（电力电子与电力传动专业论文）双馈风力发电机变桨与变速协调控制.pdf

c o o r d i n a t e dc o n t r o lf o rv a r i a b l ep i t c ha n dv a r i a b l es p e e di n d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t i o n b y z h a n gs h u x i n at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r w a n gx i a o l a n j u n e ，2 0 1 1 88咖558眦8iiiiiy k嚏多r 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：张：拭磊 日期：1 1 年6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：张树众 新签名：钯至 日期：可1 1 年f 月z e 1 日期：沙i1 年 6 月2 日 硕士学位论文 目录 摘要i a l b ! ；t r a c t i i 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 风力发电的现状。l 1 1 1 国外风力发电现状l 1 1 2 我国风力发电现状1 1 2 风力发电技术简述一2 1 2 1 风力机的变浆距调节2 1 2 2 变速恒频风力发电技术2 1 3 双馈风电机组的功率控制3 1 4 未来风电技术的发展前景【1 3 1 4 1 5 主要研究内容和章节安排4 第2 章风力电电机组结构及变速恒频控制的基本原理5 2 1 风电机组的组成结构5 2 1 1 变桨距控制系统5 2 1 2 偏航控制系统6 2 1 3 变换器控制系统7 2 2 变速恒频风电机组控制技术8 2 2 1 双馈感应风力发电机变速恒频运行的基本原理8 2 2 2 风电机组控制技术的发展过程简述9 2 2 3 风电机组控制的基本要求9 2 2 4 双馈风电机组的并网控制技术。9 2 2 5 最大风能捕获技术。1 1 2 2 6 变速恒频风力发电机组的运行区域1 3 2 2 7 低电压穿越技术1 4 2 3 本章小结1 5 第3 章双馈风力发电机数学模型及矢量控制系统1 6 3 1 交流励磁发电机在三相静止及同步旋转坐标系下的数学模型1 6 3 2 定子磁场定向矢量控制策略2 2 3 2 1 矢量控制概述2 2 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 3 2 2 定子磁场矢量定向控制策略2 3 3 3 双馈风力发电机控制系统构建2 4 3 3 1 转子侧变流器原理及控制2 4 3 3 2 网侧变流器原理及控制2 6 3 4 并网控制策略2 8 3 4 1 空载并网控制的数学模型2 9 3 4 2 负载并网控制的数学模型2 9 3 5 本章小结3 3 第4 章双馈风力发电机变桨与变速协调控制策略及仿真研究3 4 4 1 额定风速以下时有功功率的平滑控制。3 4 4 1 1 发电机转速控制策略3 4 4 1 2 转矩控制策略3 5 4 1 3 仿真结果3 9 4 1 4 结论4 0 4 2 全风速范围内风力发电机输出有功功率平滑控制4 0 4 2 1 功率控制4 0 4 2 2 有功功率误差控制4 3 4 2 3 仿真结果4 5 4 2 4 结论4 6 4 3 本章小结4 7 结论与展望4 8 参考文献4 9 致谤 5 2 附录攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 硕士学位论文 摘要 近年来，风能作为一种可再生的清洁能源，日益受到世界的广泛关注，风能的开 发和利用得到了迅猛的发展。采用交流励磁发电机直接实现变速恒频发电是目前风力 发电的最佳技术方案，双馈风力发电机已经是风电领域的主流机型。双馈风力发电机 组成的风电场并网后改变了原有的网络的潮流分布，对整个电力系统造成了一定影响， 其中，有功功率的波动对电网的冲击，更是降低了电网运行的安全性，而双馈风力发 电机系统通过矢量控制技术，可以实现有功、无功功率解耦，通过变桨与变速的协调 控制，在提高风能利用率的同时，实现有功功率的平滑。 本文从双馈感应发电机的基本原理出发，对双馈电机数学模型进行推导，建立同 步旋转坐标系下电机数学模型，在m a t l a b s m u l i n k 中建立发电机并网以及定子 磁链定向有功、无功解耦控制的仿真模型。在传统的有功功率控制策略的基础上提出 了两种有功功率平滑控制方案：基于转矩偏差的有功功率平滑控制、变桨与变速协调 有功功率平滑控制策略。两种控制方案在进行最大风能捕获的同时，抑制了有功功率 的波动。在额定风速以下时，采用基于转矩偏差的有功功率平滑控制，使发电机转子 转速与风速成最佳对应关系，根据风速变化调节发电机转速使其追踪给定值，同时， 检测并控制电磁转矩偏差，调节发电机电磁转矩，使转速与风速保持最佳对应关系， 从而抑制了有功功率的波动；在全风速范围内，采用变桨与变速协调控制，以模糊控 制器控制桨距角，以p i 控制器调节有功功率，并在此基础上提出了有功功率误差控制 策略，通过对转子励磁电压的控制，抑制发电机输出有功功率的波动。这两种改进方 案，均达到了向电网提供更加平滑的有功功率的目的。通过仿真实验，证明了本文提 出的有功功率控制策略的有效性。 关键词：双馈感应发电机；矢量控制；有功控制；转矩偏差控制；功率误差控制； 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i n dp o w e ra sar e n e w a b l ea n dn op o l l u t i o ne n e r g yr e s o u r c ei sp a i dg r e a t a t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s 。功ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fw i n de n e r g yh a s a c h i e v e da nu n p r e c e d e n t e dd e g r e e a ce x c i t a t e dg e n e r a t o rt oi m p l e m e n tv s c fi sp o p u l a r t e c h n i c a ls c h e m ec u r r e n t l yi nw i n dp o w e rg e n e r a t i o n d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) h a sb e e nm a i n s t r e a mg e n e r a t o ri nw i n df a r m t h ew i n df a r mb a s e do nd f i g sc x ) n n e c t st o t h el o c a lg r i d ，w h i c hp r o d u c e si m p a c t so nt h eg r i db e c a u s et h ep o w e rf l o wd i s t r i b u t i o no f t h eo r i g i n a lg i r di sc h a n g e d e s p e c i a l l y , a c t i v ep o w e rf l u c t u a t i o nr e d u c et h eo p e r a t i o ns a f e t y o fp o w e rg r i d b yu s i n gv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o o r d i n a t e dc o n t r o lf o rv a r i a b l ep i t c h a n dv a r i a b l es p e e d ，t h es m o o t hc o n t r o lo fa c t i v ep o w e rh a sb e e na c h i e v e di nd e c o u p i n g r e a c t i v ep o w e ra n da c t i v ep o w e ro fd f i ga n di m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fw i n dp o w e r 1 1 1 em o d e lo fd f i ge s t a b l i s hu n d e rs y n c h r o n i z a t i o nr e f e r e n c ef i r n l ei nt h i sp a p e r b u i l ds i m u l a t i o nm o d e lo fa c t i v ea n dr e a c t i v e d e c o u p l i n gc o n t r o lw i t ht h es t a t o rf l u x o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n k t w ok i n d so fs m o o t h i n gc o n t r o l s c h e m ef o ra c t i v ep o w e ra r cp r o p o s e d t h a ta r ct o r q u ed e v i a t i o na n dv a r i a b l ep i t c ha n d v a r i a b l es p e e dc o l l a b o r a t i v ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ea c t i v ep o w e rs m o o t h i nr e a l i z i n gt h e m a x i m u mw i n dp o w e rc a p t u r e dp r e m i s e ，s u p p r e s s e da c t i v ep o w e rf l u c t u a t i o n s b e l o wt h e r a t e dw i n da d o p tt h eb a s e do nt o r q u ed e v i a t i o nf o ra c t i v ep o w e rs m o o t hc o n t r o l ，c a l c u l a t i n g t h eb e s tc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h eg e n e r a t o rs p e e da n dt h ew i n ds p e e dw i mt h e p u r p o s eo u t p u ts m o o t ha c t i v ep o w e r , a d j u s tg e n e r a t o rs p e e dw i t hc h a n g e dw i n ds p e e d ； d e t e c t i o na n dc o n t r o le l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ee r r o r , a d j u s t i n gg e n e r a t o rs p e e dt om a i n t a i n t h eb e s tc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n 、) l r i n lt h ew i n ds p e e d ；h la l lo p e r a t i n gr e g i o n s ，c o m b i n e dt h e v a r i a b l ep i t c hc o n t r o lo fw i n dt u r b i n ew i t ht h ev a r i a b l es p e e dc o n t r o lo ft h eg e n e r a t o r , d e s i g n e df u z z yc o n t r o l l e rf o rv a i l a b l ep i t c ha n dp ic o n t r o l l e rf o rc o n t r o l l i n go u t p u ta c t i v e p o w e ro fd f i g , b a s e do na b o v e ，p r o p o s e dp o w e re r r o rc o n t r o ls t r a t e g yf o ro u t p u ta c t i v e p o w e ro fg e n e r a t o r t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ev o l t a g eo fr o t o rs u p p r e s s i n gt h ef l u c t u a t i o no f a c t i v ep o w e r t h i si m p r o v e m e n ts c h e m e ，c a np r o v i d et ot h eg r i dm o r es m o o t ha c t i v ep o w e r , i m p r o v eo p e r a t i n gs t a b i l i t yo ft h e 鲥d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea c t i v ep o w e r c o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v e k e yw a r d s ：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 ) ；v e c t o rc o n t r o l ；a c t i v ep o w e rc o n t r o l ； t o r q u ee r r o rc o n t r o l ；p o w e re r r o r c o n t r o l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 风力发电系统结构框图3 图2 1 液压变桨控制结构图5 图2 2 电动变桨距构成框图6 图2 3 偏航控制系统框图6 图2 4 双p w m 型变换器主电路拓扑结构7 图2 5 交流励磁电机变速恒频运行原理图8 图2 6 空载并网结构图l0 图2 7 带独立负载并网示意图。1o 图2 8 孤岛并网示意图1 1 图2 9 定桨距风力机的性能曲线。1 2 图2 1o 风力机的功率特性1 2 图2 1l 变桨距风能利用系数c p - p - 入曲线1 3 图2 1 2 风力发电机组的运行区域1 4 图3 1 三相异步电机的物理模型。1 6 图3 2 三相n - 相的变换2 0 图3 3 双馈感应电机矢量控制坐标变换2 4 图3 4 双馈发电机转子侧变换器矢量控制结构图一2 6 图3 5 网侧变流器电路结构。2 6 图3 6 稳态稳态电压空间矢量示意图2 7 图3 7 双馈发电机网侧变流器矢量控制结构2 8 图3 8 转子d 轴电流闭环控制。3 l 图3 9 转子q 轴电流闭环控制3 1 图3 1 0 定子磁链观测器结构框图3 2 图3 1 1 双馈风力发电机有功、无功解耦控制框图3 2 图4 1 转矩偏差控制原理图3 8 图4 2 双馈风力发电机矢量控制原理框图3 8 图4 3 风速曲线3 9 图4 4 发电机实际转速曲线3 9 图4 5 不含转矩偏差补偿的发电机输出有功功率曲线4 0 图4 6 含转矩偏差补偿的发电机输出有功功率曲线4 0 图4 7 桨距角模糊控制器结构图4 2 图4 8 转子电压辅助控制原理图4 5 i l i 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 图4 9 交流励磁变速恒频发电机有功功率平滑控制框图。4 5 图4 1 0 风速变化曲线4 6 图4 1 1 桨距角1 3 ( o ) 。4 6 图4 1 2 发电机输出有功功率参考值4 6 图4 1 3 两种控制策略下发电机输出有功功率曲线4 6 i v ， 硕十学位论文 附表索引 表i 1 模糊控制规则4 2 v 硕士学位论文 1 1 风力发电的现状 第1 章绪论 能源是人类生存和发展所要解决的紧迫问题。随着全球矿物能源的日益枯竭和温室 效应的日趋加重，世界各国都在大力开发和利用各种新能源【l j 。现代新能源和可再生 能源的发展问题摆在了世界各国的面前，各国政府必须解决能源的持续发展问题，以 保证经济和社会的可持续发展，实现全球可持续发展的战略。这样的背景，为新能源 技术的发展与推广提供了一个良好的环境，而风能的利用尤为广泛。世界上很多国家， 特别是发达国家，已经充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要 性，对风电的开发给予了高度的重视。据专家们估计，地球上所接收到的太阳辐射能 大约有2 转换成风能，总装机容量可达1 0 t w ，每年可发出电力1 3 p w h ，且风力 发电与火电、核电、水电等其他发电方式相比有诸多优点【2 1 ，终将成为大规模开发的 一种可再生清洁能源。 1 1 1 国外风力发电现状 自1 9 世纪末，丹麦建成全球第一个用于发电的风车以来，世界风电装机容量迅猛 增长。近2 0 年来，发达国家在开发利用风能方面已取得了巨大的成就，1 9 8 1 年总装 机容量为1 5 m w ，1 9 9 7 年已有7 4 7 5 m w ，到2 0 0 2 年底，全球风电机组的装机容量已 达3 2 0 0 0 m w ，2 0 0 5 年全球风力发电机容量累计5 8 9 8 2 m w ，2 0 1 0 年全球风电装机 容量达到1 2 0 0 0 0 m w ，世界风电行业已经进入迅猛发展时期【3 1 。欧洲2 0 0 5 年底装机容 量超过4 0 5 0 0 m w ，占全球总量的6 9 1 ，在欧洲，德国、丹麦和西班牙的风电也在 持续发展，后者在2 0 0 5 年的新增装机容量达1 7 6 4 m w ，总装机容量达到1 0 0 2 7 m w ， 仅次于德国，丹麦风电在国家总发电里占有比例最高。美国政府也大力发展风电市场， 仅2 0 0 5 年一年的新增容量就高达2 4 2 4 m w ，2 0 0 5 年年底其总装机容量为9 1 4 9 m w ， 成为世界第三。 在风电市场大力发展的强劲势头的带动下，亚洲的风力发电事业也突飞猛进，尤其 是2 0 0 5 年其风电发展最为迅速，增长率一度高达4 8 。在亚洲，中国、印度的风电 技术及装机容量与风电设备生产方面已处于绝对领先的地位。在2 0 0 5 年，印度的风电 产业就已经超过了丹麦，居世界第四位1 4 。 1 1 2 我国风力发电现状 我国风能资源丰富，理论蕴藏量为3 2 2 6 g w ，可开发的风电装机容量为2 5 3 0 g w 。 我国1 0 米高度可开发利用的风能储量约为1 0 0 g w 。其中陆上储量为2 5g w ，海上为 7 5 g w 。我国自1 9 8 6 年建成第一个风电场至今，几十年来，一直在扩大风电场装机容 量，到2 0 0 6 年，装机容量2 6 0 万千瓦，风电场增加到1 2 0 多个，涉及1 6 个省( 市、自 治区) ，与2 0 0 5 年相比，2 0 0 6 年累计装机增长率为1 0 5 t 5 1 ，在世界范围内，属于风 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 电快速发展的重要市场。 中国目前是全球最大的风电市场，也是全球最大的风力发电机组生产基地。在全 球风能展望2 0 1 0 ) 的所有预测情形中，中国都是风能产业增长最快的单一国家，该报告 预计，中国国内的风电装机容量在2 0 2 0 年将达到现在的十倍。同时，风力发电的快速 发展，降低了对传统能源的消耗，减少了二氧化碳的排放，对世界环保事业做出了巨 大的贡献 6 - 7 1 。 与世界其他一些国家相比，我国的风力发电兴起较晚，与风电强国在风电机组的 制造技术和风电场的管理运行经验上存在较大的差距。我国近几年风力发电总装机容 量以每年2 0 以上的速度递增，虽然发展很快，但是风电仍仅占全国电力总装机的0 1 l ，目前还是处于起步阶段。所以我国的风力发电目前但我国已将风电机组列为重点 攻关的项目，经过数十年的发展，已将能够制造兆瓦级的风电机组，同时也形成了非 常完备的风电产业体系，而且国家在政策上大力扶持风电产业，我们相信，在不久的 将来，中国定会成为风电大国。 1 2 风力发电技术简述 风力发电机组主要分为两部分：风力机、发电机。其中，风力机的主要控制方式 有定桨距失速调节和变桨距调节，对发电机的主要控制方式有恒速恒频和变速恒频 1 8 4 0 1 。在当今风力发电技术中，风力机的变桨调节结合发电机的变速恒频已是风力发 电的主流技术，具有很好的发展前景。 1 2 1 风力机的变浆距调节 调节风轮机的桨距角，以改变风轮机叶片的受力，限制风速不断增大时风力机输 出功率的增长，使功率保持在限定值以内【1 1 】。通常情况下，在额定风速以下时，将桨 距角调整在零度附近，此时风力机等效于定桨距调节；在额定风速以上时，变桨装置 启动，随着风速的增大，调节桨距角，将风力机输出功率控制在额定值附近。风力机 正常工作时，输出功率和风速的立方成正比，因此，即使是i i d , 的风速变化也会引起 较大的风能波动【1 2 1 ，所以通常情况下对风力机采用功率控制。由于桨距角可变，因此 变桨距使风力机在停车时受到的应力相对缓和，且根据风速的变化可以保持一个良好 的桨距角，获得更好的能量输出。此外，当风速增大到一定值时，由于受到机械及电 气条件的限制，失速型风力机必须停机，但是变距型风力机，通过调节桨距角，减少 风能的捕获，以避免停机，增加了风力机的发电量。与失速调节型风力机相比，可以 在更广泛的地区安装。 1 2 2 变速恒频风力发电技术 变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，其结构如图1 1 所示。双馈型 发电机结构类似于绕线式异步发电机，相当于在其转子绕组上增加滑环和电刷，转子 的转速与转子励磁电流的频率有关，这一点与同步电机或异步电机都有区别。 2 硕士学位论文 交流励磁双馈电机这种特有的励磁方式，通过控制励磁电流的幅值、相位、频率 来实现发电机输出有功、无功功率的独立控制，同时根据电网的需要，对其进行无功 补偿。 图1 1 风力发电系统结构框图 变速恒频风力发电引入了电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术， 该技术是近三十年来发展起来的一种新型的发电方式。随着风速的变化，调节发电机 转速以改变风力机风轮转速，保持一个基本恒定的最佳叶尖速比，从而获得最大的风 能利用系数。 ” 虽然风力发电不断引入了新技术，但是，风能难以预测的特点使得接入大容量风 电的电力系统的运行调度变得更加复杂，风速的变化带来的有功功率的波动，对电网 安全运行带来的影响仍无法消除，因此，如何抑制功率的波动，使风力发电更加稳定 安全的融入电网，是将来风力发电能否健康快速发展的关键。 1 3 双馈风电机组的功率控制 随着风力发电机装机容量的不断增大，风电对电力系统正常运行的影响也日益突 出。风电场的有功功率输出随着风速的变化而波动，与火电、水电等常规发电厂的功 率输出相比，可控性较差，电能质量降低，同时给电力系统带来调度上的困难，也限 制了风电自身的发展。伴随着风电及其控制技术的快速发展，电网对风力发电的要求 也在不断提高，风电场功率输出控制也渐渐受到人们的重视。因此，人们对风电接入 对电力系统的影响及风电机组的优化控制进行了大量研究，并取得了很大进展。 双馈风力发电机的定子和转子都与电网相连，转子励磁电流的幅值、频率和相位 均可调。通过控制发电机的电磁转矩来调整发电机的转速；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，从而改变发电机的功率角。 因此，通过调节励磁电流，可以调节发电机输出的有功功率，无功功率。目前，双馈 发电机组的功率控制主要是通过控制风力机的桨距角与发电机的转速，实现有功功率 的控制；通过控制发电机转子绕组励磁电流的无功分量实现无功功率的控制。通过对 双馈发电机组有功、无功的解耦控制，既可以实现最大效率的利用风能，又能对系统 进行无功补偿，调高风力发电的电能质量，减小风电并网对整个电力系统造成的不利 3 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 影响。 近些年来，双馈机组有功功率的控制主要集中在最大风能的追踪和输出额定功率的 研究上。双馈风力发电机组有功功率的控制在主要通过控制发电机转速和桨距角来控制 其输出的功率，利用对发电机有功功率的控制实现风电机组最大风能的追踪，以及有功 功率平滑控制。 为了充分利用风能同时又尽力减小风力发电的波动性和随机性对电网产生的不利 影响，使发电机输出的有功功率更加平滑，本文在传统的风力发电机有功功率控制策略 的基础上做了深入的研究并提出了新的控制策略，使输出功率最大化与功率平滑有机的 结合起来，从而达到控制目标。 1 4 未来风电技术的发展前景n 钔 科技的发展带动了风力发电技术的变革，形成了其发展的新趋势：更大限度地利 用风力资源，推进风力发电事业。因此，风电技术未来发展趋势包括以下几个方面： 风电场选址由已传统的强风地带向一些弱风地带转移；大容量风电机组和小容量风电 机组并列发展，且向并网大型化和离网分散化方向发展；大型风力发电机的设计向优 良的发电质量及更高的材料利用率、低噪音、低成本、高效率的方向发展；取消风力 发电系统增速机构、进行双馈电机无刷化、大型化、增大单机容量是今后风力发电系 统主要方向。 1 5 主要研究内容和章节安排 本文研究内容安排如下： ( 1 ) 介绍了风力发电的背景，以及国内外风力发电的现状，概述了风力发电技术及风力 发电机组的功率控制，最后展望了风力发电技术的发展前景。 ( 2 ) 介绍了风力发电机组的构成，交流励磁电机的原理及优点，分析了双馈电机做变速 恒频运行的原理，简述了风力发电机组控制技术以及交流励磁变换器的工作原理。 ( 3 ) 介绍了双馈电机三相a b c 坐标系下的数学模型，并推导出其在两相同步旋转坐标 系下的数学模型，根据矢量变换原理，构建双馈风力发电机控制系统，建立风力发电 系统并网控制策略以实现“柔性并网”，并且介绍了对双馈电机进行有功、无功功率的 解耦控制策略。 ( 4 ) 简述了发电机输出有功功率的波动对电网安全运行的危害性，基于有功、无功功率 解耦控制策略的基础上提出了，新型的有功功率控制策略：额定风速下采用基于转矩 偏差的有功功率平滑控制策；全风速范围内采用变桨与变速协调控制的有功功率的平 滑控制策略，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中搭建仿真模型，并给出各种情况下的仿 真分析结果以证明理论研究的正确性。理论分析及系统模型仿真，对所提出的风力发 电有功功率控制策略以及风力发电系统运行时存在的问题，可以及时观测、调整，对 实际的风电机组运行进行工况分析、调试具有很重要的指导意义。 4 硕士学位论文 第2 章风力电电机组结构及变速恒频控制的基本原理 2 1 风电机组的组成结构 风力发电机组主要由风轮、机舱( 及其内部装有低速轴、增速齿轮箱、高速轴及机 械闸、发电机) 、控制器、偏航装置、变桨装置、冷却装置、液压装置、风速计及风向 标、塔架等部件所组成【1 4 1 。机舱内安装着风力发电机的重要设备如增速齿轮箱、双馈 异步发电机等。风轮一般安装3 个气动叶片，用于捕获风能。由风能带动叶片旋转时， 其转动速度较低，无法达到发电机的发电要求，一般情况下，风轮转速经过增速齿轮 箱的增速后，传到双馈电机，双馈电机再将风能转化为电能。当风电机组运行时，遇 到紧急情况或是维修时，需要启动机械闸使风轮停止转动。风力发电机组的核心是其 控制系统，其主要功能是对机组的运行进行监控。当风场的风向发生变化时，通过偏 航装置进行准确对风，而当风速过大或增长过快时，启动变桨装置调节桨距角，控制 捕获的风能。一般情况下，变桨机构采用两种装置：液压装置、电动装置。当风力发 电机组连续长时间运行时，会使增速齿轮箱和发电机温度升高，此时需要冷却装置进 行降温。下面分别对各子系统进行描述。 2 1 1 变桨距控制系统 风力机的桨距调节分为定桨距和变桨距调节，前者桨距角是固定不变，后者能调 整桨距角，当风电机组运行在高风速时控制风力机输出功率在限定值附近。所以变桨 距调节在大型风电机组中很普及。如前所述，变桨距系统一般分为：液压变桨距系统 与电动变桨距系统。液压变桨距传动力矩大，定位精确，动态响应速度快【l5 1 ，图2 1 就是液压变桨机构控制系统的结构图，变桨距控制器是一个非线性比例控制器。变距 系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经d a 转换后变成电压信号控制 比例阀，驱动变桨机构，使桨距角变化。活塞的位移反馈信号有位移传感器测量，经 转换后输入比较器。其变桨精度主要取决于电液比例阀的精度。电动变桨机构主要是 利用伺服电机对桨叶进行控制，电动变桨机构相比液压变桨机构结构简单，其构成的 框图i l6 j 如图2 2 。 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 变桨又可分为两种：统一变桨、独立变桨。与统一变桨相比，独立变桨具有更强 的刹车制动能力，当风速骤增时，以避免过载对风力机的破坏。 轮毂 o o 风速风向仪 i笛抓抽古杰抄踞壮詈 一。弟了i 础业，义呆亚巳玻置 j f 主控制器 一第扑独立变桨距装置i 瑚场总线 一 第1 个独立 千千变 输入 控制 变桨距装置 ，压 输出器 i 功率ii 电机f 器 i 调节ll 转速l 蓄 、阚桨叶【( 电 驱动器 机【 电缆 池 叫电机 传感器 图2 2 电动变桨距构成框图 2 1 2 偏航控制系统 偏航控制伺服系统主要实现如下功能：跟踪变化的风向，并使风轮对准稳定的风向； 当发电机组进行偏航控制，引起机舱内的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统 是一种随动系统旧，一般由风向标、计数器或编码器、偏航电机、偏航减速器、回转 体大齿轮等组成，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，经过一段时间的确认后，控制 系统会控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。偏航控制系统框图如图2 3 所示。装在风轮前部的风向标，感应风向的变化，并将风向的变化以电信号的形式传 经控制回路传递到控制器内，经过与反馈信号比较后，由控制器给偏航电机发送指令信 号，使偏航电机顺时针或逆时针旋转。电机转速经过减速器减速后，带动风轮偏航对 风，对风动作完成之后，风向信号与风轮轴方向信号的差值为零，此时，风向标停止 发送电信号，电机停止转动，偏航过程结束。另外，偏航控制系统会自动解除在偏航 过程中引起电的缆缠绕。 风向信号 图2 3 偏航控制系统框图 6 硕士学位论文 2 1 3 变换器控制系统 变换器控制系统主要控制发电机的起动、并网，正常运行的励磁控制，其中核心 是变换器的励磁控制，励磁控制的主要目标是并网时执行并网控制操作，并网成功后 额定风速以下实现最大功率跟踪控制，额定风速以上进行恒功率控制。 1 交流励磁变换器的特点 双馈发电机与同步发电机的转子结构完全不相同，由于绕组的分布不同，二者的 励磁原理及其控制方式也有很大的区别，对于同步发电机而言，其励磁绕组中输入直 流电流，这就需要三相全控桥来控制其功率的输出，控制系统根据控制指令控制整流 桥中开关管的通断来调整整流器的直流输出。而双馈发电机励磁系统，转子绕组中流 入三相交流电流，这个过程则需要变换器来完成，系统根据控制指令，通过调节变换 器来实现对转子励磁电流频率、幅值、和相位的控制。在实际运行中，双馈发电机的 励磁控制原理及结构要远比同步电机励磁系统复杂的多【l 引。 根据变速恒频风力发电机组在不同区域的运行，可将其运行控制策略确定为： 低于额定风速时，追踪最佳功率曲线，实现最大风能捕获控制，使风力发电机定子输 出最大能量；高于额定风速时，实现恒功率控制，保持输出有功功率的稳定。 2 交流励磁变换器的工作原理 双馈风力发电发电机系统中采用交一直一交双p w m 型变换器。双p 删型变换器的两 个变换器的运行状态可控，可以在整流、逆变状态间切换，能够实现能量的双向流动。 两个变流器工作在整流还是逆变状态是由双馈发电机的运行区域决定的。当发电机亚 同步运行时，转子需要从直流母线的电容吸收能量，转子侧变流器工作在逆变状态， 直流电容由于放电，会导致其电压下降，为了保持直流母线电压稳定，网侧变换器工 作在整流状态，功率从电网经变频器输入转子绕组；当发电机超同步运行时，转子侧 变换器工作在整流状态，网侧变换器工作在逆变状态，转差功率从经变换器返回电网， 能量进行双向流动，实现定、转子双馈发电【1 9 1 。其主电路如图2 4 所示。 n 图2 4 双p w 型变换器主电路拓扑结构 图中e 。、e 。、e 。为三相电网电压，e 加、e 孙e 赴为转子三相反电势，l ，r 分别为交 7 双馈风力发电机变桨与变速协调控制 流进线电抗或降压变压器的等效电感和电阻，厶。，心分别为转子绕组相漏感和电阻。 该双p w m 变换器由两个结构完全对称的三相电压源型p w m 半桥变换器，经直流环 节连接而成，直流环节的滤波电容c 具有稳定直流母线电压的功能，机侧变换器与电 网相连，将三相交流励磁电流送入发电机转子励磁绕组中，实现变速恒频，通过矢量 控制技术，进行最大风能捕获和定子有功、无功功率的调节。而网侧变换器主要实现 直流母线电压的稳定控制，同时也可以对网侧的功率因数进行调节。 2 2 变速恒频风电机组控制技术 2 2 1 双馈感应风力发电机变速恒频运行的基本原理 近年来，随着新技术的发展，出现了双馈形式交流励磁发电机。这种发电机由于 转子采用交流电压励磁，既可以作为电动机也可以作为发电机，其可以运行于不同速 度，也就是说，可以在较宽的转速范围内进行变速发电或调速拖动，具有灵活的运行 方式，由于双馈发电机可以实现有功、无功功率的独立调节【2 0 】【2 1 1 ，所以可以对电网功 率因数进行调节，从而提高电网稳定性。由于其转速可调，可以拖动风力机运行在最 佳工况，获得更多的能量，使机组效率提高，具有传统同步发电机无法比拟的优越性， 其原理如图2 7 所示。 双馈发电机定子具有分布式交流绕组；转子采用三相分布式对称交流绕组，其绕 组上加有电刷和滑环，这样就可以实现转子侧就可以既馈入电能也可以馈出电能。正 常工作时，双馈发电机定子绕组接入工频电网，转子绕组由幅值、频率、相位均可调 的三相交流电源供电。下面详细阐述实现转子侧频率、幅值、相序控制的基本原理。 图2 5 交流励磁电机变速恒频运行原理图 f l 为定子绕组电流频率，龟为转子励磁电流的频率，p 为电机的极对数，1 1 为发电机转子转 速。即满足如下关系式： f ：里+ ( 2 1 ) 1 6 0 一 发电机的转速随着风速的变化而变化，当发电机运行在亚同步状态时式中符号取“+ 一 号，当发电机运行在超同步状态时式中符号取“一一。利用变频器相应调节输入转子的 励磁电流频率以改变转子磁场的旋转速度，就可以在定子绕组上感应出与电网电压同频 的工频电压，整个发电系统就可以实现变速恒频运行。 8 硕士学位论文 交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节励磁频率；二是可调节励磁电流幅值； 三是可改变相位。调节励磁电流幅值与相位，分别可以调节发电机的输出无功功率与 有功功率。应用矢量控制可以实现有功、无功功率的独立调节【2 2 1 ，且变频控制的容量 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。 交流励磁发电机的优点，在于它采用的是可变的交流励磁电流。电机的数学模型 为一组多变量、时变系数的微分方程组。要对双馈发电机进行控制，必须分析其数学 模型，采用适当的控制策略，本文论述的就是一种基于定子磁链定向的矢量控制的控 制策略，仿真结果表明，采用这种控制策略，可以很好地实现对交流