台电机产生的机械功率表达式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，通过对级联系统在不 同转速运行区间的各种相序配合的分析、计算，发现只有当两台电机转子反相序连结时， 两台电机的电磁转矩才同方向。因此，无刷双馈变频调速电机高效、实用的结构方式是 转子反相序连接【1 1 1 ，如图2 - 2 ，在此基础上写出的转速表达式为： 刀6 0 = ( f p _ l ) ( 2 - 8 ) 刀- 一 j p n + p 此式中的“ 取决于两台电机的定、转子相对相序。 第二章无刷双馈电机的原理及远行特性 工叁魔篮f c 图2 - 2 级联式无刷双馈电机 f i g 2 - 2b r u s h l e s sc a s c a d ed o u b l y f e dm a c h i n e 级联式无刷双馈电机虽然可以降低所用变频器的容量，同时没有由电刷所带来的电 机运行和维护的不便，但是级联式无刷双馈电机，需要两台电机，成本较高而且体积较 大。7 0 年代以后，b r o a d w a y 等学者对h u n t 发明的电机进行了简化，在定转子绕组等方 面的作出了较大改进。新型的无刷双馈电机具有2 套分离的定、转子绕组，在单一铁心 中安放了两套定子绕组，转子采用自行闭合的环路结构，且2 套转子绕组反相序联接。 由于两套定子绕组同时有电流流过，因此在气隙中产生两个不同极对数的磁场，这两个 磁场通过转子的调制发生交叉藕合，构成了实现能量传递转换的基础。通过b r o a d w a y 的改进，有了可以进入实用领域的无刷双馈电机。 2 、b d f m 基本运行状态 从转速的表达式( 2 8 ) 中可知，只要变频器输出频率尼一定，电机的转速就完全 确定，转速控制将变的十分精确。基本控制结构如图2 - 4 ： 图2 - 3 无刷双馈电机控制结构 f i g 2 3c o n t r o ls t r u c t u r eo fb r u s h l e s sd o u b l y f e dm a c h i n e 运行状态分析： ( 1 ) 当l = 0 ，即控制绕组通入直流，此时转速称为自然同步转速； ( 2 ) 当控制绕组加电压为0 ，即控制绕组短路，电机运行于异步电机状态，相当于1 台 2 嘛+ p c ) 极的异步电动机； ( 3 ) 当控制绕组端输入三相交流电源时，电机运行于双馈状态：无刷双馈电机工作在亚 同步速时，控制绕组中电流的相序与功率绕组中电流的相序相反，五前取负；当工作 在超同步速时，控制绕组中电流的相序与功率绕组中电流的相序相同，磊前取正。 三相电源 第一：章无刷双馈电机的原理及运行特性 2 4 无刷双馈电机的d - q 数学模型 娜训 j l 印o ，复0 珧】 协 数学模型【1 3 ，1 4 1 。由于目前对无刷双馈电机的转子速d - q 模型的研究较多【1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 ，这里 甜口一。f 口+ e q 妒咖+ 磊d 妒妒 “却。一只甜，妒了+ 扩d 咖( 2 - 1 1 ) “ “啊。厂，即+ 万妒即 u g e r ，+ 要妒却 4 厂，却+ i 妒却 2 、控制绕组电压、磁链方程： “笋= ，c f 鲈+ 只，妒出+ 万d 妒弘 “咖2 r c f 出一? r 妒孑+ 万d 妒如。2 1 3 ， h q r c | r r t q r c 五却q r c d r c | r r t d r c + - j d r c d p 孵z l 。露+ m p ：i q r p i = + 心岛 1 = + - 1 2 ) i 一+ 蜂乓 ( 2 - 1 4 ) 第二章无刷双馈电机的原理及运行特性 对以上公式进行整理，并带入笼型转子的电压、电流关系式： j “即+ 比q r c = “矿2 竺和 ! 即+ ： 21 qr(2-15) i u a r t , 一h 如2u d r 2 u l l a r t , 一l 机2l 出 ( i d r c 、k 为对应于控制绕组子系统的转子电流；k 、k 为对应于控制绕组子系统的转 子电流：) 可得到无刷双馈电机在转子速d - q 坐标下，以定转子绕组的电流作为状态变量的电 压矩阵方程为【1 9 , 2 0 l ： ，+ p l 妒 一p p o g , ls ， 0 0 p m 0 p p f l 甲 0 + p l 即 o 0 0 p m ， o 0 r c + p l 。 一p c c l s c p m 。 0 o o p c c l 虻 r c + p l 。 o p m 仃 p m p ， 一p p mf r p m 育 p c m 汀r r r + p k 0 p p mp r r p m p c mc ，r p m 。， o r r + p l r ( 2 1 6 ) 其中b 、厂p 、p 为功率绕组的极对数、电阻、自感和与转子的最大互感值； p c 、r c 、。、为控制绕组的极对数、电阻、自感和与转子的最大互感值；r ，、厶、协 为转子相电阻、自感和电机的机械角速度( 即转子角速度) ；“卵、“和、k 、协为功率 绕组电压和电流d 、q 分量；u q c 、u d c 、l q c 、为控制绕组电压和电流d 、q 分量：u q r 、 u d r 、o 、珏为转子绕组电压和电流d 、q 分量；p 为对时间t 的微分算子。 电磁转矩方程式如下： 昌p p m ( i q p i 办一勿f 矿) 一m c ，o g c f 办+ z 如z 办) = 乙+ c ( 2 1 7 ) 机械运动方程如下： d w ，d t = 1 j ( t l kd ，) ( 2 1 8 ) 上述两式中：j ，局为转子机械惯量、转动阻尼系数；瓦，、k 分别为发电机 电磁总转矩、功率绕组产生的转矩和控制绕组产生的转矩，互为负载转矩。 2 5 转子速d - q 模型的s i m u l i n k 建模 通过以上对无刷双馈电机数学模型的公式推导，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 提供的大 量数字仿真模型库，构建了