交流励磁变速恒频风力发电技术

1、到到2006年底，全球装机容量达到年底，全球装机容量达到 kW。在最近的在最近的5年内，风力发电以约年内，风力发电以约30的增长率逐年递增。的增长率逐年递增。风力发电的发展现况风力发电的发展现况风力发电的发展现况风力发电的发展现况现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高度集成了现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高度集成了空气动空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、继电保护技术、力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯先进控制

2、技术和数据通讯等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统。等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统。风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况发展趋势发展趋势MWMW级单机容量的发电系统运行级单机容量的发电系统运行风力机的变桨距功率调节方式风力机的变桨距功率调节方式发电机的变速恒频发电方式发电机的变速恒频发电方式风力机与发电机直接驱动方式风力机与发电机直接驱动方式从陆地到海洋拓展从陆地到海洋拓展电网故障下风电系统的不间断运行方式电网故障下风电系统的不间断运行方式风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况风力发电技术的分类风力发电技术的分类 定浆矩 变浆矩 恒速恒频 变速恒频定浆矩 恒速恒

3、频定浆矩定浆矩变速恒频变速恒频变浆矩 恒速恒频变浆矩 变速恒频风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况全功率全功率变换的变速恒频风力发电系统（含齿轮箱）变换的变速恒频风力发电系统（含齿轮箱）风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况全功率全功率变换的变速恒频风力发电系统变换的变速恒频风力发电系统（永磁直驱型永磁直驱型）风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况转差功率转差功率变换（变换（双馈异步发电机双馈异步发电机 ( (DFIG )DFIG ) ）变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统风力发电技术的发展概况风力发电技术的发展概况变速恒频双

4、馈发电技术变速恒频双馈发电技术2160mn pffDFIG运行控制运行控制恒定恒定n nmmf f2 2 双馈异步发电机双馈异步发电机 (DFIG )运行控制运行控制最大风能追踪机理最大风能追踪机理并网控制区域风力机变浆矩运行，控制机组转速，同时对发电机进行并网控制转速控制最大风能追踪区域控制机组转速以追踪最大风能，风能系数保持恒定，为最佳值转速控制转速限制区域转速控制风力机变浆矩运行，控制机组转速为最高转速，防止转速越限。风力机变浆矩运行，控制机组功率为最大功率，防止功率越限。功率控制功率限制区域额定风速323128opvwpwpPC PS v CD v C风力机输入风能，输出机械能。其输出

5、功率为：风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：其中其中C Cp p为风能转换系数，与叶尖速比为风能转换系数，与叶尖速比、浆叶节距角、浆叶节距角有关。有关。 w wR Rw w/v/v。3maxwwPk风力机风力机最佳功率最佳功率为：为：最大风能追踪机理最大风能追踪机理1.实现最大风能追踪，本质就是在风速发生变化时调节机组转速调节机组转速，保持最佳叶尖速最佳叶尖速比比。2.实现最大风能追踪，可以通过风力机控制实现，也可以通过发电机控制实现可以通过发电机控制实现。3.实现最大风能追踪，可以检测风速，也可以不检测风速不检测风速。 采用不需要检测风速、通过发电机功率控制实现最大风能追踪的方案。其原

6、理原理是：通过控制发电机输出功率来控制机组通过控制发电机输出功率来控制机组转速，以求在风速变化时保持最佳叶尖速转速，以求在风速变化时保持最佳叶尖速比，实现最大风能追踪。比，实现最大风能追踪。最大风能追踪机理最大风能追踪机理DFIG的控制目的：实现P、Q解解耦控制耦控制，进而实现最大风能追踪最大风能追踪将矢量变换技术矢量变换技术移植到DFIG控制上，导出基于定子磁链定向基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略。 最大风能追踪机理最大风能追踪机理须建立M-TM-T同步旋转坐标系中同步旋转坐标系中DFIG数学模型数学模型定子电压方程: 111111111111mttttmmmpirupiru22222

7、22222msttttsmmmpirupiru转子电压方程: 定子磁链方程: 转子磁链方程: 11121112mmmmttmtL iL iL iL i21222122mmmmtmttL iL iL iL i )(2121mttmmneiiiiLpT转矩方程: 运动方程: dtdJTTremDFIG运行控制运行控制在定子磁链定向定子磁链定向下： 10R 、10mu 、11tuu 、1m1、0t111110pu21111211()mmmttmiLiLLiiL21122222mmttaa ia i其中11/maLL 、2221/maLLL最大风能追踪机理最大风能追踪机理根据DFIG数学模型数学模型得

8、 定子磁链定向条件下转子电压方程为 其中 前者前者是分别与是分别与im2i it2具有一阶微分关系的解耦分量，具有一阶微分关系的解耦分量，后者后者为补偿分量。由为补偿分量。由此可设计出此可设计出基于定子磁链定向的基于定子磁链定向的DFIGDFIG的的P P、Q Q解耦矢量控制策略解耦矢量控制策略。 定子磁链定向下发电机的功率方程为 222222mmmtttuuuuuu 22222222()()mmttuRa p iuRa p i 22221122ms ttss muaiuaai 11 1111tmPu iQu i 11111111 11ttmmtmmtPu iiQiu iuu定子磁链定向 有功

9、功率无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量转矩电流分量i it1和励磁电流分量励磁电流分量i im1可分别独立调节有功有功和无功无功功率。最大风能追踪机理最大风能追踪机理10mu 11tuu最大风能追踪机理最大风能追踪机理基于定子磁链定向的基于定子磁链定向的DFIG的的P、Q解耦矢量控制解耦矢量控制最大风能追踪机理最大风能追踪机理最大风能追踪机理最大风能追踪机理P1=2000W,Q1=0VarP1=0W,Q1=3000VarP1=0W,Q1=-3000VarP1=2000W,Q1=3000Var最大风能追踪机理最大风能追踪机理nm=850r/minnm=1000r/m

10、innm=1100r/min最大风能追踪机理最大风能追踪机理nm=850r/minnm=1000r/minnm=1100r/min最大风能追踪机理最大风能追踪机理P1=0to2000W,Q1=0VarP1=0,Q1=-2000Var to 2000VarP1=1000w,Q1=2000Var to -2000Var最大风能追踪机理最大风能追踪机理追踪阶跃式最大风能过程中DFIG定、转子电流最大风能追踪机理最大风能追踪机理最大风能追踪过程中机组转速、风速；输出功率最大风能追踪过程中机组转速、风速；输出功率最大风能追踪机理最大风能追踪机理P P、Q Q解耦实验波形解耦实验波形最大风能追踪机理最大风

11、能追踪机理柔性并网技术柔性并网技术 空载并网实质是空载并网实质是提取电网的电压信息，采用提取电网的电压信息，采用矢量变换技术矢量变换技术对发电机进行控制，调节其空对发电机进行控制，调节其空载电压使其满足并网条件载电压使其满足并网条件。空载时DFIG定子电流为零，即110mtii，代入DFIG一般数学模型，得到空载数学模型：11111111mmtttmupup 2222222222mmmsttttsmuR ipuR ip 定、转子电压方程：柔性并网技术柔性并网技术柔性并网技术柔性并网技术定、转子磁链方程：1212mm mtm tL iL i 222222mmttL iL i12121122mmm

12、m ttm mmtuL piL iuL iL pi222222222222()()mmsttsmtuRL p iL iuL iRL p i整合电压方程与磁链方程得到：0eT gggmlmmnnnJDKdTpdtpp转矩、运动方程：仍然采用定子磁链定向定子磁链定向，将m轴定在定子磁链矢量的方向，忽略定子电阻。此时有： 10R 、10mu 、11tuu 、1m1、0t1成立。11110up柔性并网技术柔性并网技术U1= 11表明: 工频下磁链定向时的发电机定子磁链为定值，端电压U1正比于定子磁链1。发电机空载时，定子电流为零，即im1=it1=0，可由发电机电压磁链方程得到代入发电机转子电压方程,

13、得由此可建立交流励磁变速恒频风力发电机空载并网控制策略空载并网控制策略。1220m mtL ii 22220mmtL i222222222222()()mmstttsmuRL p iL iuRL p iL i柔性并网技术柔性并网技术nm=850r/min亚同步nm=1000r/min同步速nm=1100r/min超同步柔性并网技术柔性并网技术电网电压与DFIG定子电压并网瞬间定、转子电流无冲击电流无冲击mn 1100r/min mn 850r/min 柔性并网技术柔性并网技术交交- -直直- -交电压源、电流源并联混合型变换器交电压源、电流源并联混合型变换器晶闸管相控交晶闸管相控交- -交变换

14、器交变换器两电平电压型双两电平电压型双PWMPWM变换器变换器矩阵式变换器矩阵式变换器普通钳位谐振软开关变换器普通钳位谐振软开关变换器(NCC (Natural Clamped Converter)(NCC (Natural Clamped Converter)多电平变换器多电平变换器DFIG转子PWM侧变换器网侧PWM变换器电网DFIGDFIG转子侧的有功功率流向与发电机转子侧的有功功率流向与发电机运行区域运行区域有关。有关。DFIGDFIG亚同步运行亚同步运行时，功率由电网流入转子；时，功率由电网流入转子；超同步运行超同步运行时，由转子流入电网。时，由转子流入电网。转子变频器须有转子变频器

15、须有功率双向流动功率双向流动能力能力亚同步运行亚同步运行超同步运行超同步运行uiuinm=1000r/min同步速nm=850r/min亚同步nm=1100r/min超同步优良的变速恒频励磁特性优良的变速恒频励磁特性定向基准为电网电压定向基准为电网电压电网故障时将失控电网故障时将失控考虑到两变换器的控制方式考虑到两变换器的控制方式 5057705650577056国家高技术研究发展计划（国家高技术研究发展计划（863863计划）计划） 20077AA0520077AA05专题课题专题课题 适用于德国电网的适用于德国电网的低电压穿越标准低电压穿越标准EON 规定了：在电网电压跌落到某一幅值时，风

16、力发电机能否跳机，规定了：在电网电压跌落到某一幅值时，风力发电机能否跳机， 以及与电网维持连接多长时间方可跳机。以及与电网维持连接多长时间方可跳机。 DFIGDFIG低电压穿越运行的控制目标：低电压穿越运行的控制目标： (1) 保持保持电网故障期间不脱网运行电网故障期间不脱网运行，以防发电，以防发电机从电网解列引发弱电网更大的后继故障；机从电网解列引发弱电网更大的后继故障； (2) 保持连续、稳定地保持连续、稳定地提供无功功率提供无功功率以协助电网以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能；电压恢复，减小电网电压崩溃的可能； (3) 释放故障能量，抑制短路电流，释放故障能量，抑制短路电流，保护励磁变保护励磁变频器和直流母线电容频器和直流母线电容； (4) 保持电磁转矩瞬态幅值保持电磁转矩瞬态幅值在转轴和齿轮可承受在转轴和齿轮可承受范围之内范围之内(约约22.5倍额定转矩倍额定转矩)； (5) 延缓转速上升延缓转速上升，防止飞车。，防止飞车。带带 Crowbar Crowbar 保护的变速恒频双馈异步风力发电系统保护的变速恒频双馈异步风力发电系统 示意图示意图提出新型双提出新型双dqdq PLL PLL 解决电网电压不对称故障下电压同步信号的有效检测解决电网电压不对称故障下电压同步信号的有效检测. .将电网电压向量将电网电压向量UsUs分解为