风力发电机转子的电路驱动设计说明

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1、概括随着石油等资源的日益短缺，风能作为一种清洁的可再生能源正变得越来越重要。随着风电机组单机容量的不断增加，发电机并网带来的电流冲击不断加大，使得风力发电系统与电网的相互作用越来越复杂。因此，必须对风力发电机组并网技术进行深入研究。在当前世界风能应用技术中，双馈发电机矢量控制的研究技术比较成熟。矢量控制技术作为一种较为先进的控制策略，是在电机机电能量转换、统一理论和坐标理论的基础上发展起来的，具有新颖性、先进性和实用性。本文首先分析了 DIFG 的运行原理，建立了 DIFG 的数学模型，为坐标变换和运行特性提供了理论指导，为 DFIG 的研究奠定了理论基础。通过对双馈发电机工作原理的分析，建立

2、了交流励磁发电机的三相静态坐标系数模型，提出了基于定子磁场定向的矢量控制策略。独立控制馈入发电机的有功和无功功率。这些都为进一步深入研究提供了有效的理论依据。其次，采用双向能量流的双 PWM 变换器来满足交流励磁发电系统的励磁需求。详细分析了三相电压型整流器的基本原理和数学模型，确定了以电网电压为导向的矢量控制策略。 .介绍了空间矢量脉宽调制的方法。最后，对转子侧的电流和电压进行了 MATLAB 仿真，研究了发电机的运行状态。关键词：交流励磁，变速恒频，磁场定向矢量控制，并网同步控制双 PWM 变流器 MATLAB目录摘要 I摘要错误!未定义书签。目录 II第 1 章 简介- 1 -1.1 选

3、题背景及意义- 1 -1.1.1 风能发展前景- 1 -1.1.2 风能开发利用- 1 -1.2 国外发展趋势- 1 -1.2.1 国外风力发电现状及趋势- 1 -1.2.2 中国风力发电现状及趋势- 2 -1.3 风力机主要控制技术- 3 -1.4 论文工作的主要内容- 3 -DFIG 理论- 5 -5-调速的基本原理- 5 -第一章简介1.1 选题背景及意义能源短缺和环境污染是当今人类面临的两个重要问题。随着世界人口的不断增加和全球经济的快速发展，对能源的需求不断增加。但煤炭、石油等常规能源资源有限，使用这些能源会对环境造成严重污染。 .面对日益稀缺的资源，世界必须采取节流开源的策略。一方

4、面是节约能源，另一方面是寻找新的替代能源，大力开发利用可再生能源，这是可持续发展的道路。风能、太阳能等可再生资源受到了世界各国的重视。1.1.1 风能发展前景风力发电是新能源技术最成熟、开发条件最大规模、具有商业化发展前景的可再生能源技术。同时，风能资源属于清洁能源。根据绿色和平国际和世界风能协会联合发布的风12，预计 2020 年全球 12%的电力将来自风电，这将大大减少火电对大气造成的危害.风能的合理开发利用可以缓解当前能源短缺和燃料资源造成的环境污染，从长远来看可能成为世界重要的替代能源。1.1.2 风能开发利用与风能一样，它是取之不尽的可再生能源；风力发电不存在燃料短缺问题，不产生辐射

5、和二氧化碳污染。管乐器比太阳能乐器便宜 90%。我国风能储量大、分布广，比水能还要丰富。合理利用风能不仅可以减少环境污染，还可以缓解当今社会能源短缺的压力。1.2 国外发展趋势风力发电的过程是风能通过风力叶片将机械能转化为电能的过程。风力发电的两个主要组成部分是风力涡轮机和发电机。风力涡轮机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这部分是整个系统的核心，直接影响整个系统的性能、效率和电能质量，也影响风能吸收装置的运行方式、效率和结构。具有良好控制和供电性能的发电机系统是风力发电机技术的研究重点。1.2.1 国外风力发电现状及趋势在众多新的可再生能源中，风能分布广泛，风力发电技术相对成熟，成本相对较

6、低，最具规模化开发和商业化前景。可再生能源的作用越来越受到重视，已成为全球可再生能源领域发展最快的清洁能源。风电技术发展迅速，水平轴风电机组技术成为主流，市场占有率达 95%以上； 5MW；变桨距功率调节方式由于负载控制稳定、安全高效等优点发展迅速，已广泛应用于大型风力发电机组；未来风能的规模化发展将更多地依赖于规模化、系列化和标准化。为了降低成本，提高效率；随着关键技术和装备的逐步成熟，发展海上风电将是未来发展的重要方向，MW 级海上风电机组的商业化已成为世界风能利用的新趋势。同时，各种新技术、新设备的应用，标准法规的完善，产品质量的提高和风电市场的规范，也为风电的长期可持续发展奠定了坚实的

7、基础。风电行业。1.2.2 中国风力发电现状及趋势能源与环境危机与国民经济可持续发展之间的矛盾推动了风电产业的快速发展，风电在我国能源结构中的地位越来越受到重视。我国风力发电并网发展始于 1990 年。到 2004 年底，全国风力发电装机容量约 76.4 万千瓦； %，总容量达到 126 万千瓦； 2006 年新增装机容量超过 100%，累计装机容量超过 259.7 万千瓦； 2007 年新增装机 330 万千瓦，累计装机 604 万千瓦。成为世界上最重要的风电市场之一。国家 2010 年完成 500 万千瓦的目标比 2007 年提前 3 年实现。据有关部门预测，到 2010 年我国风电装机容

8、量将达到141500 万千瓦，如果保有效，预计到 2020 年实现 120-1.5 亿千瓦。在国家政策的支持和市场的拉动下，我国风电产业取得了快速发展。一大批有实力的企业纷纷涉足。国外跨国公司也在积极在中国设立生产企业。的繁荣。目前，我国已有 60 多家风电生产企业，其中 MW 级机组的国产风电设备陆续下线投产。国内风电设备技术水平和质量大幅提升，产能快速增长。另一方面，由于风力发电是一个跨学科、跨领域、跨部门的系统工程，加之国家在相关领域的基础薄弱，我国风电产业的自主发展也深受其害。基础技术研究和自主创新能力。产业化程度低等问题还远远不能满足风电发展的要求。加快自主风电产业的研究和建设，是当

9、前和未来风电发展的核心任务。1）大部分风电设备企业仍处于产业化初期我国风电产业呈现快速发展势头，但由于涉及时间较短，除少数企业外，大部分企业的产业化程度还比较低，大部分产品还处于起步阶段原型开发和实验评估。即使是国内领先的风电机组企业，其整体产业规模还比较小，且大多处于产业化初期。风电装备产业的综合竞争力与世界先进水平还有很大差距。（2）系统在逐步完善，但瓶颈问题仍需解决在国家政策和各级政府科研项目的支持下，通过企业、高校和科研单位的共同努力，我国风电产业技术水平有了很大提高。其他领域的产业规模和技术水平基本能满足中国市场的需求；但另一方面，在偏航轴承、变桨电机、主轴、电控系统和变流器等一些关

10、键零部件方面，技术和规模还远远不能满足我国风电产业发展的要求，尤其是风力发电机的电气控制系统和变流器，仍主要依赖进口。风电产业链关键零部件技术的缺失，极大地影响了我国风电的发展。一方面，关键部件受制于人，在一定程度上威胁着我国风电企业和风电产业的战略安全；并对健康发展产生非常不利的影响。（三）基础技术研究和自主创新实力还比较薄弱目前，国家风电装备企业的技术（尤其是关键核心技术）大部分是通过引进许可和联合开发的方式获得的，且大多不具备完全自主知识产权。力量。受此影响，我国风电产业发展存在“重产品和市场推广，轻设计研发”的问题。缺乏自主设计技术，使我国风电产业面临“掏空”的危险。核心技术和关键装备

11、的主导权和主要利润仍掌握在外资企业手中。受市场压力等因素的影响，我国前期对风力发电技术的研究更加注重具体装置和产品的研发，但在风力发电基础技术研究领域的投入不足严重不足。未来，我国风电产业在技术竞争、市场开拓、经济效益提升等方面仍将面临巨大的国际竞争压力和挑战。1.3 风机主要控制技术发电机及其控制系统是风力发电系统的另一核心部分。它负责将机械能转化为电能。风力发电机及其控制系统的运行状态和控制技术也决定了整个系统的性能、效率和输出电能质量。 .根据发电机的运行特性和控制技术，风力发电机可分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术。1.4 论文工作的主要内容变速恒频双反馈发电机组良好运行的

12、前提是发电机组能够顺利并网。因此，有必要对风力发电机组并网技术进行深入研究。本文在研究交流励磁变速恒频风力发电理论（包括变速恒频运行机理和交流励磁发电机矢量变换控制）的基础上，提出了一种空载并网同步控制策略。交流励磁变速恒频发电机。具体有以下几个方面：1.以交流励磁双馈异步发电机为研究对象，介绍了变速恒频风力发电技术和交流励磁风力发电机并网技术的研究现状，以及风力发电机的基本原理给定变速和恒定频率。2、分析了双馈变速恒频风力发电机的矢量控制模型。双馈变速恒频风力发电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。如果采用常规的控制方式，写起来会很复杂，也不尽如人意，但是矢量控制可以简化电机各变量之间

13、的耦合关系，简化控制。3、在 DFIG 转子励磁电源的研究中，分析了双 PWM 变流器的特点，讨论了网侧变流器的控制方法。4.介绍了交流励磁变速恒频风力发电机的空载并网同步控制策略，建立了发电机空载的数学模型。在此基础上，在 MATLAB 软件中建立电机模型，并给出 MATLAB 仿真结果。第二章双馈机理论2.1 双馈调速的基本原理无刷双馈电机相当于两台交流电机同轴连接，如图 2.1 所示。电机定子上安装有 2 组绕组，一组通常接工频电源，级数为 2p，称为功率绕组；另一组接控制电源，级数为 2q，称为控制绕组。两组绕组不直接进行电磁耦合，而是通过转子绕组间接传递电磁功率。因此，转子线圈的组数

14、一般应满足：Pr=2p+2q，p=q(1)调速原理：如图 2.1 所示。功率绕组接一个频率为 f1、电压为 U1 的三相固定电源，控制绕组接一个频率为 f2、电压幅值为 U2 的可调电源。设电机转速为 n。那么电机气隙产生的磁场的同步速度为 ns1=60f1/p图 2.1 无刷双馈电机结构示意图滑倒： sn- n60f- pn（2-1）=s1=11n60fs11则转子绕组感应电流频率为： f = s f=（60f- pn）/ 60 ( 60f = 60f- pn 2-2)211121由于转子特殊的同心鼠笼式绕组结构，串联变流器可以将转子中的 p 对串联感应电流转化为 q 对串联电流。频率f =

15、sfns2，然后n60f=221s2qsn- n60f 2- qn60s f - qn60f （-p +q）ns2111=60f=- pn2n60s f60f滑移率：s22111然后定子控制绕组中的频率：f= s f =60f - qn222260即60f 2 = 60f 2- qn （2-3）由式(2)和(3)可知： n =60（f - f ）12(2-4)p + q由式(2-4)可知，当风力机转速变化时，调整频率 f2，从而实现电机的调速。 f2=0 时，变流器给转子提供直流励磁，电机相当于运行在同步状态；当 f20 时，电机处于次同步状态，变流器相转子提供交流励磁，定子向电网供电；当 f

16、2 0 时，电机运行在超同步状态，此时定子和转子同时向电网传输功率。双馈电路等效电路图图 2.2 是 DFIG 的等效电路图，其中 s 是发电机的转差。定子侧截取电网，因此定子侧的磁场是恒定的。由于定子磁场与七西磁场励磁回路之间存在串联关系，而且由于定子磁场是恒定的，定子磁场的励磁电流既可以从定子也可以从转子获得。吸收无功功率，起到调节功率因数的作用。2.2 无刷双馈电机等效电路图双馈电机的转子绕组总是有两个相同频率的源。一个是转子感应电势 Er，另一个是转子绕组的外加电压 Ur。 Er 是受 DFIG 转差和定子侧电流约束的电压源。通过调整 Ur 的幅值和相位，可以控制双馈电机转子侧的有功功

17、率和无功功率。由以上分析可知，双馈无刷电机转子绕组的转差功率通过气隙传递给控制绕组，并反馈回电网。利用;控制绕组输出功率为转差功率，变频装置所需容量低，电机无电环，碳刷装置可靠性高。2.3 DFIG 的功率关系电机是机电能量转换装置，各种电机中都存在气隙磁场。对于双馈电机，转子输入的机械能克服气隙磁场中导体上的电磁力做功，使道路不断感应出电势不断产生电能，实现效果将机械能转化为电能。1、定子功率方程：P= P+ P(2-5)mc u11式中，Pm 为电磁功率； Pcu1 为定子绕组的铜损； P1 是定子输出的电能。2、转子功率方程：P = P + P (2-6)2c u 2e 2式中，P2 为

18、转子输入（输出）电功率； Pcu2 为转子绕组的铜损； Pe2 是转子绕组传输的电能。3、机械功率方程：P = sP (2-7)e 2m转子绕组传输的电力 Pe2 是电磁功率 Pm 乘以转差 s。因为发电机 Pm 是一个固定值，所以当 s0 时，表示转子从变频电源获得电能。2.4 总结本章介绍了双馈发电机的优点，总结了变速恒频的原理，即在发电机转速变化时，调整转子励磁电流的频率，使定子输出电能的频率保持恒定，并给出了交流励磁发电机。能量关系。第三章转子侧 PWM 变换器及其在 DFIG 上的运行控制3.1 双 PWM 转换器的性能要求和特点双 PWM 转换器的拓扑图如图 3.1 所示。从图 3

19、.1 可以看出，电机转子侧的 PWM 变流器是连接旺策 PWM 变流器和双馈发电机的最重要部件。双馈发电机和整个风力发电的控制都是通过转子侧 PWM 变流器实现的。因此，转子侧 PWM 变流器的有效控制与整个双馈风力发电系统的性能密切相关。.3.1 PWM 转换器拓扑转子侧 PWM 变流器的主要作用是实现双馈电机转子侧的矢量控制，保证有功功率和无功功率的独立调节；根据风速的不断变化，实现最大风能捕获作业。在此过程中，转子侧 PWM 转换器控制 DFIG 的运行。为了有效地实现对双馈电机和整个风力发电系统的控制，需要对转子侧 PWM 变换器的控制方案进行裁剪，以控制双馈电机的运行。双馈发电系统是

20、一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统，一般的方法很难对其进行有效控制。因此，未来要实现双馈电机的有功和无功控制，必须将两者解耦，即通过坐标变换的方法简化双馈电机的数学模型，将转子的有功和无功分量电流被解耦。通过控制转子侧电流，可以实现双馈电机有功和无功功率的解耦控制，使双馈电机在风机中运行的最优功率曲线实现最大风能捕获运行。根据上述双馈风电机组，转子侧控制的主要目的是控制常规风力发电机的转速，使转子转速能够跟踪风力输出的变化，从而使风力发电机的输出频率定子侧恒定，从而实现变速和恒定频率。第二章对双馈电机的数学模型进行了加工。静态三相坐标系中的 DFIG 比较复杂，不利于控制系统的设计。同步旋

21、转坐标系中的 DFIG 模型比较简单，同步旋转坐标系中的 DFIG 模型比较简单。电流、电压等矢量可以看作是相对静态的直流量，因此直流调速的方法可以应用于同步旋转坐标下的原点调速系统。3.2 DFIG 的数学模型在讨论双馈电机在三相静止坐标系和两同步转速旋转坐标系下的数学模型时，定子绕组采用发电机为例，定子电流为正为流出；转子绕组采用电机约定，转子电流为正流入。 . 为了便于问题的分析，假设如下：忽略磁饱和空间谐波，假设三相绕组对称，均为星形连接，磁动势沿气隙呈正弦分布；不考虑温度对电机参数的影响；转子绕组换算到定子侧，换算后各相绕组的匝数相等。图 3.2 三相静止 abc 坐标系中的数学模型

22、3.3 静态坐标系中的 DFIG 数学模型首先列出静态坐标系中的 DFIG 数学模型。为了便于子问题的分析，通常作如下假设： 1) 忽略空间谐波，将三相绕组设置为对称，空间相差 120。电角，产生的磁动势按竞争规律沿气隙分布； 2）忽略磁路的饱和，考虑各绕组的自感和互感为常数； 3）忽略铁损；4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响； 5) 除非另有说明，转子侧参数均换算为定子侧参数，换算后的定转子绕组匝数相等。(1) 电压方程三相定子电压方程为uuu= -R i+ dyAASAdt= -R i + dyB(3-1)BSBdt= -R i+ dyCCSCdt三相转子电压方程：= R i+d

23、yuaaradtdy= R i+ub (3-2)brbdt= R i+dyuccrcdt式中：uA、uB、uC、ua、ub、uc 分别为定转子相电压瞬时值； iA、iB、iC、ia、ib、ic分别为定转子相电流的瞬时值； y A、 y B、 y C、 y a、 y b 和y c 分别是定子和转子的磁链。将其转换为矩阵形式：u- RsA uB 0u0C = ua 0u0b u0c 00000 i y - Rs0000A A iyB B 0- Rs000 i y C +du / dt C (3-3)00Rr00ia ya 000Rr0 i y b b 0000Rr i yc c (2) 磁链方程y

24、 - LL i s = sssr s (3-4)y- LLirrsrrL+ L-1L-1L22msismsms哪里： L= - 1 LL+ L-1L （3-5）ss2msmsis2ms1L-1LL+ L-22msmsmsis + L11L-2L-2Lm rirm rm r1LL + L-1L = -22L (3-6)rrm rm rirm r -1L-1LL+ L22m rm rm rir cosqcos（q -120） cos(q +120) rrrL= LT = Lcos（q +120）cosqcos（q -120）srrsm s rrrcos（q -120） cos（q +120）cos

25、qrrr. (3-7)式中：为定子 L第一相绕组最大互感通量对应的定子互感值； L是对应于转子第一相m sm r绕组的最大互感通量的定子互感； L ， L 分别是定子和转子漏感q ；位置角度。（3） 扭矩方程i si rr+i i+i i ）sinq +（i I+i i+i i ）sin（q +120）+（i I+i i(3-8)T =-n L （i I+i i ）sin（q -120）ep m sA aB bC crA aB bC crA aB bC cr(4) 运动方程T - T =Jdwr (3-9)eLn dtp其中：T是风提供的阻力扭矩； J 是单位的转动惯量。L3.4 各种坐标之间

26、的变换矢量控制技术是应用最广泛的交流电机控制方法。通过空间矢量坐标的变换，三相交流电机模型可以等效为两相电机模型。换算后电机功率值不变，可解出电机原有的耦合项。耦合，所需控制对象可实现独立控制。对于双馈风电机组，电机的定子和转子电流分别是工频和转差的交流量，是一个强耦合系统。矢量控制技术用于将实际交流量分解为有功分量和无功分量。并对这两个部件分别进行闭环控制。空间矢量坐标变换原理如图 5.8 所示。三相交流电动机的定转子电压、电流和磁链可以表示为 S ，S ，S ；S 、S 、S 投影在三相静止坐标系上的空间矢量到两相静止坐标abcabc系上的空间矢量 S、S ； S 、S 对于w具有旋转角速

27、度的两相旋转坐标系，可以将其转abab化为空间矢量 S 、S，静止坐标系与旋转坐标系之间的转换角为q。这些变换是等价的变d q化，即在任何坐标系中，得到的空间向量都是同一个空间向量 S。图 3.2 空间向量变换图三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标公式：-1S212a =3S3b02- 12- 23 S S Sa (3-10)b c 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换公式：S cosqd = Sq - sinqsinqS(3-11)cosqa Sb 式中为两相旋转坐标系与两相静止坐标系的夹角。由式 1 和式 2 可以得到三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换公式：1S 2cosqsin

28、q 1-2 d =- sinqcosqS33q02- 1 S2 S- 3 S2 a (3-12)b c 上式左右两端乘以系数矩阵的逆矩阵，可以得到上述坐标变换的逆公式：S 10Sa 213(3-13)=- b 322S13 c-22S cosqSa = sinqbS 1Sa =21b -32S1c-2- sinqSd (3-14) cosq Sq 0 3cosq- sinqS(3-15)d 2sinqcosq Sq -323.5 定子磁链的定向矢量控制与普通三相交流电机一样，双馈电机在三相静态坐标系中的数学模型是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的系统，控制系统的分析和设计难度很大。为了实现对双

29、馈电网有功和无功功率的有效控制，必须将其解耦。因此，交流调速中的矢量控制技术可以应用于双馈电机的有功和无功解耦控制，即通过坐标变换，使转子电流的有功和无功分量解耦，有功和无功通过控制转子电流分量，实现对分布式发电系统有功和无功功率的有效解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电系统。控制目标。两相旋转坐标系下将静态坐标系中的双馈数学模型进一步转化为旋转坐标系，其电压方程和磁链方程为：(3-16)(3-17)考虑到双馈电机始终以 50Hz 工频左右的频率运行，无论是带电状态还是发电状态，定子电阻压降远小于电抗压降，电机背电视，电机定子绕组电阻通常可以忽略不计。从定子电压公式可以看出，在忽略电机定子绕

30、组电阻后，定子磁连接矢量超前y 定子电压1方位选择 MT 坐标系的 M 轴时，有：矢量 90 u。沿y1 u= 0(3-18)Msu= -uTs1y=y(3-19)y= 0Ms1Ts为了独立调节发电机的有功功率 P 和无功功率 Q，发电机定子在 MT 坐标系下的功率表达式写为：3P =（ui+ui）2Ms MsTs TS(3-20) Q =3(i- ui)2Ts MsMsTS式中，3/2 为案例布局原理引入的坐标变换系数，将（3-9）式带入（3-11）式可得：3 P = -2u iTsi(3-21)3 u iQ = -2iMs根据磁链方程（3-8），推导得到定子磁链方程：= -Ly + L（1

31、 -L2ymm）iMrL1rL LMr(3-22)sL2sry)i= L (1 -mTrrL LTrsr转子磁链方程转化为：i=-y+ L i1s MSMrL(3-23)myL2)i= L (1 -mTrrL LTrsr转子电压方程由同步旋转电压方程得到：(3-24)L2Du= -L（1 -L2）w i公式中：u = R + L (1 -m)pi,m,MrrrL LMrMrrL Ls TrsrsrL2u = R + L (1 -m)pi,Tr rrL L TrsrDu= L（1L2）w i-Lwy .-mmMrrL Ls MrLs1srsu ,u 是实现转子电压和电流解耦控制的解耦项； Du

32、,Du 是 M 轴和 T 轴转子电压MrTrMrTr和电流分量之间交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项，可以得到实现 P 和 Q 独立调节的 MT 坐标系下的转子分量电压。通过 2/3 旋转变换，可以得到发电机转子的三相电压，二次电压可以作为励磁变频电源中所需的 PWM 指令。通过控制 PWM 逆变器产生所需频率、大小和相位的三相交流励磁电压，最终实现发电机功率控制、调速和最大风能捕获运行。3.51 转子侧变流器控制当双馈发电机作为发电机接入电网时，只要电网电压保持恒定，矢量控制对定子磁场进行方向控制。分别控制双馈发电机转子电流转矩分量和励磁分量的双通道方法可以实现端口有功和无功功

33、率的定子解耦控制。转矩电流分量采用定子有功功率外环和电流环双闭环控制方式，励磁电流分量采用定子无功功率外环和电流环双闭环控制方式。这种控制方式称为电流控制方式，功率可控在限速范围内。在两相同步旋转坐标系下，式中，u = R i +sL pi -w sL idrr drrdr2rqr(3-24)L2u= R i+sL pi+w（sL i +0i ）2Lm s qrr qrrqrrdrs制作u = R i +sL piqr1rqrrqru = R i +sL pidr1rdrrdr因此，通过在 中加入前馈补偿项u dr ，u qr 以消除转子电流 dq 分量的交叉耦合和反电动势项的影响，参考电压指

34、令值 u dr *，u qr * 如下：u * = u-w sL i (3-25)drdr12rqru * = u+w (sL i+L 2i ) (3-26)0qrqr12rdrLm ss由电磁转矩方程T= n L（i i，电磁转矩表达式可简化为-i i ）emp0qs drds qrT=L2Ln y i(3-25)0n i i =0emLp m s qrLps qrss3.6 总结本章总结了双馈电网的特点及其在变速恒频风力发电中的优势，阐述了双馈电网实现变速恒频运行的原理。当发电机转速变化时，可以调节转子励磁电流的频率，使定子输出电能的频率保持恒定。介绍了坐标变换理论，推导了双馈电机的数学模

35、型，为分析交流励磁变速恒频风力发电系统的运行特性和控制方法奠定了理论基础。第四章 风力发电机组空载并网控制4.1 研究风电并网技术的必要性从世界各国风电场运营经验来看，大型风电场并网的主要问题是电能质量问题、电网稳定性以及并网过程对电网的影响。风电作为一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点。风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定和经济运行产生负面影响。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的影响越来越明显，成为制约风电场规模和容量的重要因素。由于风速的随机性。风速扰动会引起系统电压和频率的变化，严重时会对系统的稳定性产生非常不利的影响。风电场输出功率波动对电网电压和系统频率的影

36、响会随着风力发电比的增加而增加。在风电占比较高的电网中，风电场输出功率和系统负荷的变化使得电网的稳定运行成为一大难题。随着风机单机容量的增加，并网时对电网的影响也更大。这种冲击不仅会使电力系统的电压大幅度下降，而且还可能对发电机和机械部件造成损坏。如果并网时间过长，还可能导致系统断开，影响其他发电机组的正常运行。因此，如何安全、顺畅、快速地并网，成为风力发电实践中不可忽视的环节。风能并网时应考虑对电能质量的影响。风速和潮流的变化会引起风电的波动和机组频繁启停。功率变化会导致电网频率在一定范围内波动，影响电网频率和敏感负载的正常运行。风电的波动会引起电压不稳定，如电压波动、电压闪变、电压下降等。

37、此外，风电并网后会给电网带来谐波电流，减少谐波对电网造成的污染也需要解决。二是电网稳定性的影响。风电注入电网会造成电网功率不平衡。风电场附近当地电网电压和联络线功率将超过安全限值，严重时甚至导致电压崩溃。变速恒频风力发电系统在向电网注入电力时，需要向电网吸收大量的无功功率，因此为了补偿风电场的无功功率，风力发电机组配备有功率因数校正装置。无功补偿过程往往会导致电网电压等级恶化，严重时会导致电压崩溃。随着风电场规模的扩大，风电在系统中的比重也随之增加，风电对电网的影响也随之增大，影响了电网的稳定性。然后是并网过程对电网的影响。风机并网过程中会产生两倍于额定电流的浪涌电流。对于容量较小的电网，风电

38、场并网过程中会产生两倍于电流的浪涌电流。对于容量较小的电网，风电场并网瞬间会导致电网电压大幅下降，从而影响整个电网的稳定性和安全性。综上所述，风电并网对电网和电能稳定性的影响不容忽视。这些问题不仅影响用户正常用电，还会因处理不当导致电网崩溃，也制约着风电产业的发展。开发。4.1.1 并网风力发电特点一般来说，大型风电场并网具有以下特点：输入风能的变化是随机的；风力发电由自然风驱动，不可控，难以产生大量风能。因此，风力发电机组有功功率的规律性较差，难以预测。大部分风电场远离主电网和负荷，一般风电场在弱电系统接入；风能资源丰富的地区一般离负荷较远，大规模风电无法就地消纳，需要通过输电方式输送。网被

39、长距离运输到装载中心。风电场容量小，机组数量多。风能的能量密度低，需要获得相同的发电量。风力发电机的尺寸比相应的风力发电机大几十倍，这限制了风力发电机的单机容量。目前，世界上最大的在运风力涡轮机只有 5MW。带有异步发电机的风力涡轮机在运行过程中向电网致有功功率并吸收无功功率；定速风力发电机异步发电机吸收无功功率，无功功率不可控；而变速风力涡轮机双馈异步电机和直驱风力涡轮机永磁同步电机具有可控的无功功率。目前，国家风电机组普遍采用功率因数控制（功率因数通常为 1.0） 。4.1.2 几种使用异步电机作为风力涡轮机并网方法的比较1、空载并网空载并网模式的控制结构如图 4.1 所示。主要思想是双馈

40、发电机并网前空载，定子电流为零，提取电网电压信息（包括频率、相位、幅值）为基础，实现双馈-饲料发电机。双馈控制系统的励磁调节使建立的双馈定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致。图 4.1 双馈空载并网控制系统结构图空载并网控制比较简单，并网时几乎没有浪涌电流。并网后，由于发电机与电网保持柔性连接，定子电流仍基本为 0，无电送入电网。当控制切换到最大功率点跟踪时，可以实现双馈风电系统的并网发电。2. 独立负载并网独立负载的并网方式如图 4.2 所示。负载并网时，风机定子侧接阻性负载，负载两端电压建立在与电网相同频率和相位幅值上，然后接入网格。图 4.2 独立负载电网连接并网负载也可以实现无

41、冲击并网。并网后，双馈电机可卸除负载运行，定子侧全部功率输入电网。如果接入电网时的电阻是本地负载，需要继续供电，也可以带负载运行。定子侧的输出能量线满足本地负荷的需要，多余的输送到电网，形成分布式发电系统。负载并网发电机具有一定的能量调节功能，可与风力发电机配合实现调速。降低了对风机调速能量的要求，但控制更加复杂。4.1.3 双馈系统并网运行双馈发电机定子的三相绕组直接接入电网，转子绕组通过 PWM 变流器接入电网。该系统并网运行的特点如下。(1) 风力发电机组启动后，当驱动发电机接近同步转速时，通过 PWM 控制进行电压匹配、同步和相位控制，快速并入电网，并有并网时基本没有电流影响。对于在静

42、止状态下无初始启动转矩的风电机组的启动，可以通过在电动机状态下运行双馈发电机来实现。(2) 风力机的转速可以随着风荷载的变化而相应调整，使风力机以最佳的叶尖速比运行，产生最大的电能输出。(3) DFIG 有三个励磁可调量：励磁电流的频率、幅值和相位。调整励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒频功率；通过改变励磁电流的幅值和相位，可以达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位发生变化时，转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间发生位移，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压矢量的相对位置，即也就是改变电机的功角，因此调节励磁不仅可以调节无功功率，还可以调节有功功率。4.2 双馈

43、风机并网控制并网控制策略是在并网前调整发电机组以满足风力发电机组启动阶段的并网条件。转子励磁电流由交流励磁变流器调节，使发电机定子发出的电压与电网电压的幅值、相位和频率相同。4.2.1 变速恒频双馈发电机控制策略双馈风力发电机的并网控制方式不同于直流励磁同步发电机和通常的异步发电机。同步发电机的并网主要是刚性连接。发电机的输出频率完全取决于发电机的转速，与励磁无关。因此，发电机并网时的转速应始终保持恒定。但风速时时随机变化，并网时的调速性能难以满足发电机的要求。普通异步发电机并网时，由于负载是通过转差率调节的，因此机组的调速精度不高，不需要全同步。只要速度接近同步速度，就可以并网。主要并网方式

44、有：直接并网、准同步并网和降压并网。相当于上述两种发电机，变速恒频双馈风力发电机可以实现与电网的灵活连接，大大降低了并网时对电网的影响。并网时，根据检测到的电网电压和发电机的转速，定子发出的与转子励磁电流大小相近的电压满足并网条件。双馈系统的并网运行过程分为三个阶段：并网前的控制运行、并网中的过渡过程和并网后的最大风能跟踪过程。风力发电机启动后，当驱动发电机接近同步转速时，由变流器控制转子励磁电流进行并网匹配，从而快速并网。并网成功后，控制系统从并网控制切换到最大风能跟踪的发电控制模式，如图 4.3 所示图 4.3 变速恒频双馈发电机控制策略切换框图研究双馈电机空载并网控制原理，需要建立双馈电

45、机空载数学模型。当定子采用发电机约定，转子采用电动机约定时，dq 坐标系中的双馈电压方程为：u= R i+py- wyd ss d sd s1q su= R i+py- wy(4-1)u = R i +pyq s- wyd sq ssq s1d rr d r+pyd rsq ru= R i- wyq rr q rq rsq r磁链方程为：y= L i+ L idssdsmdry= L i+ L i(4-2)yqs= L i + L iqrsqsmdrrdrmds= L i+ L iyqrrqrmqs式中， R , R 为定转子绕组的等效电阻；L ，L ，L是 d、q 轴定子和转子绕组的自感和srsrm互感；，i是 d、q 轴定转子电流；是u ，u ，u ，ud 、 q 定子和转子电压；i ，i ，idsqsdrqrdsqsqrdry ，y ，y ，y 轴定子转子磁链；w，w 用于同步角速度和滑动角速度。dsqsdrqr1s电机空载运行时，将ird= irq= 0公式 4-1 代入公式 4-2，可得u= L pi- w L idsmrd1mrqu=w L i+ L irq(4-3)qs1