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双馈感应风力发电机组控制策略建模与仿真

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编号:6071184    类型:共享资源    大小:5.24MB    格式:RAR    上传时间:2017-11-07 上传人:机****料 IP属地:河南
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感应 风力 发电 机组 控制 节制 策略 建模 仿真
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第 I 页 共页目 录1 引言 .11.1 能源短缺和可持续发展 .11.2 风力发电概述 .21.3 国际和国内风力发电状况 .21.4 本论文主要内容 .42 双馈感应风力发电机 .52.1 风力机 .52.1.1 定浆距失速控 .52.1.2 变桨距调节技术 .62.1.3 风力机与传动部分的数学模型 .62.2 发电机部分 .82.2.1 恒速恒频风力发电技术 .82.2.2 变速恒频风力发电技术 .82.2.3 全额功率变换型变速恒频风力发电系统 .92.2.4 转差功率变换型变速恒频风力发电系统 .122.3 双馈感应发电机数学模型 .142.3.1 双馈电机变速恒频运行基本原理 .142.3.2 双馈感应发电机数学模型 .152.4 变速恒频双馈风力发电技术的发展现状 .163 双馈感应风力发电机组控制策略及原理建模 .183.1 最大风能捕获 .183.1.1 最大风能捕获 .183.1.2 最大风能捕获实现 .193.2 矢量控制策略 .203.2.1 矢量控制的基本思路 .203.2.2 矢量控制策略的数学模型 .223.3 风力发电系统的控制方法 .233.3.1 PID 控制方法 .233.3.2 模糊控制方法 .25第 II 页 共页4 双馈风力发电机组仿真与分析 .274.1 双馈风力发电机组整体仿真图 .274.2 双馈风力发电机组整体仿真分析 .315 结论 .34参考文献 .35致谢 .37第 1 页 共 34 页1 引言1.1 能源短缺和可持续发展经济增长、人民生活水平的提高与急剧增长的能源消耗是分不开的,在全球经济急剧增长的今天,对能源的需求越来越大,大量消耗能源使世界不可再生能源的储量越来越少,能源危机直接威胁着人类的发展,已经成为阻碍人类发展的隐患。据估计,煤炭还可以维持 328 年,天然气还可以维持 56 年,石油还可以维持 46 年。石油、煤炭和天然气等化石性燃料的广泛开采和过度使用,带来了能源危机、环境污染两大难题,二者既相互联系又相互矛盾。石油、煤炭和天然气等化石性燃料属于不可再生能源,随着工业的飞速发展,石油、煤炭等不可再生能源被大量消耗,地球所蕴藏的不可再生能源逐渐枯竭。环境污染表现在工业废水、汽车尾气等得大量排放,并且造成了严重的后果,如温室效应、沙尘暴、酸雨、水土流失等 1。如何解决能源危机和环境污染这两大难题,如何突破我们所面临的困境,是我们当前以及今后必须面临的严峻挑战。从能源发展战略上来看,人类必须寻求一条可持续发展的能源道路;从生态环境来看,随着经济的发展,人民生活水平的提高,对生存环境、居住环境的要求也在提高,环境保护意识不断增强。于是,迫切需要一些情节、无污染、可再生的能源,开发可再生能源是解决能源危机和污染带来各种问题的有效途径。风能、太阳能、水能、潮汐能.都是可再生的洁净绿色能源,它们不但对环境没有破坏,而且取之不尽,用之不竭。对于我国来说,由于经济的持续性发展,对能源的需求量呈急剧上升趋势,随着常规能源的大量开采和使用,带来的供应问题和环境问题日益严重,新能源的开发正是解决这一系列问题的重要策略。风力发电在我国可实施性强,有着重要的意义 2。我国地域辽阔,风能资源丰富,可实际利用的风能在 2.53 亿千瓦以上,特别是我国的三北地区(西北、华北北部、东北)及东南沿海地带有丰富的风能资源,而且这些地区又存在能源短缺和环境污染问题,因此可以通过利用风力发电来改变能源结构并且改善环境。结合我国的实际情况,大规模发展风力发电等可再生能源的发电技术,有希望从根本上解决我国能源不足和电力短缺的问题 3。 第 2 页 共 34 页1.2 风力发电概述风能作为一种新的、安全可靠的绿色能源,其优越性被大多数人所认识。风力发电的优越性可归纳为以下三点:(1)风能是一种对环境无污染的洁净绿色能源。(2)近几年由于风力发电技术不断进步,使得风力发电备受你们的重视,单机容量不断增大,风能被认为是一种安全可靠地能源,随着风力发展经济性逐渐提高,风电的成本持续下降。(3)风力发电场建设周期短,并且风力发电占地面积少,塔筒、监控和变电建筑仅占风电场约 1的土地,其余 99的广大场地不受影响。风力发电具有较好的经济效益和社会效益,风力发电技术的发展越来越受到世界各国的重视 4。风能是清洁无污染的可再生能源,并且储藏量巨大,但是由于风能具有以下一些特性,利用风能发电还是很困难。(1)风能具有较小的能量密度,与水力发电相比,如果想得到相同的发电容量,风力发电机至少要比水轮机大几十倍。(2)风能具有随机性、间歇性等不确定的因素,对风力发电机的正常运行有很大的影响。(3)风能不能储存。对于单机独立运行的风力发电机组,要保证不间断地供电,必须配备相应的储能装置。(4)风轮的效率较低。风轮理论最大效率为 59.3,实际效率会更低一些。由于风能很难利用,为风力发电技术带来了许多问题,风力发电发出的电能如果不加以控制,并不具备太大的商业价值,直接接入电网是对电网的一种污染。但是由于近年来电力电子技术的发展和控制技术的进步,使风能的广泛利用成为可能,风力发电技术取得了迅猛的发展。1.3 国际和国内风力发电状况风力发电对改善地球生态环境,减少空气污染有着非常积极的作用,世界各国对风力发电呈现出越来越关注的趋势,使得风力发电技术在世界各国迅猛发展。第 3 页 共 34 页2007 年是全球新增风能发电装机总量创纪录的一年,全球风能发电新增装机容量超过 20GW,而到 2012 年,全球风电装机容量达 240GW5。德国是欧洲国家风电发展处于世界领先地位的国家,上世纪 80 年代,政府就资助了一系列研究计划。1991 年,德国国会通过了强制购电法,这使风电市场出现了重大突破。此立法的依据是,清洁能源需要有足够的激励机制建立起市场,并且还能与那些一直受到补贴的燃料竞争。风电之所以得到政治上的支持,归功于环保者的努力;另一个重要的决策实在有效运行的寿命周期内关闭目前占全国 30供电量的 19 个核电厂;同时德国政府采纳了绿色和平组织的建议,设定了到 2025 年风电至少供应 25发电量的目标 6。美国从 1974 年起对风能进行了系统的研究,能源部加大对风能项目的投资,美国风能协会在 2007 年发布年度预测报告称,在 2006 年美国风力发电新装机容量达 2454兆瓦,投资额达 40 亿美元。美国所有的风力发电设施每年发电约 310 亿千瓦时,可以供应 290 万户美国家庭用电。2007 年美国风力发电规模将在去年 27的增幅上继续呈上升趋势。这表明风力发电已成为美国新建发电厂的主流。报告指出,风力发电属于百分之百清洁能源,与煤炭、天然气和石油等传统能源相比,美国目前的风力发电能力每年可以减少 2300 万吨二氧化碳排放。此外,风力发电也能减少美国对进口能源的依赖。同时,亚洲国家也在大力开发风电。对于我国来说,风力发电有着更加广阔的前景。我国风能资源丰富。主要分布在三北北部风带的草原、戈壁滩和东部、东南沿海地带和岛屿上。这些地区有着自身的特点,冬春季节风速高,雨水少;夏季风速小,降水多,风能和水能载这些地区具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区,由于特殊的地理条件,有一些地区也具有丰富的风能资源,适合发展风电,如江西省鄱阳湖地区,云南大理等地区。渤海、黄海到台湾海峡这一漫长的海岸线上也有丰富的风力资源可以利用,可以开发海上风电 7。大力开发风力发电,充分利用可再生能源,发展可再生能源替代华师能源对我国来说,是一项重要的能源政策。2000 年后,国内风电装机容量迅速增长,2007 年中国风电总装机容量约 6050MW,跃居全球第五。但是,与世界第二大电力装机大国的地第 4 页 共 34 页位相比,风力发电的研究还需加大力度。为推进风力发电的商业化发展,我国采取一系列的措施。国家发改委从 2002 年开始在风力发电项目的开发中,引进石油、天然气行业勘探开发中实施比较成功的特许权制度,推行风电特许权开发方式;通过招投标确定风电开发商和上网电价,并与电网公司签订规范的购电协议,保证风电电量全部上网,风电电价高出常规电源的部分在全省范围内分摊。为满足国民经济可持续发展策略,2003 年国家发改委发出关于开展全国大型风电场建设前期工作的通知,打算在全国范围内建立 20 个 10 万 kW 以上的大型风电场,并且要提出风电场建设的预测报告对风力资源经行评价。2005 年 6 月 1 日开始实行上网电价管理暂行办法,办法中第 23 条规定电网企业按政府定价或招标价格优先购买风电。2005 年 2 月 28 日中华人民共和国可再生能源法(7 号文件),文件中将可再生能源的开发利用列为能源发展的有限领域,为规范风电项目以及相关产业的发展奠定了法律基础 8。1.4 本论文主要内容基于风力发电的优越性和良好的市场前景,各国政府和公司对风力发电投入很大的关注。在风力发电技术中,双馈感应电机(doubly-fed induction generator,DFIG ,定子直接并入电网,转子通过双向变频器与电网连接)这种结构比定浆距失速型风机具有更高的风能利用效率;转子励磁方式使所需变频器容量只是机组额定功率一部分,使得整机成本大大降低,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;变桨系统通过调节桨叶节距角而改变风轮的气动特性,机组控制方式更加灵活。由于这个原因双馈风力发电机组得到了广泛的推广。风力发电机组是当前风电领域的核心设备。而本次毕业论文围绕双馈风力发电机组,按照机理及实验辨识方法,建立风力机传动部分数学模型、双馈感应发电机组数学模型、矢量控制策略数学模型、最大风能捕获策略的控制数学模型;并利用Simulink 工具,搭建双馈风力发电机组仿真模型,并对结果进行分析,从而验证双馈感应风力发电机良好的运行特性。第 5 页 共 34 页2 双馈感应风力发电机风力发电机组是实现能量转换的装置,从能量转换角度来看风力发电机组可以分为风力机和发电机两大部分,风力机实现了将风能转换为机械能,发电机实现了机械能向电能的转换。发电机及其控制系统是本文的重点,它承担了后一种能量转换任务,不仅直接影响转换过程的性能、效率和供电质量,而且还影响到前一个转换过程的性能。效率和装置结构。2.1 风力机风力机作为风力发电系统第一级能量转换环节,是风力发电系统的关键部件之一,它的性能直接影响着整个风力发电系统的性能、效率。风力机由叶片和轮毂组成。叶片具有良好的空气动力外形,在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转,将风能转化为机械能。风力机的型式尽管多种多样,但从功率调节的角度分类,目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式;一类是定浆距失速控制;另一类是边浆距控制 9。2.2 设计方案选择2.1.1 定浆距失速控风力机的功率调节方式完全依靠叶片启动特性,这种机组称为定浆距风力发电机组。定浆距风力发电机组的主要特点是叶片和轮毂固定连接,当风速变化时,叶片迎风角度固定不变。根据风力机特性,其输出的机械功率随风速的变化而变化,而定浆距系统中的异步发电机工作于同步转速附近,风力机的设计一般为;在额定功率时,风轮的转换速率在最佳区段。发电机转速基本恒定而风速的变化范围却很大,因此,这种机组通常设计有两个不同功率、不同极对数基本恒定而风速的变化范围却很大,因此,这种机组通常设计有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速发电机工作在高风速段,小功率低转速发电机工作在低风速区,由此来调整叶尖速比(风轮叶尖线速度与风速之比),实现追求最大转换效率的整体运行控制目标。当风速超过额定风速时,利用叶片翼型本身的时速特性,气流的功角增大到失速条件,使叶片的表面产生涡流,降低了转换效率,达到限制功率的目的。定浆距风力机的功角一般设定在零度,在不同风频密度的地区可根据具体情况在安装时予以调整,但须充分考虑到风力机失速点的影响。从设计的角度考虑,叶片的翼型难以做到在失速点之第 6 页 共 34 页后功率恒定,通常都有些下降,因而在高风速段对发电量有一定影响 10。采用这种方式的风力发电系统整机机构简单,部件少,造价低,控制调节简单可靠。但为了产生失速效应,失速型叶片重并且结构复杂,成型工艺难度较大:随着功率增大,叶片加长,所承受的气动推力增大,叶片的失速动态特征不易控制,使制造更大机组受到限制,风力机不易大型化;机组的整体效率较低,当风度达到一定值时必须停机。2.1.2 变桨距调节技术变浆距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性,而是通过风轮叶片的变浆距调节机构控制风力机的输出功率,即依靠于叶片相匹配的叶片功角的改变来进行调节。变浆距调节型风机在低风速时,使叶片攻角处于零度附近,此时叶片角度受控制环节精度的影响,变化范围很小,基本上可看做是定浆距风力机组;在额定风速以上时,变浆距机构发挥作用,调整叶片攻角,保证发电机的输出功率在允许范围内,特别是风速超速时可以逐步变化到一个叶片无负载的全翼展模式位置,避免停机,增加风力机发电量 11。变浆距调节技术的主要优点是,叶片受力较小,可以做的比较轻巧;叶片攻角可以随风速而变化,从而是风力机在各种工况(起动、正常运转、停机)下按最佳参数运行,因此,变浆距风力发电机组在额定风速以下的工作区段有较高的发电量,而在额定风速以上高风速区段暴吃输出功率平稳,风力发电机不易过载,不需要过载能力大的发电机等等。 2.1.3 风力机与传动部分的数学模型风力机的机械输入转矩 Tw 与风速 V 的关系通过空气动力学得出 12:(0.1)2),(w3pCR(0.2)wV其中, 为空气密度;R 为风力机叶片半径; 为桨叶的桨距角; 为叶尖速比;第 7 页 共 34 页是与 、 有关的风能利用系数; 是风力机叶片转速。当风速小于切入风速或pCw大于切出风速时输出为 0。由厂家提供,经验公式为p(0.3)5.12-e)4.0/16(2.0PC其中: )35.-08.1/(风能利用系数叶尖速比( )如图 2-1 所示。对于给定的叶片桨距角,不pC同的叶尖速比对应的风能利用系数相差较大,且只有一个固定的最佳叶尖速比能使风能利用系数达到最大值。由(0.2)可知,在风速不断变化的情况下要保持最佳叶尖速比就必须使得风力机机械转速 随风速而变化,只有保持最佳叶尖速比才能保证最大风w能捕获 13。图 2.1 风能利用系数叶尖速比从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分在硬度和阻尼系数被忽略时,可用一质量块的实用模型来描述,如式(2.4)可示(0.4)dtJTgwg式中, 为等效转动惯量; 为等效风轮转矩; 为转子转矩; 为转子机械dJ gTg第 8 页 共 34 页角速度。2.2 发电机部分发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分,其运行状况和控制技术决定着整个风力发电系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征,风力发电技术可以分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术两大类。2.2.1 恒速恒频风力发电技术恒速恒频风力发电系统中发电机多采用异步发电机和同步发电机,发电机的定子侧多直接和电网相连,对异步发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,转速差一般为 3-5,转子的转速变化范围很小,因此,它和同步发电机一样转子的旋转速度受电网频率的制约,同属于恒速恒频风力发电系统。恒速恒频风力发电系统有一下几个缺点;一是与发电机相连的风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等机械部件,在这些部件上产生很大的机械应力。如果上述过程频繁出现会引起这些部件的疲劳损坏,因此设计时需要加大安全系数,从而导致机组重量加大,制造成本增加;三是并网时可能产生较大的电流冲击。2.2.2 变速恒频风力发电技术采用变速恒频风力发电技术可以克服上述恒速恒频风力发电技术的缺点。当风力发电机采取变速运行时,风力机的转速随之变化。风力机实现变速运行,可以在很宽风速范围内保持最佳叶尖速比,实现风能最大转换效率,提高了风能利用率;而风速跃变产生的巨大风能波动,小部分通过风力机的加速或减速以动能的形式存储于风轮中,大部分为电网所吸收,使风力发电机组内部能量传输部件应力变化平稳,从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力,从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。此外,通过变速恒频风力发电机的励磁控制,可以实现无电流冲击的软并网,使风力发电机组的运行更加平稳安全。由于变速恒频风力发电技术较恒速恒频风力发电技术有以上优势,因此,前者是目前风力发电技术的应用和发展热点 14。在变速恒频风力发电机系统中,无论采用哪种类型的发电机、哪种形式的拓扑结构,风力发电机能够变速运行的实质是应用电力电子变换装置使发电机和电网实现了第 9 页 共 34 页“软连接”,发电机转子的转速和电网频率解耦,才使得风力达电机组的变速运行成为可能。因此,这项技术随着电力电子器件水平和控制技术的发展而得到了快速发展和应用。虽然应用电力电子变换装置增加了风力发电系统的成本,控制技术也较为复杂,但变速恒频风力发电系统具有较宽的转速运行范围,提高了风能利用率,风电转换效率可提高 10左右,从风力发电机组整个使用期的成本来看是经济的。根据在变速恒频风力发电系统中使用的电力电子变换器容量大小,可以将不同类型的变速恒频风力发电系统分为两类:一类是全额功率变换型,即电力电子变换器容量和发电机容量相当,另一类是转差功率变换型,即电力电子变换器容量为转差比例的发电机容量。2.2.3 全额功率变换型变速恒频风力发电系统全额功率变换型变速恒频风力发电系统根据齿轮箱的有无分为带齿轮箱的全额功率变换型变速恒频风力发电系统和直驱式变速恒频风力发电系统。(1)带齿轮箱的全额功率变换型变速恒频风力发电系统由于风能的特殊性。风力机一般都低速旋转,如大型风力机的低速低至每分钟几十转甚至十几转。由于在相同功率下发电机的体积和其转速成反比,为了减少发电机的体积,发电机属于高速旋转机械,所以在风力机和发电机之间往往通过升速齿轮箱连接,使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出,以便与发电机转速相匹配15。带齿轮箱的全额功率变换型风力发电机组中发电机的机型主要有以下几种: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。图 2.2 常用的全额功率变换型变速恒频双馈风力发电系统由于风速的不断变换,带动风力机以及发电机转子的转速也随之变化,所以发电机发出的电能频率也是变化得。该系统将发电机输出的幅值和频率变化得交流电通过电力电子变换装置变频器转换为与电网电压和频率相同的恒压恒频交流电能。变第 10 页 共 34 页速恒频风力发电系统中的常用发电机型为传统交流发电机(同步发电机、笼型异步发电机和绕线式异步发电机)。如果发电机类型为同步发电机,转子侧需要接励磁控制器:若是异步发电机则需要在定子侧接适当容量的并网补偿电容器进行无功补偿。永磁发电机的定子与普通交流电机相同,转子为永磁式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组损耗,提高了效率。转子上没有滑环,运行更安全可靠,但是它的不足之处是,它因使用磁性材料而成本较高。(2)直驱式变速恒频风力发电系统齿轮箱增加了系统损耗,降低了能量利用率,并且在大容量风电机组中齿轮箱造价昂贵,容易造成过载或过早损坏,维护保养工作量大。为了提高风力发电系统的效率和可靠性,从 20 世纪 90 年代起开始研究取消增速机构由风力机直接驱动发电机的风力发电系统,即直驱式变速恒频风力发电系统。直驱式变速恒频风力发电系统发电机类型有永磁发电机、多级绕线式异步发电机和开关磁阻发电机等。图 2.3 永磁同步发电机型直流风力发电系统图 2.4 多极永磁发电机型风力发电系统第 11 页 共 34 页图 2.5 高压永磁发电机型风力发电系统永磁发电机型风力发电系统结构如图 2.22.4.在独立运行的 10kW 以下微型和小型直流风力发电系统中,永磁发电机已早有应用,其常用的永磁材料有铁氧体和汝铁硼两种。其结构如图 2.2.所示,风力机与发电机直接相连,发电机经整流器后输出直流电。随着风力发电机组单机容量不断增大,多极式永磁发电机型风力发电系统是未来大型直驱式风力发电技术的主要发展方向 16。多极永磁发电机型风力发电系统结构如图 2.3 所示。图 2.4 所示为高压永磁发电机型风力发电系统。高压永磁发电机的转子用新型永磁材料汝铁硼和钐钴制成,且为多级;定子是用一种圆形交联聚乙烯电缆绕制的电缆电枢绕组,该系统中每台电压永磁发电机发出高压电,输出端可以经过整流装置采用高压直流输电的连接方式实现系统并网。高压永磁发电机整合了发电机和升压变压器,使机组原件大大减少,系统的有功损耗和无功损耗都大大降低。但高压永磁发电机的转子需要大量永磁材料,且对材料性能的稳定性要求较高,同时发电机对整个系统的其他方面要求也较高,这些都使机组成本增加。图 2.5 示出多极绕线式异步发电机型风力发电系统结构。根据绕线式异步发电机现有的技术水平,这种结构可适用于大容量风力发电系统。缺点是也需要励磁控制器,含有电刷和滑环,增加了系统得复杂度和维修量 17。图 2.6 多极绕线式异步发电机型风力发电系统第 12 页 共 34 页图 2.7 开关阻尼发电机型发电系统开关阻尼发电机型风力发电系统结构如图 2.6 所示,一般应用于输出功率小于30kW 的小型风力发电系统。开关阻尼发电机为双凸极电机,靠磁阻转矩运行,定子上设有集中绕组,转子由硅钢片叠压而成,因此机械结构简单、成本低廉,转动惯量小,启动转矩低,动态性能好;开关磁阻发电机的励磁绕组与集中嵌放的定子电枢合二为一,并通过控制器分时控制实现励磁与发电。该发电机各相在物理和电磁上相互独立,相绕组间无电耦合,即使缺相的情况下,仍可维持工作,具有很强的容错能力;另外,这种发电机耐高温特性好。将开关磁阻发电机设计成为多极直接与风力机相连,构成无齿轮箱直驱式风力发电系统。但开关磁阻电机的功率密度不高,而且它对电力电子变换装置的性能要求较高,控制策略也比较复杂。以上全额功率变换型变速恒频风力发电系统无论采用何种发电机类型和拓扑结构,都有以下缺陷:其变速恒频控制在定子侧采用电力电子变换器实现,需要将电机输出的全部电能进行功率变换,电力电子变换器的容量与发电机额定容量相当,增加了系统损耗,且增加了整个风力发电系统的成本 18。2.2.4 转差功率变换型变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统中我们着重研究转差功率变换型。而这种风力发电机组有两种:有刷双馈感应发电机和无刷双馈感应发电机。有刷双馈感应发电机型变速恒频双馈风力发电系统结构如图 2.8 所示发电机采用转子励磁的双馈感应发电机,其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速变化时,通过控制转子电流的频率,可使定子侧输出频率恒定的电能。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子电路的转差功率仅为发电机额定功率的一小部分,所以功率转换装置的容量小,电压低。另一个显著的优点是双馈感应发电机励磁控制有三个可调量:一个是与同步电机一样,可调节励磁电流的幅值;二是可改变励磁电流的频率;三是可调节励磁电流的相位和相序。因此,转子励磁的双馈感应发电机可以实现有功、无功功率的灵活控制,对电网而言起到无功补偿的作用 19。第 13 页 共 34 页图 2.8 有刷双馈感应发电机型风力发电系统无刷双馈感应发电机型变速恒频风力发电系统如图 2.9 所示。其中发电机采用无刷双馈感应发电机,其定子有双套技术不同的绕组,一套当发电机功率绕组,直接接入电网,另一套当控制绕组,通过双向变流器(变频器)接电网,两套绕组在电路和励磁方面是解耦的,作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组,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:其转子为自行闭合的环路结构,无需电刷和滑环,转子的极数为定子两套绕组极对数之和。尽管无刷和有刷双馈发电机的结构不同,但无刷电机实际上相当于将有刷双馈感应发电机的转子绕组由转子侧移到了定子定子侧,控制方法基本相同,都可以实现变速恒频控制。与有刷电机相比,无刷双馈感应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,但无刷双馈电机技术目前还不是十分成熟,所以还没有应用到实际发电系统中去。图 2.9 无刷双馈感应风力发电机型风力发电系统以上转差功率变换型变速恒频风力发电系统与全额功率变换型变速恒频风力发电系统相比,有以下优势:其变速恒频控制在控制电路(有刷电机的转子绕组和无刷电机的定子控制绕组)进行功率变换,对电力电子变换器的容量要求大大降低,减少了系统损耗,降低了发电系统的成本,并且仍然具有较宽的转速调节范围(0.71.3 同步第 14 页 共 34 页转速)。其中有刷双馈变速恒频风力发电机组已经商品化,并在逐渐成为大型风力发电机的主力机型。2.3 双馈感应发电机数学模型2.3.1 双馈电机变速恒频运行基本原理双馈电机在结构上类似绕线式异步感应电机,定子与一般的交流发电机一样,布有三相分布式绕组;转子与一般发电机不同,它也布有三相分布式绕组。运行时,定子侧直接接入三相工频电网,而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因为定子与转子两侧都有能量的馈送,所以称为双馈电机。双馈电机稳定运行时,定子旋转磁场与转子旋转磁场均以同步转速旋转并保持相对静止,其频率方程为(0.5)1260fnp式中,f 1 为定子绕组电流频率;f 2 转子绕组电流频率;n 为转子旋转的转速;n p电机的极对数。“+”表示转子转速低于定子旋转磁场转速;电机处于亚同步运行状态,功率变换器向转子供电;“”表示转子转速高于定子旋转磁场转速,电机处于超同步运行状态,定子和转子同时向电网供电。由(0.5)可以看出,当转子转速 n 变化时,可调节转子绕组电流频率 f2,保持 f1 不变,实现变速恒频运行。双馈风力发电机组如 Error! Reference source not found.所示。双馈感应电机定子直接并入电网,转子通过双向变频器与电网连接。这种结构比定浆距失速型风机具有更高的风能利用效率;转子励磁方式使所需变频器容量只是机组额定功率的一部分,使得整机成本大大降低,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;变桨系统通过调节桨叶节距角而改变风轮的气动特性,机组控制方式更加灵活。由于这个原因双馈风力发电机组得到了广泛的推广 20。第 15 页 共 34 页图 2.10 双馈风力发电机组结构2.3.2 双馈感应发电机数学模型在建立数学模型时,定子侧采用发电机惯例,定子电流以流出为正;转子侧采用电动机惯例,转子电流以流入为正。定子绕组电压方程为:(0.6)111uqdqqddiRP转子绕组电压方程为:(0.7)222uqdsqq ddd i式中, 、 、 、 分别为定转子电压的 d、q 分量; 、 、 、 分别为1udq2dqu 1diq2diq定转子电流的 d、q 分量; = - 为 d、q 坐标系相对于转子的角速度。s1r磁链方程为:第 16 页 共 34 页(0.8)2112211qmqddmiLi式中, 分别为定转子磁链的 d、q 轴分量; 为 d、q 坐标系下两相定1dq2d1q 1L子绕组间的等效互感; 为 d、q 坐标系下同轴定转子绕组间的等效互感; 为 d、qmL 2L坐标系下两相转子绕组间的等效互感。将式(0.8 )代入 (0.6)(0.7)得电流与电压之间的关系:(0.9) 2121211121 qdSmSmSSqd iiPLRPLRu式中,P 为微分符号。电磁转矩方程为:(0.10)(2321pemqdqiiLNT功率方程为:(0.11)()(223211231qdqqdqdiuiQPii式中, 、 为定子侧向电网输出有功无功; 、 为转子侧从电网输入有功无1PPQ功。2.4 变速恒频双馈风力发电技术的发展现状采用有刷双馈感应发电机的转差功率变换型变速恒频风力发电系统中,风力机转速可以随着风速发生改变,提高了风能利用率和机组运行效率,减少风电系统内部机械应力,实现了发电机和电网“软连接”和有功功率和无功功率的灵活控制,并且其中的电力电子变换装置容量只需要转差比例的发电机容量。由于以上优势,采用双馈第 17 页 共 34 页感应发电机的转差功率变换型变速恒频风力发电系统是目前风力发电系统应用和发展的主要类型 21。双馈感应发电机不仅应用在风力发电领域,在远东及转速变化的发电系统都可以采用双馈感应发电机,例如潮汐电站和水力发电站,希望转速随着水头改变时变化;船舶与航空用发电机,其转速紧跟推进器速度改变。这些都是双馈感应电机做发电机运行,近十多年来,世界各国的学者对双馈电机作为发电机运行进行了大量的研究工作,并逐步在工业上得到了应用。下面就双馈电机做发电机运行尤其是在风力发电领域中应用的研究现状进行归纳总结,主要分一下几个方面:(1)双馈感应发电机的数学模型和运行特性;(2)变速恒频双馈风力发电系统中双馈感应发电机的控制策略;(3)电网故障时变速恒频双馈风力发电系统中双馈感应发电机的控制策略。第 18 页 共 34 页3 双馈感应风力发电机组控制策略及原理建模3.1 最大风能捕获3.1.1 最大风能捕获Error! Reference source not found.为不同风速下( v1、v 2、v 3)风力机输出的机械功率 Pm 与风力机转速 的关系示意图 22。w图 3.1 不同风速下风力机输出的机械功率与风力机转速的关系示意图图中可以看出,在同一风速下,不同的转速会使风力机输出不同的功率,而且在同一风速下有一个最佳的转速,风力机运行于最佳转速时,就会达到最佳叶尖速比,从而捕获最大的风能,输出最大功率。将各个风速下的最大功率点连接成线,即可得到最佳功率曲线。运行在这条曲线上,风力机将会获得最大风能捕获。最佳功率 与optP风力机转速和双馈电机的转速有如下关系:(0.1)33)(NKPmwopt 式中 为双馈电机转子机械角速度;N 为齿轮传动比; 为常熟,且有m w(0.2)maxp3w/21CRA)( 风力机在追踪最大风能运行的过程中,机组的功率配合调节过程如下:假设在风速 v1 下风力机稳定运行在 曲线的 A 点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入optP第 19 页 共 34 页机械功率相平衡为 Pa,风力机将稳定运行在转速 上。如果某时刻风速升高至 V2,风1力机运行至 B 点,其输出功率有 Pa 突变至 Pb,由于调节过程的滞后,发电机仍将暂时运行在 A 点,此时发电机的输入功率大于输出功率,功率的不平衡导致转速上升。在转速增加的过程中,风力机和发电机分别沿着 BC 和 AC 曲线增速。到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的 C 点时,功率将再一次达到平衡,转速稳定在对应于风速 V2的最佳转速 上。同理也可以分析从风速 V3 到 V2 的你调节过程。可见,系统最大风2能的追踪过程是由风力机的输出特性和对双馈电机的控制两者相互作用共同完成的。3.1.2 最大风能捕获实现风速一定时,不同转速会使风力机输出不同的功率,要想追踪最佳功率曲线,必须在风速变化时及时调整转速。使其叶尖速度与风速之比保持不变,保持最佳叶尖速比,就可获得最佳的功率系数 23。定桨距情况下变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获可以通过转速闭环控制实现,也可以通过控制双馈电机总电磁功率追踪当前最佳功率 的方法来实现。由于在optP风电机组的实际运行中,风速的准确检测比较困难,无法直接给出与之相应的最佳转速的指令,这样给转速闭环控制带来一定的困难。本文采用间接控制双馈电机总电磁功率的方法,利用总电磁功率与转子有功电流分量的关系,将总电磁功率指令(最佳功率指令)转化为转子有功电流指令为:(0.3)33mopte )()(NKPmw总电磁功率与有功电流的关系为(0.4)rqsmreiLP由此可得有功电流指令,(0.5)esmrrqPLi第 20 页 共 34 页式中, 分别为双馈电机总电磁功率指令和转子有功电流分量指令;ePrqi、 分别为双馈电机总电磁功率和转子有功电流分量;r、 分别为 dq 坐标系下同轴定、转子绕组之间的等效互感和定子绕组的自感;mLs为定子磁链矢量的幅值;s为转子电气角速度。r3.2 矢量控制策略3.2.1 矢量控制的基本思路矢量控制的基本思路是以产生相同的旋转磁场为标准,建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流两相旋转绕组之间的关系,按照控制直流电动机的方式来控制交流电机。简单来说,矢量变换的思想是将交流电机模拟称为直流电机,并像控制直流电机一样来控制交流电机。根据交流电机矢量控制的原理,要想将交流电机模拟成直流电机进行控制,要对交流电机进行坐标变换和矢量变换。将三相对称坐标系上的静止定子交流电流 、Ai、 通过公式 (3.7)变换等效成两相静止坐标系上的交流电流 和 ,并且通过同步BiC i旋转变换,将两相静止坐标系上交流电流 和 等效成同步旋转坐标系上的直流电流i和 。于是,将交流电机看做直流电机,通过一定的控制可以将交流电动机的转子mit总磁通邓小伟直流电动机的励磁磁通,M 绕组相当于电机的励磁绕组, 相当于励磁mi电流,T 绕组相当于伪静止的电枢绕组, 相当于点数电流 24。ti异步电机经过坐标变换和矢量变换,可以等效成一台直流电机。通过控制直流电机的方法得到相应的控制量,经过坐标变换,实现控制异步电机的效果。由于进行坐标变换的是空间矢量,通过坐标变换实现的控制系统就是矢量控制系统。速度控制和位移控制是电动机控制的两个方面,对电动机控制总的来说是对电动机电磁转矩的控制,电力传动系统的运动方程如下:第 21 页 共 34 页(0.6)dtJTle(0.7)式中: 是电动机的电磁转矩, 是负载阻转矩, 是系统转动惯量,eTlTJ是角速度, 是角位移。对于电动机,不论是直流电机还是交流电机,电磁转矩都可以用以下公式来表示:(0.8)IKTem式中: 是气隙磁链;当电动机是直流电机时 是电枢电流,当电动机是交流电机时,m既可以是定子电流又可以是转子电流。I直流电动机的气隙磁链矢量和电枢电流矢量在空间相互垂直,电磁转矩为:(0.9)IKIKTmTm90sine对于直流电动机,忽略直流电动机电枢反应的影响,气隙磁链矢量和电枢电流矢量在空间位置上互相垂直夹角为 ,使得 、 之间不存在耦合作用,成为 2 个独m立量。可以方便的调节电枢电流和励磁电流,进行转矩和转速的控制。直流电动机稳态运行的速度如下:(0.10)meaKRIU通过上式可以看出,若保持 不变,只改变电枢电压 ,则速度会成比例的改变。m aU直流电机恒转矩调速就是指当 不变,在相同电枢电流下,电动机虽然速度不同m但是输出的转矩不变。 变化,在相同的电枢电流下,转矩将会成比例的变化,输出m功率不变。交流电动机与以上提到的直流电动机不同,异步电动机可控制的量只有一个,就是定子电流,当电子电流发生变化的时候,不但影响输出转矩而且影响气隙磁链。同第 22 页 共 34 页步电机可控制的量有两个,即定子电流和励磁电流。定子电流的变化对气隙磁链产生的影响很大,气隙磁链的大小决定了定子电流和转子励磁电流的大小。总的来说,交流电动机的转矩控制和刺痛控制之间存在着很强的耦合现象,闭环控制不能获得优良的稳态性能和动态性能,矢量控制正是在此基础上应运而生的。3.2.2 矢量控制策略的数学模型DFIG 定子绕组直接连在无穷大电网上,可以近似的认为定子的电压幅值、频率都是恒定的,本文采用定子磁链定向的矢量控制。定子磁链定向时,假定定子磁链矢量与 d 轴方向一致。(0.11)01q可以忽略定子电阻,得到:(0.12) 21211222)()( qdmmSqq
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