双馈风力发电机控制策略的研究

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1、 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.1.1可再生能源开发的必要性11.1.2风能的开发利用21.2 国内外风力发电技术的发展趋势21.2.1风力发电机组容量的发展趋势31.2.2并网风力发电机组的种类31.2.3风力发电机的发展51.3 变速恒频发电的优点6第2章 双馈风力发电系统的结构特点和基本原理82.1 双馈风力发电系统结构特点82.2 风力机最大风能捕获原理82.3 双馈感应发电机的运行原理92.4 双馈感应发电机功率流动特点112.5 变速恒频双馈风电机组矢量励磁控制142.6 坐标变换技术15第3章 双馈风力发电系统仿真模型的建立173.1

2、 双馈感应发电机数学模型及仿真模型173.1.1双馈感应发电机的数学模型173.1.2双馈感应发电机的仿真模型213.2 双PWM电压型变流器的数学模型223.2.1网侧PWM变流器的数学模型223.2.2 双PWM电压型变流器直流环节的数学模型253.3 网侧变流器的电网电压定向矢量控制设计263.4 转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制设计27结束语31参考文献32致谢34 直驱永磁风力发电机控制策略的研究摘要：随着人们对能源危机及环境污染的日益重视，风力发电在世界范围内得到了迅速发展，如何有效的提高机组容量与运行效率、最大限度地利用风能已成为风力发电技术研究的重要内容。在各种风力发电系统方

3、案中，双馈风力发电系统以其独特的优点逐渐成为当今风力发电的主流。 本文首先详细分析了解了双馈风力发电系统的结构特点以及基本原理，包括风力机最大风能捕获原理、双馈感应发电机变速恒频发电原理及其功率流动特点、转子励磁变流器的矢量控制原理等。然后根据电机学中异步电机的相关知识推导了双馈感应发电机在三相静止坐标系下的数学模型以及运动方程；在对双PWM电压型变流器原理分析基础上，推导了网侧PWM变流器在三相静止坐标系下数学模型；为了便于控制系统设计，应用坐标变换技术将所建数学模型转换到两相旋转坐标系下；基于坐标变换技术和电机矢量控制理论，进行了电网电压定向的网侧变流器矢量控制设计和定子磁链定向的转子侧变

4、流器矢量控制设计的研究；最后利用以上所建模型和已有的成熟的模块在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了系统的仿真模型，进行了亚同步速和超同步速时电机变速恒频发电和有功无功独立调节的仿真研究，仿真结果表明所设计的系统在实现了变速恒频发电的同时，实现了P、Q的完全解耦控制，验证了双馈感应风力发电系统理论分析和控制策略设计的正确性与可行性。关键字：风力发电；变速恒频；双馈发电机；矢量控制AbstractWith attachment importance to energy source scarcity and environment pollution the wind electric p

5、ower generation has developed dramatically all over the world. How to enhance unit capacity and operation effectively and use the wind energy becomes important matter of the wind electric power generation. In various system alternatives, variable speed constant frequency doubly-fed induction generat

6、or (DFIG) becomes mainstream for its advantages.This paper first detailed analysis about the structural characteristics and the basic principles of the double-fed wind power generation system, including the principles of the maximum wind energy capture, the Variable Speed Constant Frequency Operatio

7、n principle and power flow characteristics of the doubly-fed induction generator, the vector control theory of the rotor excitation inverter, and so on. Then according to the knowledge about induction motor in Electrical Machines, the equations of motion and the mathematical models of double-fed ind

8、uction generator in three-phase static coordinate system was derived; Based on the principle of dual PWM voltage source converter , the mathematical model of grid side PWM converter in three-phase static coordinate system was derived; In order to facilitate the control system design, the coordinate

9、transformation technology was used for converting the established mathematical model into a two-phase rotating coordinate system; Based on coordinate transformation techniques and motor vector control theory, some study of grid voltage oriented grid side converter vector control design and the stato

10、r flux-oriented rotor side converter vector control design have done; Finally, based on the above model and the existing mature module in MATLAB / SIMULINK environment, the system simulation model was build, and the sub-synchronous speed and super synchronous speed when the motor speed constant freq

11、uency independent active and reactive power generation and regulation was simulated, the simulation results show that the designed system in the realization of a variable speed constant frequency generation, meanwhile, the full decoupling control of P, Q was realized and it proved accuracy and feasi

12、bility of analysis of doubly-fed induction wind power system and the control strategy design.Keywords: wind power; variable speed constant frequency; Vector ControlI本文档仅供参考请于下载后24小时删除直驱永磁风力发电机控制策略的研究第1章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1可再生能源开发的必要性能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础,对社会、经济发展和物质文化生活水平极为重要。过去建立在煤炭、石油、天然气等不可再生能源

13、基础上的能源体系推动了人类社会发展的同时,也给人类社会带来了严重的后果,譬如资源日益枯竭,环境不断恶化,由能源争夺引起的国与国之间、地区之间的政治经济纠纷,甚至冲突和战争。因此,人类必须寻求一种清洁、安全、可靠的可持续能源系统。这样,可再生的、储量丰富的、无污染和无公害的各种可再生的新能源就逐渐成为正在趋于枯竭的、非再生的、有污染和有公害的不可再生能源的替代品。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视,还是从为世界多亿无电、缺能人口和特殊用途解决现实的能源供应问题出发,发展新能源与可再生能源将有重大战略意义。（1）新能源与可再生能源是人类社会未来能源的基石,

14、是目前大量燃用的化石能源的替代能源。在当今的世界能源结构中,人类所利用的能源主要是不可再生的石油、天然气和煤炭等化石能源。在1997年的世界一次能源消费构成中,石油占39.9%,天然气占23.2%,煤占27%,三者合计高达90.1%,随着经济的发展、人口的增加以及社会生活水平的提高,预计未来世界能源消费量将以每年的速度增长。根据目前国际上通行的能源预测方法,石油资源将在40年内枯竭,天燃气资源将在60年内用光,煤炭资源也只能使用220年。所以人类必须未雨绸缪,及早寻求新的替代能源,而新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境,是国际社会公认的理想替代能源。（2）新能源和可再生能

15、源清洁干净、污染物排放很少,是与人类赖以生存的地球的生态环境相协调的清洁能源。化石能源的大量开发利用是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时,保护好人类赖以生存的地球的生态与环境,己经成为一个全球性的重大问题。目前,世界各国都在纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施,以解决这一与能源消费相关的重大环境问题。这就是所谓的能源效率革命和清洁能源革命,也就是我们所说的节约能源和发展新能源和可再生能源。（3）新能源与可再生能源是不发达国家20多亿无电、缺能人口和特殊用途解决供电、用能问题的现实能源。1.1.2风能的开发利用风能作为太阳能的一种转化形式,是一种不

16、产生任何污染物排放的可再生的自然资源。风能的开发利用己有数千年历史。在蒸气机发明以前,风能就曾作为重要的动力,用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前,埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一,至少在三千年前的商代就出现了帆船。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动,自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来,现代风能最主要的利用形式-风力发电的发展十分迅速,世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%,从1993年的216万kW上升到2003年的4030万kW

17、。欧洲风能协会预计,欧洲年风力发电装机容量将超过1亿kW,占欧洲总发电量的20%。随着风力资源开发的进展,世界风电机的装机容量到2020年预计会达到12.45亿kW,发电量占世界电力消费量的12%。因此,风能将是世纪最有发展前景的绿色能源,是人类社会经济可持续发展的主要新动力源。把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风电是最具竞争力、最有发展前景的一项可再生能源技术,21世纪将会在能源供应中发挥越来越重要的作用,研究风力发电技术将会对我国大型风力发电机组国产化及推动我国风力发电事业的不断发展有着重要意义1。1.2 国内外风力发电技术的发展趋势近年来，全球风电技术发展迅猛，风电机组的可靠

18、性大大提高，发电成本显著降低，逐步接近常规能源发电的水平。风电机组的单机容量逐步加大，从早期的失速调节向变速变桨恒频发展；传动技术从有齿轮箱的结构发展到直接驱动。1.2.1风力发电机组容量的发展趋势世界上风力发电的技术开发，近十年来取得了惊人的进步，其中最显著的是风力发电机的大型化。目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率高于其它电源增长率的趋势仍在继续。商业化机组的单机容量从55kW增加到2500kW，风电成本从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh，运行可靠性的发电成本接近常规火电。目前，MW级风电机组已成为风电市场中的主流机型。2005年世界风电市

19、场统计报告表明，1997年以前MW级风电机组的市场份额还不及10%，2001年则超过一半，2003年已达到70.5%，2005年高达76%。近年来，近海风能资源的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到5MW，6MW风电机组也已研制成功。20世纪80年代生产的旧式机组单机容量仅为2060kW，而今天在风电市场上销售的商业化机组容量一般为6002500kW。目前单机容量最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5MW。预计2010年将开发出10MW的风电机组。对容量在2MW以上的机组欧洲主要考虑在海上安装。1.2.2并网风力发电机组的种类并网运行

20、的风力发电技术是20世纪80年代兴起的一项新能源技术，一开始就受到世界各国的高度重视，因而迅速实现了商品化、产业化，特别是随着计算机与控制技术的飞速发展，风力发电控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展。风力发电机组主要有风力机和发电机组成。当前并网型风力发电机组有以下几种功率凋节控制技术：(1)定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机

21、组在低风速时的效率，通常采用双速感应发电机。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。(2)变桨距调节型风力发电机组变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45度，当转速达到一定时，再调节到零度，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在零度位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额

22、定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。(3)主动失速调节型变速变桨风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将

23、功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出。机组运行在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速变桨风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式技术的主要特点是风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈感应发电机并网。其优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。

24、因此，风力发电机组中的发电机要采用交流励磁变速恒频发电机。直驱式技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术使风电机组的可靠性和效率都进一步得到了提高。1.2.3风力发电机的发展目前风力发电所采用的发电机主要有两种：同步发电机和感应发电机。感应发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统4。(1)恒速恒频发电系统恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，因此叶尖比k不可能经常保持在最佳值(即使采用变浆距叶片)，Cp值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。多采用笼型感应电机作为并网运行的发电机。(

25、2)变速恒频发电系统虽然目前风力发电系统采用最多的感应发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速保护并保持一个恒定的最佳叶尖比k，从而使风力机的风能利用系数Cp保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率。例如目前已投入应用的一项变速技术是通过调节发电机转子电流的大小和相位来追求Cp最优和输出。变速恒频发电系统有多种，如交-直-交系统、变流励磁发电系统、无刷双馈电机系统、开关磁阻电机系统、磁场调制发电系统、同步感应变速恒频发电系统等。这些变速恒频发电系统有的是通过

26、改造发电机本身结构而实现变速恒频的，有的则是发电机与电力电子装置、微机系统相结合而实现变速恒频的，它们各有特点，适用场合也不一样。近来国内外比较关注的变速恒频发电方案是交流励磁变速恒频风力发电系统，它通常使用绕线式感应电机作为发电机，由于绕线式感应发电机有滑环、电刷存在，这种摩擦接触式结构不适合运行环境比较恶劣的风力发电装置。无刷双馈电机由两台绕线式感应电机组成，两转子的同轴连接省去了滑环和电刷。无刷双馈发电机可在转子转速变化的条件下，通过控制励磁机的励磁电流频率来确保发电机输出电频率保持50Hz不变。因此，无刷双馈发电机可实现变速恒频发电。无刷双馈发电机结构简单，坚固可靠，比较适合风力发电等

27、运行环境比较恶劣的发电系统使用。若无刷双馈发电机运行在中速区和高速区时，励磁机经变流器向电网输出能量。要利用这部分能量，变流器的整流侧则应该是可控的5。1.3 变速恒频发电的优点变速恒频发电是20世纪70年代中期逐渐发展起来的一种新型风力发电系统。它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中，改变了以往恒速才能恒频的传统发电概念，在变水头的水力发电、能量随机变化的风力发电，以及舰船、飞机、车辆等变速主轴驱动的特殊发电场合中获得了越来越广泛的应用，并表现出了卓越的运行性能，成为电力技术研究中的热点。在发电过程中让风力机转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能的

28、方法称为变速恒频。变速恒频的特点是风力机和发电机的转速可在很大的范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风力机转速可变，可以通过适当的控制，使风力机叶尖速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能。同时在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多的优越性。当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮所吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力；当风速下降时，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，

29、送入电网。在这里，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到了缓冲作用，使风力机内部能量传输部件承受的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力的产生，从而使风电机组的运行更加平稳和安全。变速运行还有一个好处是，可以降低风力机在低风速运行时的噪音，并可使风轮设计突破原有的框框。采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行6。采用这种交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：(1)允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。(2)调节励磁电流幅值，可调节发出的

30、无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。(3)需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。(4)可以实现柔性并网。正因为这些优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。第2章 双馈风力发电系统的结构特点和基本原理2.1 双馈风力发电系统结构特点双馈风力发电系统包括风力机，齿轮箱，双馈感应发电机，变流器，控制器等，其主要作用是从风中捕获能量并将其转换成电能。当风作用在叶片上带动叶片的旋转从而产生相应的转矩，该转矩驱动轮轴转动，由于风能密度低，叶片旋转速度会比较慢，一般为10-30

31、转分钟，为了使其旋转速度达到双馈感应发电机的转速要求，在风力机和双馈感应发电机之间装有一个变速箱来进行变速，变速箱的变比由风力机和双馈发电机的转速要求确定，变速箱的低速轴通过低速联轴器和风力机相连，而其高速轴通过高速联轴器和双馈感应发电机的转子相连，带动发电机的转子旋转从而将叶片吸收的风能转换成机械能。双馈感应发电机吸收机械能后在变流器的控制作用下，负责将机械能转换成符合电网规则的电能传送至电网。2.2 风力机最大风能捕获原理风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，用以截获流动空气的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转换为机械能。它不仅决定整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接

32、影响机组的安全、稳定、可靠运行，是风力发电系统中关键部件之一。根据贝兹理论，风力机捕获的风能功率为： (2.1)式中： 空气密度；v 风速；A 风力机扫掠面积；Cp 风力机的功率系数；它是叶尖速比和浆叶节距角的函数，其中，m为风力机机械角速度,R为风轮半径。由式(2-1)可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数Cp。如果在任何风速下，风力机都能在Cpmax点运行，便可增加其输出功率。可以看出,在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪Popt曲线，必须在风速变化时及时调整转速m，保持最佳叶尖速比。当达到起始风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速后，风

33、力发电机组开始发电运行，通过对发电机的转速的控制，Cp不断上升，直至Cp=Cpmax，进入Cp恒定区，这时机组在最佳状态下运行这段区域主要是发电机组机械转矩（即有功功率给定值）使转速随着风速而变化，使=opt，实现最大风能捕获8。对于每个风速，都有一个相对应的最佳风机转速，可得： （2.2）式中：电机转速；齿轮箱传速比。2.3 双馈感应发电机的运行原理双馈发电机结构类似于绕线式感应电机，其定子和转子上均放置对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以输入电能也可以输出电能。因采用交流励磁，转子的转速与励磁电流的频率有关，从而使得双馈发电机的内部电磁

34、关系既不同于感应电机又不同于同步电机。双馈发电机在正常工作时，其定子绕组接工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位可调的三相变频电源供电，如图2-3。图2-3中f1、f2分别为双馈发电机定、转子电压和电流的频率，n1为定子磁场的旋转转速，即同步转速，n2为转子磁场相对于转子的旋转转速，nr为双馈发电机转子的转速。双馈发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止。当定子旋转磁场在空间上以1的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度2应为： （2.3）其中，r为转子机械旋转角速度，s为双馈发电机的转差率。励磁变压器 f1原动机励磁变流器 n1 f2 n2图2-3 双馈发

35、电机结构简图按照通常转差率的定义有： （2.4）转子转差角速度与s成正比。若双馈发电机的转子转速低于同步转速，那么转子旋转磁场和旋转方向相同，如果转子的转速高于同步转速，那么二者的旋转方向相反。根据=2f 推出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系： （2.5）当双馈发电机的转速发生变化时，只要改变通入电机转子里面励磁电流的频率f2就可以保持电机定子侧频率f1不变，即保持电机输出电压的频率恒定；通过改变通入电机转子里面励磁电流的幅值、相位就可以改变定子侧电压幅值 9-10。2.4 双馈感应发电机功率流动特点电机是一种机电能量转换装置,各种电机中都存在一个机电耦合场-气隙磁场。对双馈发电机来

36、说,从转子输入的机械能,克服气隙磁场中导体所受的电磁力而做功,使导体不断地感应电势,从而源源不断地发出电能,实现机械能到电能的转换。根据功率守恒，经气隙传递的电磁功率从定子方表示为： （2.6）同时，也可以从转子方的功率来表示: （2.7）按照一般感应电机的分析方法，对R2和U2进行分解，可将上式改写为： （2.8）式中： 励磁系统输入转子的电功率； 轴上机械功率。 当0s1时，轴上机械功率为负，表示它将消耗电磁功率并将其转化机械功率从轴上输出；当s0，此功率的流动方向是从定子电源到电机；机械功率Pmec0，电机输出给机械负载；转差功率Ps0 这部分功率回馈给转子外接电源，这种情况属于电动运行

37、状态，电磁转矩为拖动性转矩。(2) 转子运行于亚同步速的定子回馈制动状态电磁功率Pem0，功率由电机回馈到定子电源；机械功率Pmec=(1-s)Pem0，功率由定子电源输给电机；机械功率Pmec=(1-s)Pem0，电机输出给机械负载；转差功率Ps0，转子外接电源输入电功率，这种情况属于电磁转矩为拖动性转矩。(4) 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态电磁功率Pem0，功率由电机回馈给定子电源；机械功率Pmec=(1-s)Pem0，回馈给转子外接电源的功率，这种情况下电磁转矩为制动性转矩11-15。由以上分析可见，双馈发电机可以运行于不同的工作状态，对于风力发电中的双馈电机来说，主要运行于亚同

38、步速定子回馈制动和超同步速定子回馈制动状态，其图功率流动如图2-4所示。当0s1，即亚同步速运行时，电磁功率分别由转子励磁电源和原动机提供，当s0时，即电机超同步速运行时，转子励磁电源不仅不发出功率，相反还要从原动机吸收一个转差功率。但无论如何，转子励磁电源功率始终保持为转差功率，这为励磁电源设计提供了理论依据。风机变流器风机变流器 P1 P1 a）亚同步速发电工况 b）超同步速发电工况图2.4 双馈风力发电系统中的功率流动图 2.5 变速恒频双馈风电机组矢量励磁控制 变速恒频双馈风电机组采用交流励磁,良好的调节特性、运行的灵活性及可靠性需要能充分发挥电机运行特点的励磁控制系统。在最大风能追踪

39、过程中,当风速一定时,要保持风能利用系数Cp = Cpmax的最佳转速运行。通过调节发电机的有功功率来改变其电磁阻转矩,可以调节机组转速。因此,发电机有功功率和无功功率的独立调节是风电机组变速运行控制的关键。采用标量控制,由于定子端口有功功率、无功功率计算复杂,不仅控制性能的动态特性较差而且不利于数字实现,难以实现有功功率和无功功率的独立调节。通过矢量变换能够实现有功功率和无功功率的独立调节。 矢量控制技术是通过电机统一理论和坐标变换理论，把感应电机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系里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解耦控制，可以实现与直流电机一样的控制性能。双馈系统的

40、矢量控制结构通常将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量之间的复杂关系，需要使坐标轴定向在某个矢量上。一般在双馈系统可以选择的定向矢量有定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比较常用的是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量的控制方法。在本文中为了实现dq轴变量之间的解耦,采用了定子磁链定向,使以同步速1旋转的坐标轴d与定子磁场矢量相重合。在电网频率f 恒定的条件下,保持电压Um为恒值即可实现定子磁场定向,=1,q1=0,s=d1。解耦的有功和无功分量方程如下: （2.14） 获得实现P,Q独立可调的d-q坐标系中转子分量电

41、压表达式后,通过2r/3s旋转变换可获得发电机转子三相电压来控制变流器,产生所需的励磁电压。该励磁控制模型精度较高,由于定子频率为恒频,使得在推导过程中忽略定子电阻不会带来较大的误差,并且以定子磁场定向时,控制系统可以变得较为简单。但由于假设定子电压理想,即频率与电压幅值恒定,且不考虑定子励磁电流的动态特性,该系统仅在正常运行条件下动态响应较好,当电网发生故障时,动态响应变差15-16。2.6 坐标变换技术（1）3s/2s变换（三相静止/二相静止坐标变换）由三相静止坐标系A-B-C到两相静止坐标系-的变换简称3s/2s变换。选择A轴和轴重合,按照磁势和功率不变的原则,得如下变换矩阵： （2.1

42、5）（2）2s/2r坐标变换（二相静止/二相旋转坐标变换）两相静止坐标系-到两相旋转坐标系d-q的变换简称2s/2r坐标变换。设轴与d轴之间的夹角为,为随时间变化的函数,求得变化矩阵如下： （2.16）（3）3s/2r坐标变换（三相静止/二相旋转坐标变换）综合上述两个矩阵,可得3s/2r变换矩阵： （2.17）其反变换矩阵为： （2.18）式中,为两相旋转坐标轴与三相静止坐标轴A的夹角,d-q坐标相对于A-B-C坐标的旋转角速度为。第3章 双馈风力发电系统仿真模型的建立3.1 双馈感应发电机数学模型及仿真模型3.1.1双馈感应发电机的数学模型本节介绍双馈感应发电机在三相静止坐标系和两相同步旋转

43、坐标系下的数学模型，在建立数学模型时，定子侧采用发电机惯例，定子电流以流出为正；转子侧采用电动机惯例，转子电流以流入为正。为便于分析问题，假定电机运行于以下理想状态：（1）定转子的三相绕组对称在空间上互差120,所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分部,只考虑气隙基波磁场的作用,气隙谐波磁场只在差漏抗中加以考虑,认为定转子具有光滑的表面而忽略齿谐波的作用。（2）忽略铁损和铁磁的非线性。（3）忽略绕组的集肤效应,忽略定转子绕组的温升。（4）双馈电机的转子参数全部折算到定子侧,折算后的定转子每相匝数都相等。仿造三相感应发电机的研究方法进行绕组折算，根据规定的正方向，得到双馈感应发电机在三相静止坐标系

44、下的数学模型如下：1.电压方程（1）定子绕组电压方程 （3.1）（2）转子绕组电压方程 （3.2）其中，u1，u2分别为定子和转子相电压瞬时值；i1，i2分别为定子和转子相电流瞬时值，1，2分别为定子和转子绕组磁链；R1，R2分别为定子和转子绕组电阻值；p为微分算子，代替微分符号d/dt。将式（3-1）和式（3-2）改写成三相静止坐标系下的矩阵形式为： （3.3）2.磁链方程为了书写方便，将磁链方程表示表示成矩阵形式为： （3.4）式中： （3.5）3.转矩方程 （3.6）4.运动方程 （3.7）5.功率方程发电机定子侧输出的瞬时功率为： （3.8）以上为双馈感应发电机三相静止坐标系下的数学模

45、型，由于电机转子旋转运动时定转子间的互感随着它们之间的相对位置发生变化，因此其具有非线性时变性、强耦合的特点，在这种情况下，对其进行研究分析和控制设计都较为困难。为此，应用坐标变换理论，将三相静止坐标系下的方程转换到d-q坐标系下，得到两相同步旋转坐标系下的数学模型如下：1.电压方程（1）定子绕组电压方程 （3.9）（2）转子绕组电压方程 （3.10）式中： ud1,uq1,ud2,uq2分别为定转子电压的dq轴分量。 id1,iq1,id2,iq2分别为定转子电流的dq轴分量。 d1,q1,d2,q2分别为定转子磁链的dq轴分量。2.磁链方程（1）定子磁链方程 （3.11）（2）转子磁链方程

46、 （3.12）3.转矩方程 （3.13）4.运动方程 （3.14）5.功率方程定子的有功、无功功率分别为： （3.15）转子的有功、无功功率分别为： （3.16） 以上就是同步坐标系下的全部双馈感应发电机的数学模型,利用这些模型我们可以建立用以仿真的感应发电机状态方程17。3.1.2双馈感应发电机的仿真模型通过发电机在d-q坐标系下的数学模型,我们可以得到双馈感应发电机在同步坐标系下的状态方程： （3.17） （3.18）式中： A中s=1-2，被称为转差角速度。 3.2 双PWM电压型变流器的数学模型本文中转子励磁系统采用背靠背双PWM电压型变流器，其拓扑结构如图3-3所示。 P2 Pdc1

47、 Pdc2 Pf Pcf +DFIG C udc 电网 _ 转子侧PWM变流器 网侧PWM变流器图3-5 背靠背双PWM电压源变流器拓扑结构图中P2为双馈电机转子侧吸收的有功功率；Pf为背靠背PWM变流器从电网吸收的有功功率；Pcf表示流过电容电流的有功功率,在忽略电容损耗的情况下,这部分能量被储存在电容器中；Pdc1为转子侧变流器的直流输入功率气为网侧变流器的直流输出功率,即负载功率。在第二章的原理分析中可知背靠背PWM变流器的两个PWM变流器的主电路结构和开关动作过程相同，在转子不同的能量流向状态下交替实现整流和逆变的功能。因而在分析中只能分别区分为电网侧变流器和转子侧变流器。本节主要研究

48、网侧电压源变流器的数学模型和背靠背变流器中间直流环节的数学模型。3.2.1网侧PWM变流器的数学模型在三相系统中，最常用的结构是三相半桥结构，电压通过变压器给变流器供电，经电感滤波后，接入三相桥交流侧，桥臂采用功率开关管和二极管并联，直流侧接大电容，作平波与储能用。在建立模型前，作如下假设：(1)电网电势是理想的三相正弦波；(2)网侧电感为线性，且不考虑饱和；(3)实际的功率开关管由理想开关与损耗电阻串连等效表示；(4)为描述整流器的双向传输，三相PWM变流器直流侧负载由电阻R和直流电势E串连表示。采用开关函数建立模型，定义三相桥臂开关函数Sk(k=a、b、c)：由变流器工作原理我们知道，每个

49、桥的上下桥臂的开关管不能同时导通，即在同一时刻只有一个导通，一个关断，所以有Sk+Sk=1。根据上图，采用基尔霍夫电压定律建立三相PWM变流器的单相回路方程为： （3.19）式（3-18）中，uNO是直流侧负端N到三相中点O的电压。当Va导通而Va关断时，开关函数Sa=l，此时uaN=udc；当Va关断而Va导通时，开关函数Sa=0，此时uaN=0。即有uaN=Saudc，式（3-18）可改写为： （3.20）对于三相对称电源的三相无中线系统，ia+ib+ic=0，且ua+ub+uc=0，那么由式（3-19）可得： （3.21）则式（3-19）可表达为： （3.22）对于图3-4所示的电路中的

50、滤波电容C，有： （3.23）联立式（3-21）和式（3-22），引入状态变量X=ia,ib,ic,udc,于是得到PWM变流器的状态方程表达式为： （3.24）上式中以上我们得到了电压型PWM变流器三相静止坐标系下的数学模型,，但其交流侧均为时变交流量，不利于控制系统的设计，为此我们应用坐标变换理论，将其转换为d-q坐标系下的数学模型为： （3.25） 式中： ud、uq、id、iq网侧dq轴的电压和电流； udc输出的直流电压； Sd，Sqd-q坐标系下的等效开关函数； 电网电压的角频率。3.2.2 双PWM电压型变流器直流环节的数学模型由电工理论可知,对直流滤波电容C的储存能量可按式（3

51、-25）计算,即： （3.26） 结合图3-5中的功率流向,各功率之间的关系可推导如下： （3.27）又： （3.28）联立式（3-26）和式（3-27）得： （3.29）同理,对转子侧变流器,在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下,运用交流侧与直流侧的功率平衡关系可得： （3.30）3.3 网侧变流器的电网电压定向矢量控制设计 由第2章的理论分析可以知道双馈发电机励磁系统中的网侧变流器的控制目标是在实现能量双向流动的同时，使直流侧电压恒定，且有良好的动态响应能力，电网侧的输入电流为正弦波，功率因数可调。因此可采用电网电压定向的矢量控制策略。由上一节推导出的电压型PWM变流器在d-q坐标系下的数

52、学模型，即式（3-24）得： （3.31）可以看出输入电流的d轴分量和q轴分量之间存在耦合，如果假定理想的变流器终端输入电压为： （3.32）则将式(3-31)代入式(3-30)整理成： （3.33）由式（3-32）可知如果通过引入电流状态反馈和电网电压作为前馈补偿，就可使电流的d轴分量和q轴分量充分解耦，因此通过电压和电流双闭环来设计系统。3.4 转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制设计 发电机并网运行时，无穷大电网电压频率近似为定值，即发电机始终是在工频50Hz下运行，在这样的频率下，通常电机定子绕组的电阻可以忽略不计。此时，定子绕组总磁链与定子电压的矢量之间的相位正好相差90，因此在实际应

53、用中，以定子电压矢量或者以定子绕组总磁链为参考矢量，可使控制系统变得相对简单。本文以定子磁链定向来进行双馈电机的闭环控制设计。在3.1节中我们已经得到了双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，为了实现其dq轴变量之间的解耦，可采用定子磁链定向，使以同步转速n1旋转的坐标轴d与定子综合磁链1相重合，则有： （3.34） 由于发电机定子绕组直接接电网，电网电压较高，在这种情况下可忽略定子电阻压降，对于发电机惯例，有： （3.35）即相电压矢量将比磁链矢量滞后90，正好落在q轴的负方向上，由于定子接入恒定电网，电网综合矢量为常数，采用模不变矩阵，在两轴坐标系中，相电压的综合矢量的模仍为三相系统的

54、相电压幅值，因此： （3.36） 式（3-35）中Um三相系统相电压幅值。由此可得： （3.37）在3.1节所建立的双馈感应发电机数学模型的基础上，将式(3-33)代入式(3-10)，得到转子励磁电流方程为： （3.38）将式（3-37）代入式（3-11）由此得转子磁链方程： （3.39）将式（3-38）代入转子绕组电压方程式(3-9)得： （3.40） 式中：ud2、uq2分别为实现转子电压，电流解耦控制的解耦项；ud2、uq2分别为消除dq轴转子电压，电流分量间交叉耦合的补偿项。 分解出这两项构成线性组合的目的是通过电压补偿来简化控制。获得实现P、Q独立可调的d-q坐标系下的转子分量电压表

55、达式（3-39）后，通过2r/3s坐标变换可获得发电机转子三相电压，用作励磁变流器所需的PWM指令，控制PWM变流器产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电压。发电机并网运行后，机械能将不断地转换成电能从定子侧馈入电网，在两相坐标系下，定子的dq分量均为直流量，输出的平均功率为： （3.41）为实现最大风能追踪控制，必须根据机组的转速实时控制发电机的输出功率，使其保持最佳方式运行，由双馈电机运行原理及功率平衡关系可得： （3.42） 式中： Pmec发电机吸收的净机械功率； Pem电磁功率。为实现最大风能追踪，应依据风力机最佳功率曲线和风力机转速实时计算双馈电机的参考输出有功功率P1，即令Pm

56、ec与不同风速下最佳功率曲线的最大值相对应，可得： （3.43） 将其指令作为输入功率的给定值，通过PI调节输出需要的励磁电流，对于无功功率的给定可以根据电网电压的要求设定，一般取无功功率为0。 结束语风能作为一种可再生绿色能源越来越受到世界各国的重视，风力发电技术由此也成为各国学者研究的热点。本文以双馈感应风力发电系统为研究对象，对其运行原理、控制方法等进行了基础性的理论研究并建立了基于MATLAB的系统仿真模型。其主要内容如下：1.详细分析了双馈风力发电系统的结构特点和基本原理，包括风力机最大风能捕获原理，双馈发电机变速恒频发电原理，双馈发电机的功率流动，转子励磁变流器的矢量控制原理等。2.根据电机学知识,通过分析双馈感应发电机构造特点及运行原理,得到其在三相静止坐标系下的数学模型,以及运动方程