（电力系统及其自动化专业论文）直流励磁变速恒频风力发电机的研究与实验.pdf

t h er e s e a r c ha n de x p e rig e n to fdlr e c tc u r r e n te x cit a t10 n v a r la b l e s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c ywin dp o w e rg e n e r a t o r a b s t r a c t w i n dp o w e rg e n e r a t i o nh a sb e e nd e v e l o p i n gf a s tr e c e n t l y v a r i o u st e c h n o l o g i e so fw i n d p o w e rg e n e r a t i o na r ee m e r g i n g ，a m o n gw h i c ht h ev 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 y ( v s c f ) t e c h n o l o g ya t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sc h a r a c t e r i s t i co fh i g h - e f f i c i e n c y a n dp r a c t i c a b i l i t y ，n l i st h e s i si sb a s e do nt h et r a d i t i o n a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o rt e c h n o l o g i e s ， a n dv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n , w h i c ha p p l i e sa ce x c i t e dd 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 ) ，t os u m m a r i z er e l e v a n tt e c h n o l o g i e s ，a n du s ed i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o nv a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c yw i n dp o w e rg e n e r a t o ra st e c h n i c a ls c h e m et oi n t r o d u c ed i r e c tc u r r e n t e x c i t a t i o nv a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c yg e n e r a t o rt e c h n o l o g i e si np r a c t i c a lu s e 乃em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rt h e o r ya n dd f i go p e r a t i o nt h e o r yw e r e a n a l y z e di nt h i st h e s i s n l em a t h e m a t i cm o d e lo fd f i gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n , a n dd f i g o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r et h e o r e t i c a l l yd e d u c t i v ea n dc a l c u l a t e d , t h e r e b ye s t a b l i s h e dt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rs u c c e e d i n gs t u d yo ft h ed i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o nv a r i a b l e - s p e e d c o n s t a n t - f r e q u e n c yg e n e r a t o r a n dt h e n , t h eg e n e r a t o rm o d e lw a sd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n , i n w h i c ht h er e f o r m e dt h r e ep h a s ed y n a m ow a sa p p l i e d d s pt e c h n o l o g yw a su s e dt oc o n t r o lt h e g e n e r a t o r , w h i c hi nd e t a i l s t i t l ec o n t r o lc i r c u i td e s i g na n dp r o g r a m m i n g l a s t l y , f o rt e s t i f y i n gt h ea c c u r a c yo ft h ee s t a b l i s h e dm o d e la n dc o n t r o lm e t h o d s ，as e r i e s o fr e s e a r c ha n de x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u to i lt h ed i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o nv a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t - f r e q u e n c yw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m b a s e do nt h er e f o r m e dg e n e r a t o r , d s p b o a r d ，c c ss o f t w a r e ，i g b ts w i t c hc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n da b s o r bc i r c u i to fi t , t h e c o n t r o l l a b l ew h i r l i n gm a g n e t i cf i e l d , w h i c hi sb a s e do nt h ed i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o nw a s e s t a b l i s h e d 1 1 l er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tp r o v e st h ea c c u r a c ya n dd y n a m i cc o n t r o l l a b i l i t yo ft h ed i r e c t c u r r e n te x c i t a t i o nv a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c yp o w e r g e n e r a t o rt e c h n o l o g y h o w e v e r , o na c c o u n to ft h ec o m p l e x i t yo ft h i sp r o j e c t , s o m ed i f f i c u l t i e sa n dn e w q u e s t i o n sn e e dt ob ed i s c u s s e df u r t h e ri nt h ef u t u r e n k e yw o r d s ：d i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o n ；v a r i a b l es p e e da n dc o n s t a n t f r e q u e n c y ( v s c f ) ；w h i r l i n gm a g n e t i cf i e l d ；d s p i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 一：王歇卑 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： c 张口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 。王铄气新虢虬“刚肭日 i 嗣u 防磁，：速恒频风力发电机的研究与实验 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 能源危机与可再生能源的发展 随着国际工业化进程的发展，人们对能源的依赖越来越强烈。2 0 世纪的高速发展正 是建立在能源大量消耗的基础上。世界正以惊人的速度消耗着能源，上个世纪消耗的能 源几乎等于以往1 9 个世纪所消耗能源的一半。中国的能源消耗也是巨大的，虽然中国 地大物博，许多矿产储量在世界排名靠前，但平均人均占有量仅为世界水平的一半，煤 炭、石油、天然气等重要矿产资源人均储量分别相当于世界人均水平的7 9 、1 l 、4 5 。 人均储量低再加上全球气候的剧烈变化、环境污染的急速加剧、部分能源输出国动荡的 形势，使得能源危机这一话题再一次出现在我们面前。能源危机是指因为能源供应短缺 或是价格上涨而影响经济。这通常涉及煤炭、石油、电力等自然资源的短缺。近期，石 油价格每桶突破1 3 0 美元大关，比2 0 0 3 年上涨了5 倍。我国的电荒也导致电煤需求急 剧增长，从2 0 0 4 年起煤价飞涨，导致发电企业成本升高，致使电厂电煤储存降至最低 点，并在今年初的南方暴风雪灾害中造成电力供应危机【l 】【2 】。 经济发展对能源的强烈依赖加上我国存在的化石能源不足的现状，以及对能源安全 的考虑，使得我们必须寻找新的可替代能源。突飞猛进的能源科技创新赋予世界能源新 的活力。各种高效、新型的能源特别是可再生能源的开发不断涌现，长期处于主导地位 的传统能源的竞争力正在一步步被降低，而让位于现代能源例如太阳能、风能、生物能 等可再生能源。据国际能源专家组织测算，人们可开发多于1 9 9 5 年全球所消耗能源1 6 倍的生物质能、8 0 倍的海潮能、3 2 5 倍的风能以及1 6 0 4 4 倍的太阳能。由此可知，可再 生能源的开发潜力巨大。过去几十年由于技术及高成本限制，可再生能源发展缓慢，但 现在电力电子技术的应用及材料的创新，为大大降低可再生能源的成本铺平了道路，考 虑到消耗一次能源特别是燃烧矿物质燃料对环境造成的破坏及对人类健康的损害，可再 生能源就更加具备竞争力了【引。 目前世界各国的可再生能源发展都很迅速，美国风力发电成本降低为5 美分每 k w h ，已低于天然气发电成本，但仍高于煤炭发电成本；德国2 0 0 4 年风力发电量已达 到2 4 5 亿k w h ，满足全国4 的用电量；巴西作为开发生物质能源的强国，2 0 0 4 年以甘 蔗为原料生产的酒精出口量达到2 0 亿加仑。太阳能发电、潮汐发电等在世界各地也越 来越多地被应用到能源领域中来1 4 】。 广西大掌硕士掌位论文【嗣u 动磁变速恒须风力袅电机的研究与实验 风能属于可再生能源，具有取之不尽用之不竭且无污染的特点。在世界经济快速发 展的今天，风能的利用是世界上发展速度最快的学科之一。欧洲风能研究会指出，最近 6 年人类对风能的利用每年增长3 0 ，北美洲国家、欧洲、中国、日本等国家都在大力 发展风能。风力发电具有显著的环保效益。风力发电每千瓦时可以减少0 3 l o 3 4 k g 标 准煤，同时还会减少排放二氧化碳0 8 5 3 - 4 ) 9 3 5 k g ，以及一定数量的二氧化硫及粉尘灰渣 等。二氧化碳导致温室效应，二氧化硫导致酸雨的产生，粉尘污染空气，灰渣占用土地 资源。在全世界都在重视环保，提倡绿色生态的今天，风力发电对改善地球生态环境， 减少污染排放有着非常积极的作用，世界各国都在大力发展风电【5 】。 据国外媒体报道，2 0 0 7 年以欧盟、美国和中国为中心的全球风力发电急剧扩大。全 球风力发电能力比2 0 0 6 年增长了2 7 ，其中，中国的风力发电量增长了1 倍以上。由 欧洲约3 9 0 家风力发电相关企业组成的欧洲风能协会( e w e a ) 提供的统计数据显示， 2 0 0 7 年末全球风力发电量约达9 4 万兆瓦。扣除陈旧老化的发电设备外，全年新增的风 力发电容量超过了2 万兆瓦。e w e a 秘书处表示，风力发电的增长已超过了此前最乐观 预测的增长。 1 1 2 国外风能开发的现状 风力发电技术就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的技术。近年来， 随着现代电力电子技术的不断发展和新材料的涌现以及制造工艺的不断完善，世界风力 发电技术取得了长足的进步，主要表现在：1 单机容量不断上升。德国2 0 0 3 上半年安装 的风机平均额定功率为15 5 8 5 4 k w ，单机容量为5 m w 的风机已经进入了商业化运行阶 段。2 变浆距功率调节方式迅速取代定浆距功率调节方式。采用变浆距调节方式避免了 定浆距调节方式中超过额定风速会降低发电功率的缺点。3 变速恒频方式取代恒速恒频 方式。变速恒频方式可通过调节机组转速追踪最大风能，提高风力机的运行效率。4 无 齿轮箱系统的直驱方式增多。去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计和制造成本，但能有 效提高发电系统的效率和可靠性。 国外的新型风力发电机的研发工作主要是由各个国家的重型企业( 包括电力企业) 来完成的。目前所研究的最具前瞻性的是双馈感应风力发电机。它不仅具有交流励磁的 许多优点，还能实现能量从定子和转子分别向电网传送。在欧美等国家已经被应用到生 产实践当中，具有良好的效果。另外，变速恒频技术也是当前研究的一个热点和趋势。 变速恒频( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，简称v s c f ) 1 0 l 1 1 j 发电技术在理论上是最 优化的一种调节方式，此方法可在输出功率低于额定功率之前效率达到最高，但由于恒 频装置技术含量高、价格昂贵，使得这种技术只在德，美等国家广泛使用，其他国家很 少采用。因此在变速恒频发电中，减少系统成本是非常重要的。另外，由于国外研制的 风轮机尺寸不断增大，并且已经有大型风站安装在海岸边，像丹麦一些地区，风力发电 可以供给全部能耗的1 5 还要多，所以，一些国家已经对风力发电提出新的要求，使它 2 广西大掌硕士掌位论文 直霸叫防磁，：速恒频风力发电机的研究与实验 们能在电力系统中扮演有源电源并且能够负责电压、频率的调节。由于现代电力电子技 术的发展，其已被应用于风力发电的控制方面和电网接入方面，主要是实现扇片的调速 从而可以得到更多的风能，还可以使得发电机并入电网成为系统的电源【1 2 1 。 1 1 3 国内风能开发的现状 中国具有丰富的风能资源，可开发利用风能的地区占国土总面积的7 6 ，可开发利 用的风能在2 5 亿k w 以上。近年来已建成了2 6 处风力发电场，1 9 9 4 年并网风电机组 装机3 0 m w ，年发电量7 5 0 0 万k w h ，到2 0 0 0 年底，并网风电机组装机容量己达3 4 4 m w ， 年发电量约8 6 亿k w h 。在风电场的开发、并网型风力发电机组的商业化开发及离网型 风力发电机组应用推广方面，近十几年都有长足的发展。特别是在解决常规电网外无电 地区农牧渔民用电方面，中国走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第 一。经过几十年的发展，风力发电己成为当今新能源领域中技术、经济上最成熟的发电 技术。 中国从八十年代才开始发展风力发电，规模上远不及欧美等国，尚处于探索时期。 因此，风力发电在中国能源发展中的地位及发展的前景预测这一课题有重大的战略意义 和社会意义。它将向人们展示中国风力发电的美好前景：风力发电不仅可以保护环境， 减少污染气体的排放，减少社会的外部投资，而且还可以节约能源，弥补2 1 世纪中国 能源的巨大缺口，消除能源是国民经济瓶颈的隐患，还可提供更多的就业机会；但对风 力发电各项技术上的研究还十分薄弱，导致我国大中型风力发电机组绝大部分为国外产 品，其中丹麦6 7 、德国2 1 、美国1 1 、国产机组仅占1 。由于设备需要进口且运 行和维护技术欠缺，我国风力发电成本远高于国外发达国家水平。 目前中国风电发展面临两个突出的问题，一是风电发展规模迅速扩大，形成巨大的 市场空间；二是国产机组缺乏竞争力，进口机组以压倒的优势占领了中国风电装机的主 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【7 1 。 1 2 风力发电技术的发展与趋势 风力发电包含两个能量转换过程：即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能 转换为电能。在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制是整个系统的核心，它不 仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、 和结构。因此，研制适合于风能转换的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电 系统，是风力发电技术的关键【9 j 。 风力发电系统的两个主要部件是风机和发电机，风机通过叶轮捕获风能，将风能转 换为作用在叶轮翼上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能 全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数c 。： 3 g - 。西大掌硕士掌位论文，l 霸u 功磁变追恒频风力发电机的研究号实验 q = e 1 瓦= 已e ( 1 1 ) 式中： e 一单位时间内叶轮吸收的风能： 瓦一单位时间内通过叶轮旋转面的全部风能； 己单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输l ：l ：i 功率： 只一单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。 一台实际的风力机，其捕获风能并将其转变为机械输出功率己的表达式为： 己= o s p a v 3 = ，r l s p d 2 v 3 c 口 ( 1 2 ) 式中：p 一空气密度( 堙m 3 ) ； a 一叶轮的扫掠面积( 朋2 ) ； d 一叶轮的直径( m ) 。 系数c 。反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径 均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数c 。叶尖速比五曲线来表示，如图1 1 所示。不同浆距角时，风能利用系数c 。对应的叶尖速比彳不同。叶尖速比： 五= r q 。v( 1 3 ) 式中：i o 叶轮半径( m ) ； q 。一风力机的机械转速( r a d s b v 一作用于风力机的迎面风速( m s ) 。 对于同一c 。，风力机可能有两个运行点，它们分别对应于风力机的高风速运行区 和低风速运行区。当风速变化时风力机的运行点将要发生变化。 风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求c 。最大，从而增加其输出 功率，然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制：一方面是电气回路中元件 功率的限制；另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机存在三个典型 运行状态：保证恒定c 。，控制风力机转速( 维持名不变) 直到转速达到极限；风力机以 恒定速度运行，通过调节风力机可使c 。具有较大数值，直到最大输出功率；风速过大， 输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。 4 广西大砻瞻页士掌位论文l 潮明叻磁，：速怔频风力发电机的研舅巴守实罩奎 风 能 利 用 系 数 c p 4 3 2 2468l o1 21 41 6 叶尖速比九 图1 - 1 风力机的特性曲线 f i g 1 - 1t h e c h a r a c t e r i s t i cc u l n ed i a g r a mo f w i n dt u r b i n e 1 2 1 常用风力发电系统结构 目前风力发电的主要调节方式可分为功率调节方式和发电机调节方式嗍。 ( 一) 功率调节方式 目前风力机功率调节最主要的方式有以下3 种： ( 1 ) 定桨距调节技术。其基本原理就是利用桨叶翼型本身的失速性能，在高于额 定风速条件下，叶片和气流的角度增大到失速条件，使桨叶的表面形成涡流，效率降低， 达到限制功率的目的。 ( 2 ) 变桨距调节技术。其调节的关键是额定功率，当输出功率大于额定功率时， 就调小桨叶节距角。 ( 3 ) 主动定桨距调节技术。其主要特点就是当输出功率在额定功率以下的时候， 其调节方式和变桨距一样，当输出功率在额定功率以上的时候，其调节方式和定桨距一 样。 ( 二) 发电机调节方式 发电机的调节方式主要有两种： ( 1 ) 恒速恒频技术( c s c f ) 。恒速恒频技术采用同步发电机或感应发电机，不论 风速如何变化，系统通过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率的恒定。 但是这样叶尖速比不可能总保持在最佳值，也就不能实现最大风能的捕获，风能转换效 率也就不高。除此之外，恒速恒频系统是一种刚性机械耦合系统，当风速发生突变时， 风力机的叶片将承受较大的扭应力和风力摩擦。为了保持机械转速恒定，巨大的风能还 5 广西大学硕士学位论文直翻泷扫磁变速恒频风力袭电机的研究与实验 将通过叶片在风力机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生巨大的机械应力，增加了这些部 件的疲劳程度，缩短了使用寿命。在并网运行时还会潜在的影响到电力系统的稳定运行。 ( 2 ) 变速恒频技术( v s c f ) 。变速恒频技术是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种 新型发电方式，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发电机 的控制之中，获得了一种全新、高质量的电能获取方式。风机采用变速运行，即风机叶 轮跟随风速的变化改变其旋转速度，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数达到 最大。相比于恒速运行方式，变速运行具有如下优点： 风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风 机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量可提高2 0 以上。变速运行 的风力机不但年运行小时数高，而且输出功率上限也比恒速恒频的风机要高。 变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接。当风速上升时，能吸收阵风的能量， 并把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和 转动脉动，长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮的能量便释放出来变为电能 送给电网。 通过矢量控制调节励磁，可以使发电机输出的有功功率和无功功率实现独立调 节。并在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网的功率因数，提高了电力系统的动 静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电技术可以实现发电机和电力系 统的柔性连接，并网相对容易而且由于相位角可调，并网运行后一般不会发生失步。 可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求，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。 交流励磁方式的变速恒频系统中电力电子装置容量相对较小，降低了发电成本。 由于转子侧与系统交换的能量只是总能量的滑差部分，即滑差功率，因此，励磁电源的 容量只取决于设计转速调节范围的大小。 此外，变速运行还可以减少运行噪声等其它一些优点。总之，由于这些优点，风电 机组正朝着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展。 1 2 2 变速恒频风力发电技术发展状况 国内外风电专家提出多种变速恒频风力发电的方案，各种方案的主要不同点都在功 率调节方式上，如交流励磁发电机系统、开关磁阻发电机系统、磁场调制发电机系统、 同步异步变速恒频发电机系统等【6 】。近年来，国内外比较关注的变速恒频风力发电方案 是交流励磁变速恒频风力发电系统。对于在该系统中的发电机，可以是绕线式异步电机 ( 或双馈感应电机) ，也可以是级联式无刷双馈电机。对于在该系统中的励磁电源，可以 是交交变频器、交直交型双p w m 变换器，也可以是近年来出现的矩阵变换器。下面选 出几种有代表性的介绍一下。 由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的七种风力发电系统结构如图1 2 所示： 6 广西大学硕士掌位论文直翻叻叻磁变速忸频风力篡：电机的研究与实验 9 h 笼型转子： q b 绕线式转子： c d 使用异步发电机 永磁发电机： e 绕线式车专子： 使用同步发电机 7 - - 西大掌司e 士掌位论文直翻功磁变速恒频风力发电机的研究与实验 图1 2 风力发电系统结构 f i g 1 - 2w i n dp o w e rs y s t e ms t r u c t u r e 图a 是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的较传统的风力发电结 构。如常用的笼型转子异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力机就是这种结构。 在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电容器组，为平滑并网使用了电机 软起动器。 图b 是用运行于“全程范围”或“低风速区域的变换器代替了图a 中的电容器组 和电机软起动器。运行于“低风速区域 的变换器的功率仅为发电机额定功率的2 0 3 0 ， 而运行于“全程范围”的变换器功率要大于发电机的额定功率，但它能使风力发电机在 所有风速下变速运行。 图c 的风力机所采用的结构是二十世纪九十年代中期v e s t a s 风力机厂生产的名为 “o p t i s l i p 的风机。这种结构的基本思想是利用电力电子器件改变转子的电阻，从而 使转差率有1 0 的变化范围，通过控制转差率控制系统的输出功率。 图d 的结构使用了双馈型异步发电机，用变频器控制转子绕组的电流。变频器功率 仅为发电机额定功率的2 0 3 0 就可控制发电机的全功率输出。这种结构比图c 的结构 有更宽的调速范围，变换器所需功率更小，经济性好。 图e 为全功率控制结构，其典型应用是作为船舶电源。他没有齿轮箱，通过两个或 三个叶片的上风式风力机与永磁发电机( 一般小于l k w ) 相连，发出的电能经整流器给蓄 电池充电。这种结构的风力机也可以应用于家庭风电系统或混合风电系统。a b b 公司 在2 0 0 0 年利用这种结构提出一个新的设想：高压直流输电，方法是采用多极3 5 m w 永 磁发电机发出电能后经二极管整流器产生2 1 k v 直流电，然后并入电网。 图f 结构的风力机应用不广，它通过整流器从电机外部励磁。与前几种结构相比， 这种结构缺乏吸引力是因为：( 1 ) 需要励磁电路；( 2 ) 需要滑环；( 3 ) 风力机需要更加复杂 的保护措施。 图g 结构的风力机应用前景也不被看好。与前几种结构相比，如果接入电网的电力 变换器是四象限变频器，那么这种结构就可以实现变速恒频。 图h 与图g 结构相同，也使用多极的绕线式异步发电机。但由于它使用的是多极发 电机，所以它不需要齿轮箱。e n e r e o n 和l a g e r w e y 是典型应用这种结构的风力机制造公 司【1 2 1 【1 3 1 。 交流励磁变速恒频发电是在双馈电机的转子中施加转差频率的电压( 或电流) 进行 励磁，调节励磁电压的幅值、频率和相位，实现定子恒频恒压输出。整个风力发电系统 的基本构成如图1 3 所示。 8 ，【翻叫动磁变速恒频风力发电机的研璺巴与薯；验 电网 网侧变换器转子侧变换器 图1 3 变速恒频风力发电系统基本构成 f i g 1 - 3t h eb a s i cc o m p o s i t i o no f v s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m 机 转子由两个“背靠背 连接的电压型p w m 变换器( 分别记做转子侧变换器和网侧 变换器，总称双p w m 变换器) 进行励磁，转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电 流，完成定子磁链定向矢量控制任务，实现最大风能捕获和定予输出无功的调节，当电 机亚同步速运行时，往转子中馈入能量，作逆变器运行；当电机超同步速运行时，从转 子中吸收能量，作整流器运行，并通过网侧变换器将能量回馈到电网；当电机以同步速 运行时，向转子馈入直流励磁电流，实际作斩波器运行。网侧变换器运行模式与此类似， 配合转子侧变换器的运行，实现能量双向流动。此外，网侧变换器还需控制直流母线电 压恒定以及调节网侧功率因数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。相对于传统 的循环变流器，作为励磁电源的双p w m 变换器输入输出特性更好，电力谐波更低。而 且，随着大功率电力电子器件如i g b t 等和控制方法的日趋成熟，双p w m 变换器将会 更多的取代循环变流器应用于兆瓦级的大型变速恒频风力发电系统中【1 4 】。 鬻 通过上述分析可知，风电机组的运行状态和控制策略都是通过转子励磁控制来实现 的。所以，变速恒频双馈风力发电机组的技术是转子励磁控制技术，对变速恒频双馈风 力发电机组控制技术的研究主要是对转子励磁控制器的设计及控制策略的研究。 目前，对于变速恒频双馈风力发电机组的研究主要集中在以下三个方面： 1 ) 变速恒频双馈风力发电系统的建模与仿真 变速恒频双馈风力发电机组是一个复杂的涉及多学科的控制系统，特别是对大型并 网风电机组，很难进行实验研究。因此，系统的建模和仿真研究十分重要，尤其是对转 子励磁系统的建模，采用不同的逆变技术和变流器的硬件结构，有不同的励磁控制模型， 还有如何将励磁系统的控制模型和发电机组的控制模型有机地联系起来也需要深入研 究。目前，国外变速恒频双馈风力发电机组的建模与仿真研究主要在发电系统控制策略 方面。我国也正在进行系统建模与仿真、转子励磁控制技术和控制策略的研究，但对励 磁系统的真实模拟尚无系统完善的一套理论与方法支持，因此对双馈发电机不同运行状 态的励磁控制的分析研究离实际情况相差很大。 2 ) 转子励磁控制器的设计及其逆变技术的研究 9 l - - 西大掌硕士掌位论文 ，l 翻明功磁变速忸频风力发电机的研究与实验 变速恒频风力发电机的励磁控制需要大功率( 数百千瓦以上) 的双向变流器【2 7 1 ，转 子励磁用的变流器不仅频率低( 超低频) ，而且要求输出电压的频率、幅值、相位和相 序均是可调节的，不同于以工频逆变为主的通用变频器。这方面的研究主要应解决的问 题是：高电压大功率逆变器的设计、超低频逆变技术、双向变流控制技术和变流器与发 电机的参数配合等问题，迄今为止，这方面的研究我国处于应用基础研究阶段。 3 ) 变速恒频双馈风力发电机的励磁控制策略 变速恒频双馈风力发电机组控制策略方面的应用研究已有一定成果，但变速恒频双 馈风力发电机组是一个庞大复杂的风能机械能电能的能量转换系统，目前的研究工作 大多从某学科出发而缺乏综合性。目前国内有关文献主要集中在：双馈发电机矢量控制 特性研究；转子励磁控制策略及技术研究；最大风能捕获的风电系统控制策略研究等。 尚未系统的研究双馈发电机的控制规律，对转子励磁控制的研究仅限于理论分析，对低 频逆变技术的研究较少。此外，对整个系统进行综合分析的比较少，难以验证所提出的 控制技术和控制策略的正确性和有效性。 目前世界上广泛认为变速恒频双馈式发电机有着广阔的前景，但是双馈感应风力发 电系统也有其缺点，比如调速范围较小，一般只能在额定转速7 0 0 0 - 1 3 0 内调节。双馈 电机的转子侧变频器容量较大，一般是风机容量的2 5 ，转子励磁还需要依靠电网功率。 如何进一步改进双馈型风力发电机，使变频器容量更小，调速范围更大，能用于更多的 风速范围，是目前研究的重点。 1 3 本课题的研究意义及研究内容 在风力发电中，当风力发电机与电网并网连接时，要求电机发出的频率和电网频率 保持一致，即恒频。风力发电机可分为恒速和变速，恒速发电机效率低，不能最大限度 利用风能。而变速恒频风力发电机的转速可以随风速变化，然后通过适当的控制措施使 其发出的电能变为与电网同频率的电能送入系统。其优点：1 风机可以最大限度的捕获 风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大；2 较宽的转速运行范围，以适应风速变化； 3 可灵活调节系统有功、无功功率。其主要缺点是增加了变频器，从而费用较大，但随 着技术的发展，变频器的价格正在逐步下降。 同步发电机自发明以来经过了一百多年，这种电机的优点不言而喻，目前世界上大 多数电能都是由同步机发出的。但是它对转子速度有很高要求，不能在转子转速变化的 情况下发出稳定电能。最近的高频电力电子设备却能解决这一难题。在高频开关的作用 下，我们可以设想利用人工直流电流来形成电气运动磁场，这种方式既利用了电磁感应 定律，又消除了线圈的影响，将电抗减小从而大幅降低了励磁容量；并且能在变速下运 行的同时与系统保持同频。 l o 广西大掌硕士学位论文，l 嗣嗡参磁麦速恒频风力发电机的研究与实孽i 本文区别于一般的交流励磁变速恒频发电技术，结合同步电机励磁容量小、励磁电 压低以及异步电机线绕式电机励磁的原理及优点，设计一种直流励磁变速恒频的发电机 模型并制出样机及控制电路。这种电机的定子由多路可顺序关断的直流绕组组成，并提 供励磁电流；转子为三相绕组并接电网以输出功率。虽然转子无法输出较大功率，但适 合风力发电小容量的特点，可以被采用。由于采用同步电机直流励磁的特点，可发出并 调节无功功率，且输入的励磁功率小，降低了变频器的容量。 本文的研究内容包括根据同步发电机及双馈发电机工作原理，在利用电路参数建立 的数学模型基础上，推导了直流励磁变速恒频双馈风力发电机的简单模型，并作出数学 推导，为控制系统设计和实验研究奠定了基础。在理论模型的基础上设计电机模型，并 对三相绕线式异步电机进行改造，建立起适用于本文理论的电机模型，根据这一模型， 设计并制作了基于d s p 的控制电路，并编写适用于这一理论的程序。在实验中，对于直 流下建立旋转磁场的问题提供了一种可行的方案，并通过实验波形与理论波形的对比， 验证了直流励磁变速恒频风力发电理论的正确性与可行性。 广西大掌硕士学位键吁直嗣叫叻磁，：速恒频风力裳电机的研究与实验 第2 章风力发电机的运行理论 一直以来，发电机都是作为产生电能的最主要的工具。发电机的形式有很多， 但其工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是 用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路与电路，以产生电磁功 率，达到能量转换的目的。发电机可分为直流发电机和交流发电机，其中交流发 电机又可分为同步发电机和异步发电机，他们的主体结构都是由定子、转子等组 成，基本原理都是使转子在定子内旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电 势进行发电的。风力发电机由于其风力原动机的特殊性，是一种区别与一般同步、 异步发电机而又建立在常规类型的同步、异步发电机发电技术基础上的新型发电 机。 一 2 1 同步发电机的原理及运行特性 同步电机是当前世界上使用最普遍，占装机容量最多的电机。同步电机主要 作为发电机使用，现在工农业生产中所用的交流电能，几乎全由同步发电机发出。 同步电机也可以作为电动机使用，在不要求调速的大功率生产机械中，同步电动 机用的很多。此外同步电机还可以作为同步补偿机使用，它能够专门向电网发出 感性或容性的无功功率，满足电网对无功功率的要求。 图2 - 1 同步发电机原理 f i g 2 1i l l u s t r a t i v ed i a g r a mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 同步电机作为发电机运行时，它的原理如图2 1 所示： 在电机定子上开槽，在槽内放上导体，这些导体按照一定的规律联接起来， 叫定子绕组( a ，b ，c ，x ，y ，z ) 。电机转子上装上磁极，每个磁极上都套上一 个线圈，把这些线圈也按照一定规律联接起来，叫励磁绕组。给励磁绕组通入直 1 2 直萌嘱净磁麦速恒频风力发电机的研究与实验 流电流，电机里就产生了磁场，由原动机拖动电机的转子旋转，磁场与定子上的 导体之间就有了相对运动，于是，在定子绕组里便感应出交流电势来。一般都把 同步发电机的定子绕组联接成三相绕组，这样便得到三相交流电。定子绕组里交 流电势的频率f 决定于电机的极对数p 和转子的转速n ，即： 厂= 以n 周秒 ( 2 1 ) ，v v 式中转速n 的单位是转分。 由此可见，同步电机当极对数p 一定时，它的转速n 和频率f 之间有严格的 关系，用电机专业术语来说，就是同步。同步机的词意就是由此而来的。 系统受到大干扰后，在电厂内直接影响单元机组性能的有三个主要控制系统 分别是：能量控制系统、转速控制系统和励磁控制系统。为了维持系统的稳定， 必须保持输入输出能量的平衡，从根本上说这只能通过燃烧( 火电厂) 控制实现， 即根据负荷的需要，改变系统的输入能量( 燃料量等) ，而转速控制和励磁控制 的作用贝哆是在此基础上维持转速、机端电压等参数的恒定，以改善和维持系统的 稳定性。实际电力系统暂态过程的时间常数很小，特别是发电机的功率角( 摇摆 角) 占，如若不加以控制，在发生严重故障( 例如最常见的单相接地故障) 时， 在不到1 秒的时间内就可能使系统失去稳定，此时对控制装置响应时间的要求是 以毫秒为单位的。由于调速器的控制过程是一个机械调节过程，而燃烧控制过程 则牵涉到更为复杂的热力学过程，它们的时间常数都非常大，。是典型的滞后过程， 显然无法满足上述如此高的控制要求，而励磁控制系统的调节过程是一个电磁暂 态过程，时间常数相对较小，所以客观上这就决定了它可以为改善电力系统的稳 定性做出较大的贡献1 1 6 j 。 同步发电机转子角的位置和交换功率的关系是电力系统稳定的一个重要特 征，这一关系是高度非线性的。当系统受到千扰时，同步发电机的输入机械转距 和输出的电磁转距之间的平衡将被破坏，发电机的转子将按旋转体的运动定律加 速或减速。若某台发电机一时比其他发电机转的快，则它的转子角位置相对于那 些转的较慢的电机将会超前。这样所产生的角度差将按功角特性关系把较慢的发 电机所带的部分负荷转移给较快的电机。若超过某一极限，角度差的增加将伴随 传输功率的减小，从而进一步增加角度差而导致不稳定。 下面对同步发电机的外特性做一个简单的介绍。电力系统正常运行时负荷会 随机波动，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持机端或系统中某 点电压在给定水平。发电机的电动势方程式为：忘= c j r 。+ 乞以，式中包为发电 机感应电动势；d ，为电枢电压；毛为发电机的无功电流；配为发电机直轴同步 电抗。只考虑幅值关系，在励磁电流不变的情况下( 即饯= 0 ) ，同步发电机的 外特性斜率为：玑必= o 匕，如图2 2 中斜线1 的斜率。当外部电压变化， 1 3 广西大掌硕士掌位论文直霸u 功磁变速恒频风力发电机的研囊可实验 电压由u 减小为时，无功电流由增大为厶。若维持电压在允许范围内，空 载电压就要由互增大到最，使其在斜线2 的特性上运行。或者，利用励磁调节 器自动调节励磁电流，调节器动作后的外特性斜率为：u 。她= 一髟0 + k ，) ( 如图2 2 中斜线3 ) ，式中k ，为励磁控制系统开环放大倍数。所以，无功负荷 的变化是造成机端电压变化的主要原因，保持机端电压不变，必须相应地调节发 电机的励磁电流旧【1 8 】。 u 图2 2 同步发电机外特性 f i g 2 - 2e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 2 2 异步发电机的原理及运行特性 三相异步电机在定子接于供电电源之后产生旋转磁场，它经过定转子之间气 隙在转子绕组中产生感应电流，它们相互作用而建立电磁转矩。虽然异步电机是 旋转机械，但是也可以将其旋转的参数折算到静止的定子侧，折算的结果转子与 定子旋转磁场是相对静止的，故异步电动机具有与变压器类似的等值电路和矢量 图【1 9 1 1 2 0 。 折算的过程如下： 转子静止时，定子接入电网后，定子绕组中便有三相对称电流通过，产生基 波旋转磁动势，建立基波旋转磁场，以同步转速，l i = 6 0 斤p 同时切割定转子绕 组，并在其中产生三相对称电流，它们又将产生转子基波旋转磁动势。转子磁动 势的出现又改变了气隙中的旋转磁场而使定、转子感应电动势和电流改变。事实 上这是一个同时出现相互制约的过程，其结果是定、转子同时出现对称三相电流。 定子电流综合矢量，l 产生定子磁动势基波瓦，转子电流综合矢量，2 产生转子磁 动势基波f ：，它们联合起来产生气隙磁场，在定转子绕组中感应出电动势e t 和 e 2 ，并由电动势平衡关系式能够确定定转子电流，- 和，2 的值。易知f 以同步转 1 4 【翻叫勖磁麦速恒舅e 风力发电机的研哆巴与实j m 速强旋转，当定子三相沿气隙按a - b c 逆时针方向排列时，因电流相序正序，弦- 也将沿逆时针方向旋转。先假定转子绕组开路，厶