交流励磁变速恒频风力发电讲义

1、交流励磁变速恒频风力发电（讲义） 浙江大学电气工程学院 刘其辉 一 发展风力发电的必要性1. 能源危机与环境危机（1）能源危机：煤炭石油等矿物资源是不可再生能源，世界储量有限。随着 经济的发展，不可再生能源的消耗量越来越大，储量日益减少，价格迅速上升， 日益严重的能源匮乏给全球经济带了危机。能源危机的主要表现：石油价格的不 断上升；中国 “电荒 ”现象。据估计，世界煤炭还能烧 230年，我国只能烧 70年； 世界石油还能用 40 年，我国才不足 20 年。（2）环境危机：伴随着经济的快速发展和能源的大量消耗，地球环境和生态系 统受到了前所未有的破坏。煤炭石油的燃烧释放了大量二氧化碳，导致全球变

2、 暖，酸雨增多，进而造成了气候恶化，植被遭到破坏，洪涝灾害增多等恶果。2. 可持续发展战略与风力发电（1）解决能源危机与环境危机的途径就是实施可持续发展战略，大力开发可再 生绿色能源。太阳能风能水力都属于绿色能源，储量巨大，可以再生，取之 不竭用之不尽，不污染环境。（2）风力发电是通过风力机将风能转换为机械能后，进而通过发电机转化为电 能的过程，是一种重要的绿色能源开发形式，受到了广泛的重视。（3）风力发电的优越性： A.风能储量巨大，全球的风能约为 2.74 109MW，其 中 可利用的风能为 210MW，比地球上可开发利用的水能总量大 10倍.B 相比火 电，风电为绿色能源，无污染。 C

3、相比水电，风电不需要开山辟河，破坏生态环 境。D 相比于太阳能发电，风电造价低，技术成熟。 E 相比于核电，风电安全可 靠，无核泄漏危险。 7 二 风力发电的种类1. 按采用的发电机分（ 1） 采用同步发电机：控制转速或定子侧全额频率变换（2） 采用鼠笼式异步发电机：需要定子侧励磁，需要全额功率的变频器或电容 器。（3）采用双馈型异步发电机：转子侧励磁，励磁电源功率小，发电机控制灵活， 无功功率调节能力强。2. 按发电方式分（ 1） 恒速恒频 （CSCF）发电方式 :传统的发电方式，采用直流励磁，水电火电等（ 2） 变速恒频 （VSCF） 发电方式 :先进的发电方式 ,采用交流励磁，优点很多：

4、 A.提高能量转换效率。 B. 减少机组磨损，延长运行寿命。 C.便于并网。 三 交流励磁变速恒频风力发电1. 交流励磁变速恒频发电技术（1）概念：在发电机组转速变化的情况下，对发电机进行幅值频率和相位均 可调的交流励磁，从而保证发电机输出满足电网要求的恒频电能的发电技术，称 作交 流励磁变速恒频发电技术。在风力发电水利发电中有广阔的应用前景。（2）实现方案： A. 发电机：一般采用双馈型异步发电机，从转子侧进行交流励 磁。B.励磁用变频器： DSP 控制系统电力电子器件 （IPM/IGBT） 。 （3）交流励磁变速恒频技术在风力发电中的优点： A. 交流励磁变速恒频技术使 得追踪最大风能成为

5、可能。 B. 通过变速，可以优化机组运行状况，减少磨损。 C. 在各种风况下可以安全地并网2. 交流励磁变速恒频风力发电机的控制（1）目的与手段： A.通过改变交流励磁电压、电流的频率实现变速恒频。 B.通 过改变交流励磁电压、电流的幅值和相位实现发电机输出有功功率、无功功率的 解耦控制，并可在此基础上进行最大风能追踪控制。（2）结构：图 1 交流励磁变速恒频风力发电系统结构（3）变速恒频原理式中： f1定子绕组电流频率； f2转子绕组电流频率； n转子旋转的转速； p电机的极对数。其中， “+”用于亚同步运行， “”用于超同步运行。从这个关系式可以看出，当转 子转速 n变化时，可调节转子的供

6、电频率 f2，保持 f1 不变，即保证定子侧电压频 率不变，与电网一致。（4）有功、无功功率解耦控制的原理图 2 坐标变换系统用在电动机控制上的磁场定向矢量控制技术的目的使实现转矩和磁通的解耦控 制，将其应用到发电机的控制上，可以实现发电机输出有功、无功功率的解耦控 制。利用坐标变换（图 1）和矢量控制技术， m 轴定向到定子磁链矢量方向上，在工 频条件 下可忽略定子电阻，则发电机端电压矢量 U1 滞后于定子磁链矢量，即位于 t 轴的负方向上。此时， m1=1，t1=0， ut1=u1， um1=0，发 电机的功率方程为（1）可以看出，有功功率 P无功功率 Q 分别与定子电流在 m、t 轴上的

7、分量成正 比，调节转矩电流分量 It1 和励磁电流分量 Im1 可分别独立调节 P 和 Q。 根据发电机在 m-t 坐标系上的电压和磁链方程可以得到转子励磁电压为：（2） 是分别与 Im2It2 具有一阶微分关系的电压分量，其中 Um Um2 Ut2 为电压补偿分量。即）（4）其中： a=-Lm/Ls， b=Lr-Lm2/Ls 。 为实现转子电压电流解耦控制的解耦项， Um2Ut2 为消除转 子电压 Um 电流交叉耦合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控 制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。按（1）式（ 4）式可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制策 略，

8、如图 2。图 3 变速恒频风力发电机矢量控制系统框图 四 交流励磁变换器1. 交流励磁变速恒频风力发电机对励磁电源的要求（1）要求良好的输出谐波小。发电机转子侧的谐波会通过发电机定转子之间的 耦合作用被放大到定子侧，影响发电机输出质量，所以要求励磁电源的谐 波较少。（2）要求良好的输入特性，高功率因数运行，减小对电网的影响。（3）具有能量双向流的能力。因为双馈型异步发电机在亚同步运行和超同步运 行时，能量分别由电网流入发电机转子和由发电机转子流入电网。1. 交流励磁变速恒频风力发电励磁电源的类型（1） 交交变换器晶闸管相控交 -交变频器通常由反并联的晶闸管相控整流电路构成，虽然功率可双 向流动

9、，但含有丰富的低次谐波，输入、输出特性不理想。通常6 脉波三相桥式电路输入功率因数低，输出电压中低次谐波含量大，而 72 管结构的 12 脉波变频 器结构、控制复杂。（2） 矩阵式交交变换器 这也是一种直接变频电路，所用开关器件为全控型，主电路结构简单。输出频率 不受限制，可获得正弦波的输入和输出电流，可在接近于 1 的功率因数下运行， 能量可双向流动。但器件发展还不成熟，控制方法还不完善。（3）双 PWM 交直交变换器双 PWM 交-直 -交变换器不仅有良好的输出性能，谐波少，而且大大改善了输入 性能，可获得任意功率因数的正弦电流。其次，因其直流环节有电容，可以在输 入功率因数为 1 的情况

10、下为发电机转子提供无功功率。同时它又具有能量双向流 动的能力，是一种理想的变速恒频风力发电机转子励磁要求的变频电源。2. 励磁用双 PWM 交直交变换器的功能划分（1） 网侧变换器：控制输入功率因数，控制直流母线电压。（2） 机侧变换器：为发电机提供交流励磁电压，实现发电机变速恒频运行和有 功、无功功率的解耦控制。图 4 转子交流励磁用双 PWM 变频器的主电路 五 交流励磁变速恒频风力发电机 的并网控制 利用矢量控制的思想，同时可以进行交流励磁变速恒频风力发电机的并网。双馈 发电机和电力系统之间构成的是 “柔性连接 ”，即可根据电网电压和发电机转速来 调节励磁电流，进而调节发电机输出电压来满

11、足并网条件（幅值、频率和相 位），可在变速条件下实现并网。下面简要讨论在定子磁链定向和发电机空载情 况下的并网控制方法。类似于发电机有功、无功功率的解耦控制， m1=1，t1=0，ut1=u1， um1=0； 空载下更有 im1= it1=0，由发电机方程可推得（5）（6）（7）（8）由此可导出变速恒频风力发电机空载并网控制策略，如图 5 所示图 5 变速恒频发电机空载并网控制框图六 交流励磁变速恒频风力发电实验系统简介交流励磁变速恒频风力发电是一个多学科交叉庞大复杂的机电能量转换技术， 包含了流体与机械力学、电工学与电子学、控制理论与微机控制等众多学科的知 识。我们的研究是从整个系统的要求出

12、发，多方位深层次地研究了变速恒频风 力发电系统发电机控制系统的理论知识和实践技术。研究的主要内容有：最大风 能捕获追踪控制、变速恒频发电机矢量控制、变速恒频风力发电机并网技术，发 电机励磁电源 双 PWM 变频器等。交流励磁变速恒频风力发电实验系统结构如 图 6 所示。整个系统包括发电机控制子系统、风机模拟子系统以及并网、电能质量改善和主 机监控管理程序等环节。1 发电机控制子系统： 发电机控制子系统为实验系统的核心系统，采用双 DSP双变换器结构。其中 DSP2 负责控制网侧 PWM 型变换器，实现双 PWM 励磁电源输入功率因数和直流 母线电压的控制； DSP1负责控制机侧 PWM 型变换器，通过为发电机提供转子侧 的交流励磁实现对发电机的控制。2. 风力机模拟子系统 为了更好的在实验室条件下模拟风机的实际运行，专门进行了用直流电动机模拟 风力机的研究，并构成了风力机模拟控制子系统。它由 PCI AD 卡晶闸管调速 器直流电动机组成。3. 主机监控管理程序主机监控管理程序有两个任务： A.作为 DSP 的上位机，监