（电机与电器专业论文）变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真.pdf

沈阳l 业大学硕士学位论文 t h em a t h e m a t i cm o d e la n ds i m u l a t i o nt ov s c fw i n dg e n e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t d e l o p m e mo f 谢n de k c 仃i c 崎c o n v e r s i o ns y s t e i i l w e c s n o to i l l yc 觚s a v et l 圮 m u t i m 即e r 酣r e s o u r c e s b i l ta l i s 自l v o ro ft h ee n v i r o l 硼枷a lp r o t e c t i o na n do o f 也c e f f e c t i v ew a y so fi m p m v i l l gt l l es m l c t i l o fe n 既g yr c u r c e s 锄dd e c 豫a s i 董l gp o l l u t i o no ft h e e n v 的砌e n t t h u si t c 觚b r i n g 岫m e d i a t ee c o n o m i cb e n e f i t s c 嘲m 岫崎b e l l e 丘t s 卸d e n v i r o 砌饥tb e n e f i t s t h i sp a p e ri m r o d u c c st t l es t a t 惦o fr e s e a r c ha n dd e i o p m e mv s c f s s i t i l a t i o n 锄d 劬d e n c ya th o m e 锄da b r o a d 锄di n t r o d l l c et l l eg 咖c t u r eo fv s c f 丽n d g e r a t i o ns y s t 锄a i l db 嬲i ct h e o r y d e c i d e d i n gt h e 咖c t l l 呛锄dp 锄m e t e ro fv a r i 曲l cs p e e d c s t a i l t 舶q u e n c y s c f w i n dt u r b i n eo nt l l eb a s i so fc o n s t a n ts p e e da i l dv 撕a b l es p e e d w i i l dt m b i n ea tp r e s e n t bd o u b j y f 甜v s c f 聃哇n dg c 瑚龆矗o ns y s 铆n t h i sp 8 p c i r 讲鼬n 幻dm ef d a 矗0 础h i po f v o l t a g e c u r r e m p o w e r 锄dt o r q u ei nd o u b l y f e dg c m r a t o r b 懿e do ne q u i v a l e n tc i r c u b u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d c lo fd o u b l y f e dg e n e 咖r t h i sp a p e rh a v ef o u n d e dt h er o t a t i n g a i s 劬m 旧锄do b t a i n e dt h es t a t o rn u x 如l do r i e m e dc n d ls n e g y 1 1 l u sy o uc 柚g c tt h e l i i l e a rc o n n d lc h a m c t e r i s t i cl i k ed cm o t o r t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft l l ew o r k 研n c i p i e 觚dt o p o l o g yf 胁eo ft l l r c ep h 嬲e sv o l t a g c 嘲o u r c ep w m c o n v e r t e r n l ed e s i 印h 嬲s e tu pn l em a i h e m a t i cm o d e l s s t u d i e d t t i ec o 叻 o l s t r a t e g y s h o w e dt h a tt h r e e p h a 辩p w mc o n v e n e r sa r ca d v 锄t a 瞥e o u s i i lt h ef o l l o 谢n g c h a f a c t e r i s t i c s g o o di n p u ta n do u t p u tc h a m c t e r i s t i c s l e s sl l a 衄o i l i ce r g y 锄d 铆 一w a y e n e r g yf l o wh i 曲p o w e rf a c t o r f i n a l l yp r o c e e dt t l en e t t i n ge x p e r i m e m sb yu s i i i ge q l l i p m e n ti ni i b r a r y ec 觚c o n c l l i d e t h a tm n i n gp o w e ro fd o u b l y f c dg e n e r a t o ru s i n go r i e n t e dc o n n d ls n a t e g yh a v en l ea d v a m a g e o fq u i c h ys c h r o l l i z i n gs p c e da i l ds m a l l i i i 唧t i v ec u 舭 t h ee x p e f i l n e n t a lr e 蛐l t ss h o w t b a tl j e 勘u 鲥彻扭o d c j so f w j d dl l 旺 b i n eg e n e r a l o rc o n 打o js s t 锄a r ec 蛳c l 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 k e y w o r d s w i n dp o w e rg e n e r 曩t i o n v a i i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y v s c f m a t h e m a t i cm o d e i s i m u l i n k d o u b l e p w m 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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做了明确的说明并表 示了谢意 躲避吼掣 鲨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 签名 保密的论文在解密后应遵循此规定 嗍趟 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的意义与来源 随着科学技术的发展 世界性能源危机的日趋严重以及环境保护意识的不断加强 开 发新的可再生能源迫在眉睫 风能是一种用之不竭 清洁的可再生能源 在众多开发的可 再生能源中很具有潜力 世界上很多国家 尤其是发达国家 己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 很多国家都在相 继开发变速恒频风电机组 中 大型变速恒频风电机组正逐步的占领着风电机组市场 开 发和研制兆瓦级变速恒频风电机组是我国发展风电技术的当务之急 我国是一个风力资源丰富的国家 据研究资料介绍 全球可用来利用的风能达2 1 0 1 0 k w 而我国大陆地区就有2 5 3 0 1 0 5 k w 国家鼓励发展风电事业 计划到2 0 l o 年风电总装机容量达到3 0 0 万千瓦 掌握具有自主知识产权的大型风电机组的关键技术 包括兆瓦级变速恒频风电机组的关键技术 使风电设备国产化 以降低风电成本 从可 持续发展战略的要求入手 选择 兆瓦级变速恒频风电机组 为国家8 6 3 高技术研究发 展计划之一 完全符合我国现阶段能源领域的后续能源开发需求 走这条路势在必行1 2 本课题来源于国家 8 6 3 高技术研究发展计划 课题名称 兆瓦级变速恒频风电 机组 课题号 2 0 0 1 a a 5 1 2 0 2 2 所属领域 能源技术 所属专题 兆瓦级风力发电技 术 所属主题 重大专项 后续能源技术嘲 1 2 国 内外风电技术的研究及发展现状 风力发电作为环保洁净的分散型电源 被喻为绿色电力 近年来风电发展迅速 1 9 9 7 年末全球风电装机容量7 6 3 6 m w 到2 0 0 0 年末就增加到了7 7 0 6 m w 短短3 年容量增加 了1 3 2 在普遍强调人口 资源 环境协调发展的今天 风电是世界上发展最快的发 电方式 进入2 0 世纪 由于对能源的渴求 人们无节制地开采石油 煤炭 天然气等这些 埋在地层深处的维系人类生存的 能源食粮 不仅严重地污染了我们的生存空间 恶 化了自然环境 而且带来了更可怕的恶果 能源枯竭 进入7 0 年代 在世界范围内 爆发的能源危机告诫人们 要生存就必须寻求开发新能源 为此 各国政府纷纷制定自 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 己的能源政策 给新能源开发以特殊优惠政策和政府税收补贴 从而使风能 原子能 太阳能 潮汐能 地热能等的开发利用得以迅速发展 特别是现代科学技术的飞速发展 空气动力学和尖端航天技术应用于新型风力机的开发研制 使风电事业在短暂的一二十 年的时间里 有了长足发展 中小型机组技术稳定 装机成本已趋合理 与此同时 许 多发达国家厂商的大型机组已投放市场 尤其是一些兆瓦级的大型风力机组研制试运成 功 使风力发电在公用电网中占有了一席之地 2 0 世纪7 0 年代初 受中东石油危机影响 风力发电在艰难中起步 2 0 世纪8 0 年 代以美国 主要在西部加利福尼亚1 和丹麦为中心 开始了风电场的建设 进入2 0 世纪 9 0 年代 风电装机容量以年平均2 0 的速度增加 到2 0 0 0 年末 全世界风电装机容量 达1 7 7 0 6 m w 欧洲是世界风能利用最为发达的地区 2 0 0 0 年末欧洲风电装机容量 1 2 9 7 2 m w 占世界风电容量的7 3 3 据统计 1 9 9 9 年到2 0 0 0 年风电装机容量增长中 的8 6 2 来自欧洲 其中约一半发生在德国 欧洲也是风电设备制造最发达的地区 目 前丹麦风电设备产量约占世界市场5 0 的份额 丹麦电力消费中的1 0 来自风力发电 而且丹麦8 0 的风电机组 是通过私人或私人之间合作投资安装的 美国的风电主要集 中在加州 截止2 0 0 0 年 加州风电装机容量达1 6 2 2 m w 占全美风电容量的6 3 5 亚洲地区风电发展迅速的是印度 2 0 0 0 年末 印度风电装机容量达1 2 2 0 m w 全球排名 第5 1 2 1 风电机组的整体发展现状与趋势 目前世界上有多种型号的大型风电机组在商业化运行 大体可分为四种类型 第一 种为双绕组定桨距恒速机型 以b o u 璐1 b o 咖s 2 n o r d e x 6 0 和n o r d e x 6 6 为代表 第二 种为变滑差变速机型 主要代表机型有v e s t a sv 6 3 v e s t a s v 6 6 v e s t a sv 8 0 第三种是 采用双馈发电机转差励磁方案 实现变速变距运行的机型 主要代表机型有d e w i n d 公 司的d c w i n dd 4 d 6 d 8 t a c k c 公司的t w 1 5 1 2 0 风电机组和n o f d 饯8 0 还 有一种类型是采用直接驱动的永磁发电机 通过交一直一交功率变换系统送电 如德国 e 册f o 吣e 6 6 意大利g a 加m a6 0 型 1 5 m w 大型风电机组等 当前国外大型风电机组 的发展趋势是单机容量越来越大 机组运行越来越可靠 而维护量越来越小 2 沈阳工业大学硕士学位论文 我国对现代风力机的研究工作始于8 0 年代 从 六五 开始 国家将风能的开发 利用列入科技攻关计划 在 六五 七五 八五 和 九五 期间 国家计委 和国家科委分别组织了综合性风能科技攻关 内容涉及风力资源 风力机空气动力学 结构动力学 电机 控制和材料等 在风电机组的开发研究中 我国自行研制出了2 0 k w 3 0 k w 5 5 k w 7 5 k w 1 2 0 k w 2 0 0 k w 和6 0 0 k w 风电机组 我国早在8 0 年代中期就 进行了变速恒频双馈风力发电机的研制 其中由沈阳工业大学研制的f d l 2 1 5 变速恒频 风力机通过了辽宁省科委的鉴定 但与国外技术发展水平相比单机容量较小 目前国内 风电场的主导机型基本上都为引进的国外机组 主要是定桨距失速或变桨距主动失速机 组 兆瓦级变速恒频机组属于空白 而且国内大型风电机组生产厂家基本都是合资公司 我国还没有完全掌握风电机组的关键部件生产技术和核心控制技术 当前我国风电机组 的生产和研制水平同国外相比还有一定差距 需要迎头赶上 1 2 2 变速恒频风电机组发展现状与趋势 变速恒频和恒速恒频是现代并网风电机组的两种类型 恒频恒速定桨距失速调节的 风力机结构简单 整机造价低 整机安全系数和可靠性较高 在现在的风机力市场上占 有较大份额 变速恒频发电系统是2 0 世纪7 0 年代中期以后发展起来的一种新型风力发 电系统 与恒速恒频风电系统相比 其主要优点是弘j 系统效率高 风轮变速运行 可在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比 最大功率 点运行 从而提高了风力机的运行效率 和恒速恒频风电系统相比 年发电量一般可提 高1 0 以上 吸收阵风能量 把能量以飞轮能量的形式存储在机械惯性中 减少阵风冲击对风机 带来的疲劳损坏 减少机械应力和转矩脉动 延长风机寿命 当风速下降时 高速运转 的风轮的能量释放出来变为电能送给电网 具有同步电机运行特点 功率因数可调 不消耗电网无功功率 还可改善电网功率 因数 提高发电质量 可使变桨距调节简单化 变速运行放宽对桨距控制时间常数的限制 在低风速时 桨距角固定 高风速时 调节桨距角限制最大输出功率 减少运行噪声 可进行动态功率和转矩脉动补偿 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 变速恒频风电机组需要变速运行 导致电气控制系统复杂 整机造价高 经分析 与恒速恒频相比 变速变频风电机组 机械部分 包括风轮 齿轮箱 塔架等 的基本投 资可减少l o 2 0 电气部分 包括发电机和控制系统等 的投资有较大增加 但电气 的成本在中 大型风电机组中所占比例不大 目前6 0 0 k w 以上大型恒速恒频风电机组 电气部分的投资约为整个机组总投资的1 0 2 0 即使变速机组电气部分的投资为恒 速机组电气部分投资的3 4 倍 仍可得到较低的风电成本 说明大型变速恒频风电机 组的经济效益是十分明显的 所以很多国家 如德国 美国 意大利 荷兰 俄罗斯等例 等都在相继开发变速恒频风电机组 欧美国家发展迅速 中 大型变速恒频风电机组正 逐步的占领着风电机组市场 开发研制兆瓦级变速恒频风电机组是我国发展风电技术的 当务之急 变速恒频风电机组的技术特色主要在于其发电机和变流技术的特色 下面就这丽个 方面谈变速恒频风电机组发展现状与趋势 按交流技术和变速恒频实现途径和方法 可分为以下几种1 4 j 通过采用交一直一交变流器 将变速风力发电机发出的频率变化的交流电转换为与 电网频率 幅值和相位相同的电压后 将风电机组输出的电能送入电网 直驱式永磁风 电机组属于这种变速恒频方案 l a g e 朋e y 公司与a b b 公司合作 己推出了上述结构的 兆瓦级直接驱动低速永磁发电机的变速恒频风电系统 这种方案结构简单 系统可靠性 高 但发电机体积大 成本高 制造技术不成熟 虽然这属于大型变速恒频风电机组发 展的一种趋势 但最终是否成为主流机组还有待于观察 斩波调阻式变速恒频 采用感应式发电机的一般并网型风电机组 为了扩大风机的 转速变化范围 可采用具有较软机械特性的高转差率电机 这可通过增大转予电阻来实 现 这种方案控制技术简单 发电机制造容易 但系统效率低 增加了机组的发热 不 利于机组向更大型化发展 v e s 雠v 6 6 型机组属此种类型 串级式变速恒频 该方案是对上述斩波调阻式变速恒频机控制方式的改进 其增加 电机转差的方法 不是在转子绕组中串联电阻 而是通过变流器改变转子绕组的电流频 率 将原来消耗在串联电阻上的电能再回馈给电网 这种方案其技术复杂性和变流器成 4 沈阳工业大学硕士学位论文 本与双馈方式相似 但变速范围小 因此在实际产品中应用很少 从发展趋势上看竞争 力不大 双馈式变速恒频发电机系统是根据变速运行风力机的转速变化与电网电压频率的 要求 通过变流器给发电机转子送入相应转差频率的励磁电流 使定子绕组发出的电压 频率与电网相同 这种方案是当前变速恒频实现的最佳方案 当前兆瓦级的双馈式变速 恒频风电机组 德国的d e w i n d 1 1 n i kg m b h 公司的技术比较成熟 己推出l m w 和 1 2 5 m w 的d 6 系列与2 m w 的d 9 系列 德国的e n r o n w i n d 也有7 5 0 k w 9 0 0 k w 和1 5 m w 不同系列的变速恒频风电机组 采用了获专利保护的动态无功控制器 d v a r 按变速恒频发电机的采用可分为以下几种i j 笼型异步发电机变速恒频风电机组 其变速恒频控制策略在定子电路实现 变频器 容量要与发电机的容量相同 使系统的成本 体积和重量显著增加 交流励磁双馈发电机变速恒频风电机组 其采用的发电机为转子励磁双馈发电机 结构与绕线式异步发电机类似 双向变频器的容量小 还可以实现有功 无功功率的灵 活控制 对电网可以起到无功补偿的作用 无刷双馈发电机变速恒频风电机组 电机的定子有两套极数不同的绕组 一个为功 率绕组 一个为控制绕组 这两个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 具有上述交流励磁双馈发电机的优点 同时提高系统运行可靠性 减少 维护 永磁发电机变速恒频风电机组 该系统结构与笼型异步发电机变速恒频风电机组类 似 只是转子为永磁式结构 叶轮与发电机直接耦合 提高系统可靠性 虽然该系统发 电机体积大 成本较高 但省去了增速用齿轮箱 整个系统的成本还是有所降低 同时 风力发电机的设计越来越注重发电侧能量转换效率的提高 采用永磁发电机或提高发电 机输出电压 减少传输线损都是有效的方法 例如 l a g e r w e y a b b 的2 m w 风机输出 电压达到3 0 0 0 4 0 0 d v w i i l d f o m e r a b b 的3 m w 风机输出电压达到2 5 0 0 0 v 1 3 本论文的主要研究内容 本论文的工作基于国家8 6 3 高技术研究发展计划之一的 兆瓦级变速恒频风电机组 科研项目 本课题的研究目标是利用坐标变换建立变速恒频风力发电机系统的数学模 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 型 并使用m 砒l a b 建立双馈型变速恒频风力发电机的仿真模型 使用它来分析双馈电 机的转矩特性 稳态特性 以证明双馈型风力发电系统具有优越的性能 具体包括以下 内容 本文首先简述国内外风电技术的发展状况 介绍了变速恒频风力发电的现状及趋 势 对变速恒频风力发电机系统的结构进行了简要的介绍 提出了论文研究的意义 对 变速恒频风力发电机系统的基本原理进行了简单了介绍 主要包括风力机能量的捕获 变速机组运行的原理 以及对风力发电系统的结构和一般概念进行了阐述 在同步旋转坐标系中建立双馈发电机的数学模型 并对电机进行了稳态仿真 对双 馈发电机采用定子磁链定向的矢量控制策略 实现了有功功率和无功功率的解耦控制 应用s 讯 n k 对双馈电机进行了动态仿真 阐述了双p w m 的基本原理 建立其数学 模型 根据数学模型研究其控制策略 并通过仿真验证了双p w m 变频器具有输入 输 出特性好 谐波少 能量可双向流动的特点 是交流励磁领域的首选变频器 对风力发电机系统的其他部分建立了数学模型 首先建立了风速数学模型 并对模 型进行仿真 与实际现场风速曲线进行比较 其次建立了风力机模型 对风力机机械输 出特性进行了研究 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 变速恒频风力发电系统的基本原理 2 1 风力机能量捕获系统 叶轮作为风力发电机的主要能量捕获部件 把捕获的风能经过齿轮箱传递到发电机 再流入电网 如图2 1 所示f 7 1 圈2 1 风力机能量捕获系统 f i g 2 11 1 他既嘲酣 削i 班s y g t e m so f w i n dt i i r b i 如何来计算风轮究竟能够吸收多少风能呢 按照贝兹 b e t z 理论 由于流经风轮 后的风速不可能为零 因此风所拥有的能量不可能完全被利用 也就是说只有风的一部 分能量可能被吸收 成为桨叶的机械能 贝兹假设了一种理想的风轮 即假定风轮是一 个平面桨盘 没有轮毂 叶片无穷多 通过风轮的气流没有阻力 且整个风轮扫掠面 上的气流是均匀的 气流速度的方向在通过风轮前后都是沿着风轮轴线的 按照图2 2 a 所示为气流流过理想风轮旋转面a 所形成的近似形状 图2 2 b 中示出空气流经桨叶的流 线图和风轮前后的速度及压力变化 由于风轮在旋转 使气流产生落差 在靠近风轮处 及在风轮后某一距离处的气流速度均有所降低 与此同时 靠近风轮处的空气压力增高 通过风轮后压力急剧下降 形成某种程度的真空 随后真空程度逐渐减弱 直到恢复原 来的压力 如图中2 2 c 所示嗍 设矿为风轮前方远处的风速 为通过风轮截面a 的实际速度 圪为风轮后方远 处的风速 显然 在单位时间内 从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸 收并使风轮旋转的风能e 即 7 一 一 一 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 e 孚一孚 圭 咿2 瑚 口m 二习三 l i p 图2 2 空气流过风轮旋转截面及其前后的状况 a 空气流线b 速度变化c 压力变化 f i 舀2 21 1 ks i t 岫t i t t l a tt i i ea i rn o w 啪帅dm 扭t i n gs e 州彻 m ef b n t 锄db ko f 州n dw h i a a i r f l o w l i n 船 b v e l o c 时c l l a i l 辨c p 诧s s u 陀c l l a l l 辨 e 一2 寺 2 2 铲专 争0 5 9 3 3 沈阳工业大学硕士学位论文 这就是给出的理想风轮的最大理论效率 贝兹极限 这表示 即使毫无损失的吸收 风的全部能量 也只能有5 9 的能量可以为风力机所用 但贝兹理论中 没有考虑到不 可避免的涡流损失 认为在高的叶尖速比 3 时 叶片翼形优化 涡流损失很小 实际风轮的风能利用系数如图2 3 所示 在实际应用中常用风能利用系数c 扫对叶尖 速比 的变化曲线表示该风轮的空气动力特性 风轮的叶尖速比 是风轮叶片的叶尖速度与风速之比 它是风力机的一个重要设计 参数 可以表示为 五 竺 矿 2 4 式中 脚 叶轮旋转角速度 单位为m 讹 足 叶轮半径 单位为m y 风速 单位为n l s 叶尖速比 直接影响叶片的能量捕获 影响风能利用系数c p 如图2 3 所示 风能 利用系数c 扫只有在叶尖速比 为某一定值时最大 不同类型 容量的风机设计 此 值也不一样 在恒速运行的风力机中 由于叶轮转速不变 而风速经常在变化 因此 不可 能经常保持在最佳值 即使是采用变桨距叶片 c 扫值往往与其最大值相差很多 使风 力机常常运行于低效状态 而变速运行的风力机 使风力机在叶尖速比恒定的情况下运转 从而使 在很大的风速变化范围内均能保持最大值 提高效率 对于变速变距运行的风 力发电机来说 c 扫是叶尖速比 和桨距角 的函数 如图2 4 所示 图2 3 一种典型的风能利用系数与叶尖速比的关系曲线 f i g2 3 a t y p i c a lr c l 砒i o n c u r 垤o f w i n d e m 冒t l t i l 酬o n f 砧衙 d t i e 卸s p e c d 眦 9 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 2 5 圈2 4c p 和叶尖速比 桨距角b 的变化关系 f i g2 41 1 埒 i a t i o 璐h i pb c t w 蝴c 卜t i ps p e c dr a t e 九柏dt h ep i t c h 鲫g l ep 对一台实际的风力机 风力机的机械输入功率 可用下式表示f l o 巴 吉 矿3 qs 丢倒矿o 5 9 厦z 之 r r e 肘 式中 p 空气密度 单位为k g m 3 卜一风速 单位为m s 彳 风轮截面 单位为m 2 最 标准海平面空气压力 单位为k 咖3 卜空气的气体常数 单位为j 依 产瑚度 单位为k e 一重力常数 单位为i n s 2 r 海拔高度 单位为m 空气密度p 随海拔高度的变化而变化 平均值取1 2 2 5k g m 3 l o 2 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 变速机型运行原理 变速恒频机型与恒速恒频机型相比 优越性在于 低风速时它能够跟据风速变化 在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能利用系数 l 高风速时利用风轮转速变化 储存或释放部分能量 提高传动系统的柔性 使功率输出更加平稳 功率输出与运行方 式对比关系如图2 5 所示 1 2 1 叶轮转差 图2 5 功率输出与运行方式对比关系 f i g 2 5t h ec o n 仃a s t l a 填o nb i 时w np w e ro u t p u ta n do p e m t i o nm o d e 变速风力发电机的运行可分为几个阶段 起动阶段 发电机转速从静止上升到切入转速 在切入风速下 发电机并没用工作 不涉及变速控制 只是叶轮在作机械转动 最佳叶尖速比运行区 机组切入电网后运行在额定风速以下的区域 开始发电 根 据风速的变化 变速风力发电机可在限定的任何转速下运行 最大限度的获取能量 恒转速运行区 叶轮转速保持恒定 恒功率运行区 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 功率 输出恒定 如图2 6 所示 风机运行有三个工作区 工作区l h 玩 变速 最佳叶尖速比工作区 工作区2 蛳 k 珥 恒速 可变叶尖速比工作区 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 工作区3 蜥 h f 变速 匿功率工作区 其中 l c 是切入风速 l l h 是最大允许叶轮转速 蜥是额定风速 嘶是大风停机风速 1 3 1 双馈式变速恒频风电机组运行方式有特殊性 可以在额定转速和额定风速上和下工 作 叶轮极限转速设在额定风速之上 按照变速型风机的运行特点 基本的控制策略为 低风速段 恒定c 多值运行 保 持最佳叶尖遽比 最大能量捕获效率 直到转速达到极限 然后按照恒定转速控制 直 到功率最大 然后恒功率控制 1 4 l 在变速机型的开发过程中 对单一的变速和变距两种进行的实验研究中 结果表明 高于额定风速条件下 加入变桨距调节的机组 显著提高了传动系统的柔性及输出的稳 定性 限制了转速变化的幅度 当桨距角向增大的方向调整时 c 扫值得到了迅速有效 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 转速与变距双重调 节 可以改善控制系统的动态特性 是一种理想的控制方案 本系统就是采用的此方案 k t w 辅 k 机 图2 6 变速风力发电机运行方式 f 晷2 6o p e r a l i o nm o d eo f t h ec h 锄g c ds p c e dw i n dg 明啪c 0 i 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 变速恒频风力发电系统的结构和基本概念 变速恒频风力发电系统一般由风轮 传动装置 发电机 变频器等部分组成 其基 本构成如图2 7 所示 图2 7 变速恒频风力发电系统的结构图 f 嘻2 7n es 仇i c t l 糙d j 姆锄o f v s c fw i n d 群m 阴t i n gs y m m 风力发电系统中的一些基本概念 1 双馈异步风力发电机组中的风力机 变速 在额定风速以下使风力机转速随风速变化 由发电机电磁转矩调节风力机的 转速 变桨 完成风力机的启停 在额定至切出风速段调桨以保持风力机输出功率恒定 由液压或电动伺服系统调桨 偏航 各种风向 风况下的偏航对风 解缆 一个随动系统 保持机组运行中的最 佳迎风角 由电动伺服系统驱动 制动 刹车 快速停车 有电磁 气动和机械等多种形式 2 双馈异步风力发电机组中的传动机构升速齿轮箱 实现低速风力机与高速发 电机之间的转速匹配 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 双馈异步风力发电机组中的发电机 异步发电 电机转予处于同步转速上 下的一定转速范围内 电机皆可运行于发电 状态 双端口馈电 发电机定子绕组直接向电网送出电能 转子绕组经变频器与电网联接 转子转速低于同步转速时 转子绕组从电网吸收电能 转子转速高于同步转速时 转子 绕组向电网送出电能 即转子功率双向流动 交流励磁 转子电流完全受控 为发电机提供励磁所需无功电流 并部分参与转子 有功功率交换 转予电压 电流为转差频率 须经变频器变频稳压才能接入电网 3 双馈异步风力发电机组中的变频器 拓扑结构 交直交电压型变流器 由两个共用直流环节的背靠背三相整流 逆变器组 成 可实现变频 变压和功率双向流动 控制方式 发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制 电网侧变频器采用电网电 压定向矢量控制 通过二者之间的协调控制 保持直流母线电压恒定 可实现发电机的 有功功率和无功功率之间的解耦控制 电压调制 空间电压矢量正弦型脉宽调制 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 变速恒频风力发电机的数学模型 3 1 双馈风力发电机的数学模型 和鼠笼异步电机一样 双馈电机以及双馈调速系统从本质上讲是一个非线性 强耦 合 多变量的系统 研究双馈调速 也必须从其数学模型 1 5 圳 入手 双馈电机通常在实际运行中机电能量的转换主要通过基波磁场来完成的 因此 为 了简化数学模型 通常需要对双馈电机模型做一些必要的假设 定转子的三相绕组对称 在空间上互差1 2 0 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 气隙谐波磁场只在差漏抗中加以考虑 认为定子转子具有光滑的表面而忽略齿谐波的作用 忽略铁损和铁磁的非线性 忽略绕组的集肤效应 忽略定转子绕组的温升 双馈电机的转子参数全部折算到定子侧 折算后的定转子每相匝数都相等 双馈电机的稳态等值电路如图3 1 所示 r lj x lr 2 j x 2 图3 1 稳态等值电路 f 嘻3 1s t c l d y s 眦ee q u i v a j c n tc i k u i t 矗2 穸8 图中 蜀 震2 定 转子绕组电阻 蜀 局 定 转予绕组漏抗 励l 励磁电抗 醍 定 转子电压 j 转差率 下面介绍下坐标变换 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 由于在三相静止坐标下双馈电机的模型方程中有一些系数随定转子的夹角和转速 变化 这就造成了双馈电机的动态数学模型十分复杂 进行分析和求解都十分困难 一 般需要采用坐标变换的方法对双馈电机的数学模型加以变换 使其分析和求解变得相对 容易一些 根据空间对称的绕组在通以相位对称的电流时 其合成磁场都为一个幅值恒 定的旋转磁场这一原理 可以假设电机定子由一个互差9 0 0 的正交绕组构成 在其中通 以幅值相同 但相位互差9 0 0 的电流 它也可以产生和三相绕组一样的旋转磁场 从另 一方面来考虑 可以先通过在一对正交绕组中通以直流电建立一个合成的静止磁场 然 后再让这个正交绕组以同步速旋转 这样也可以产生一个旋转磁场 就像我们以定子三 相绕组作为电机数学模型中的坐标系一样 可以分别以上述假设的正交定子绕组作 电 机数学模型的坐标系 就建立了如图所示的两相静止坐标系 又称 瓠 坐标系 和两 相旋转坐标系 又称 d q 坐标系 这就是坐标变换思想的出发点 空间坐标位置关系示意图如图3 2 所示 控制中用到的基本坐标关系1 1 9 有 c a 口 q 图3 2 坐标关系示意图 f i 毋3 2c o o r d i 懈 圭e s 粥l a l i 哪s k e t c hm a p 1 由三相静止坐标系a b c 变换至两相静止坐标系口 的变换阵 模不变型 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 州 1一 一三 22 o 鱼一鱼 22 2 由静止两相坐标系口 到以任意转速m 旋转两相坐标系d q 的变换阵 棚 3 由三相静止坐标系a b c 到任意转速 旋转两相坐标系d q 的变换阵 3 1 3 2 卅墨薯篙 3 3 3 1 1 三相静止坐标下双馈电机的数学模型 在三相静止坐标系下 绕线转子异步电动机的定子三相对称绕组a b c 在空间 是固定的 a 相绕组的中轴线是该坐标系的参考坐标轴 转子三相对称绕组a b c 以 转子角速度卯逆时针旋转 选取转子a 相绕组的中轴线为转予两相坐标系的参考坐标轴 即d 轴 则转子a 相绕组和定子a 相绕组之间的电角度即是转子位置角玑将电机 转子绕组折算到定子侧 折算后的定转子每相绕组匝数相等 规定各绕组电压 电流 磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则 这时 双馈电机的数学模型 2 2 由电压方 程 磁链方程 转矩方程和运动方程组成 1 磁链方程 纠 陋 阴 3 4 其中 磁链矩阵 纠 蚴 恤 蛐 嘲1 3 5 式中 蚴 蛐 帕 分别为定 转子各相全磁链的瞬时值 1 7 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 电流矩阵 u 产t i 8 i c i 4 砘 i 膏 式中 妇 c o 如 i c 分剐为定 转子各相电流的瞬时值 电感矩阵 三1 3 6 3 7 三竺 芝三 毫二爹 8 知如缸缸 如 跏咖励知伽力 伽励知 如伽埘细船缸助跏伽励伽励知助助砌幻励肠 沈阳工业大学硕士学位论文 定子任一与转子任一相之间的位置是变化的 互感是转子位置角的占函数 l匕 l k 如 玩 k k c o s 口 工舶 三 如 上叩 厶 三d c 蚺c o s 口 1 2 0 3 1 0 k 毛 k k 如 k k c o 印一1 2 0 式中 p l q 出 岛 o r 转子旋转的电角速度 如 转子的初始位置角 2 电压方程 川 田 r p m 3 1 1 其中 电压矩阵 明 蝴 砌 幻 蛳 明 3 1 2 式中 蝴 砌 叼 鳓 鳓 别为定 转子各相电压的瞬时值 微分算子p 丢 电阻矩阵 陋 j o o oo oo 0o oo 00 0o j o o oo o o o0 o0 oo 0o o o 3 1 3 式中 j 分别为定 转于每相电阻 将式 3 4 代入 3 1 1 中 考虑到口 j q 破 岛 得 明 嘲们印 纠2 僻 明印 嘲闭 2 睥 四 e 明p i 切呦 刀 删明峒掣坶掣们 3 1 4 上式中第一项暖 吲为电阻压降 第二项属于陋 掣电磁感应电动势中的脉变电动 势 或称为变压器电动势 第三项q 笔字 属于电磁感应电动势中与转子角速度成 1 9 变速憾频风力发电控制系统的建模与仿真 正比的旋转电动势 3 运动方獠 兰譬 乙一t雠5 拜口瓣 1 4 式中 产一发电机转子的转动惯量 勘r 谁用于发电桃转子豹机械转矩 发电祝戆电磁转矩 为发电机的檄对数 辱 转矩方程 z 驴 勘l 玖毛 8 耘 i 蕊 s i n 函拓专i 8 菇 琵磊r 瓷铽8 睁1 2 0 p 差 十 8 蠡 函秭献辨1 2 9 嘲 1 6 5 有功功率和无功功率 定子有功功率 只 鹫l 颤 l f 吕珞 蕊 1 7 怒予无功功率 绒 苦瓯 勤 搿8 磊国g 一嚣e 南 群 一帮j 3 1 8 转予有功功率 p 严钳氘 锐讧5 十瓤蔷 貉 1 9 转予无功功率 g 一去阮国 一 如国 一甜 t 一甜 3 2 0 3 t 2 黼步逮旋转磺稽坐标系等效模墼 窳子电压方程 d r 一 棚驴虿甄 r p 一 o 一珊妒由一面 转乎瞧基方摆 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 2 式中 地 孙为定子纵轴和横轴电压 为定子纵轴和横轴磁链 玩 如为定予 纵轴和横轴电流 为同步角速度 为转子纵轴和横轴电压 为转子 纵轴和横轴磁链 珏 o 为转子纵轴和横轴电流 为转子转速 定子磁链方程 职 芝 畿 1 一0 0 转子磁链方程 髌 乏凇 o 一 0 0 一7 式中 厶为定子绕组等值两相的自感系数 厶为转子绕组等值两相的自感系数 厶 为定转子绕组等值两相的互感系数 电磁转矩方程 t 匕0 0 3 2 5 3 1 3 双馈发电机稳态特性仿真 基于1 m w 绕线式双馈发电机的电机设计 根据双馈电机基本电磁关系和等效电路 导出的电流 功率关系 仿真其稳态基本特性 观看各参量之间的相互关系 仿真参量定义 根据发电机设计提供参数 2 1 表3 1 电磁设计参数 标幺值 t a b l e3 1e l c c 仃o m a 印e 6 cd e s i 鲫p a 姗e 铆3 s u p c r r i p tv a l 2 l 争砂 耽 q 扩 k l 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 原动机输入功率变化跟随风速曲线 把第三章中双馈电机的等效电路换算为单相仿 真电路 其中参数都采用等效到定子侧的实际每相值 首先按照标幺值和实际值的关系 换算定 转予 激磁阻抗 公式依据 标幺值 实际值 基值 根据短路额定运行值确定基值z 电压比勋 电流比厨 仿真参数给值确定见表 3 2 所示 沈阳工业大学硕士学位论文 矗o 4 2 船 彪 肛 o 5 3 l 2 0 7 肌o 0 0 3 8 如o 0 0 3 9 3 最馥0 3 屈o 0 4 再1 豫5 髓3 9 8 一3 9 8 v 口 们 o 9 0 0 c o s 妒 z 警 髟 罴 蜀 篆 致 署 魄辊 接 阻抗基值 电压圪 电流比 褶电压 i o 0 0 9 0 0 8 z 实际值 标幺假 基值 吃 o 9 3 6 8 z 实际值 标幺镳 基值 而 o 0 7 2 0 s 5 x z 实际值 标幺德 基僵 鼻2 o 0 9 7 0 9 4 z 实际值5 标幺德x 基值 靠 2 6 7 笼4 4 z 实乐篷2 标幺壤 基值 叱 1 3 0 0 一1 3 0 0 墨 实际的u z 偾妇等效后的等德电 路中的u z 有一个匝比豹换掉奖 篆 u 2 2 x u 魄的给庭瓶围在o 1 3 0 0 v o 相角 负载角 s 妒 s 么l l 向量模值 功率因数 仿真得出的定子电流和实际的 定子秘 线奄滚相等 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 尼d 向量模值 只 3 r c u l i 1 a 3 h i l u l l i 仿真得出的转子电流和实际的 转子相 线电流匝比换算关系 1 1 l l l x l 定子输出有功功率 功率不存在匝比换算关系 定子输出无功功率 气 3 牡r e u 2 1 籼蛾瓣 b 3 r e u 2 i 2 转子励磁电功率 有功 毛2 s 乙 q 2 3 h i l u 2 i 2 3 r e 粤原动机输入机械功率 己 1 一j 尸埘 考虑转子铜耗后的转子励磁电 功率 有功 转子励磁电功率 无功 在转差s 负载角口一定时 观看各量随电压踢的变化情况 在转差s 电压 一 定时 观看各量随负载角占的变化情况 1 鲫 3 口 5 度时 电流 功率等各量随 的变化 a 厶 丹 谚 沈阳工业大学硕士学位论文 i i 一 j i 图3 3 转子电流有效值i 随u 2 的变化图3 4 定子电流有效值i 睫u z 的变化 f 皓3 3 勋l o r c 哪哪v i n i l a i 1 2 v qw i t l l u 2f g 3 4s 觚r c u 嘣n v i r t i l a l i iv 町w 纳u 2 l 一 二 专二 莎孑 7 i i l 7 7 f 一 o 7 影 毒 旁 曩置 2 一至 二 图3 5 定子有功功率p i 随u 的变化图3 6 定子无功功率q 随u z 的变化 f 喀3 5 s 切l o r 吐w p o w 钟p lv 甜y w i 血u 2f i g 3 6 s t a t o r i n a c t i v e p o w e r q lv a r y w 协u 2 图3 7 转子有功功率p 2 随u 的变化 图3 8 转子无功功率如随u 2 的变化 f 谵 3 7 r o 雠a c t i v e p 嘶惯p 2 v a f y w mu 2f i g 3 8 r 哟rn b 粒t j v c p a w e rq 2 v a r y w i m u 2 变速恒频风力发电控制系统的建模与仿真 一 l 7 圈3 9 机械功率 随u 的变化图3 1 0 各有功功率随u 的变化 f 喀3 9 m h a n j c a l p o w 盯p 峨岫v a 叮 v i t l lu 2 f i 晷3 1 0 a hk i n 出o f 棚 t i v ep o w 盯 r y w i t l iu 2 t 一 j j p 卜卜寸 n b 辛 毒 i 图3 1 l 功率因数角么i 随u 的变化 f i 昏3 1 11 1 砖p w 廿龇t 凹锄g l e 么i lv a r y w i t l u 2 i 7 夕 p 7 日 图3 1 3 功率因数随u 2 的变化 f 皓3 1 3p o w 盯缸t o r 垤叮w i t h u 2 图3 1 2 么i z 随仉的变化 f i g 3 1 2t h e p o m r f a c t o ra i l g l e 么j 2v a r y w 弛u 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 j 锄 3 纷 5 0 0 时 电流 功率等各量随目 t 的变化 图3 1 4 转子电流有效值i 随 的变化 f i g 3 1 4 r 咖c u f 蝴l v i r n 枷v a l u e l 2 v a t y w i 伽 图3 1 6 定子有功功率p f 随 的变化 f i 晷3 1 6 轧狮r 8 c i v ep o w e r p l i yw i t l l 0 二聱絮 一 图3