交流励磁变速恒频风力发电控制系统的研究

摘要由于常规能源紧缺及环境问题日益突出，利用可再生能源作为未来最重要的清洁替代能源，对于缓解能源匮乏具有重要的意义。风能由于其突出的优点而倍受关注，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。以交流励磁双馈电机作为发电机运行的风力发电系统，具有独立的有功、无功功率调节能力，并可以改善电力系统稳定性。本文主要针对交流励磁变速恒频双馈风力发电系统的关键技术进行了较为系统的研究。本文分析了双馈发电机的运行原理和能量关系，推导建立了其在三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，提出了定子磁链定向矢量控制策略，实现了有功与无功功率的解耦。然后研究了满足双馈发电机转子能量双向流动要求的双PWM变换器及其控制策略。最后，建立了变速恒频双馈风力发电系统的仿真模型，通过仿真验证了理论、模型和控制策略的正确性、可行性。关键词：变速恒频；交流励磁；双馈感应发电机；矢量控制；双PWM变换器AbstractWiththelackofgeneralenergysourcesandtheworseningofenvironmentproblemsincreasingly,itisprovidedwithveryimportantmeaningstoabateenergylackbyusingrenewableenergysource.Becauseofitsoutstandingmerits,windpowerisattentionintheexploitationofrenewableenergysource,andthewindpowerhasbecometheresearchhotspotofmanycountrysscholars.Thevariable-speedconstant-frequency(VSCF)windpowergenerationsystemusingdoublyfedinductiongenerator(DFIG),canadjusttheactiveandreactivepowerseparately,andimprovethestabilityofelectricpowersystem.ThekeytechnologyofVSCFdoublyfedinductiongeneratorsystemisstudiedinthepaper.ThispaperhasanalyzedoprationprincipleandenergyrelationshipofDFIG,deducedandbuiltmathematicmodelsofitonthethreephasestationaryandtwophaserotatingcoordinatesystems,putforwardthestatorfluxorientedvectorcontrolstrategyofDFIGfortherealizationofdecouplingcontrolofactiveandreactivepower.Then,thispaperhasstudiedtheback-to-backPWMconverterthatsatisfiestherequestofenergybidirectionalflowingofDFIGsrotoranditscontrolstrategy.Finally,thispaperhasbuiltthesimulationmodeloftheVariable-SpeedConstant-FrequencyDoubly-FedWindPowerGenerationsystem,validatedthevalidityandfeasibilityoftheory,modelandcontrolstrategythroughsimulation.Keywords：VSCF；ACExcitation；DFIG；VectorControl；Back-to-BackPWMConverter目录1绪论.11.1风能开发与风电发电的历史.11.2国内外风力发电的发展状况.11.2.1国外风力发电的发展状况.11.2.2国内风力发电的发展状况.21.3风力发电控制技术的发展趋势.21.4变速恒频运行方式.31.5本文研究的主要内容.52交流励磁双馈发电机的工作原理及数学模型.62.1引言.62.2变速恒频双馈异步发电机运行的基本原理及特点.62.2.1变速恒频双馈异步发电机运行基本原理.62.2.2变速恒频双馈异步发电机的特点.82.3变速恒频双馈异步发电机的数学模型.82.3.1三相静止ABC坐标系下数学模型.82.3.2两相同步速旋转DQ坐标系下数学模型.113交流励磁双馈发电机的矢量控制.153.1矢量控制技术概述.153.2DFIG基于定子磁场定向矢量控制模型.154交流励磁双PWM型变换器的研究.194.1DFIG励磁变换器.194.2双PWM变换器原理.194.3网侧变换器控制策略及仿真.204.3SVPWM调制方式的基本原理与实现.244.3.1SVPWM调制方式的基本原理.244.3.2SVPWM的控制算法.265交流励磁变速恒频风力发电机组并网控制.285.1风力发电机并网技术的概述.285.2交流励磁变速恒频风力发电机并网控制.295.2.1空载并网方式.295.2.2带独立负载并网方式.295.2.3两种并网方式的比较.316变速恒频双馈风力发电系统控制策略的仿真研究.326.1单台变速恒频双馈风力发电系统仿真.326.2多台变速恒频双馈风力发电系统仿真.357结论与展望.40参考文献.41翻译部分.42英文原文.42中文翻译.51致谢.611绪论1.1风能开发与风电发电的历史风能作为一种自然现象，是由太阳辐射热引起的，是太阳能的一种转化形式，具有干净、储量极其充足的、可再生等优点，取之不尽，用之有余。当太阳热能辐射到地球表面时，地球表面在不同处所受到的辐射也不尽相同，因而会产生温差，引起大气的对流而形成风，在其转换的过程当中，不产生任何有害的气体和废料，因此对环境无污染，具有就地取材不需要运输等特点。据目前所知，全球的风能约为MW，其中可利1074.29用的风能为MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，相当于1000-100001027座100万瓦量级的原子能发电站。我国的风能资源比较丰富，全国可利用的风能资源为2.53亿KW，风能丰富地区的风能密度为200-300W/mz有效风力出现事件概率为70左右，风速大于3.5m/s的全年累计时数在5000-7000h。1人类懂得利用风能的历史可追溯到公元前，古典的荷兰风车就是一个典型的例子，但是数千年来风能技术的开发发展缓慢，也没有引起人们足够的重视，直到风力用来发电的新时代。这个新时代始于20世纪70年代，1972年爆发的石油危机更是一个有力的刺激，在常规能源告急和全球生态环境恶劣的双重压力下，风能因此受到世界各国政府的广泛重视，几乎所有发达国家均将风能的开发利用列入本国最重要的任务。除在财政上给予以大力支持外，还制定了相应的法律和法规扶持风能的开发利用。风力发电技术有安全可靠、无污染、不消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活及可并网运行等特点，虽然风能资源还有密度低、不稳定、地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡它快速发展的强势劲头，风能将成为继IT等产业之后的又一个朝阳产业，已经成为国际电力发展的大趋势。1.2国内外风力发电的发展状况2009-2013年世界风电累计装机容量的平均年增长率已接近20，具体见表1-1。欧洲最大的风力发电厂发电能力已达到10MW。根据全球风能理事会（GWEC）发布的2013年风电发展统计数据，全球风电累计装机容量突破3亿千瓦，同比增长近12.5。8表1-12009-2013世界风电市场的增长年份新增装机容量万KW增长率累计装机容量万KW增长率20093810.315890.320104061.76.591995225.56201141000.942405220.55201245009.752855218.7120133546.7-2.1132098.712.46平均增长率3.7919.311.2.1国外风力发电的发展状况德国的风力发电技术在世界上的领先地位是毋容置疑的，其在可再生资源和合理用能方面的科研投资超过了欧共体所有国家之总和，居于世界三雄之一的地位。德国视风能为继水电之后的下一个实用的可再生资源，据称德国政府宣布可能在30年内，即其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，并批准了29处包括近2000台风力发电机组机组的海上风力发电厂的将建设项目。丹麦的风力发电技术也不容小觑。丹麦的风力发电研究始于1981年，并建成了世界第一座风力发电站日德兰风力发电站，装机容量2000KW，三片风叶的扫掠直径为54m。至1918年，丹麦四分之一的乡村发电站（约120家）完全采用风力发电。目前丹麦已计划在2030年以前使海上风力发电的装机容量达到400万千瓦，这些设施的年发电能力可达到134亿度，约相当于丹麦年用电量的40。由于环保问题和对未来新能源的需求，美国十分重视开发和利用风能，从1974年起就开始对风能进行系统的研究，其技术水平远超其他同等国家，再加上美国联邦政府的扶持鼓励政策，具有6级风资源的大型风力发电项目（5万千瓦）已具有价格竞争力。此外，近年来美国正在研究其海上风能资源，海上风力发电的发展已经开始起步并初见成效。如果浮动式海上风力发电计划能够实现，则美国海上风电的潜力会更大。25随着技术的进步和环保事业的进一步发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。在不久的将来，风电会向今天的水电看齐，朝着满足全球20电力需求的方向发展。1.2.2国内风力发电的发展状况中国人口众多，经济持续发展，对能源的需求增长速度很快，常规能源如煤炭、天然气和石油等化石燃料的蕴藏量是有限的。目前，我国面临着的最突出的矛盾是国内优质能源供应不足，已经受到常规能源的限制，寻找可代替的新能源变得刻不容缓。据中国科学院的估算数据，我国平均风功率密度为100W/m，陆地上可开发的风能约为2.53亿千瓦，海上可利用的风能约为7.5亿千瓦，共计约为10亿千瓦，居世界首位。因此风力发电将作为替代常规能源的可再生能源之一，是我国技术发展的重点。事实上我国早在20世纪70年代就开始研制大型并网型风力发电机组，但直到国家意识到能源矛盾问题之后才逐渐发展风能，近年来为了扶持风力发电产业和技术的发展，中国政府采取了一系列的国家行动，如乘风计划、双加计划、风电特权项目以及国债风电项目等等。此后在国家相关部委的大力支持下，额定功率为200KW、250KW、300KW、600KW、1.5MW、2.1MW、2.3MW的风力发电机组陆续被研制成功，现已开发研制4MW及以上级别风力发电机组。2005-2009年中国风能投资共计79.7亿美元。中国风电累计装机容量已从2006年的260万千瓦增长到2013年的3200万千瓦，其风电技术实力不容小觑。目前我国现阶段的规划布局和建设重点是：中国大陆将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北、浙江杭州等海湾，重点建设几个百万千瓦级大型海上风电基地，并初步形成江苏、山东沿海千万千瓦级风电基地，并做好甘肃、内蒙古和苏沪沿海千万千瓦级风电基地的准备和建设工作，充分发挥“三北”（东北、华北、西北）地区风能资源优势，建设大型和特大型风场。同时重点开发兆瓦级以上风力发电机组，实现规模化生产，争取到2015年新能源和可再生能源年开发量达到4300万吨标准煤，占我国能源消费总量的2，到2020年达到3的目标。相信有国家的重视和政策的支持，风力发电必将有广阔的发展前景。61.3风力发电控制技术的发展趋势风力发电系统中控制技术是风电中的关键技术，是综合性控制系统，它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。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。7（1）变桨距调节取代定桨距失速调节定桨距失速调节型风机是利用桨叶翼型本身的失速特性，即当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶表面产生气流分离，降低效率，从而达到限制功率的目的。这种技术主要应用于几百千瓦的中小型风力发电机组上。变桨距调节型风力机是通过变桨距调节，使风轮叶片的安装角随风速的变化而变化，气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的范围内，从而有可能在很大的风速范围内保持良好的空气动力学特性，获得较高的效率。变桨距风力机的启动风速教定桨距风力机的启动风速低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和，同时具有结构灵巧、良好的变速性能和运输起吊难度小等优点，因而是大容量风力发电机组的发展方向。（2）变速运行方式将迅速取代恒速运行方式目前市场上恒速运行的风力发电机组一般采用双绕组结构（4极/6极）的异步发电机，双速运行。但是由于其转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数较低的点上，风能的不到充分利用。变速运行的风力发电机组一般采用双馈异步发电机。双馈电机的转子侧通过功率变换器连接到电网，并且能量可以双向流动。变速恒频运行方式可以在较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率的变化，这样可以做到最大限度的吸收风能，因而效率高，控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率和无功功率，但是控制系统较为复杂。1.4变速恒频运行方式变速恒频发电系统将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入到了发电控制技术中，改变了以往恒速才能恒频的传统发电概念，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式，在能量随机变化的风力发电中获得了越来越广泛的应用。这种技术在低于额定风速时，发电机根据风速的变化，跟踪最佳叶尖速比，实现风能的最大功率输出；在高于额定风速时，利用风轮转速的变化，储存或释放能量，使发电机组保持在额定值发电。这种发电系统可与电网实现柔性连接，达到改善电网功率品质的目的。2310、根据风力发电机组的不同，变速恒频又可分为以下几种：1、异步感应发电机异步感应发电机通过晶闸管的软并网装置接入电网，并网冲击电流较大。除此之外还需要电容无功补偿装置，控制电路简单。如图1-2所示。控制器齿轮箱变换器软并网电网运行状态检测异步感应发电机电容组图1-1异步感应发电机2、绕线转子异步发电机绕线转子异步发电机采用转子电流控制（RCC）方式来配合变桨距机构，共同完成发电机输出功率的调节。如图1-3所示。控制器齿轮箱软并网电网绕线转子异步发电机电容器组图1-2绕线转子异步发电机3、双馈发电机双馈发电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调频率的三相电源激励，一般采用交交变换器或交直交白变换器供以低频电流。如图1-3所示。控制器齿轮箱电网双馈感应发电机双向变换器运行状态检测图1-3双馈感应发电机双馈电机控制系统通过变换器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。4、永磁直驱同步发电机其系统结构如图1-4所示。该系统直接由变桨距风轮机驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。控制器电网永磁同步发电机运行状态检测整流器滤波器IGBT逆变器图1-4永磁直驱同步发电机机组永磁直驱同步发电机系统对发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。目前，国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是双馈型风力发电机组和永磁直驱同步发电机组，两者各有优缺点，从控制系统本身来说，永磁直驱同步发电机组控制回路少，控制简单，但要求逆变器容量大。而双馈型风力发电组控制回路多，控制复杂些，但是控制灵活，尤其是对有功、无功的控制且逆变器容量小得多。目前变速恒频双馈风力发电系统的运用已经非常广泛了。因此，本文的研究对象采用的是变速恒频双馈风力发电系统。1.5本文研究的主要内容本文研究的对象是图1-2所示的采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。目前双馈电机是在变速恒频发电中应用最为普遍的一种，本文主要内容概括如下：1、全面了解风能开发以及风电发展的历史、国内外风力发电的现状、风力发电技术的发展趋势、介绍了交流励磁双馈风力发电机的优势（第一章）。2、详细概述了双馈电机的组成结构，分析了双馈电机做变速恒频运行的原理，深入研究了其运行特征和功率流动关系，建立起双馈电机在三相静止坐标系下的数学模型以及经过坐标变换详细推导了其在两项同步旋转坐标系下的数学模型，为其控制系统的分析打下基础（第二章）。3、对交流励磁双馈电机的矢量控制进行了详细分析，建立矢量控制模型。（第三章）4、介绍了应用于变速恒频风力发电系统的具有能量双向流动功能的双PWM变换器。根据PWM变换器拓扑的基本原理，建立网侧变换器的数学模型，最后对SVPWM调制方式的原理及方法进行了详细描述。（第四章）5、基于双馈电机的数学模型，根据矢量变换控制原理，详细描述了风力发电系统的并网技术，并对两种并网技术进行了优缺点以及适应场合的比较（第五章）6、结合变速恒频风力发电系统的控制策略在MATLAB/SIMULINK环境中搭建仿真模型，并给出各种情况下的仿真分析以证明理论研究的正确性（第六章）。7、对交流励磁双馈电机的发展前景进行了展望。（第七章）2交流励磁双馈发电机的工作原理及数学模型2.1引言长期以来，采用常规能源发电较常使用的发电机是同步发电机，其次是异步发电机。同步发电机采用的是直流励磁，而异步发电机没有专门的励磁绕组，其磁场由定子励磁电流建立。近年来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈型异步发电机（Doubly-FedInductionGenerator，简称DFIG）得到了广泛的重视。DFIG具有定、转子两套绕组，其结构类似于绕线式异步电机。DFIG转子一般由接到电网上的变换器进行交流励磁，从而达到控制的目的。由于实际上发电机的定、转子都参与了励磁，因此DFIG被称为“双馈”。DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特性，如果从发电机转速是否与同步转速一致来定义的话，则DFIG应当被称为异步发电机，但是DFIG却又与同步发电机一样，具有独立的励磁绕组，可调节功率因数，所以DFIG可称为交流励磁同步发电机，或称为同步感应发电机，又可称为异步化发电机。因DFIG不仅可以调节有功功率，还可调节无功功率，同时利用矢量变换控制技术，综合改变DFIG转子励磁电流的相位和幅值，可以实现DFIG输出有功功率和无功功率的解耦控制，所以双馈风力发电机组己经成为当前风电场的主流机型之一。12.2变速恒频双馈异步发电机运行的基本原理及特点2.2.1变速恒频双馈异步发电机运行基本原理交流励磁双馈发电机变速恒频运行原理如图2-1所示。变速恒频双馈风力发电机组是当前国际风力发电的新技术。它的发电机采用双馈感应发电机，其定子接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流。这个低频励磁电流相对于转子形成一个低速旋转磁场，旋转速度为r。该磁场转速与转子的机械速度相加等于定子磁场的同步转速s，这便使发电机定子绕组感应出了同步转速的工频电压。当风速变化时，调节转子励磁电压相量，使转子机械转速随风速的变化而变化，在发生变化的同时，转子旋转磁场的转速r也应发生相应的变化来补偿发电机转速的变化，以达到变速恒频稳定运行的目的。双馈发电机的原理图如图2-1中所示。变换器调整器齿轮箱交流励磁双馈发电机1f2fn2r图2-1DFIG变速恒频运行原理当风速发生变化时，风机及双馈发电机转速也将发生变化，只要相应地调节转子rn励磁电流的频率，就可以保持发电机定子侧频率恒定，这就是变速恒频运行的原理，2f1f由电机学的知识可知,DFIG稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即：+=(式2-1)rn21式中DFIG转子的电转速rn转子磁场相对于转子的转速2定子磁场的转速，即同步转速1如用频率表示，式2-1也可表示为：+=（式2-2）60pnr2f1式中DFIG极对数pDFIG定子电流频率2f定义DFIG转差率为=（式2-s1nr3）式中s双馈发电机的转差率根据DFIG的原理可知：（式2-sfnpnpfrr111260)(604）由式2-1、2-2、2-4以及双馈电机转子转速的变化可知，DFIG有以下三种运行状态：12（1）亚同步运行状态。，转子绕组相序与定子相同，因此1nr0s02f。2nr（2）超同步运行状态。，转子绕组相序与定子相反，因此rf。1r（3）同步速运行状态状态。，转子进行直流励磁，与普通的1nr0s2f同步电机一样。当DFIG由亚同步运行转向超同步运行时，转子三相绕组必须能自动改变其相序来改变磁场转速的方向；反之，也是一样的。2n根据异步电机的知识可以得到在不计铁耗和机械损耗的情况下，双馈电机的能量流动关系：（式2-212)(cumPsP5）式中转子轴上输入的机械功率，在忽略传动轴损耗的情况下，也可看做风力机mP的输出机械功率；转子励磁变换器输入的电功率；2定子侧输出的电功率；1定、转子绕组铜耗；cu、转差率。s等号左边以输入功率为正，右侧输出功率为正，在忽略定、转子铜耗的情况下，式（2-5）可近似写为：（式2-12)(sPm6）由式（2-6）可知，对于双馈电机，当其处于亚同步状态时，s0，0，变换器向转2P子绕组输入电功率；当其处于超同步状态时，s0时，变换器工作在整流状态，从电网吸收能量；0时，变换器相对电网呈感性，吸收感性无功功率；0时，ssQ变换器相对电网呈容性，吸收容性无功功率。可见当电网电压恒定时，调节d、q轴电流分量就可以控制变换器吸收的有功功率和无功功率。式（4-1）式（4-4）即为网侧变换器的控制策略。如图4-3所示，整个控制系统为双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环。直流环节给定电压=1200V，当负载变化引起直流电压波动时，通过电压反馈求误差后经过dcUPI环节修正交流输入电流参考值，改变输入功率来匹配负载的变化，从而达到稳定直流电压的目的。电流环利用电压环给定的电流d轴参考值和依据功率因数设计确定的refdI_电流q轴参考值，与反馈的输入电流d、q轴分量、求误差后经过PI环节以及refqI_iq相关运算后输出电压指令值，SVPWM模块据此指令进行空间矢量脉冲宽度调节实现对网侧变换器的控制。3网侧变换器控制回路的仿真模型如图4-3所示：图4-3网侧变换器仿真模型图4-4和图4-5分别为网侧变换器交流侧输入电流、电压波形，均能在0.1s之后稳定为正弦波。其正弦性表明网侧变换器控制是合理和有效的。图4-4网侧变换器交流侧三相电流00.050.10.150.20.250.30.35-400-300-200-1000100200300400500、t/su/v,i/aui图4-5网侧变换器交流侧a相电压、电流波形t/s00.50.10.150.2204608102udc/v直流侧输出电压波形图4-6直流电压波形图4-6为网侧变换器直流母线电压波形，从中可以看出，直流母线电压在不到0.05s的时间内就达到了稳定。由此可见，网侧变换器控制实现了稳定直流母线电压的控制目标。00.050.10.150.20.250.30.350.40123456x105有功功率给定和输出波形t/sp/wprefp图4-7有功功率仿真波形00.050.10.150.20.250.30.35-0.500.511.522.53x105、t/sq/w图4-8无功功率仿真波形由以上两个功率仿真结果可以看出，网侧变换器输入有功功率在0.05s以后稳定为1e5W,无功功率在0.05s以后稳定为0.由此可见，网侧变换器控制成功实现了单位功率因数输入的设计目标。综合以上的仿真结果图可以看出，网侧变换器控制成功实现了既定的两个控制目标：稳定直流电压和输入功率因数为任意设计值（仿真时设计值为1），从而证明网侧变换器控制是合理可行的。4.3SVPWM调制方式的基本原理与实现4.3.1SVPWM调制方式的基本原理SVPWM是建立在平均值等效原理基础之上的，即在一个开关周期内可对基本电压矢量进行组合，使电压矢量的平均值近乎等于给定的电压矢量。当电压矢量旋转到某个区域时，其平均值可由组成这个区域且相邻的两个非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。在一个采样周期内，为控制电压矢量的作用时间，这两个相邻矢量的作用时间可分多次施加，这样便可使电压空间矢量的旋转轨迹接近于圆形，再加上处于不同开关状态的逆变器产生的实际磁通使其近乎逼近理想磁通圆，再由这两个非零矢量和零矢量的比较结果去控制逆变器的开关状态，这样便可形成PWM波形。14如前所述，双PWM变换器含有两个变换器，分别是网侧变换器和机侧变换器。但是在采用SVPWM调制方式调制时可以采用如图4-9所示的统一模型进行表示。图中三相负载用接于ABC与N间的小方框来表示.此变换器采用上、下管换流，功率开关器件共有8种工作状态。如把上桥臂器件导通用数字“1”表示，下桥臂器件导通用数字“0”表示，则8种工作状态按照ABC相序依次排列可分别表示为100,110,010,011,001,101以及111和000,。前六种工作状态是有效的，后两个工作状态是无效的。NdcUABCO1VT4VT365VT2VT2du2du图4-9双PWM变换器简化模型对于六拍阶梯波的变换器，在其输出的每个周期中6种有效工作状态各出现一次。逆变器每隔时刻就切换一次工作状态，而在时刻内保持不变。设工作周期从10033状态开始，此时导通，电机A点电位为正，B和C点为负，它们对直流电216VT、源中点的电压都是幅值为的直流电压，而三相电压空间矢量相位在ABC三相轴OdcU线上，则三相合成空间矢量为，其幅值等于，方向沿A轴。存在的时间为，ud1u3在这段时间以后，工作状态为110，和上面的分析相似，合成空间矢量变成了，它在空2u间上滞后的相位为，存在时间也是，以此类推，随着变换器工作状态的切换，1u33一个周期结束以后，的顶端刚好与尾端衔接，形成如图4-10所示的正六边形。618U2345U761132645图4-10基本空间电压矢量图当变换器单独输出时，电机的定子磁链矢量的始端会沿着平行于的方向移动，1U1U当移动至下一点时，如果改变输出为时，则定子磁链矢量的始端也会相应的进行改2变。如此循环下去，定子磁链矢量的运动轨迹就会是一个正六边形27。但是显然，按照上述的供电方式只能够形成正六边形的旋转磁场，不能达到我们要求的圆形轨迹。而解决这个问题的最简洁方便的方法就是我们不断增加正六边形的边数，使其变成正N边形，不断逼近于圆形。如果这样做的话，我们就需要通过利用六个非零矢量的基本电压矢量的线性组合来增加逆变器的开关状态。4.3.2SVPWM的控制算法如基本原理所述，可将SVPWM控制方案分为电压区间分配、矢量合成最佳序列选择和控制算法三个部分。其中控制算法会直接被三相电压的区间分配所影响，而矢量合成序列选择会关系到电压中谐波分量和开关损耗的大小。控制算法的主要步骤为：首先对所在扇区进行判断，其次计算组成矢量区域的两sU个相邻矢量作用的时间，最后即可根据作用时间合成三相PWM信号。其主要计算公式如下：1、对所在扇区N的判断：sU根据与之间的关系可得出：当时，则，否则；当01A0，；否则。这样103B时，则否则，时，则当3CA、B、C之间共有八种组合，但是由进一步分析可得A、B、C不可能同时为0或者1，所以实际上组合方式共有六种，最后取。N422、计算和、：ZYX、xTy（式4-dsdsUT)23(6）式中：、两个非零矢量的作用时间，其在不同扇区中则对应的矢量作用时间xTy也不相同，即取值不相同，应当遵循表4-1取值。同时对、赋值后还要进行饱和判xyT断25。判断公式为：若，。yxssyTTxx,则取)()yx表4-1、赋值表扇区号一区二区三区四区五区六区xTZY-Z-XX-YyY-XXZ-Y-Z3、空间矢量比较器切换点时间的计算：SVPWM的主要调制方式为连续开关调制模式。在每一扇区的PWM输出波形主要包括三角载波、三相输出的电压波形以及电压空间矢量序列。我们假设每一三角载波的幅值和周期均相等，且为产生PWM波形而与三角波进行比较的三个比较值，32cm1T、则为保证电压矢量持续的时间，应如下计算比较值：（式4-24321cmyxyxscyxsTT7）我们都知道，、在不同扇区中具体对应的矢量均由各扇区矢量顺序确定。但是xTy无论在哪一扇区，都对应最先作用的非零矢量，而另一个非零矢量的作用时间则对应。在一个载波中，这三个比较值的具体分配可由各扇区的PWM波形确yT32cm1T、定，而输出占空比最大的相应分配给，占空比最小的相则分配给。1c3cmT由上分析我们可得出如下结论：（式4-24aybcxysT8）则A、B、C三相在不同扇区内所对应的开关时间可查询表4-2进行32cm1T、赋值。表4-2切换点赋值表32c1mT、扇区号一区二区三区四区五区六区1cmTabTcccTa2caac3cccaa5交流励磁变速恒频风力发电机组并网控制随着风力发电机组单机容量的不断增大，在其并网时对电网的冲击也越来越大。这种冲击严重时不仅会引起电力系统电压的大幅度下降，而且可能会对发电机和机械部件（桨叶、增速器、塔架等）造成损坏。如果并网冲击时间过长，还有可能会使电力系统瓦解或者威胁其他挂网机组的正常运行。因此，采用合理的并网技术是一个不可忽视的问题。5.1风力发电机并网技术的概述发电机并网是风力发电系统正常运行的“起点”。在风力发电机组的启动阶段，需要对发电机的定子电压的幅值、频率和相位进行调节以适应电网电压来满足并网条件，使风力发电机组能安全顺利的切入电网，进入正常的并网发电运行模式。在这个阶段的主要要求是限制发电机的瞬变电流以避免对电网造成过大的冲击。当电网的容量大于发电机的容量25倍以上时，则发电机并网时的冲击电流可以忽略不计。但是目前风力发电机的单机容量已经发展到兆瓦级，并且还有继续增大的发展趋势，这样机组并网时对电网的冲击已不能被忽视。风力发电机组并网时所产生的冲击电流不但会引起电网电压的大幅度下降和造成风力发电机组部件的损坏等比较严重的后果，还有可能会造成电力系统的解列以及威胁到其他发电机组的运行。因此，必须通过合理的发电机并网技术来抑制并网冲击电流。目前国内外采用异步发电机的风力发电机组并网方式主要有以下几种：16（1）直接并网方式此并网方式只要求发电机转速达到99-100同步转速时即可并网，控制简单，并网容易。但是存在在并网瞬间出现三相短路的问题，这样供电系统将会受到4-5倍发电机额定电流的冲击，系统电压瞬时下降，并导致低电电压保护动作，并网失败。这种并网方式只适合发电机组容量较小或在在与大电网并网的场合。（2）准同期并网方式此并网方式是在转速接近同步转速时，通过电容进行励磁建立额定电压，并对其进行调节和校正，直到与电网电压的幅值、频率、相位一致时即可将发电机投入电网运行。这种并网方式类似于同步发电机准同步并网，虽然其冲击电流小，对电网电压的影响较小，但必须控制在最大允许的转矩范围内运行以避免网上飞车，因此较适合于电网容量比风力发电机组容量稍大的场合。（3）降压并网方式此并网方式通过在发电机与电网之间串电抗器来抑制合闸瞬间冲击电流、降低电网电压下降的幅度。但是由于电抗器、电阻等串联部件要消耗功率，所以在并网后进入稳定运行时需将其切除。这种并网方式只适用于小容量的机组并网。（4）捕捉式准同步快速并网方式此并网方式通过在频率变化中捕捉同步点进行准同步快速并网，并网速度快且可靠，对调速精度要求不高，基本能实现并网无冲击。但是相应的控制复杂，对转速也有一定的要求，因此适合于风力发电机组的转同步并网操作。（5）软并网技术此并网方式在发电机与电力系统之间安装了双向可控硅用作并网开关，通过控制其触发角来限制冲击电流。软并网方式是最近国外研究比较多的并网方式，也是目前风力发电机组普遍采用的并网方式，我国引进和自行开发研制生产的250KW、300KW、600KW的并网型异步风力发电机组都是采用这种并网技术，其并网平稳，不会出现冲击电流，但需要大功率半导体开关器件，控制复杂，成本较高32。从上述并网方式可以看出，现有的并网技术大多只适用于恒速恒频发电机组。但是由于变速恒频风力发电机组的运行特征和控制特性为发电机的并网控制提供了实现条件，因此是今后发展的方向，研究变速恒频风力发电机的并网技术具有非常现实的意义。5.2交流励磁变速恒频风力发电机并网控制风力发电机组与电网之间的连接有两种方式：一种是“刚性连接”，并网操作主要依赖于通过对机组转速的调节来实现并网，条件严格且比较困难；另一种是“柔性连接”，这种连接可根据电网电压、电流和DFIG的转速，通过控制机侧变换器来调节DFIG转子励磁电流，从而精确控制DFIG定子电压，使其满足并网条件。通常传统的恒速恒频发电技术与电网之间的连接采用第一种，而近年来发展起来的交流励磁变速恒频风力发电技术与电网之间为第二种，采用转子交流励磁后，DFIG和电网之间构成了“柔性连接”。本文将根据变速恒频风力发电机组的运行特点，把磁场定向矢量技术应用于DFIG的并网控制上。根据DFIG并网前的运行状态，其并网方式有两种：空载并网方式与带独立负载并网方式。在两种并网方式控制下，DFIG定子电压能迅速向电网电压收敛，并网冲击较小，并且这两种并网方式都允许机组转速在较大的范围内变化，因此均适用于变速恒频风力发电系统。15.2.1空载并网方式空载并网的思路是：并网前DFIG不带负载，定子电流为零，提取电网的频率、幅值、相位信息以此作为依据供DFIG控制系统实现励磁调节，使得DFIG定子空载电压的频率、幅值、相位与电网电压的相一致，空载并网方式控制结构如图5-1所示。变频器控制系统风轮叶片交流电网DFIGIGBT逆变K电网电压、电流反馈控制信号定子电压电流反馈控制信号图5-1空载并网控制图这种控制策略是一种较为理想的实现方案，其原理清晰、实现简单，能很好的实现定子电压控制。最重要的是在并网过程中定子的冲击电流很小，转子电流能够稳定过渡，从而实现变速恒频双馈发电机组的顺利并网。在并网之后，系统则会切换到调速控制，调速性能良好。5.2.2带独立负载并网方式带独立负载并网方式的基本思路是：并网前DFIG带载运行，定子有电流，根据电网信息和定子电压、电流对DFIG进行控制，在满足并网条件时进行并网。因此这种并网控制所需的信息不但取自于电网侧，同时还取自DFIG定子侧。负载并网方式控制结构如图5-2所示30。变频器控制系统风轮叶片交流电网DFIGIGBT逆变电网电压、电流反馈控制信号定子电压电流反馈控制信号转子电压电流反馈负载2K1图5-2负载并网控制结构图此时依然采用定子磁链定向方式，在定子磁场定向控制且忽略定子电阻。负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制，降低了对风力机调速能力的要求，但控制较为复杂。由以上分析和比较，如图5-3所示，负载并网控制过程可分为3个阶段：直流充电器IGBT逆变控制系统发电机升压元件交流电网预充电变压器K2K1图5-3负载并网控制1、励磁阶段。从电网侧引入一路预充电回路，接至交直交变换器的直流侧。当风速达到规定的转速要求之后，K1闭合，直流充电器通过预充电变压器给交直交变换器的直流侧充电。充电结束之后，机侧变换器开始工作，供给双馈电机转子侧励磁电流。此时，控制双馈电机定子侧电压逐渐上升，直至输出电压达到额定值，励磁阶段结束。2、预并网运行阶段。首先将K1断开，然后启动网侧变换器，使之开始升压运行，将直流侧升压到所需要的值。此时，能量在机侧、网侧变换器以及双馈电机之间流动，共同组成了一个局部循环运行方式。3、并网阶段。由于在局部循环运行阶段，定子侧电压的幅值、频率和相位都与电网侧相同。所以此时闭合开关K2，电机与电网可实现无冲击并网。并网之后，可通过调节风机的桨距角来增加风机输入的能量，从而达到发电的目的。5.2.3两种并网方式的比较交流励磁变速恒频风力发电机的两种并网控制方式最终作用是相同的：调节DFIG的定子电压使其在幅值、频率和相位上与电网电压的达到高度一致，使DFIG安全、可靠的并入电网，降低甚至是消除对电力系统电压的冲击。DFIG并网控制是DFIG运行控制的一部分，其与DFIG的发电控制共同实现了DFIG的完整控制，即在并网之前对DFIG实行并网控制，在并网之后对DFIG实行发电控制。控制策略变换如图5-4所示。17图5-4并网时DFIG控制策略的切换两种并网方式的主要差别在于并网前的运行方式有所不同：1、由于空载并网方式在并网前发电机不带负载，因此不参与调节能量和转速。同时为了防止在风力发电机组并网前发生能量失衡而引起转速失控，应由风力机来控制机组的转速。2、与空载并网方式不同的是，负载并网方式在并网前发电机接有负载，发电机可以参与风力机的能量控制和速度。其对能量的控制主要表现在两个方面：一方面通过改变发电机的负载来调节发电机的能量输出，实现了发电机能量的“粗调”；另一方面在负载一定的情况下，通过改变发电机的转速来改变发电机内部的能量分配关系，实现了对发电机能量的“细调”。从上述对两种并网方式的比较可以看出，对风力发电机要求比较高的并网方式是空载并网方式，因其需要风力机具有足够的速度调节能力。而负载并网方式发电机具有一定的能量调节能力，可与风力机配合实现转速的控制，降低了对风力机调速能力的要求，但控制较为复杂。6变速恒频双馈风力发电系统控制策略的仿真研究在前文对变速恒频双馈风力发电系统控制策略进行详细研究的基础上，本文另一重要环节就是对控制算法进行仿真。系统仿真一方面可以验证算法的正确性，另一方面也易于发现系统原型中存在的问题，及时对模型进行更改，进一步优化参数。本文中选用集数学计算、结果可视化和编程于一身的强大数学和工程运算软件MATLAB来实现。本文对变速恒频双馈风力发电系统控制策略的仿真主要分为两种情况一台2200W风力发电机控制系统在风速不断变化、电网电压恒定情况下的控制效果六台1.5MW风力发电机风速恒定、电网电压发生跌落情况下的控制效果。6.1单台变速恒频双馈风力发电系统仿真风力发电内部结构如图6-1所示，上方为主电路部分，下方为控制系统部分。电机采用异步电机模型，在对话框中选择转