双馈异步风力发电控制系统研究.pdf

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1、摘要 近年来油价持续上涨，人类社会面临着能源和环境两大亟待解决的问题，因此 利用可再生、绿色环保的能源，如风能、水能和太阳能等作为重要的清洁替代能源， 对于缓解近年来的各种能源环境问题具有重大意义，风能由于其突出的优点而倍受 关注。双馈型异步发电机( D F I G ) 的风力发电系统在风力发电机领域占有重要地位， 对其控制策略的研究以及进一步提高系统稳定性和功率利用率具有重要的意义。 对当代的风力发电系统产业和风力发电利用技术的国内外发展状况进行了大致 的阐述，指出加快发展我国风电产业，提高风电技术已刻不容缓，简单介绍了变速 恒频交流风力发电系统的优点及其几种表现的形式，双馈感应交流励磁风力

2、发电机 变速恒频运行的基本运行原理。 分析阐述了风力发电机的最大风能追踪控制原理。推导出双馈异步风力发电机 的动态数学模型及在静止和旋转坐标系下的坐标变换模型。提出了基于定子磁场方 向的定向矢量控制策略实现功率解耦控制的原理，并且在此基础上设计了基于功率 和电流的双闭环P I 调节器的控制方案和策略。分析了网侧P w M 变换器在同步旋转由 坐标系中的数学模型，建立基于稳定直流母线电压和单位功率因数运行的双闭环P I 控制方案。 阐述了模糊控制的发展过程和基本原理，分析了双闭环控制系统中的模糊自整 定P I 控制器的参数设计方法，建立模糊控制规则，对P I 控制器的参数进行在线调 整。 对以上

3、理论进行了M a t l a b 仿真研究，建立了变速恒频双馈风力发电系统的仿真 模型，包括风力机、交流异步电机和双P W M 模型，并通过仿真验证了本文提出的 控制策略的有效性。 关键词：风力发电；变速恒频；矢量控制；双P 删变换器；模糊自整定 嗍必 A b s t r a c t h lr e c e n ty e a r s ，r i s i n go i lp r i c eh a sm a d et h eh u m a ns o c i e t yf a c et w ob i ge n e r g ya I l d e n v i r o l l l I l e n t a lp

4、 r o b l e m st ob es o l v e d S ob yu s i n gr e n e w a b l ea n dg r e e ne n e r g y , s u c h 嬲 w i n d w a t e rp o w e ra n ds o l a re n e r g y , a sa ni m p o r t a n tc l e a na l t e r n a t i v es o u r c e s o fe n e r g y1 s o f 国e a ts i g n i f i c a n c ef o re a s et h ee n e r g

5、 yo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s M o r ep e o p l ep a y a t t e n t i o no ni tb e c a u s eo ft h ew i n dp r o m i n e n ta d v a n t a g e s T h ew i n dp o w e rs y s t e m so f D o u b l y f e dt y p ea s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri n t h ew i n dg e n e r a t o ro

6、c c u p i e sa l l1 m p o n a n t p o s i t i o ni nt h ef i e l d 1 kc o n t r o ls t r a t e g i e s ，f u r t h e ri m p r o v e m e n t o ft h es y s t e ms t a b i l i t ya n d p o w e re f f i c i e n c yh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c e h l 缸D d u c e dt h ew i n dp o w e ri n d u s

7、 t r ya n dw i n dp o w e rt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d a n dt h ed e V e l o p I n e n ts i t u a t i o n ，a n dp o i n t so u tt h a tm u s ts p e e du pt h ed e v e l o p m e n to fo u r c 0 1 m _ t r yw i n dp o w e ri n d u s t r y , i m p r o v et h ew i n dp o w e rt e c h n

8、 o l o g y I n t r o d u c e dt h eD F I G w i n dp o w e rt e c h n o l o g ya d v a n t a g e sa n dr e a l i z a t i o n f o r m sa n dt h e b a s i co p e r a t l o n p r i n c i p l e A m l v z e dt h el a r g e s tw i n dt u r b i n ew i n dp o w e rt r a c k i n gc o n t r o lp r i n c i p l

9、e T h r o u g ht h e d e d u c e dd o u b l y - f e di n d u c t i o nw i n dg e n e r a t o r so fd y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e la n di nt h e s t i l la 1 1 dt 1 1 er o t a t i n gc o o r d i n a t ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm o d e la n dp u tf o r w a r db a s

10、e d o nt h em a g n e t i cf i e l do ft h ed i r e c t i o no ft h es t a t o rd i r e c t i o n a lv e c t o rc o n t r o l 删e g y r e a l i z et h ep r i n c i p l eo ft h ep o w e rd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 O nt h eb a s i so f t h ed e s i g nb a s e do n p o w e r 锄dt h ed o u b l el o

11、o pc u r r e n tP Ia d j u s t e rc o n t r o lp l a n sa n ds t r a t e g i e s A n a l y z e s t h e P W Mc o n v e r t e rn e ts i d et h es y n c h r o n i z a t i o nd qm a t h e m a t i c a lm o d e l s i nc o o r d i n a t e s v s t e r n ，B a s e do ns t a b l ed cb u sv o l t a g ea n du n

12、i tp o w e r f a c t o ro ft h eo p e r a t i o no ft h e d o u b l ec l o s e dl o o pP Ic o n t r o ls c h e m e E x p o u n d e dt h ef u z z yc o n t r o lo ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h e b a s i cp r i n c l P l e 1 t a n a l v s et h ed o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r

13、o ls y s t e mo ff u z z ys e l f - t u n i n g P Ic o n t r o l l e r p a r 锄e t e r Sd 【e s i g nm e t h o d ，E s t a b l i s h t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa n d o n l i n ea d j u s tt h e p a r a m e t e r so f t h eP Ic o n t r o l l e r 0 nt h ea b o v et h e o r yt o t h eM a t l a bs

14、 i m u l a t i o n ，e s t a b l i s h e dD F I Gp o w e rs y s t e m s i m u l a t i o nm o d e I ，i n c l u d i n gw i n dm a c h i n e ，e x c h a n g ei n d u c t i o nm o t o ra n dd o u b l eP W M m o d e la n dt h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h ep r o p o s e dc o n

15、 t r o ls t r a t e g yl Se f f e c t i V e K e yw o r d ：w i n dp o w e r ；V S C F ；v e c t o rc o n t r o l ；P W M C o n v e r t e r ；f u z z ys e l f - t u r n i n g L 目录 第一章绪论。 1 1 课题研究的背景 1 2 风力发电技术的发展状况 1 3 国内外风力发电的发展现状及趋势 1 4 本文研究的主要内容 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理5 2 1 风力机的数学模型5 2 2 最大风能捕获原理7 2 3 双馈感应

16、风力发电机组的结构示意图和原理分析9 2 4 双馈异步发电机的等效电路1 l 2 5 双馈异步发电机在a b c 三相静止坐标系下的数学模型1 2 2 6 双馈型异步电动机在两相同步旋转坐标系d q 下的数学模型1 4 2 7 本章小结1 6 第三章双馈异步风力发电机的控制策略1 7 3 1 基于定子磁链定向的矢量控制策略1 7 3 3 转子侧变换器控制器设计2 1 3 3 1 电流内环P I 调节器的设计2 2 3 3 2 功率外环P I 调节器的设计2 4 3 4 双P 1 j | M 的结构和作用2 5 3 5 发电机网侧变换器的数学模型2 6 3 6 网侧变换器的控制策略2 9 3 7

17、 本章小结3 2 第四章双馈异步发电机的模糊P I 控制器设计3 3 4 1 模糊控制概述3 3 4 2 模糊控制的特点3 4 4 3 输入输出变量的模糊化3 5 4 4 模糊合成推理算法3 7 4 5 解模糊并建立模糊控制查询表3 9 4 6 模糊自整定P I 控制算法4 0 4 7 本章小结4 0 第五章双馈异步风力发电机的矢量控制研究与仿真4 l 5 1 系统的仿真模型及参数设置4 l 5 2 双馈发电机在变风速下的仿真分析4 4 5 3 双馈发电机在亚同步和超同步情况下的仿真分析4 7 5 4 本章小结4 8 结论4 9 参考文献。5l 攻读学位期间的研究成果5 3 致谢5 5 学位论

18、文独创性声明5 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，世界经济持续发展， 对能源的需求增长很快，随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大在提高社 会发展水平和人们生活质量的同时，对能源的需求越来越大，致使能源危机成为阻 碍人类进一步发展的桎梏。据估计，煤炭还可以持续3 2 8 年，石油还可以维持4 6 年， 天然气还可以维持5 6 年，天然铀原料还可以维持6 3 年。能源危机的重要表现是能 源价格的不断上涨和电力紧张。有限的能源储备与社会经济发展的无限需求之间的 矛盾，已经成为一个全球性的问题，无论从人类将来的能源危机，或是眼前

19、的环境 污染问题来看，研究开发风力发电技术都具有十分重要的意义。发展可再生新能源 已经是世界能源发展的必然趋势，全球主要发达国家和发展中国家，都已经将发展 风能、太阳能、沼气等可再生能源作为解决能源短缺危机、气候恶化危机的重要实 施手段。风能是全球科学家公认为的最可能实现商业化的可再生能源之一，与沼气、 太阳能、生物质能相比，近几年来，风能的产业化基础最好，经济性优势最明显， 而且不存在生物质能所面临的资源约束。 1 2 风力发电技术的发展状况 随着现代电力电子技术的不断发展，新型材料的涌现以及制作工艺的不断完善， 加上新的控制理论与控制方法的出现，世界风力发电技术向前迈进了一大步。风力 发电

20、机组及其控制系统是风力发电系统的核心部分，它负责将机械能转换为电能， 其运行效率和控制技术决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。 目前世界范围内风力发电所采用的发电机主要有两种：同步发电机和异步发电 机。其中的异步发电机使用率较高，作为并网型发电设备的方案可分为两大类：恒 速恒频发电系统和变速恒频发电系统： 1 恒速恒频发电系统：恒速恒频发电系统多采用鼠笼型异步发电机作为发电机， 并网后运行于发电机机械特性曲线的稳定区内。异步发电机的转子角速度高于同步 转速，当风速增加时，风力机传送给发电机的机械功率也随之增加，于此同时发电 机的输出功率及其电磁转矩也相应增加，从而造成最佳功率运行点发生移

21、动。而当 转子的角速度高于同步角速度的3 至5 时，异步发电机工作将位于不稳定区。如 青岛大学硕士学位论文 若超过这个临界速度，电机产生的反转矩减小，导致转子转速迅速升高，引起飞车， 从而导致电机异常运行以至损坏【3 J 。 恒速恒频发电系统中以恒速运行的风力机的转速不变，而风速经常变化，因此 叶尖比A 不可能经常保持在最佳值( 即使采用变桨距叶片) ，风能利用系数G 值往往 与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。 2 变速恒频发电系统：目前风力发电的变速恒频系统有多种应用形态，如笼型 异步发电机变速恒频系统、交流励磁双馈异步发电机变速恒频系统、无刷双馈发电 机变速恒频系统、永磁同步直

22、驱发电机变速恒频系统等，其中一些变速恒频风力发 电系统是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，另一类是通过改造发电机 体本身结构而实现变速恒频的。以上描述的各个系统都有自己的特点，可以适用于 各种不同场合。 采用变速恒频发电方式的风电机组，通过参照最大风能捕获的基本要求，实时 地调节风机转速，使之速度始终运行在最佳转速上，进而提升发电机组的利用效率， 通过采用变速恒频发电技术，还可使发电机组与电网之间实现柔性并网的目标，相 比传统的恒速恒频发电系统，变速恒频系统更易实现并网控制及控制。 1 3 国内外风力发电的发展现状及趋势 近年来世界各个国家风力发电的进展速度之快超过了所有人的预期，从装

23、机容 量上来看，随着全球经济的发展，备受关注的风能利用市场也迅速的蓬勃发展起来。 2 0 0 8 年全球地区的风能总装机量为9 万兆瓦，2 0 0 8 年全球地区的风能装机总量增长 了2 8 8 ，到2 0 0 9 年底全球范围的累计风电装机容量已超过了1 2 0 8 万兆瓦，经过 计算，这相当于节能减排1 5 8 亿吨的二氧化碳。随着科学技术进一步和全球环保事 业的发展，风能发电产业在商业上将是煤炭发电的强力竞争对手。全球权威风能产 业机构B T M 最新发布的2 0 1 0 年全球风电产业报告显示，在己装机的风力发电机组 中，8 6 的风力发电机组采用带齿轮箱的风力发电机组。到2 0 1

24、0 年底，风电发电产 业已经覆盖世界各个大洲，并且呈现出快速增长的态势。风电产业的装机量超过1 0 0 万千瓦的国家已经由2 0 0 9 年的1 1 个增加到1 3 个之多，其中包括8 个欧洲国家、3 个亚洲国家和2 个美洲国家【l 】。欧洲近几年在风电产业继续保持领先的地位，亚洲 各国逐步全球风电产业发展的新兴力量。 “十五”期间，中国的并网型风电产业得到快速迅猛的发展。2 0 0 6 年，中国的 风力发电装机容量已经累计达到2 6 0 万千瓦，规模之大，成为继欧洲、美国和印度 之后拓展风力发电市场的主要对象之一。2 0 0 7 年以来，中国风电产业规模持续保持 良好的增长态势。2 0 0

25、8 年中国新增风电装机容量达到7 1 9 0 2 万千瓦，新增装机容量 2 第一章绪论 增长率达到1 0 8 4 ，累计装机容量跃过1 3 0 0 万千瓦大关，达到1 3 2 4 2 2 万千瓦。2 0 1 0 年，根据国家气象局的初步勘测统计，全国可利用的风能资源总量为2 5 3 亿千瓦。 我国的风能可利用资源主要分布在两大风带：一是东南部沿海、山东、辽宁沿海及 其岛屿的沿海风带区，其有效风能利用密度均在2 0 0 W m 2 以上，4 2 0 m s ，有效风力 出现率高达8 0 至9 0 ；二是内蒙北部、甘肃、新疆北部以及松花江下游的内陆风 带区，其有效风能利用密度一般情况下大于2 0

26、0 W m 2 ，有效风力出现率均在7 0 左 右，其资源利用效果也非常可观 2 1 。按照国家规划，未来1 5 年，全国风力发电装机 容量将达到2 0 0 0 万至3 0 0 0 万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7 0 0 0 元计算，未来 风电设备市场将高达1 4 0 0 亿元至2 1 0 0 亿元。随着中国风电装机的国产化和发电的 规模化，风电成本可望再降，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。我国政 府大力发展风力发电产业，中央对风力发电项目给与直接财政补贴，并强力促进风 电机组的大型化和国产化。 1 4 本文研究的主要内容 1 介绍了风力发电同其他能源形势相比较的优势，分析了世界范

27、围内的风力发 电趋势，指出变速恒频在风力发电中的优点，提出双馈异步风力发电机在风力发电 产业的运行优点。 2 分析了风力机的运行特性和风力发电机组的运行区域，重点讨论了在变速恒 频风力发电系统中的最大风能捕获的机理。确立了基于定子磁链定向的D F I G 矢量控 制策略，并分析计算了其控制器的参数值。 3 讨论了双P w M 变换器的特点，网侧变换器是系统协调控制和实现能量双向流 动的关键，建立了三相P w M 变换器的数学模型，对网侧变换器采用了基于电网电压定 向的矢量控制策略。 4 研究了模糊自整定P I 控制器的设计方法：包括控制器的运行原理、结构选择、 被控对象及初始参数的确定，模糊化

28、和解模糊，模糊规则和模糊推理表的设计。 5 利用M a t l a b S i m u l i n k 仿真软件，对变速恒频风力发电系统建立仿真模型，并 设定仿真参数，对转子侧变换器控制和网侧变换器控制进行仿真分析，验证理论分 析和模糊自整定P I 控制方法的正确性和有效性。 3 青岛大学硕士学位论文 4 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理 2 1 风力机的数学模型 风力机是整个风力发电系统的原动机，风力机通过叶片转动捕获风能，将风能 转换为作用在轮毂上的机械转矩并传递给发电机，带动发电机转子转动产生电能。 风力机不仅决定了整个风力发电系统的有效输出

29、功率，而且直接影响机组的稳定、 安全、可靠运行，是风力发电机组中的关键部件之_ _ 1 4 1 。 由空气动力学知道，风力机吸收的功率为： e = 1 C p ( 3 ，A ) J D 积2 矿3 2 - ( 1 ) 式中：只为风机吸收功率( ；P 为空气密度( k 咖3 ) ，一般为1 2 5 1 2 9 ( k g m 3 ) ； C 口为风能利用系数，其最大值是贝兹极限5 9 3 ，实际上风力机的最大风能利用率 般在4 0 上下。为桨距角( o ) ；尺为风轮半径( m ) ：V 为上风向风速( 州s ) ；五为叶 尖速比；C O 为风轮转速( r a d s ) 。 风能利用系数G 是

30、体现风力机工作效率的重要参数之一，和G 相关的还有另 外一个重要参数，即叶尖速比A ，其值为风轮的叶尖线速度与风速之比： o R 几= 矿 2 一( 2 ) 风能利用系数G 是有关叶尖速比A 和桨距角的线性函数，可通过空气动力学 和有限元分析的原理对其进行计算。本文采用的计算函数如下： c p ( 3 ，A ) ：0 2 2 、- 1 1 6 一0 4 3 5 ) P 1 2 5 ， 加 110 0 3 5 九；九+ 0 0 8 3B ：+ 1 1， 2 - ( 3 ) 2 - ( 4 ) 在双馈风力发电机组中，使风机与发电机相连接的是一个变速齿轮箱，其增速 比为，因此发电机与风机的转速关系为

31、，= N o 。 变桨距风力发电机的运行特性是由一组风能利用系数q 的曲线来表示的。如图 5 图2 1 变桨距风机性能曲线 当桨距角保持不变时，风能利用系数C p 就只和叶尖速比A 有关系。对于指定的 风力机，总有唯一个叶尖速比五使其G 获得最大值，即为最佳叶尖速比b ，同时对 应的G 为最大风能利用系数G 一。如图2 - 2 所示，当叶尖速与最佳叶尖速比k r 差值 增大时，风能利用系数G 就会低于最大风能利用系数C p m 戤，从而导致发电机组工作 效率的显著下降【5 1 。 图2 2 定桨距风机性能曲线 6 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理 当风速V 固定时，q 的值会随着风力机转

32、速C O 的变化而相应地变化，从而导致 风力机输出的机械功率厶变化。如图2 3 所示在不同风速下对应的风力机的输出功 率和转速的关系，图中不同风速下风力机的功率转速曲线组成了一簇非线性曲线 集，曲线上各个最大功率点的平滑连线称为风力机的最佳功率曲线，即曲线。 风力机在这条最佳功率曲线上将会输出对应的最大功率R 燃： P 2 三q 一础警M 订 k = 三q p 若 2 2 最大风能捕获原理 图2 3 定桨距下功率与转速的关系 2 一( 5 ) 2 ( 6 ) 交流励磁变速恒频风力发电系统主要由风力机控制子系统和发电机励磁控制子 系统组成，两个子系统协调工作，共同确保整个风力发电系统的正常运行。

33、如前所 述，最大风能的追踪捕获控制实质上就是风力机或机组的转速控制。理论上，最大 风能追踪控制的任务可以由风力机控制子系统完成，也可以由发电机控制子系统完 成。采用风力机控制子系统进行调速的困难在于机械时间常数大，动态性能差，调 速精度低，机械调速机构复杂，维护困难。发电机控制子系统的控制对象为电气量， 7 青岛大学硕士学位论文 时间常数小，动态响应快，控制系统简单【6 】。 根据前面的介绍，要控制风力机组的转速来实现对最大风能的追踪，需要检测 当前的风速并计算出最佳转速后进行转速的对应控制，这也是直接转速控制的一种 方法。但现场中风速的准确测量比较困难，并且实际操作起来存在很多缺点，风速 检

34、测的各种现场误差会直接降低风能追踪的效果【7 】。在无风速检测装置的条件下， J 般是通过控制其他电机参数来间接控制风力机的转速，进而实现风能的最大追踪 利用。这种方案由于省去了风速检测装置，提高了风机整体系统的运行性能。 为达到最大风能的追踪，应根据风力机的最佳功率曲线和风力机转速w 两个因 素来在线计算D F I G 的输出参考有功功率尸J 。可以令风力发电系统的功率厶与式 2 ( 5 ) 中的B 斌相等，即令风力机依照最佳功率曲线来输出最大机械功率，可得： P m e z P c P D P B n 耻鲁= 警 图2 4 最大风能追踪原理图 2 - ( 7 ) 要实现最大风能的追踪，必须

35、按照尸J 。控制D F I G 的输出有功功率。而实现追踪 最大风能的过程可用图2 4 来做详细的说明：假设原先在风速均下，风力机稳定运 行在最佳功率P o p ，曲线上的A 点，此时风力机转速为6 0 1 。某时刻风速升高至v 2 ，由 于风力机的转速不能立即发生变化，所以其功率运行点会先由A 点跳变至B 点，风 力机的输出功率继而由n 突增至如。由于风力机的输出功率突然增加，导致发电 8 同理也可分析 运行状态，此时风力机转速为3 。某一时刻的风速由乃降低至乃，则风力机运行 点将由E 点降变至D 点。因为风力机输出功率的突然减小，所以发电机的输入转矩 也相应的减小，转矩失衡引发发电机的机械

36、转速也随其下降。在转速下降的过程中， 风力机沿着E C 曲线减速，当到达C 点时，风力机的功率曲线与其最佳功率曲线相 交，功率再次维持稳定状态，转速保持为2 。 2 3 双馈感应风力发电机组的结构示意图和原理分析 近年来随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈异步发电机( D o u b l y F e d I n d u c t i o nG e n e r a t o r ，简称D F I G ) 得到了广泛的重视。D F I G 在结构上类似绕线式异步 电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，D F I G 转子一般由接到电网上的变换器进 行交流励磁。 实际上，它是兼顾同步发电机特性和优

37、点的交流励磁异步发电机。同步发电机 励磁电流的只可控制其幅值，所以一般只能用于调节有功功率。而D F I G 实行交流 励磁，可控制量有三个：励磁电流的幅值，励磁电流的频率和励磁电流的相位。由 于交流励磁异步发电机的励磁电流比同步发电机多了两个可控制量，在控制上更加 随机灵活。通过改变转子的励磁电流频率，D F I G 就可实现变速恒频运行。而改变转 子励磁电流的相位角，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个相对位移， 由此改变发电机电势相量与电网电压相量的相对位置，从而达到调节发电机的功率 角的目的【引。由此可见交流励磁不仅可调节有功功率，也可调节无功功率。当发电 机吸收无功功率时，通常

38、因为功率角变大而使运行稳定度降低，通过调节交流励磁 的相位，便可适当减小发电机的功率角，使机组的运行稳定性加以提高，可更多地 吸收无功功率，改善目前由于夜间负荷下降、电网电压过高的不利形势。利用矢量 变换控制技术，综合改变D F I G 转子励磁电流的相位和幅值，可以实现D F I G 输出 有功功率和无功功率的解耦控制。因此，相比于同步发电机，在功率调节上交流异 步发电机有更多的优势。 9 青岛大学硕士学位论文 图2 5 双馈异步风力发电机组的结构示意图 变速恒频风力发电机的转子由两个背靠背”连接的电压型P W M 变换器( 分别称 为机侧变换器和网侧变换器) 进行励磁，转子侧变换器向转子绕

39、组输入所需的励磁电 流，实现最大风能的跟踪和定子输出无功功率的调节。 由电机学原理可知，在稳定运行时定转子的旋转磁场在空间必须相对静止才能 产生恒定的平均转矩1 9 1 。 n p ， 玄f - ，2 = ，l2 ( 8 )n ，J 一、u ， D U 式中 、正分别为D F I G 的定子、转子电流的频率，疗为转子旋转的转速，P 为电机 的极对数。由上式可知，如果发电机的转速n 改变，可通过调节转子励磁电流频率疋 来使定子输出的电流频率 保持恒定，这就是变速恒频运行的基本运行原理。 当电机亚同步速运行时，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转 方向相同，式中符号取“+ ”，往转子中馈

40、入能量，网侧P W M 作整流器运行，转子侧 P W M 作逆变器运行，为发电机转子提供励磁电流；当电机超同步速运行时，转子旋 转磁场与转子的旋转方向与转子机械旋转方向相反，式中符号取“”，电机由定子 和转子一同发出电能给电网；当发电机处于同步运行状态时，发电机将作为同步电 机运行，转子侧变换器向转子提供直流励磁【l0 1 。发电机可在不同的转速下正常运行， 其转速可随风速的变化作相应调整，使风力发电机的一直保持在最佳运行状态，保 持定子输出的电压和频率不变。 1 0 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理 采用以上发电方式的主要优点在于： 1 在风速变化的情况下实时在线地调节风力机的转速，即

41、按照最大风能追踪要 求，使之始终运行在最佳功率曲线上，从而提高了发电机组的利用效率，优化了风 力机的运行状态。 2 可达到发电机输出有功功率和无功功率的解耦控制目标，控制有功功率可改 变风电机组转速；调节无功功率可调节电网功率因数，使风力发电机组及电力系统 运行的动、静稳定性相结合I l 。 3 可使发电机组与电网之间实现优良的的柔性连接，即发电机的输出电压频率、 幅值、相位不被转子速度和瞬时位置的所影响，变速恒频系统比传统的恒速恒频发 电系统更易实现并网操作及优化运行【l 2 。 4 网侧变换器和转子侧变换器分别采用两个独立控制单元。网侧控制器主要用 于维持直流母线电压的稳定，并保证其良好的

42、输入电流波形和单位功率因数：转子 侧控制器主要用于控制机侧P W M ，它通过控制D F I G 转子电流的转矩和励磁分量来 分别调节D F I G 的输出有功和无功，通过控制器计算有功无功指令，从而使D F I G 运 行在风力机的最佳功率曲线上进而实现最大风能追踪。 2 4 双馈异步发电机的等效电路 在推导双馈异步发电机在三相静止坐标系和两相同步速旋转坐标系下的数学模 型时，为了方便起见，通常定子绕组公式采用发电机惯例，定子电流以流出为正； 转子绕组公式采用电动机惯例，转子电流以流入为正，如图2 6 所示，并假定如下： 1 忽略磁通饱和和空间谐波影响，设三相绕组完全对称且均为星形连接，磁动

43、 势均沿气隙正弦分布； 2 不考虑温度和频率变化对电机各个电阻的影响； 3 转子侧绕组均折算到定子侧，折算后的每相绕组匝数相等； 4 忽略磁通饱和及铁芯损耗，各绕组的自感和互感都是完全线性对称的。 青岛大学硕士学位论文 I lR lX lX 2 R 2 s1 2 图2 6 双馈异步发电机的数学模型 双馈异步发电机的基本方程式： S 一置一( 尺。+ ，墨) 厶= U 一岛+ 盘+ ) 厶：堡 sS 矗：息：一( R 。+ 阪) L 2 。( 9 ) 1 2 = I m + I 。 式中：应l 、jl 、R 卜五分别是定子绕组中的感应电势、电流、电阻和电抗值； 应2 、J 2 、R 2 、局分别

44、是转子绕组中的感应电势、电流，电阻和电抗的折算值；，m 、 R m 、分别是励磁绕组中的励磁电势、电流、电阻和电抗；矽l 、D 2 、s 分别为定子 电压、转子侧的电压折算值和电机的转差率。 2 5 双馈异步发电机在a b e 三相静止坐标系下的数学模型 双馈风力发电机的结构与三相绕线式感应电机相似，定、转子均有三相绕组， 三相异步电机的物理模型如图2 7 所示。在三相静止坐标系下D F I G 的数学模型是一个 高阶，多变量，强耦合的非线性系统，因此进行控制系统的设计相对有难度，必须 通过解耦来实现对D F I G 有功、无功功率的实现有效的控制【1 3 1 。因而把矢量控制技术 应用于D

45、F I G 的有功、无功解耦控制中，即通过坐标变换，使转子电流的有功分量与 无功分量实现解耦，控制转子电流的有功分量和无功分量就可以分别实现双馈异步 发电机的有功和无功功率的解耦控制。 1 2 第二章双馈异步风力发电机系统的运行原理 岛 弋 一 汐包 黪 1厂、，、v 、。 t o 7 潞 ， 爵 D - + 量 峻，l ，卜 图2 7 三相异步电机的物理模型 1 电压方程 三相转子绕组的电压平衡方程为 f u 。2 = R 2 i 0 2 + d v 。2 衍 2 = R 2 毛2 + d v 6 2 d t l U 。2 = R 2 i c 2 + d v 。2 d t 2 - ( 1 0

46、 ) 三相定子绕组的电压平衡方程为 I 甜。l = 一R , i o l + d r 。l 西 甜6 1 = - R l i b l + d v 6 l d t 2 一( 1 1 ) l U 。l = 一R , i o l + d v d 西 式中下标”1 ”、”2 ”分别表示定子量和转子量；U a l 、U b l 、U c l 和U a 2 、U b 2 、U c 2 为定子和转 子的相电压；l ；r 。l 、l 、 f r 。卜 f r a 2 、2 、 ；r c 2 分别为定子和转子各相绕组的磁链； 厶l 、瓦l 、乇l 、址、砬、如分别为定子和转子相电流；R I 、尺2 为定子和转子

47、绕组的等效 电阻。 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，六个绕 组的磁链可用分块矩阵表示。 褂臣墟 1 3 2 一( 1 2 ) 青岛大学硕士学位论文 其中 I 厶l + 厶l o 5 厶l o 5 L lI 厶l = I - o 5 厶l 厶1 + 厶l o 5 乙1I 2 一( 1 3 ) 【一o 5 厶l o 5 乙I 乙l + 厶1 J l 厶2 + 厶2 一o 5 厶2 一o 5 厶2l 厶2 = l - o 5 厶2 厶2 + 厶2 一o 5 厶2l 2 一( 1 4 ) L - - 0 5 厶2 一o 5 k 2k 2 + 厶2 J l c o s O