（控制理论与控制工程专业论文）基于双馈感应电机的风力发电系统研究.pdf

捅要 能源危机与环境污染促使人们重视风力发电技术。本文以变速恒频风力发电系 统中双馈感应发电机的运行控制与空载并网控制为主题，进行了理论分析和仿真研 究。与多数文献中基于磁场定向不同，本文基于直接转矩控s j i ( d t c ) 对d f i g 进行控 制，再配以对风轮机的桨距角调节，实现从低风速到高风速的风力发电整体平稳运 行；受d t c 思想启发，尝试对d f i g 提出了一种直接电动势控制( d e c ) 策略以实现 对d f i g 的空载并网控制。仿真实验结果表明所提出的运行控制策略与并网控制策 略是有效的，对工程应用有一定参考价值。 本文完成的主要工作： ( 1 ) 介绍了当前几种变速恒频风力发电系统并给出了风速、风力机和双馈电机 传动系统的数学模型。在不同坐标系下建立了双馈感应电机的动态数学模型，并对 双馈电机超同步和亚同步运行时( 电动状态和发电状态下) 的能量流动关系分别做 了叙述。 ( 2 ) 通过m a t l a b s i m u l i n k 建立了风力机和传动系统的仿真平台，给出了变速 恒频双馈发电系统总体控制架构，介绍了当前双馈变速恒频风力发电系统主要采用 的控制方法，其中包括矢量控制、直接转矩控制和直接功率控制，并对他们的具体 控制策略进行了阐述。 ( 3 ) 借助于风速、风力机和双馈电机传动系统的数学模型，将三者进行联合调 试建立了完整的双馈风力发电控制系统的仿真平台。基于已有的理论知识，尝试给 出了一种基于直接转矩控制( d t c ) 理论的整体控制策略，并借助m a t l a b s i m u l i n k 所建立的仿真平台对该整体控制策略进行了从低风速到高风速的仿真研究，仿真结 果表明了该策略的可行性。 ( 4 ) 随着风力发电机组单机容量的增大，风力发电系统在并网时会对电网比较 大的冲击，因此采用合理的并网技术是一个不容忽视的问题。受直接转矩控制( d t c ) 思想的启发，尝试提出了一种直接电动势控制( d e c ) 策略。仿真结果表明该控制 策略并网时对电网的冲击小，是一种可行的实现方案。 关键词：变速恒频风力发电系统；双馈感应电机；直接转矩控制；直接 电动势控制；空载并网 a b s t r a c t t h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nm a k e sp e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et ot h ew i n d p o w e rt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , v a r i a b l es p e e da n dc o n s t a n tf r e q u e n c yw i n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m ( v s c f - w p g s ) o fd 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 ) o p e r a t i o n a lc o n t r o la n dn o l o a d g r i d - c o n n e c t i o nc o n t r o la st h et h e m e ，t h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d i e s d i f f e r e n tw i t h m o s tl i t e r a t u r eb a s e do nt h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) ，t h i sp a p e rc o n t r o ld f i gb a s e do nt h e d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，t o g e t h e r 丽t l lt h ew i n dt u r b i n e so nt h ep i t c ha n g l ea d j u s t m e n t , r e a l i z e f r o mt h el o w 、加n ds p e e dt ot h eh i 曲w i n ds p e e do fw i n dp o w e rt ot h ew h o l er t m n i n gs m o o t h l y e n l i g h t e n e db yd t c ，d f i ga t t e m p t st op u tf o r w a r dak i n do fd i r e c te l e c t r o m o t i v e - f o r c ec o n t r o l ( d e c ) s t r a t e g yt or e a l i z et h ec o n t r o lo fd f i gn o l o a dg r i d - c o n n e c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e do p e r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dg r i dc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v ef o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , h a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e t h ep a p e rm a i n l yc o m p l e t ew o r k ： ( 1 ) i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts e v e r a lv s c f - w p g sa n dg i v e st h ew i n ds p e e d ，w i n dt u r b i n e sa n d d f i gd r i v es y s t e mo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l e s t a b l i s h e dt h ed f i gd y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e li nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e ss y s t e m ，s u p e r - s y n c h r o n ya n ds u b s y n c h r o n yo p e r a t i o ni nd f i g ( e l e c t r i cp o w e rs t a t ea n dp o w e rs t a t e ) a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee n e r g yf l o ww e r e d e s c r i b e d ( 2 ) e s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o np l a t f o r m o ft h ew i n dt u r b i n e sa n dd r i v es y s t e m b y m a t l a b s i m u l i n k ，g i v e st h eo v e r a l lc o n t r o lf r a m e w o r ka n di t sm a i n l yc o n t r o lm e t h o d so ft h e d o u b l y - f e dv s c fg e n e r a t i o ns y s t e m , i n c l u d i n gt h ev e c t o rc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o la n dd i r e c t p o w e rc o n t r o l ，t h ed e t a i l so ft h e i rs p e c i f i cc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed e s c r i b l e d ( 3 ) b a s e do nt h ew i n d ，谢n dt u r b i n ea n dd f i gd r i v es y s t e m , j o i n td e b u g g i n gt h et h r e em o d e l s e s t a b l i s h e dad o u b l y - f e dw i n dp o w e rc o n t r o ls y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt h et h e o r e t i c a l k n o w l e d g e ，t r yt og i v ea na p p r o a c hb a s e do nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) o ft h eo v e r a l lc o n t r o l s t r a t e g yt h e o r y u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ed o u b l y - f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mf r o ml o ww i n ds p e e dt oh i g hw i n ds p e e do p e r a t i o np r o c e s sw a ss t u d i e d ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds t r a t e g y ( 4 ) w i t ht h ew i n dg e n e r a t o rc a p a c i t yi n c r e a s i n g ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i l lb e r e l a t i v e l yl a r g ei m p a c to np o w e r 面d s ，s oa d o p t i n gr a t i o n a lg r i dt e c h n o l o g yi sap r o b l e mt h a tn o t s a l l o wt oi g n o r e b yd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t h o u g h ti n s p i r a t i o n , t r i e dt op u tf o r w a r dak i n do f d i r e c te l e c t r o m o t i v e - f o r c ec o n t r o l ( d e c ) s t r a t e g y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o l s t r a t e g yf o r t h ei m p a c to fp o w e rg r i d ，i saf e a s i b l es c h e m e k e yw o r d s ：v s c f - w p g s ；d f i g ；d t c ；d e c ；n o - l o a dg r i d - c o n n e c t i o n r s 足 u ，i ，沙 s ， 刀p t 0 。 jl 。f s l u 诚釉嗵知吨知c q 术语、符号及缩略语 定子相绕组电阻 转子相绕组电阻 电压、电流与磁链向量 区分定、转子向量的下标 电机的极对数 电磁转矩 电机转子机械角位移 电机的转动惯量与旋转阻力系数 两相坐标系下定、转子间的互感 定、转子电压的由轴分量 岛，岛，如，岛 定、转子电流的由轴分量 q q 电网电角速度 转子电角速度 q ，= c o , 一q 转差电角速度 定、转子绕组的铜耗 定、转子磁场变化所吸收的功率 定转子电源输入的电磁功率 双馈电机输出的机械功率 基本风速 阵风 渐变风 随机噪声风 风轮吸收能量 空气密度 风轮扫过的面积 昂 弓p 么 b 五 q 3 t 哆 ， j t r 4 五 j g m 厂 j g 互 7 j t = 3 t 七矿3t 矗= t 七矿 g 瓦= r r , d t c f o c d p c v s c f w p g s d f i g p m s m 风能功率因数 桨距角 叶尖速比 风轮旋转的角速度 风轮侧的集中转动惯量 风轮轴转速 风轮侧摩察系数 风对风轮的驱动转矩 低速轴制动转矩 发电机侧的集中转动惯量 发电机轴转速 发电机侧摩察系数 发电机的电磁转矩； 齿轮箱的齿轮比 转化到风轮轴侧的总转动惯量； 转化到风轮轴侧的总摩察系数； 转化到风轮轴侧的电磁转矩； 直接转矩控制 磁场定向控制 直接功率控制 变速恒频 风力发电系统 双馈感应电机 永磁同步电机 学术论文独创性声明、学术论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：名铷佩 日期争叮年歹月7 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密叫 ( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名 导师签名： ( 本声明的版 日期：歹年石月夕日 日期：7 年月7 日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 7 第一章引言 1 1 风力发电技术发展与现状 第一章引言 现代风力发电技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、增加强度和降低 成本等方面。风能是一种具有随机性、爆发性和不稳定性的能源，如何最大限度的 利用风能、提高风力发电机组与系统间运行的稳定性是风力发电中急需解决的重要 问题。随着现代电力电子技术及p w m 控制的交直交变频器和现代控制理论应用到风 电领域，使风电机组的变速恒频高效运行成为现实，风力发电技术得到了迅猛的发 展，控制方式也得到了不断的改进和完善，就其发展趋势而言主要表现由小容量向 大容量发展，单一的定桨距失速控制向着变桨距调节技术发展，恒速恒频向着变速 恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术， 高性能、高效率的风力发电机组正逐渐成为主流机型。 1 1 1 风力发电机组的大型化 随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机单机容量由过去的千瓦级 向兆瓦级甚至更大容量发展。2 0 0 2 年前后，上市的风力发电机组已达到1 5 兆瓦。目 前，国际上主流的风力发电机组已达n 2 3 m w ，其中1 0 m w 以上的兆瓦级风机占到 新增装机容量的7 4 9 。有报道，欧洲已在安装3 6 兆瓦机组，而美国和英国也正在 研制巨型风力发电机组。 1 1 2 变速恒频风力发电技术 风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分，风力发电系统按照发电机运 行的方式来划分，主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。其中变 速恒频风力发电技术因其具有低噪音、低损耗，且可以使风力机在很大风速范围内 按最佳效率运行，这一重要优点越来越引起人们的重视，是风力发电技术发展的方 向【l 】。当前变速恒频风力发电多采用d f i g ( 双馈型异步感应发电机) 和p m s m ( 永 磁同步电机) 的风力发电机组，其详细的控制方法见第二章2 1 节。 随着风力发电技术以及电力电子技术的进步，变速恒频风力发电技术能最大限 度捕获风能和提高发电效率，大多风力发电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技 术，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因此变速恒频风力发电机组已成为大型风 力发电机组的主流机型。 青岛人学硕十学位论文 1 1 3 全功率变流技术兴起 近年来，欧洲e n e r c o n 、w i n w i n d 等公司都发展和应用了全功率变流的并 网技术，使风轮和发电机的调速范围可从0 到1 5 0 的额定转速，提高了风能的利 用范围，改善了向电网供电的电能质量。e n e r c o n 公司还将原来对每个风电机组 功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因 素校正和谐波补偿。全功率变流技术成为今后大型风电场建设的一种新模式。 1 1 4 直驱式风力发电机技术应用 在现代风力发电机组中，由于风速的不稳定性，风力机一般都低速旋转，而发 电机则属于高速旋转机械，因此两者之间往往通过增速齿轮箱连接，以便达到发电 机旋转所要求的转速。 随着风力发电机单机容量的不断增大，在目前大容量风力发电机组中，由于齿 轮箱一直处于高速旋转状态，因此齿轮箱是过载和过早损坏率较高的部件，特别是 近几年来，多级同步发电机的直驱式( 无齿轮箱) 风力发电机组越来越引起人们的 关注。这种机组主要采用低速永磁同步发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，省 去了增速齿轮箱，降低了风力发电机组的噪音和运行维护成本，具有性能好、效率 高、无需励磁和体积小等优点，并且这种发电系统拓扑结构相对简单，控制方法较 容易，由此可以预知，省去齿轮箱的直驱式风力发电系统在今后风力机发展中有很 大的发展空间，必将成为风力发电的研究热点。 1 1 5 新控制理论的应用 随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定 桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化 时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最 大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行 反馈控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风 力发电系统中，风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入和切出、输 入功率的限制、运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。传统的控制方法 会产生较大误差。同时，风力资源丰富的地区通常都是偏远地区甚至海上，分散布 置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的 控制系统的可靠性提出了更高的要求。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。 一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络 2 第一章引言 智能控制、鲁棒控制等，预计在最近的几年内将推出智能型风力发电机组。 除此之外，叶片、齿轮箱、发电机等关键部件不断在可靠性、大型化等方面取 得进步。基于空气动力学及商用软件的设计优化使叶片叶型趋于成熟；新材料新结 构的桨叶也不时出现，如美国国家风能技术中心正在研制的自适应变桨距风力机， 在低于额定风速下桨叶能保持最优捕获风能状态；当风速高于额定风速时，桨叶在 风力的作用下，根据风速的大小做出相应的变形，从而自动改变桨叶的节距角。 近些年来，发达国家在风力发电技术领域已取得巨大的成就。并网运行的风力 发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已发展到兆瓦级；控制方式从基本的定桨距 失速控制向变桨距和变速恒频发展；运行可靠性从2 0 世纪8 0 年代的5 0 提高到 9 8 以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。 从今后的发展趋势来看，风电场将从内陆移到海上，其发展空间将更加广阔。 1 2 课题背景、意义及研究内容 1 2 1 课题背景 能源是人类生存的基本要素，对国民经济的发展起着至关重要的作用。随着化 石能源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，开发化石能源的替代能源成 为许多国家能源战略的重要内容，在这种背景下，世界各国都致力于发展新能源， 风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式 之一，且风力发电有着不消耗能源、环保、低运行成本等优势，世界上很多国家， 尤其是发达国家，已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重视。近8 年来，全世界风电装机容量年平均增长率 超过3 0 ，成为发展最快的能源之一，因此风力发电具有广阔的发展前景。 正因为如此，自2 0 世纪8 0 年代以来，风力发电技术得到了迅猛发展，风电机 组的容量越来越大，随着风力发电机组容量的不断增大，变桨距调速方式和变速恒 频技术，因其在额定风速下能提高捕获风能效率，获得最佳能量输出，且采用变流 器的容量小，技术相对成熟，所以变速恒频变桨距型风力发电机组被各风电机组生 产厂商选为兆瓦级风电机组的主流机型。基于变速运行、变桨距调节的双馈感应发 电机组己成为目前大多数风机制造商开发研究的新技术，而取消增速结构，采用风 力机对发电机的直接驱动方式( 永磁同步发电机) 和双馈感应发电机的无刷化将是未 来风电机组两个值得注惫的发展趋势。 我国风能资源十分丰富，可开发利用的风能储量约l o 亿千瓦，其中陆地上可 开发的装机容量约2 5 3 亿千瓦，海上可开发利用的风能储量更大，约为6 0 亿千 瓦，但目前国内风电发电量仅占国内发电能力的2 以下，与国外平均水平5 - - - - 7 的 1 青岛大学硕上学位论文 风电比率相差明显，同时我国的风力发电起步较晚，无论从风能的相对开发量、总 装机容量还是设备制造、风力发电技术研发等都落后于发达国家，为了促进能源结 构调整、改善生态环境、推进技术进步，我国政府把开发新能源作为国家能源建设 和实施可持续发展战略的重要手段。风能作为新能源的重要组成部分，得到了政府 政策的大力扶持，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一，因此我 国的风电市场发展潜力巨大。近几年来，我国风电产业发展势头良好，多个大型风 电场处于建设或规划阶段。来自全球风能委员会( g w e c ) 的最新统计数据显示，2 0 0 8 年，中国新增风电装机6 3 0 万千瓦，占全球新增装机的2 3 ，总装机达到1 2 2 1 万千 瓦，已占全球总装机的1 0 。按规划2 0 1 0 年到3 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年有望达到1 亿 千瓦，甚至2 亿千瓦。风电不断成熟的技术、不断降低的发电成本以及清洁高效的 优势给风电产业带来广阔的市场前景。 1 2 2 本课题的研究意义 7 0 年代初期，由于“石油危机 ，出现了能源紧张的问题，人们认识到常 规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代 世界的一个重要课题。风力发电是一种安全、环保的可再生发电方式，不会对人 类造成任何的伤害，因此风力发电是发展潜力巨大的能源。 我国风能资源十分丰富，风力发电产业发展前景非常广阔。对风能的利用， 特别是对我国沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远 离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，具有十分重 要的意义。从可持续发展的目的出发，近年来国家对可再生能源的利用，特别是 风能开发利用给予了高度的重视，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛 起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2 0 0 6 年全球风电资金中9 投向了中 国，总额达1 6 2 亿欧元( 约1 6 2 7 亿元人民币) 。2 0 0 7 年，中国风电装机容量已 排名世界第五。中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外 风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴 上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风 机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。 因此，关于风力发电的课题研究是非常有必要的，对我国的能源结构调整将起 到重要的推动作用。特别要指出的是2 0 0 9 年5 月，国家支持新能源振兴规划即将出 台，中国在新能源领域的总投资将超过3 万亿元，根据新能源振兴规划，风电将成 为可再生能源发展的重点区域之一。 4 第一章引言 1 2 3 本课题的研究内容 ( 1 ) 介绍了当前几种变速恒频风力发电系统并给出了风速、风力机和双馈电 机传动系统的数学模型。在不同坐标系下建立了双馈感应电机的动态数学模型，并 对双馈电机超同步和亚同步运行时( 电动状态与和发电状态下) 的能量流动关系分 别做了叙述，在第二章对该问题进行了讨论。 ( 2 ) 借助m a t l a b s i m u l i n k 建立了风力机和传动系统的仿真平台，介绍了当前 双馈变速恒频风力发电系统主要采用的控制方法，主要包括矢量控制、直接转矩控 制和直接功率控制，并对他们的具体控制策略进行了阐述，在第三章对该问题进行 了讨论。 ( 3 ) 借助于风速、风力机和双馈电机传动系统的数学模型，将三者进行联合 调试建立了完整的双馈风力发电控制系统的仿真平台。基于已有的理论知识，尝试 给出了一种基于直接转矩控制( d t c ) 理论的整体控制策略，并借助所建立的仿真 平台对该整体控制策略进行了从低风速到高风速的仿真研究，仿真结果表明了该策 略的可行性，在第四章对该问题进行了讨论。 ( 4 ) 随着风力发电机组单机容量的增大，风电场所在地区往往人口稀少，处于 供电网络的末端，承受冲击的能力比较弱，在并网时会对电网比较大的冲击，采用 合理的并网技术是一个不容忽视的问题。受直接转矩控制( d t c ) 思想的启发，尝 试提出了一种直接电动势控制( d e c ) 策略。通过调节并网前电机定子端电压，使 之与电网电压达到同步，以较小并网时对电网的冲击。并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真 平台对该方案进行了仿真研究，仿真结果表明该控制策略能够有效地控制电机定子 电压与电网电压在幅值、频率及相位上相一致，是一种可行的实现方案，在第五章 对该问题进行。 5 第二章风力发电系统组成与数学建模 第二章风力发电系统组成与数学建模 2 1 系统组成与分类 风力发电系统主要由风力机、发电机、齿轮箱、变频器、调向机构、制动机构 和塔架等组成。其中风力机和发电机是主要的能量转换部件。风力机把风能转换为 机械能，发电机把机械能转换为电能。目前，世界上大中型风力发电机组主要有两 种类型：一类是恒速恒频型，这类风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率， 转子、风轮的转速变化范围小，捕获风能的效率低；另一类就是变速恒频型，风轮 转速婢可以跟随风速y 的变化在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比丸。运行，从 而使风能功率因数c 。在很大的风速变化范围内保持最大值，捕获风能效率最高，发 电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。 相比之下，变速恒频型风力发电机具有不可比拟的优势。 变速恒频风力发电系统根据其中不同类型发电机，如异步感应发电机、双馈感 应发电机、永磁同步发电机等，有多种拓扑结构，以其特点适应于各种不同的场合， 下面以使用的发电机类型，对其中主要三种型式给以简单介绍。 1 异步感应发电机组型 图2 1 异步感应发电机型变速恒频风力发电系统 异步感应电机型变速恒频风力发电系统如图2 1 所示，其变速恒频控制是在定子 电路实现的。风速的变化导致风力机和发电机的转速变化，进而所发出的电的频率 也是变化的。为实现工频送电，须通过与发电机至少同容量的功率变换器( 变频器) 连接电网，而电容组为电机提供所需无功电流。此类系统结构简单，但控制质量不 高，且通过晶闸管控制的软并网装置接入电网，引起较大的并网冲击。 7 青岛大学硕一i ：学位论文 2 双馈感应发电机组型 图2 2 双馈感应发电机型变速恒频风力发电系统 交流励磁双馈变速恒频风力发电系统如图2 2 所示，双馈电机的结构类似于绕 线式感应电机，即定子绕组( 功率绕组) 直接接入电网，转子绕组( 励磁绕组) 则 通过双向变频器与电网连接。变速恒频控制是在转子电路里实现的，由于励磁功率 约占发电功率的3 0 - - - 3 5 ，致使转子侧变流装置小型化，使得系统的成本大大降低。 假定z ，z 分别为电网( 同步) 频率和转子励磁电源频率，刀。，厶分别为d f i g 的 极对数和转子机械转动频率。由电机原理知它们有以下关系 z = 厶z 2 一( 1 ) 从上式可知，当风速变化引起发电机转速变化时，通过调节转子励磁电流频率 z ，可使定子输出电能频率z 恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运 行时，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，： 0 ，转子绕组相序与定子相 同；当发电机超同步运行时， 0 ，说明转子通过变频器从电网吸 收能量；转轴输出的机械功率为= ( 1 - s ) e 0 ，电机处于电动状态，并且 只。 转子中的转差频率电流产生一个和定子磁场方向相反的旋转磁场，转差电流频率为 2q q o 状态2 ：超同步发电运行，s 0 ，如图2 1 0 所示。定子输入功率只 0 ，说明定 子向电网输出能量；转子功率为e = 一皿 0 ，说明转子通过变频器向电网输出能量， 转轴输出的机械功率为= ( 1 一s ) 只 o ，电机处于发电状态。转子中的转差频率电 流产生一个和定子磁场方向相反的旋转磁场，该模式也是适用于双馈风力发电机组 运行。 状态3 ：亚同步电动运行，0 j 0 ，说明 定子从电网吸收能量；转子功率为e = 一啦 o ，电机处于电动状态。转子中的转差频 率电流产生一个和定子磁场方向相同的旋转磁场。 状态4 ：亚同步发电运行，0 s 1 ，如图2 1 2 所示。转子转差功率传递方向是 自变频器流向电机转子，发电机轴上的机械功率都以电磁功率的形式馈回电网，而 电网通过转子侧变频器向电机转子提供转差功率。定子输入功率只 0 ，说明转子通过变频器从电网吸收能量， 转轴输出的机械功率为= ( 1 - s ) p ， 0 ，电机处于发电状态。转子中的转差频率电 流产生一个和定子磁场方向相同的旋转磁场，双馈风力发电机组主要运行在该模式 下。 o 图2 9 超同步电动运行图2 1 0 超同步发电运行 o 图2 u 亚同步电动运行图2 1 2 亚同步发电运行 由以上分析可知双愤电机的能量流动方式与一般的电机不同，它不仅可以在同 步速上下运行，而且依靠对励磁电流的频率、相位、和大小进行调节可以实现变速 运行，同时还可以调节电机的功率因数，进行无功调节。在作为发电机工作时可以 做到变速恒频，在作为电动机运行可以调节无功。 在上节中给出了两相同步旋转( 由) 坐标系下双馈电机数学模型，本节中将对稳 态下定、转子输出的功率进行分析研究7 捌。 定子功率： e = 昙w t = 昙( + 岛) 2 一( 1 8 ) 转子功率： 1 7 青岛大学硕j ：学位论文 总功率： e = 三班= 知如坞)二二 2 一( 1 9 ) p = p r p s = 3 j ( v x ) + 鼍 ：l j = 吾 ( 足+ 丢虮+ q j 虬 r + ( b + 鲁炸+ ，炸) r = 三 ( 足川2 + 碍2 ) + ( 瓦d 虬t + 丢 + ( q i t ，r + q ，沙，r ) = + + 2 一( 2 0 ) 式中：，= ：- 1 为正交矩阵；为定、转子绕组的铜耗；为定、转子磁 场变化所吸收的功率；为定转子电源输入的电磁功率。 由公式( 2 - 2 0 ) 可得 = 足+ 巴 = q ( 厶1 ，t 一。一，t ) ，r l + 纨( 厶r + 厶矽) ，7 = q l ( 岛幻一幻) + q ，k ( 乙一如) 2 一( 2 1 ) 上式也给出了足= 织厶( 岛如一岛0 ) ，己= 纨厶( o 如一岛) = 一厶( 岛如一岛) 又由于= s q ， ；最毋叱= ( 1 1 叱 2 - ( 2 2 ) = 圪+ 弓= 足一叱= ( 一s ) 圪 。 定，转子绕组是按照电动机惯例规定正方向，根据磁场耦合绕组两侧功率平衡 足= 一巴+ 最 2 一( 2 3 ) 式中：昂为双馈电机输出的机械功率；易前面的负