变速恒频风力发电技术研究.doc

吉林电子信息职业技术学院变速恒频风力发电技术研究目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1风力发电研究的背景和意义及现状11.2 风力发电系统组成及原理21.2.1 风力机工作原理21.2.2 风电系统31.3 风力发电技术41.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组41.3.2 变桨距调节型风力发电机组51.3.3 主动失速调节型风力发电机组51.3.4 变速恒频风力发电机组51.4变速恒频风力发电技术61.4.1 恒速恒频风力发电技术61.4.2 变速恒频风力发电技术6第二章 变速恒频风力发电电机及其系统102.1变速恒频风力发电机组的运行原理102.2 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统122.3 永磁发电机变速恒频风力发电系统132.4 交流励磁双馈型变速恒频发电系统132.5无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统142.6磁场调制型变速恒频风力发电系统15第三章 变速恒频双馈电机风力发电控制策略163.1变速恒频双馈电机风力发电控制策略163.2 双馈电机存在的主要问题163.3 双馈电机的控制策略综述173.3.1 双馈电机标量控制173.3.2 双馈电机直接转矩控制183.3.3 双馈电机转子磁场定向控制193.4变速恒频双馈电机风力发电功率控制203.5双馈电机风电场的无功功率控制技术223.6风力发电机组的并网控制技术223.7结论23结论24致谢25参考文献2626第一章 绪论1.1风力发电研究的背景和意义及现状风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从 20 世纪 90 年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。风力发电是解决边远农村供电的重要途径。目前我国正在进行西部大开发。由于西部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，靠大电网去解决那里的用电问题是不够的，必须同时开发像风力发电这样的分散供电系统，才能较好地满足当地人民生产生活对电力的需求。风电的优点包括：(1)利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；(2)运行成本低，风电机组的设计寿命约为 2025 年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的 3%5%；(3)建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。进入 21 世纪，全球可再生能源也在不断发展，而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年 32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达5000 万 MW。由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快，预计 15 年之后欧洲人口的一半将会使用风电。欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。在欧洲，德国的风电发展处于领先地位。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出到 2025 年风电要实现占电力总用量的 25%，到 2050 年实现占总用量的 50%的目标。其中丹麦风能产业年营业额在 30 亿欧元左右，并网发电机组达 312 万千瓦，风能发电量占全国电力总量的 22%，居全球首位；而在该国的西北部地区，这个比例甚至已经达到 100%。我国幅员辽阔，陆疆总长达 2 万多公里，还有 18000 多公里的海岸线，边缘海中有岛屿 5000 多个，风能资源丰富。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于 6 米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区。中国陆地 10 米高度层实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦，考虑到近海风能，总储量应该不止 2.53 亿千瓦。风电项目通常要求年利用小时数高过 2000小时，目前中国已经建成的风电场平均利用小时约 2300 小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。中国风电真正开始有较大规模的发展是从1996 年、1997 年开始的。1.2 风力发电系统组成及原理风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。1.2.1 风力机工作原理(1)风力发电机风力发电机可以分为两种类型，一种是主要靠和风向方向一致的空气动力产生的力矩来驱动；另外一种是主要靠和风向方向垂直的空气动力产生的力矩来驱动。前者的功率系数很小，能量变换效率低下，所以逐渐被淘汰。后者又可包括水平轴的风力机和垂直轴的风力机，垂直轴的风力机主要缺点是转矩脉动大，在遇到强风时不易调速，在 80 年代后期各国己经停止了对这种风车的研制和开发，现在的风力机主要是水平轴螺旋桨推进器型的。水平轴风力机主要风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为 23 个叶片)装在轮毅上所组成，风轮采用定桨距或变桨距两种，以定桨距居多。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速，在风速较大，达到风车的额定功率时，调节桨距可进行失速调节来限制负荷的大小，以限制负荷的大小保护风车。发电装置主要由塔楼和安装在塔顶的引擎舱组成。水平轴的风力机通常根据风力机不同的使用目的使用不同数目的叶片。风力发电主要使用 2 到 3 个桨叶的风力机，20 个或更多桨叶的风力机主要用于水泵等机械装置的驱动。桨叶数目少的风车启动力矩小，叶片端速比大，因此可工作的风速范围较大，主要应用在风力发电中。风车中还包括许多控制装置功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。(2)风力机的功率由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风力机的实际功率应为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能比值。以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为 0.593 左右，这是贝兹极限，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4 就相当高了。考虑到风力机和发电机将风能转化为电能的效率，则计算公式表示为: p2 = c p A v3t g （W） (1-1)式中: t 风力机传动装置机械效率， g 发电机机械效率。为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比 。 =2 Rn R=vv (1-2)式中 n风轮的转速，单位为 r/s； 风轮的角速度，单位为 rad/s；R风轮的半径，单位为 m； v 上游风速，单位为 m/s；通过以上的分析我们知道，风力发电系统包括风车、发电机、电力变换及其控制系统。其中基于空气动力学设计的风车，其技术发展水平己经比较成熟，各种各样的发电机，如感应电机、同步电机、永磁电机可以满足不同情况下的需求。风力机和发电机将风能转化为电能的效率大约为 35%。风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节，即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。(3)风力机的转矩一转速特性风车就是通过其桨叶将风能转化为机械能(风车的转速及其作用于其上的转矩)的装置。风车的功率可表示为: pt = Twt (1-3)其中: Tw 为风力作用在风车上的转矩； t 为风车的角速度。1.2.2 风电系统使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电，供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。1KW 10KW 的风力发电机组主要应用于小型风电系统。该系统适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线阴级保护站等用户。系统原理图包括:风力机、控制器、储能设备及逆变器等。并网型风力发电机组由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制及安全等系统组成。发电机将风轮的机械能转换为电能，并入电网。1.3 风力发电技术风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量转换的两大主要部分，有限的机械强度和电气性能必然使其受到功率和速度的限制，因此，风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键之一。根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点，国内目前装机的电机一般分为二类：（1）异步型笼型异步发电机；功率为 600/125kW、750kW、800kW、1250180kW 定子向电网输送不同功率的 50Hz 交流电；绕线式双馈异步发电机；功率为 1500kW 定子向电网输送 50Hz 交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。（2）同步型永磁同步发电机；功率为 750kW、1200kW、1500kW 由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电。目前风力发电机组按照风电机的调节技术分主要有以下 4 种：定桨距失速调节型风力发电机组；变桨距调节型风力发电机组；主动失速调节型风力发电机组；变速恒频风力发电机组。以下将分别进行讨论。1.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大/小发电机)。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风机叶片比较)，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。1.3.2 变桨距调节型风力发电机组变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到 45o，当转速达到一定时，再调节到 0o直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持为 0o位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用了最优尖速比技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。1.3.3 主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。主动失速调节型的优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳。1.3.4 变速恒频风力发电机组变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以跟踪风速的变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段(AC-DC-AC 或 AC-AC 变频器)来保证与电网同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功宰输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，堤高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功宰的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。1.4变速恒频风力发电技术发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，简称 CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，简称 VSCF)风力发电技术。1.4.1 恒速恒频风力发电技术恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，cp值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%-5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。1.4.2 变速恒频风力发电技术虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。(1)风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，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，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。(2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解藕(简称 P、Q 解藕)控制。控制有功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 (3)采用变速恒频发电技术，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。变速恒频发电技术的诸多优点使其受到了人们的广泛关注，它越来越多地被应用到风力发电中。变速恒频发电风力发电系统有多种形式，有的是通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频。图1.1 磁场调制发电机系统变速恒频风力发电系统主要有以下几种：(1)交-直-交风力发电系统这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器变换成直流电，然后通过逆变器变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机的容量相同。这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。这类系统可以采用同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和永磁发电机。 (2)磁场调制发电机系统这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成，图 1.1示出磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图及各部分的输出电压波形。发电机本身具有较高的旋转频率r，与普通同步电机不同的是，它不用直流励磁，而是用频率为m的低频交流励磁(m即为所要求的输出频率，一般为 50 Hz)，当频率m远低于频率r时，发电机三个相绕组的输出电压波形将图 1.1磁场调制发电机系统是由频率为(m+r)和(m-r)的两个分量组成的调幅波，如图 1.1(b)所示，这个调幅波的包络线的频率是m，包络线所包含的高频波的频率是r。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到如图 1.1(c)所示的基本频率为r的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图 1.1(d)。最后经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为m的恒频正弦波输出，如图 1.1 (e)所示。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网型风力发电系统。与交-直-交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是：由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时作开关换向，因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高；晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，可以得到相当好的正弦输出波形；磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交-直-交系统类似，也是电力电子变换装置处在主电路中实现全功率变换，因而容量较大；发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。(3)交流励磁双馈型异步发电系统该系统采用转子交流励磁的双馈型异步发电机，双馈型异步发电机的定子并到电网上，转子通过一励磁变换器和进线电抗器与电网相连。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足：f1 = pn f m + f 2 (1-4)式中：m为转子机械频率， m=nm/60， m为发电机机械转速；pn 为电机的极对数；n1为电网频率； 2 为转子电流频率。发电机的机械转速和电转速之间的关系为nr =pnnm或r=pnm。当发电机的转速nr小于同步转速n1时，处于亚同步状态，此时励磁变换器向发电机转子提供交流励磁，电机由定子发出电能给电网；当nr n1时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变换器的能量流向逆向；当nr =n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，f2=0，励磁变换器向转子提供直流励磁。由式(1-4)可知，当发电机的转速nm变化时，即pnm变化时，若控制2相应变化，可使1保持恒定不变，实现了变速恒频控制。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一部分，因此图中所示的双向励磁变换器的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。交流励磁双馈型异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变换器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现P、Q解耦控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。双馈型异步发电机对转子侧励磁变换器的主要要求是输入、输出特性好，功率可以双向流动。此系统采用的是双PWM型交-直-交变换器，它由两个PWM型变换器组成：靠近发电机的称为机侧变换器，靠近电网的称为网侧变换器。双PWM型变换器输入输出特性好，能量可以双向流，是双馈型异步发电机较理想的一种励磁变换器。励磁电源除了采用交-直-交变换器外，也可以采用交-交变换器。6脉波、36 管的交-交变换器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。12 脉波、72 管的交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构和控制复杂。矩阵式交-交变换器的输入、输出特性较好，功率可以双向流，主电路结构简单，但控制方法还不成熟，需要依赖更加成熟的双向开关器件。(4)无刷双馈型发电机系统这种系统采用的发电机为无刷双馈型发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。无刷双馈型发电机转子为特殊设计的笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。无刷双馈型发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈型异步发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈型发电机，有：f p f c = ( p p + pc ) f m (1-5) 式中： fp为定子功率绕组电流频率；fc为定子控制绕组电流频率；pp为定子功率绕组的极对数；pc为定子控制绕组的极对数；fm由于其与电网相连，与电网频率相同。超同步时，式(1-6)取“+”；亚同步时，取“-”。由式(1-6)可知，当发电机转速气变化时，即几变化时，若控制关相应变化，可使其保持恒定不变，实现了变速恒频控制。尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈型发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的pc /(pp +pc)小双向变换器的容量也仅为发电机容量的一小部分。无刷双馈型发电机具有与有刷双馈型异步发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。只是目前仍处于实验研究阶段，尚未进入工程实用阶段。如果将风力机和发电机直接祸合，省去变速齿轮箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免变速箱漏油的问题；交流励磁双馈型异步发电机系统和无刷双馈型异步发电机系统的变换器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案例如交-直-交系统适用于小容量的风力发电系统。风力发电系统还可以采用其他电机，变磁阻电机，双速异步电机，但是它们的技术目前还不够成熟，需要进一步的研究开发。第二章 变速恒频风力发电电机及其系统变速恒频发电技术的诸多优点受到了人们的广泛关注，使它越来越多地被应用到大型风力发电机组中。自上世纪 90 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，特别是 MW 级以上的大容量风电系统。2.1变速恒频风力发电机组的运行原理风力机的作用是从空气中获取能量，将风能转化为动能。根据空气动力学的原理，风力机的功率与风速的三次方成正比，风轮叶片从风中获取的能量公式为： 1p1 = c p A v3 （21） C5C p ( , ) = C1 (i C3 C4 )e i + C6 （22） i=10.0353 + 0.08 + 1 （23） = R / v （24）其中为空气密度，单位kg/m3；v为风速，单位m/s ；A为风力机的扫掠面积，单位m2 ； Cp 为风力机的输出功率系数（一般Cp=1/3-2/5，最大不超过16/27=0.59），它是叶尖速比和桨叶节距角的函数；为风力机机械角速度；R为风轮半径。根据桨叶节距角为一定时,风力机CP-曲线可知：对于一台确定的风力机,在桨叶节距角不变时总有一个对应着最佳功率系数CPmax的最佳叶尖速比opt,此时风力机的转换效率最高。换而言之,对于一个特定的风速v,风力机只有运行在一个特定的转速下才会有最高的风能转换效率。恒速恒频的风力机转速保持不变，而风速又经常变化，显然Cp不可能保持在最大值。变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。变桨距风力机的风能利用系数CP与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。对于不同的节距角，风机拥有不同的效率。变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段。第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制，因此对该阶段不作讨论。第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能，从理论上来说，根据风速的变化风轮可以运行在任何转速下，但是由于受到运行转速的限定，不得不将该阶段分成两个区域，即变速运行区域和恒速运行区域。在变速区域时应保持CP恒定为最大值，必须使变速发电机转以便最大限度地获取能量。为了使风轮能在CP最大区运行，速能够被控制以跟踪风速的变化。当风速不断增大时，风力发电机转速会达到其极限值，因此风力发电机组开始运行在在恒速区域下，发电机转速为其额定转速，其CP降低，但发电机输出功率仍旧增加。在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三个运行阶段，该阶段称为功率恒定区。图 2.1 为三个运行区域的CP变化情况图。图 2.1 为三个运行区域的CP值变化情况图变速风力发电机组的桨叶节距角开始是恒定的。当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速， P值不断上升，C风力发电机组开始做发电运行。通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进入CP恒定区（CP=Cpmax）这时机组在最佳状态下运行。在变速运行区，发电机转速总是跟从风速的变化而变化，此时风力机能获得最大的风能。根据方程(21)(23),令=opt，则可得风力机运行在曲线上输出的最大功率的方程为：Popt = AC pmax ( Rw )3 / 2opt = k w3 （25）可以看出，在同一风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪曲线，必须在风速变化时及时调整转速，保持最佳叶尖速比。以Popt为指令调节发电机输出功率，即可实现最大功率俘获的目的。风机转速可以通过风力机桨叶变节距调节,也可以通过控制发电机输出功率调节。采用风力机变节距调速的困难在于风速难检测,调速精度低,变距系统结构复杂,维护困难。为避免这些问题,在很多情况下通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁阻转矩,进而调节发电机的转速。在Cp恒定区，风力发电机组受到给定的功率一转速曲线控制Popt的给定参考值随转速变化，由转速反馈算出Popt，连续控制发电机输出功率，使其跟踪Popt曲线变化。用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。随着风速增大，转速亦增大，最终达到一个允许的最大值，这时，只要功率低于允许的最大功率，转速便保持恒定。在转速恒定区，保持转速恒定，随着风速增大，Cp值减少，但功率仍然增大。达到功率极限后，机组进入功率恒定区，这时随风速的增大，转速必须降低，使尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，从而使风力发电机组在更小的Cp值下作恒功率运行。高于额定风速时，变速风力发电机组的变速能力主要用来提高传动系统的柔性。为了获得良好的动态特性和稳定性，在高于额定风速的条件下采用节距控制得到了更为理想的效果。在变速风力机的开发过程中，对采用单一的转速控制和加入变桨距控制两种方法均作了大量的实验研究。结果表明：在高于额定风速的条件下，加入变桨距调节的风力发电机组，显著提高了传动系统的柔性及输出的稳定性。因为在高于额定风速时，我们追求的是稳定的功率输出。采用变桨距调节，可以限制转速变化的幅度。当桨叶节距角向增大方向变化时，Cp值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。采用转矩与节距双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应的控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。因此风力发电系统的总体控制如图 2.1所示。根据变速风力发电机组在不同区域的运行，我们将基本控制策略确定为：低于额定风速时，通过对变频器进行控制，从而控制发电机的电磁转矩，以改变发电机的转速，从而能在在变速运行区域跟踪Cpmax曲线，风力发电机受到给定的功率-转速曲线控制，获得最大能量。在转速恒定区域，保持发电机转速恒定，功率在到达极限值之前仍一直增大。风力机在高于额定风速时，进入功率恒定区，通过对桨距角和发电机的电磁转矩的控制，跟踪Pmax曲线，并保持输出稳定。变速恒频发电风力发电系统有多种形式：交直交系统，变流励磁发电系统、无刷双馈电机系统、开关磁阻电机系统、磁场调制发电系统、同步异步变速恒频发电系统。这些变速恒频发电系统有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的，有的则是发电机与电力电子装置、微机系统相结合而实现变速恒频的，各有各的特点，适用场合也不一样。以下就常用的风力发电系统的 5 种变速恒频控制方案进行简单的论述。2.2 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统该系统采用的发电机为笼型转子。其变速恒频控制策略在定子电路实现。由于风速的不断变化，导致风力机以及发电机的转速也随之变化，所以实际上笼型风力发电机发出的电压频率是变化的。可通过定子绕组与电网间的变频器，把变频的电压转换为与电网频率相同的恒频电压。尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频控制的一系列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量要求与发电机的容量相同，使整个系统的成本、体积和重量显著增加，尤其是对于大容量风力发电系统 。采用的发电机为笼型转子, 风力机通过变速箱拖动发电机的转子, 而电机的定子绕组通过变频器和电网相连接。由于风速的不断变化, 风力机及发电机的转速也随之变化, 既电机发出来的电是变频的。采用转子磁链定向的矢量控制以及网侧 PWM 整流的方法把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能, 这样就实现变速恒频。由于其控制策略在定子侧实现, 变频器的容量和发电机的容量之比大于 100%, 使整个系统的成本、体积和重量显著增加(尤其对于大型风力发电系统); 而且由于变频器直接和电网相连接, 不可避免地对电网造成一些谐波污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和适宜恶劣的工作环境等优点, 得到了广泛的应用, 特别是在离网型风力发电系统中,目前多用于 100KW 以下的风力发电系统。2.3 永磁发电机变速恒频风力发电系统该系统与笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机；转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机变频的交流电通过变频器转变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，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低， 使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，使整个系统的成本还是降低了。2.4 交流励磁双馈型变速恒频发电系统该系统采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机。其结构与绕线式异步发电机类似，但转子上需要有 3 个或 4 个滑环。馈电方式则和双馈电机或异步发电机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组则由一套交交或交直交变频器提供频率、相位、幅值都可调节的电源，实现恒频输出， 还通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。由于变频器只需供给转差功率，大大减少了容量的需求。这是变速恒频中的优化方案。大型机组通常采用交交变频器。系统为了得到恒频输出，由变频器提供这个磁场旋转速度s ，与转子的低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，机械转速r 相加等于定子磁场同步转速1 ，即 1 = s r ，从而发电机定子感应出工频电压。当风速变化引起发电机转速r 变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速s ，可使定子旋转磁场1 保持恒定，达到变速恒频的目的。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，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。该转差功率仅为定子额定功率的 1 /41 /3，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机变速运行的范围比较宽，既可超同步运行，也可亚同步运行，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可实现有功功率、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，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命, 需要经常维护, 目前这种风力发电机技术已经商品化, 能生产出MW 级风力发电系统。2.5无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统该系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网，另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。(定子绕组也可只有一套绕组，但需有 6 个出线端，3 个为功率端口，接工频电网；另外 3 个出线端为控制端口，通过变频器接电网)。其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组的极数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组。因此，尽管这两种发电机的运行机制有着质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。无刷双馈电机中定子的功率绕组和控制绕组的作用,相当于绕线式双馈电机的定子绕组和转子绕组, 单电机的无刷化比双电机方案体积小、成本低, 其缺点是电机的设计比双电机复杂。虽然两种电机的运行机制不同, 但在控制上可以通过和绕线式双馈电机同样的策略实现：fpfc=( Pp+Pc ) fm （2-6）式中: fp是定子功率绕组电流频率, 与电网频率相同; fc是定子控制绕组电流频率; Pp是定子功率绕组的极对数; Pc是定子控制绕组的极对数。超同步时, 取“+”, 亚同步时取“-”。当发电机转速nm变化时, 即fm变化时, 若控制fc相应发生变化, fp 将保持恒定不变, 从而实现了变速恒频控制。尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分。这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的 Pc / ( Pp + Pc ) 。这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷， 既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。2.6磁场调制型变速恒频风力发电系统系统如图 2.2所示， 采用的发电机为磁场调制型发电机。磁场调制型变速恒频发电机系统由一台专门设计的三相高频交流发电机和一套功率转换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频率 fr ，用频率为 fm (一般是工频 50 Hz)的低频交流电励磁，则三相电枢绕组的输出电压将是由频率为 fr +fm 和 fr - fm 的两个分量组成的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最后经滤波器滤波，即得到与发电机转速无关频率为 fm 的恒频正弦波输出。它实质上是利用一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。图 2.2 磁场调制型变速恒频风电系统可见，磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无关。这个特点非常适合用于并网运行。风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，风力发电机的输出总是自动与电网同步， 这样，风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单，运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很大风速范围内以最佳效率运行，提高了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而降低风力机机械部分的造价，并能提高运行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正弦波输出波形。还有，该系统中的换向操作简单容易、换向损耗小、系统效率较高。它的缺点是若想得到三相输出，则必须采用三套磁场调制发电机系统， 且各套发电机系统间应保持某一适合的相位差，这就提高了整个系统的成本。磁场调制发电机系统用的高频发电机的转速较高，而风轮转速较低，故系统需要转速比较大的增速器，也提高了系统的成本。另外，因其电力电子变换装置处在主电路中，因而容量要大，提高了成本。第三章 变速恒频双馈电机风力发电控制策略3.1变速恒频双馈电机风力发电控制策略双馈电机控制系统的发展矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)是交流电气传动系统比较成熟的两种控制方法矢量控制是德国的研究人员在二前提出的，现在己经比较成熟，并己广泛应用，很多生产厂商都推出了他们的矢量控制交流传动产品，最近又大量推出了无速度传感器的矢量控制产品。直接转矩控制是大约在十五年前由德国和日本的研究人员提出的，在过去十年中得到大量的研究，现在 ABB 公司己向市场推出了直接转矩控制的传动产品，使得人们对直接转矩控制的研究兴趣增加，将来在直接转矩控制中将会用到人工智能技术，并将完全地不需要常规的电机数学模型了。但是这两种相对成熟的控制方法以及最近出现的瞬时功率控制方法； 一般运用于普通的感应电机，对新型、特殊电机的运用实例还很少见。由于对无刷双馈电机的理论研究的不成熟和电力电子技术器件的限制，早期的无刷双馈电机都只是对电机本体进行研究，很少涉及到电机的闭环控制。70年代 Hunt 发明的电机，也没有涉及到电机的速度和功率因数的控制，仅对无刷双馈电机的开环性能进行了研究。80 年代末 90 年代初，无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型的建立，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等等。而电力电子器件和微处理器的发展，如 IGBT、8XC196、DSP等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展。目前，国外都在研究及开发无刷双馈电机调速系统，在美国、德国、俄罗斯等国己有成功经验，效果很好，并己在工业电力传动和恒频恒压发电领域应用。如前苏联系列化生产 315- 2000kW 的双馈电机调速系统；日立公司在 90 年代初研制容量高达 395kW 的双馈发电机系统，并己在抽水蓄能电站投入使用；西门子公司生产了 500-5000kW 系列恒频恒压双馈发电机系统。3.2 双馈电机存在的主要问题无刷双馈电机的开环运行的效果都不是很好，主要存在着以下的几个问题: 谐波含量大。因为无刷双馈电机是通过改变变频器的电压和频率来进行调速的，电机的电流等参数的谐波含量大，特别是在电机的运行状态改变的瞬间电磁转矩、转速波动较大。 电机的损耗大。因为变频器输出的电流存在丰富的谐波分量，所以无刷双馈电机的损耗就比一般的异步电机要大。 单馈运行时存在着“转换转矩”点，在此转换转矩附近电机的特性性质不一样。当负载转矩小于“转换转矩”，电机相当于Pp极普通异步电机；当负载转矩大于“转换转矩”时电机就相当于Pp+PC极普通的异步电机。实际应用中，如果电机的负载转矩恰好在这个转换转矩附近变动，则电机运行不稳定，易造成事故。 开环运行，不能有效地发挥无刷双馈电机的优势。无刷双馈电机通过适当地调节变频器输出压频比和功率绕组或控制绕组电压的相位差来调节输入电机的无功分量来调节功率绕组的功率因数。开环运行于一定的功率因数时，所对应的变频器的电压和相位差计算量大，实际上不容易得到精确的结果，因此不能有效地控制电机的功率因数。 无刷双馈电机的结构复杂，发热量较普通异步电机大。电机的参数如电阻等易受外界的影响而改变，参数的变化和测定的正确与否直接影响控制的成功实现。在无刷双馈电机的数学模型基础上，几乎所有可用于异步电机的控制策略如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参考自适应控制等都可以用在无刷双