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1、 华中科技大学博士学位论文变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究姓名：邹旭东申请学位级别：博士专业：电气工程指导教师：康勇20050312 摘要常规能源、电力紧缺及供电环境问题日益突出，利用可再生能源如风能，作为未来最重要的清洁替代能源之一，对于缓解能源匮乏具有非同寻常的意义。和常规风力发电系统相比，由于变速恒频交流励磁双馈风力发电系统配置的变频器在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变频器体积小、重量轻、成本低的特点，而且实现了机电系统的柔性连接。本文围绕变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其相关控制技术展开研究。本文揭示了双馈发电机与普通异步电机和同步电机的区别和联系。建立
2、了双馈发电机的等值电路模型，详细分析了双馈发电机中功率、转矩等关键物理量之间的相互关系。在此基础上，定性分析了双馈发电机运行特性、功率流动关系、稳态运行性能、静态稳定等问题。分析认为，在双馈发电机功率控制方式下各控制量之间的相互关系是复杂的、耦合是严重的。首次提出了三种适合双馈发电机分析和控制的复矢量模型，分析了三种复矢量模型之间的相互关系和适用场合。建立了双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，揭示了双馈发电机并网运行和独立运行在定子磁场定向控制策略下的内在统一和区别。重点研究了并网运行双馈发电机的控制目标、控制方式、运行特性和系统功率流动等关键技术及其实现方法，并依据内模原理，运用复矢
3、量模型首次分析了系统耦合量的不同处理方式。研究表明，采用矢量控制可实现并网运行双馈发电系统定子端口有功和无功功率的解耦控制。分析了风力机捕获最大风能的运行原理，解释了传统的恒速恒频发电方式风能利用率低的根本原因。建立了风力机的数学模型，对基于背靠背电压源变换器，带风力机模型的并网型双馈发电系统进行了详细研究，指出采用最大风能捕获控制可实现系统有功功率、无功功率和转速的独立控制。并就实验室如何采用他励直流电动机模拟风力机输出特性曲线，分析了实现原理，建立了相关的数学模型，给出了相应的控制策略。常规待并发电机的端电压和电网电压存在差别时并网，对电网冲击的影响以及待并发电机如何获得同期条件进行了详细
4、的研究。建立了双馈发电机空载并网系统的数学模型，研究了间接定子磁场定向控制策略。并针对常规并网方式中的先励磁后并网再切换控制策略的顺序，首次提出了双馈发电机直接并网方法，将常规的并网顺序改变为先并网后励磁，从而系统可直接工作在正常的发电模式，而无需控制算法的切换。降低了系统成本，大大简化了系统控制的复杂程度。本文研究了位置辨识与转速辨识之间的相互关系以及它们对控制系统性能的影响。通过辨识，只要知道转子位置就一定可以知道转速。换个思路，本文首次提出将I 基于转子磁链进行转速辨识的模型参考自适应法应用于位置辨识系统中，并就其设计思路、稳定性以及改进办法进行了详细分析。研究表明，辨识转速和辨识位置都
5、能最终跟上实际值，并具有一定的抗扰动能力，但仍然受转子初始位置的影响。同时为需要转子位置信号的这类系统的研究提供了一种新的思路，即可以通过辨识转速得到辨识位置，而并非要直接辨识转子位置。本文对系统实验中几个主要环节进行了一定研究。在使用格雷码绝对式光电编码器检测转子位置的过程中，提出了一种格雷码数据对照表方法，极大地简化了程序设计；在转子初始定位过程中，首次提出了一种适合工程上使用的初始定位方法，该方法不用考虑定转子绕组的连接形式，而且实现简单；详细推导了转子侧变换器外接大电感后至转子端口在同步旋转坐标系下的数学模型，从而实现了在电机转子侧发电压空间矢量的功能；由控制系统采用电流控制模式或者速
6、度控制模式原理，详细分析了控制系统构成极其简化条件；就定子磁通角工程上的实现方法，提出了数字锁相环法和实时计算法，分析了各自的工作原理和实现方法，并就实时计算法的适用情况进行了分析；建立了小信号模型，对双馈发电机系统进行了稳定性分析，指出了转子位置与电流环带宽对系统稳定性的影响。实验中，就双馈发电机系统次同步并网运行只有电流环工作、采用电流控制模式、速度控制模式这三种控制方案以及独立运行时，在不同工况下进行了详细的实验研究。实验分析表明与理论分析结果基本上一致，取得了预期的效果。关键词：变速恒频风力发电双馈感应发电机独立运行复矢量模型磁场定向控制并网运行模型参考自适应控制II Abstract
7、With the lack of general energy source、electric power and the worsening of powersupply circumstance problems increasingly，it is provided with very important meanings topartially solve energy lack by using renewable energy source such as wind energy as theone of the most important clear substituted e
8、nergy source in the future. Comparison withthe general wind energy generation system，because of equipped transducer of VSCF ACexcitation doubly fed wind energy generation system located at rotor loop，it not onlypossesses the characteristics of small cubage、light weight and low cost but also realizes
9、flexible connection of mechanical-electric system，which only deals with slip power indouble direction. VSCF AC excitation doubly fed wind energy generation system and itscontrol technology is studied in this paper.In this thesis，the difference and relation between the general asynchronous andsynchro
10、nous motor and DFIG is opened out. The equivalent-circuit model of DFIG isestablished， and the interrelations of key physical parameters such as power、electromagnetic torque are discussed. For this basis， issues about operationalcharacteristics、power floating、static operation performance and static
11、state stability arequalitative analyzed. It concludes that the interrelations of control parameters under powercontrol mode of DFIG are complicated，and the coupling is serious.Three kinds of complex-vector models suited for DFIG to analyze and control areproposed for the first time，and the interrela
12、tions and applications situation of it areanalyzed. Mathematics model of DFIG in the synchronous rotary coordinate is established，and the internal unification and difference between grid-connected and stand-alone DFIGcontrolled with stator-flux-oriented scheme is analyzed. The key techniques and rea
13、lizationmethods of control target、control mode、operational characteristic and system powerfloating of grid-connected DFIG are mainly studied，and the different disposals of systemcoupling variables by applying complex-vector model based on Internal Model Control(IMC) theory are also analyzed. It conc
14、ludes that the essential reason is by usingvector-control to realize high performance and obtain decoupling control of active powerand reactive power at stator port of DFIG.Operational theory based on maximum wind energy capture of wind turbine isanalyzed，and the essential reason for low utilization
15、-ratio of wind energy by using thetraditional CSCF generation mode is explained. Mathematics model of wind turbine isestablished，and grid-connected doubly fed generation system by using back-to-backIII voltage-source converter with wind turbine model is mainly studied. At the same time，torealize ind
16、ependent control of system active power、reactive power and rotor speed byadopting maximum wind energy capture control is pointed out. Then，how to useseparate-excitation DC motor to simulate output characteristic curve of wind turbine in thelaboratory condition is supplied. Realization theory、mathema
17、tics model and relativecontrol scheme is also given.The influence on impact of grid-connection and how to obtain synchronizationcondition while the general generator voltage is different from grid voltage is mainlystudied. Mathematics model of DFIG no-load grid-connection system is established，andin
18、direct-field-oriented control scheme is studied. Doing excitation before grid-connectionthen switching control scheme for the sequence of the general grid-connection mode，thispaper proposals a direct grid-connection method for the first time. The new sequence isdirect grid-connection before excitati
19、on so that system can directly operate in naturegeneration mode without switching control algorithm. It reduces system cost and greatlysimplifies the complex degree of system control.The interrelation and the influence on control system performance of positionestimation and rotor speed estimation is
20、 studied. If we know rotor position we can knowrotor speed by all means according to estimation. Changing another thought，this paperpresents a rotor speed estimation method of Model Reference Adaptive Control (MRAC)theory rotor-flux-based applying to position estimation system for the first time，des
21、ignthoughts、stability and improving methods of it are also analyzed. It concludes that rotorspeed estimation and position estimation can track the practical value at last，and isprovided with definite robust ability but influenced on rotor initialization position. At thesame time，it provides a new id
22、eal for such systems with rotor position，namely can getestimated position by estimated rotor speed without estimating rotor position directly.This paper studies several important loops of system experiment. During the course ofobtaining rotor position to use gray-code absolute- photoelectrical-encod
23、er，a gray-codedata- reference table is presented to simplify programmer design. A new method for rotorinitialization position oriented suited for engineering application is presented for the firsttime. It is easily realized without considering connection mode of stator and rotor windings.To realize
24、function of voltage space vector in rotor side，a mathematics model of connectinginductance to rotor port in rotor-side converter in the synchronous rotary coordinate isestablished. The structure and simplified condition of control system based on currentcontrol mode or speed control mode is mainly a
25、nalyzed. Operation theory and realizationmethod of stator-flux-angle in engineering based on digital phase-locked-loop (PLL) orIV real-time numeration are presented respectively，and applications situation of real-timenumeration is analyzed. A small signal model for stability analysis of DIFG system
26、isestablished，and the influence on system stability caused by rotor position and current loopbandwidth is pointed out. In experiments，several different operational status based oncurrent loop、current control mode and speed control mode of grid-connection andstand-alone in DIFG system sub-synchronous
27、 operation are mainly investigated. Itconcludes that experimental analyses are in accord with analyses in theory，and anticipativepurpose is given.Keywords：VSCFWind energy generationDFIGComplex-vector modelField-oriented controlGrid-connectionStand-aloneMRACV 1绪论1.1 问题的引出2004年一季度全国 24个电网拉闸限电，比去年同期新增
28、8个电网。一旦盛夏来临，不知有多少城镇将陷入拉闸的尴尬中。节电节能固然是个办法，但需调整产业结构，难以短期见效。我国人均发电量仅为美国的 113，日本的 18，大力发展能源供给仍不可避免。问题的关键是，走煤电、天然气发电的常规能源之路，还是走利用可再生能源如风能、太阳能之路呢？不久前，中国科学院理论物理所何祚庥院士和中科院电工所王亦楠博士提出了一个值得重视的见解：大规模发展风力发电技术，可望解决我国能源和电力短缺问题。何祚庥院士和王亦楠博士提出，高效、清洁、多样化是当今世界能源发展的潮流。欧盟计划到 2010年新能源提供的电力比重要从目前的 13%提高到 22%，英国则要在2020年将可再生能
29、源发电量比例提高至20%。而我国到2010电力规划中，煤电占75%，水电占近 15%，燃气电占 4.8%，核电占 3.9%，风电等可再生能源只占 0.4%，与世界能源消费的主流方向有很大的偏离。那么利用常规能源能否解决我国的能源和电力短缺呢？何祚庥和王亦楠分析说，坚持煤电的道路，到 2020年，二氧化碳的排放量将达到 14亿19亿吨，其污染跃居世界第一。我国煤炭储量为 8230亿吨，但可采储量仅为 1390亿吨，即使按去年的煤炭消费量，也只能采 83年，如果煤炭消费也翻两番，则仅能维持 20年用。专家计算，我国水能经济可开发量为 3.9亿千瓦，即使全部开发利用也只能使我国发电装机量和年发电量翻
30、一番，靠水能解决电力短缺也不现实。为此，何祚庥和王亦楠认为，综合资源、技术、经济、环保各因素，风力发电是解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择。据统计，近 10年来，世界能源电力市场发展最为迅速的是风力发电等再生能源。太阳能发电每年增长高达 30.9%，风力发电紧随其后，达 30.7%。制约太阳能发展的是太阳能电池技术，因成本较高，使得太阳能生产的电在价格上高于风力和燃煤发电。有报告称，到 2020年，全球风力发电装机量将达到 12亿千瓦，为 2002年的 38倍，风力发电将占全球发电总量的 12%，有可能成为世界未来最重要的替代能源。风力发电的高速增长得益于风电技术的成熟。目前单机容量 500
31、千瓦、600千瓦、750千瓦的风电机组已达到商业化生产水平，成为当前世界风力发电的主力机型。而更大、性能更好的机组也已研制成功并投入试运行，如丹麦新建成的几个风电场单机容量都在 2兆瓦以上。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料、新电力和电子技术以及数字信号处理及控制技术等，有效地改善并提高了风力发电总体1 设计能力和水平。由于新技术的运用，人们最为关心的风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价已由 1990年的每千瓦 1333美元降至 2000年的 790美元，发电成本也由每千瓦时 8美分减少到 4美分，预计 2005年可降至每千瓦时 3美分
32、左右，达到可与常规发电设备不相上下的水平。风力发电设备的寿命为20年至 25年，其运行的费用只相当于机组成本的 4%。有专家预测“世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降 15%”。那么风力资源从何而来呢？按目前的技术水准，只要离地 10米高、平均风速达到每秒 5米以上，风力发电就是经济的。据估计，世界风能资源高达每年 53万亿千瓦时，其潜力可观。我国也拥有大规模开发利用的风能资源，据初步探明，陆地上可开发的风能资源即达到 2.53亿千瓦时；加上近海的风能资源，全国可开发风能资源估计在 10亿千瓦时以上，超过水能资源的 2倍。王亦楠博士曾到内蒙古辉腾锡勒风电场考察，那里有 72台机组，大多为进口
33、，即使如此，生产的上网风电含税价格已降为每千瓦时 0.5元左右，不到 7年可收回成本。如果机组实现国产化，则电价更具竞争力。何祚庥院士和王亦楠博士认为，风能发电对于缓解缺电具有非同寻常的意义，它上马快，建设周期可用周、月计。风力发电还能有效遏制温室效应和沙尘暴灾害。有人计算，一台 1兆瓦的机组每年可减排 2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。国外的专家还认为，风能发电场还能因为吸收了风能而保护了宝贵的表面土壤，有效遏制了沙尘暴的发生。风能具有分散性，对于西部地区和广大农村更是如鱼得水，比大机组、大电网、高电压的模式更为简便实用。中国现代风力发电1技术的开发和利用起源于 20世纪 7
34、0年代初。经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面发挥了重要作用，这些地区绝大部分处在风力资源丰富地区，通过风力 /柴（汽）油联合发电系统或者风电机组/光电池互补系统供电，可以保证全天 24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染。到 2000年底，全国的小型风电机组年生产能力超过 3万台，产品的额定功率从 0.110KW。20世纪 80年代，中国陆续研制过几种并网型风电机组
35、，额定功率分别是 18、30、55和 200KW，但都未能转化成商品型机组。在风电场建设的投资中，机组设备约占 70%，实现设备国产化是降低工程造价的关键。采取引进国外成熟技术，经过吸收消化逐步提高国产化程度，实现大型风电机组主要部件在国内制造，就能做到成本比进口机组降低10%20%。从 1986年 4月，中国第一个风电场在山东荣城并网发电，到 2000年底全国共有 26个风电场，装机容量达到 34万 KW，但和世界装机容量相比只是沧海一粟，也从另2 一个方面证明我国的风力发电有着巨大的潜力。中国经济持续发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突出，随着风电技术的发展和
36、批量的增大，成本将会继续下降，必然成为重要的清洁能源。可以预见的是，东部沿海还有更为丰富的海上风能2资源，距离电力负荷中心又近，海上风电场在不远的将来必定成为后续能源基地。通过对我国目前存在的电力能源危机的清醒认识和分析，以及国外发达国家对可再生能源的大力发展和利用的现实，并结合我国的实际情况，大规模发展风力发电等可再生能源发电技术，确实有希望从根本上解决我国能源和电力短缺问题。1.2 风力发电技术风力发电1是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶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
37、，再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。理论上，最好的风轮只能将约 60%的风能转化为机械能，现代风力发电机组风轮的效率可以达到 40%。在风电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加 1倍，输出功率增加到 8倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大。风电机组技术1 3的发展经历了从多种结构形式向少数几种过渡的过程。20世纪80年代初期，市场上有上风式和下风式，风轮主轴有水平的和垂直的；风轮叶片数有三个、两个、甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。到现在只剩下以水平轴、上风向、三叶片的机组为主，其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机，有齿轮箱和
38、无齿轮箱等几种。目前，风电机组的技术正沿着增大单机容量、减轻每单位容量的自重、提高转换效率的方向发展。风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统（stand-alone system），一般在电网未能覆盖的偏远地区，用小型风电机组先为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端用电器供电，单机容量一般为 100W10KW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，系统的容量约为 10KW200KW，可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，并网风力发电是大规模利用风能资源最经济的方式。目前机组单机容量范围在200KW2500KW之间，既可以
39、单独并网，又可以由多台，甚至成百上千台并网型发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，构成风电场。1.2.1风电机组配置风电机组中的风力机和发电机是其中的关键部件。风力机的型式尽管多种多样，3 但归纳起来，可以分为两类：水平轴风力机，风轮的旋转轴向与风向平行；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。1）水平轴风力机水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类。升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。大多数的水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型风力机，则利用风向传感器及伺服电动机组成的传动机构。水平轴风力机
40、的式样很多，有的具有反转叶片；有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本；有的利用锥型罩，使气流通过水平轴风轮时集中或扩散来加速或减速；还有的在风轮周围产生旋涡，集中气流增加气流速度。对于风力发电中所使用的风力机，目前多采用升力型水平轴风力机。2）垂直轴风力机垂直轴风力机在风向改变时不需要对风，在这点上相对水平轴风力机是一大优点，它不仅使结构设计简化，而且还减小了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力机有几种类型，其中有利用平板和玻璃做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风机，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动转矩，但叶尖速比较低，在风轮尺寸
41、、重量和成本一定的条件下，提供的功率输出较小。垂直轴风力机中具有代表意义的是达里厄式风轮，它是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，启动转矩低，但叶尖速比可以很高，在风轮尺寸、重量和成本一定的条件下，提供的功率输出较高，目前已成为水平轴风力机的主要竞争者。风电机组中配备不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的风力发电系统。较早时期的小容量风力发电装置一般采用小型直流发电机，与蓄电池储能装置配合使用。在结构上分为永磁式和电磁式两种类型。由于直流电机在结构上和维护上存在的固有缺陷，目前已经很少使用了。目前，风力发电机组中所采用的发电机主要有两种：同步
42、发电机和异步发电机。而采用最多的还是鼠笼型异步发电机，既可以独立运行，又可以并网运行。1.2.2风电机组功率控制方式1）定桨距调节技术1 4 5 8 25 传统概念的风力发电机一般都是上风向、三叶片的风力机通过齿轮箱增速驱动异步发电机，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性，称之为定桨距风力发电机组。风力机吸收的功率随风速不断地变化，发电机工作于同步转速附近，而风电机组的设计一般在额定功率时，风轮的转换效率在最佳区段。当风速超过额定风速时，气流的攻角（指风力机翼型的弦与气流速度矢量的夹角）增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低了转换效率，从而达到限制功率，并维持发电机输出功率恒定的目的。对
43、于定桨距系统，发电机正常工作时转差小于 1%，允许转差范围一般在 5%以内，而风速的变化范围却很大，因而难以保证在额定风速以前，风轮的转换效率最大，特别4 是在低风速段。通常系统设计有两个不同功率等级不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速段，小功率低转速的发电机工作在低风速区，由此来调整叶尖速比，实现追求最大转换效率的整体运行控制。定桨距风机的攻角一般设定在0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，但须充分考虑到对于风机失速点的影响。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。风电机组采用异步发电
44、技术，存在功率流向的不确定性，发电机可能低于同步转速运行，也可能工作在同步转速之上，因此在大小发电机的软切换控制过程中需要仔细考虑。定桨距风力发电机利用风轮叶片翼型气动失速特性来限制吸收过大风能，功率调节由风轮叶片完成，控制简单，但风力机叶片本身结构复杂，成型工艺难度较大，风机不易大型化。现在国际上 600KW以下的机组，大部分仍在使用该技术。2）变桨距调节技术为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，在定桨距风力机的基础上加装桨距调节环节，便构成了变桨距风力机组。变桨距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角的改变来进行调节。在额定风速以下时
45、，叶片攻角处于 0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，基本上可看作是定桨距风力机组。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风力机的桨距控制系统，通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制，速度控制和直接桨距控制系统，用于风力发电机的启动、停止和紧急事故处理。因而，变桨距风力机的启动风速比定桨距风力机低，但对功率的贡献没有意义，停机时对传动机械的冲击应力相对缓和。变桨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。同时，由于攻角可以随风速的大小进行自动调节，因此能够尽可能多的捕获风能，提高发电效率，又可以在高风速段保持输出功率平稳，不至于引起异步发电机的过载。但是，这种系统的结构比较复杂，故障率相对较高，并且由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的出力变化很大，机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大。3）主动失速调节技术在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将造成风能较大变化，风力机输出功率处于不断变化中。风速大幅度频繁变化的状况出现时将引起风力机桨距调节机构频繁动作。风机桨距调节机构对风速的反应有一定的延时，