双馈风力发电机基于定子磁链的矢量控制系统设计

1、辽宁工程技术大学 微电网技术课程设计 设 计 题 目：双馈风力发电机基于定子磁链的矢量控制系统设计 院（系、部）： 电气与控制工程学院 专 业 班 级： 智能电网信息工程 姓 名： 苏小平 学 号： 1305080116 指 导 教 师： 刘春喜 宋立业 日 期： 2016-10-12 电气工程系课程设计标准评分模板课程设计成绩评定表学期2016/2017第一学期姓名苏小平专业智能电网信息工程班级电网13-1课程名称 微电网技术设计题目 双馈风力发电机基于定子磁链的矢量控制系统设计 成绩 评分项目优良中及格不及格设计表现1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少

2、量违反严重违反3.独立工作能力强较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上设计说明书5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体

3、、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整图纸8.绘图效果很出色较出色一般较差很差9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容

4、要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩： 评定教师签字：课程设计任务书一、设计题目双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制系统设计二、设计任务1、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制原理分析。2、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制系统结构分析。3、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制系统实现。4、双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制系统仿真验证。三、设计计划微电网技术课程设计共计1周内完成：1、第12天查资料，熟悉题目；2、第35天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；3、第6天准备答辩；4、第7天答辩。四、设计要求1、设计工作

5、量为完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度计划按期完成；3、设计说明书必须满足微电网技术课程设计格式要求后方可答辩。指 导 教师： 刘春喜 宋立业教研室主任： 宋立业时 间： 2016年 11月25日摘要此次课程设计采用的是双馈风力发电机（DFIG）实现变速恒频发电。首先分析了DFIG变速恒频发电的基本原理，为全文的研究奠定了理论基础，推导双馈风力发电机在三相静止坐标系abc下的数学模型，通过坐标变换得到两相同步旋转坐标系dq下的数学模型，从而简化了双馈风力发电机各变量之间的关系，通过matlab/sinmulink搭建仿真，证实数学模型的正确性。接着基于定子磁链定向实现双馈风力发电有功与无

6、功解耦控制和并网控制，实现简单，动态性能和鲁棒性较好。最后针对定子侧和网侧变换器在功能和控制上的异同，采用双pwm型变换器控制方案，进而实现定子侧变换器功率控制和网侧直流电压控制。关键词：双馈风力发电；变速恒频；坐标变换；磁链定向 目录第一章 绪论11.1 风力发电的现状11.2 本文的主要研究内容1第二章 双馈风力发电机的基本理论22.1 DFIG的特点22.2 DFIG变速恒频运行的基本原理2第三章 交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制策略研究43.1 基本的坐标变换关系43.2 同步旋转坐标系下双馈发电机数学模型43.3 DFTG励磁系统矢量控制方法53.4 矢量控制系统结构框图6第四章

7、变速恒频风力发电系统仿真研究84.1 坐标变换仿真84.2 变速恒频风力发电系统仿真模型9第五章 结论11参考文献12第一章 绪论1.1 风力发电的现状随着经济高速发展对电能依赖程度的增加，电力系统的规模不断加大，结构也日渐复杂。近年来，随着节能和环保压力不断加剧，合理有效地利用新能源已成为重中之重，同时，可再生能源发电在发电系统中所占比重逐渐增加，尤其是资源丰富且技术相对成熟的风力发电。根据国家能源局制定的可再生能源发展“十二五”规划1中的风力发电发展规划,中国风力发电2015年并网装机容量将达到1亿kw，年发电量超过1900亿kw·h；2020年将达到2亿kw。文献2中提出风力发

8、电是新能源发展技术中最成熟、最具有规模开发和最具有商业化发展前景的发电方式。文献3提出目前，大型风电技术中，主流技术和首选方案是采用交流励磁双馈型变速恒频风电系统，而中小型机组可以选用交-直-交型的风电系统，同时，风电技术正朝着大容量、低成本、高效率、长寿命、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展。文献4提出世界风能陆上资源储量约4×104TW·h，该值为世界电力需求的2倍以上，而海上资源储量为陆上的10倍，陆上风电机组商业装置的设备利用率必须达到20%25%，海上风电机组建设费用上升，达到成本核算有利水平的设备利用率需35%40%，欧洲海上风电机组的设备利用

9、率已有数例大幅度超过40%。1.2 主要研究内容本次课程设计所讲的双馈异步电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机的调节量有三个，励磁电流幅值、频率和相位。通过改变励磁频率，可以改变发电机的转速，达到调速的目的。通过改变转子励磁的相位时，可以改变电机的功率角，进而可调节有功、无功功率。本文所讲述的时一种基于定子磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功和武工队的独立解耦控制，是一种主流控制手段。第二章 双馈风力发电机的基本理论2.1 DFIG的特点由于交流励磁电机有三个可调量，通过励磁调节，不仅保持了同步机的可以调

10、无功功率的优势，还能调速、调节有功功率，因此他的应用范围很广泛。双馈发电机具有三种运行状态：（1） 超同步运行状态，就是转子转速超过电机的同步转速时的一种运行状态，是正常发电状态。（2） 亚同步运行状态，就是转子转速低于同步转速时的运行状态，又称为补偿发电状态，正常情况作为电动机运行，但是可以在转子贿赂通入励磁电流使其正常工作于发电状态。（3） 同步运行状态，就是转子转速与同步转速相等的运行状态，与普通的同步电机一样。2.2 DFIG变速恒频运行的基本原理如图1所示，双馈型变速恒频风力发电机的定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流。当稳态运行时，定子旋转

11、磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止5。图1 双馈型风力发电机基本原理设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 n1 称为同步转速，它与电网频率f1及电机的极对数p的关系如下：（2-1） 同样在转子三相对称绕组上通入频率为fs的三相对称电流，所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： （2-2） 由式2-2可知，改变频率fs，即可改变n2，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设n1对应于电网频率50HZ时双馈发

12、电机的同步转速，而n为电机转子本身的旋转速度，则只要维持，见式1-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终保持为f1不变。 （2-3） 双馈电机的转差率，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为：（2-4） 公式2-4表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即f1s）的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50HZ的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。第三章 交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制策略研究 矢量控制技术是交流传动调速系统实现解祸控制的核心、,它通过电机统一理论和坐标变换

13、理论,把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系的励磁电流分量和与之相垂直的转矩分量,然后分别对它们进行控制使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能7。针对交流励磁双馈发电机来说，电机定、转子的电流分别时工频和转差频率的交流量，是一个强耦合系统，因此我们可以应用矢量控制技术对其进行解耦控制，将实际的交流量分解成为有功和无功分量，并对其进行控制。3.1 基本的坐标变换关系 坐标变换过程如下： 三相静止坐标系（a b c 坐标） 两相静止坐标系（ 坐标） 两相旋转坐标系（d q 坐标系）。（1） 由三相静止坐标系abc变换至两相静止坐标系 的变换阵： （3-1） （2）由静止两相坐标系 到以

14、任意转速旋转两相坐标系d q的变换阵： （3-2）其中，。（3）由三相静止坐标系abc到任意转速旋转两相坐标系d q的变换阵： （3-3）3.2 同步旋转坐标系下双馈发电机数学模型在两相同步旋转坐标系下的电机数学模型：定子电压方程（3-4）转子电压方程（3-5）式中。 定子磁链方程（3-6） 转子磁链方程（3-7） 定子有功和无功功率方程（3-8） 转子有功和无功功率方程（3-9）3.3 DFTG励磁系统矢量控制方法图2 坐标关系空间矢量图 如图2为坐标关系示意图，并网运行的双馈风力发电机，其定子绕组电流始终运行在工频50HZ，在这样的频率下，定子绕组的电阻比其电抗要小的多，因此，通常可以忽略

15、电机定子绕组电阻。略去定子电阻以后，发电机的定子磁链矢量与定子电压矢量的相位正好相差90度，由同步旋转d q 0 坐标系下的定子电压方程可以验证这一点，如果取定子磁链矢量方向为d q 0坐标系d 轴，则定子电压空间矢量正好落在超前d 轴90度的q轴上。通过以上分析可以得出如下结论：（3-10） 将上式代入定子输出功率方程，有：（3-11） 将上式代入定子磁链方程，有：（3-12） 根据上式推导转子电压、电流和、关系从而实现对定子有功、无功的控制。 转子电压与转子电流关系： （3-13）其中，。3.4 矢量控制系统结构框图通过定子磁链定向矢量控制系统解耦，这为后面的控制系统软件建模提供了方便。如

16、图3定子磁链定向矢量控制系统解耦关系的框图，从图中可以看到整个系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，有功功率指令、无功功率指令与功率反馈值P、Q比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功分量及有功分量指令、；和按（3-12）式计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令、；、和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后输出电压分量、；加上电压补偿分量后就可获得转子电压指令、；将他们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路开关管IGBT的通断，从而实现变速恒频及有、无功功率的独立调节控制6。图3 定子磁链定向矢量控制系统解耦关系的框图上

17、图中所示变频器为双PWM变频器，应用本节所述的控制方法对转子侧变换器进行控制，实现了双馈风力发电机定子有功功率和无功功率的解耦控制。通过上面的分析我们可以认为,电机中的旋转磁场矢量可以由产生它的三相交流电来控制,我们把这个旋转矢量概念加以推广一,就得到电压矢量、电流矢量、磁场矢量等等。矢量控制就是通过对交流电流的控制来达到控制目标矢量空间的位置,使之能满足我们的要求。交流电机中的各种电磁量的关系,基本上都可以用各自相应的矢量来描述,它们之间的制约关系,也可以从矢量的分析得到。第四章 变速恒频风力发电系统仿真研究 由于时间与精力有限，本章详细的对坐标变换利用MATLAB/sinmulink建模并

18、进行了仿真验证，而对于双馈风力发电机的定、转子矢量控制只是建立好了模型，而未进行仿真验证。4.1 坐标变换仿真 由三相静止坐标系abc变换至两相静止坐标系 的变换。 如图4三相静止坐标变换至两相静止坐标模型，其中输入端为幅值220V频率50HZ相位依次滞后120°的三相正弦量，经过已经封装好的变换模块，输出以两相静止坐标系的变换量。示波器所显示的输出仿真结果见图6。图4 三相静止坐标变换至两相静止坐标图5 输入端三相电压图6 三相变两相仿真结果从仿真结果来看，在输入端输入三相正弦量经坐标变换之后输出变为两相电压量，并且式以两相静止坐标为坐标系的 量。由静止两相坐标系 到以任意转速旋转

19、两相坐标系d q的变换仿真。如图7两相静止坐标变换为两相旋转坐标模型，其中输入端为模型的输出量，经过已经封装好的变换模块，输出为以两相旋转坐标系d q的变换量。示波器scope2所显示的输出仿真结果见图8。图7 两相静止坐标变换至两相旋转坐标图8 两相静止变两相旋转仿真结果从仿真结果来看，在输入端输入三相正弦量经坐标变换之后输出变为两相电压量，并且是以两相旋转为坐标系的d q量。输出的直流分量一个是0即为d轴分量，另一个是负值大概为260，即为q轴分量。4.2 变速恒频风力发电系统仿真模型转子侧换流器实现了双馈风力发电机定子有功功率和无功功率的解耦控制。网侧换流器矢量控制用于维持直流母线电压在

20、一个恒定值，而与转子功率的方向及大小无关，并根据整个风电机组对无功功率的要求对参考值进行控制。如图9为发电系统的部分模型，而仿真结果还在进一步研究中。图9 发电系统模型我们知道标准的三相交流电流通过对称的三相绕组时能产生一个旋转磁场,这个旋转磁场的频率(或者称为转速)是和交流电流的频率是一致的,它的幅值是其中某一相电流幅值的1.5倍,这个磁场(或电流)是一个有大小,方向可旋转的物理量,被称为磁场矢量(或电流矢量),通过改变交流电流的频率幅值、相位以及相序,可以方便的控制磁场矢量的转向、大小及空间的相对位置。从物理上看,该磁场矢量是和一个可旋转的由一个单一直流线圈产生的磁场相等效。通过改变直流线

21、圈中的电流来改变磁场的大小。通过控制线圈的转速、位置、转向来改变磁场的变化。换句话说,静止的三相对称交流电产生的磁场和旋转的直流电流产生的磁场等效。在图9所示的发电系统模型中所使用的异步电动机模块有一个输入端子、6个电气连接端子和一个输出端子。输入端子Tm为转子轴上的机械转矩，可直接连接sinmulink信号，机械转矩为正时，表示异步电动机运行在电动机状态，机械转矩为负时，表示异步电动机运行在发电机状态，电气连接端子A、B、C为电机的定子电压输入，可直接连接三相电压，电气连接端子a、b、c为转子电压输出，一般短接在一起或者连接到其他附加电路中，输出端子m输出一系列电机内部信号。第五章 结论风力

22、发电是一种新型可再生清洁能源，有着广阔的开发利用前景，尤其是当今资源不断枯竭，环境不断的恶化，可再生能源的利用将成为以后的发展重点。尤其是以新型电力电子装置为代表的高新技术将爱风电系统中占主要组成部分。本文主要致力于风力发电系统及其矢量控制，主要进行到了对于坐标变换的仿真验证，而对于风机整个系统还未完成，针对本次课设，主要做了以下几个方面的工作：查阅了大量文献，掌握了风力发电的现状，具有国家政策的支持，并且应用前景将及其广泛。同时提出了自己本次课设的研究内容，即双馈风力发电机的定子磁链矢量控制。学习双馈风力发电机的基本理论，首先了解双馈风机通过励磁调节，不仅保持了同步机的可以调无功功率的优势，还能调速、调节有功功