MW变速恒频控制技术Word

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1、一 交流励磁发电机变速恒频运行原理1.风力机最大风能捕获运行机理风力是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性爆发性不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集高效利用的问题。由空气动力学原理，通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分，可用风能利用系数Cp来描述：Cp=Pm/ Pw （1）其中：Pm为风力机吸收且输出的机械功率；Pw为通过浆叶输入风力机的功率。故系数Cp反映了风力机吸收利用风能的效率。风力机的风能利用系数Cp与风力机的一个重要运行参数叶尖速比密切相关，如图1所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即=R/V=R2n/(60V) （2）

2、式中R为叶轮的半径，为叶轮旋转的角速度，n为叶轮的转速，V为风速。风力机的风能利用系数Cp与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图1所示。图1风力机的风能利用系数 从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比m下，风能利用系数才能达最大值Cpmax，即获得最大风能利用（捕获）。风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为： （3）式中为空气密度，S为风力机叶轮的扫掠面积，V为风速。对于一个确定的风力机，从不同的风速和转速查得对应的Cp值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机输出功率和风力机轴转速之间的关系曲线，如图2所示。可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速

3、而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点Pmax，对应于图1的最大风能利用系数Cpmax。将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线Popt，运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率输出Pmax（4）2) 式中n为风力机轴转速，m为风力机机械角速度。由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。风力机按浆叶节距角调节方式分定浆距和变浆距两种类型。由于在极对数一定的情况下，若要输出电能频率恒定，必须要求发电机作恒速运行，这样定浆距风力机额定风速以下恒速运行时只有一个风速对应于Cpmax点，输出功率最大，其他风速下Cp值偏离最佳值。即使利用双速风力发电机也只能捕获

4、两个风速下的最大风能，输出最大功率，比如图2中两个风速：V1=6m/s，V2=8m/s。变浆距风力机在额定风速下可作变速运行，控制风力机的轴转速，使之始终跟踪最大风能曲线Popt，从而在不断变化的风速下均能获得最大风能的捕获和利用，这就是风力机变浆距变速运行的基本出发点。随着风电机组单机容量的增大，运行成本已被提到重要的地位，追踪最大风能以提高发电效率的控制方式才是风力发电的最优发电方式。图2 风力机的能量曲线 2.风力机最大风能捕获运行机制 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲

5、线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控制。本研究中，风电机组转速的控制是通过调节发电机输出有功功率，从而调节发电机电磁阻转矩实现的。交流励磁变速恒频发电方案中采用双馈异步发电机，由由双馈发电机的功率关

6、系可知：（5）式中：P1 ，Pcu1, ，Pfe1分别为发电机定子的输出功率，铜耗，铁耗；Pe为发电机电磁功率；s为发电机转差率；PM ，Pm分别为发电机输入机械功率，机械损耗和吸收的净机械功率；P2，为发电机转子功率和转子损耗。令上式中的PM= Pmax=K3m，可得：(6)在变速发电运行中，通过实时检测转速m，按（6）式计算出P1作为发电机的有功功率指令P*，实现最大风能的追踪和捕获。追踪最大风能的过程可由图3定性地解释：假设原先在风速V3下风力机稳定运行在Popt曲线的A点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡为Pa，风力机将稳定运行在转速1上。如果某时刻风速升高至V2，风

7、力机运行至B点，其输出功率由Pa突变至Pb，由于调节过程的滞后，发电机仍将暂时运行在A点，此时发电机的输入功率大于输出功率，功率的失恒导致转速上升。在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着BC和AC曲线增速。到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的C点时，功率将再一次达到平衡，转速稳定在对应于风速V2的最佳转速2上。同理也可以分析从风速V1到V2的逆调节过程。图3风力机的功率特性3交流励磁变速恒频发电原理 变速恒频发电可采用两种形式。一是使用传统直流励磁的同步发电机，在追踪最大风能捕获的变速运行中，发电机输出变频的交流电能，经过整流，得到直流形式的电能，再经过有源逆变，变为电网频率的恒频交流电能。

8、这种交直交变换形式的变速恒频发电方式需要采用发电机全额功率的变频装置，这对机组容量日益增加大的大型风力发电系统是难以实现的，因为变频装置成本高，制造困难。另外一种方式是采用双馈型异步发电机，转子侧供以三相交流励磁。发电机控制系统根据风力机的转速变化实时地调节转子励磁电流的频率，实现发电机定子侧电能的恒频输出。作为发电机转子侧励磁电源的变频器的容量为发电机的转差功率，随发电机变速范围而定。例如在同步速上下30%范围变速恒频发电运行时，变频器功率容量为大约发电机额定容量的1/3。由此可见，交流励磁应是变速恒频发电的优选方案。交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图4所示，发电机一般为三相绕线式

9、异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率的变频器，实现交流励磁。当风速变化引起发电机转速变化时，应控制转子电流的频率使定子输出频率恒定。根据 (7)关系，当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（7）取正号；当发电机转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，式（7）取负号；当发电机转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁。在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能量流动关系：（8）式中为转子轴上输入的机械功率，为转子励磁变频器输入的电功率，为定子输出的电

10、功率，为定子绕组铜耗，为转子绕组铜耗，为转差率。图4交流励磁发电机 等号左侧以输入功率为正，右侧以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为（9） 由式（9）可知，当电机处于亚同步状态时，变频器向转子绕组输入电功率；当电机处于超同步状态时，变频器向转子绕组输入电功率。综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和追踪最大风能的要求，电机转速在不断地变化，而且经常在同步速上、下波动，这就要求转子交流励磁电源不仅要有要良好的变频输入输出特性，而且要有能量双向流动的能力。4.交流励磁变速恒频发电运行实验变速恒频发电实验在一台实验室3KW4极双馈异步发电机上进行，转子采用双PWM变频器

11、作交流励磁电源，分别进行了亚同步速（n=1200r/min）同步速（n=1500r/min）及超同步速（n=1650r/min）发电运行，图5图7分别给出了变频器输出的交流励磁电流励磁电压PWM波形发电机输出电压和电网的波形。(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图5亚同步同步和超同步速下发电机转子励磁电流(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图6亚同步同步和超同步速下发电机转子励磁线电压PMW波形(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图7亚同步同步和超同步

12、速下发电机定子输出电压（上）和电网电压（下） 从实验波形可以看出，它们的频率关系符合交流励磁变速恒频发电理论。二交流励磁发电机变速恒频运行控制实现最大风能捕获和追踪的关键是根据风速调节发电机的转速，这是通过调节发电机输出有功功率，控制发电机电磁阻转矩来实现的。变速恒频发电运行发电机输出有功功率P无功功率Q的独立调节又是通过矢量变换控制策略对发电机进行控制，进而控制励磁用双PWM变频器的输出电压来完成的。 实现交流励磁发电机矢量变换控制涉及定子磁链定向时发电机的数学模型，矢量变换控制系统结构优化。1 定子磁链定向m-t坐标系中双馈型异步发电机数学模型按发电机惯例选择如图1所示坐标系。图中，m-t

13、为两相同步速旋转坐标系， m轴定在定子磁链矢量的方向。这样mt轴上的磁链分量分别为：m1=1，t1=0。忽略发电机定子电阻，发电机感应电动势E1等于定子侧端电压U1。因为落后于90°，故和位于t轴的负方向，从而有Um1=0，Ut1=-U1关系。忽略定子电阻时发电机电压和磁链方程为91324图1 坐标变换系统 （1）（2）式中Ls，L r，Lm为发电机定、转子等效自感和互感；r2为转子绕组电阻；Im1，It1，Im2，It2为定、转子电流的m、t轴分量；1,s为同步角速度及转差角速度；p为微分算子。从（1）式可看出，不计定子电阻影响时，发电机的定子磁链1为常数，其值为定子电压与同步角速

14、度之比。2发电机矢量变换控制系统按Um1=0，Ut1=-U1关系，发电机的功率方程为（3）可以看出，有功功率P无功功率Q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It1和励磁电流分量Im1可分别独立调节P和Q。（4）由前面发电机的电压和磁链方程可以导出其中是分别与Im2It2具有一阶微分关系的电压分量，Um2Ut2为电压补偿分量。即（5）（6） 其中：a=-Lm/Ls，b=Lr-Lm2/Ls。为实现转子电压电流解耦控制的解耦项，Um2Ut2为消除转子电压电流交叉耦合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。按（1）式（6）

15、式可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统框图，如图2所示。图2 变速恒频风力发电机矢量控制系统框图系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，有功功率指令P*按（6）式计算得到，无功功率指令Q*可根据电网对无功功率的要求计算，也可从发电机的功率消耗角度来计算2。指令P*Q*与功率反馈值P 、Q进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功分量及有功分量指令I*m1和I*t1。I*m1和I*t1按（2）式计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令I*m2和I*t2，I*m2和I*t2和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后输出电压分量U

16、m2Ut2，加上电压补偿分量就可获得转子电压指令Um2*Ut2*，旋转变换后得到发电机转子三相电压控制指令Ua*Ub*Uc*。系统所采用的定子磁链观测器为较为实用的u-型磁链观测器，其运算关系如图3所示。由于发电机定子磁链矢量超前于定子端电压矢量 90°空间角，若电压矢量相角为u，则定子磁链矢量的相角s为（7）定子磁链矢量的幅值1可根据（1）式求出。图3 u-型定子磁链观测器 3变速恒频风力发电系统运行仿真（1）仿真参数三相绕线式异步发电机 四极，额定功率2.1kw额定电压220V/额定频率60Hz定子电阻r1和漏感L1分别为0.435ohm，2mH转子电阻r2和漏感L2分别为0.8

17、16ohm，2mH互感Lm=69.31mH转动惯量J=0.089 kg·m2风力机 浆叶半径R=2.3m额定功率2.2kw最佳风能系数Cpmax和最佳叶尖速比opt分别为0.43和9 变速齿轮箱 增速比K=7.846（2）风力机模型风力机模型如图4所示。输入为角速度m和风速v，输出为驱动转矩TL。图 4 风力机模型结构设空气密度=1.25kg/m3，无功功率参考值Q*=350w。由于风力机与发电机轴间通过一增速比N=7.864的变速齿轮箱连接，故发电机角速度r和风力机角速度m关系为r=Nm=7.846m。对应风速v的发电机理论最佳角速度ropt为假定第10秒时风速由4m/s升至6.8

18、m/s，按上式得到两风速下发电机的理论最佳转速分别为122.8rad/s和208.7rad/s。（3）仿真结果在仿真中采用空载并网方式并网（详情参见第三部分），并网前，发电机空载运行角速度为167.5rad/s，0.5秒时刻并入电网。图5 风速v和发电机角速度r·图5 风速变化时发电机转速调节的过程。第一次调节是从并网时刻的167.5rad/s开始，5秒后转速达到稳定；第二次调节开始于风速发生阶跃的10秒时刻，在15秒时刻转速趋于平稳，调节后两个最佳角速度分别稳定在122.6rad/s和207.92rad/s，与理论计算值非常吻合。图6 发电机的电磁转矩Te和风力机拖动转矩TL图7

19、发电机输出有功功率P1和风力机输出机械功率Pm·图6和图7 追踪最大风能过程中发电机和风力机功率和转矩的调节过程。图8 发电机定子电流i1·图8 发电机定子电流波形。在最大风能追踪控制下，发电机输出有功功率相应地变化，在电网电压恒定情况下表现为定子电流的幅值相应地变化，整个过程中定子电流频率始终保持恒定（60Hz）。图9 发电机转子电流i2·图9 转子电流的变化过程。随着发电机转速的变化，转子电流频率相应地变化，转速过同步点时其频率为零图10 发电机输出有功功率P和无功功率Q。·图10 发电机定子侧的输出功率功率。随着风速的变化发电机输出有功功率相应变化

20、的时候，无功功率不受其影响，保持设定的350Var不变，实现了P和Q的解耦控制图11 发电机转子侧有功功率P2·图11 追踪最大风能过程中发电机转子侧功率P2的流向的变化。当发电机亚同步速运行时，P2>0，表示功率从电网流向发电机；超同步运行时时，P2<0，表示功率从发电机流向电网，采用功率可双向流动的双PWM变频器作为发电机转子侧的交流励磁电源，不但改善了电能的质量，而且很好地解决了发电机运行在亚同步和超同步转速下的功率流向问题。三变速恒频风力发电机并网控制技术 传统的恒速恒频发电方式下发电机和电力系统之间为“刚性连接”，即发电机输出频率完全取决于原动机的速度，与电网和

21、发电机励磁无关。因此，发电机并网之前必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也须严格保持转速恒定。如果发电机运行中由于故障而失步，也就很难被牵入同步，必须脱网再次进行整同步操作，重新并网。 异步发电机并网的方式比较多3，如直接并网，准同期并网和降压并网，但它们都要求在转速接近同步速（90%100%）时进行并网，对转速有一定的限制。软并网技术是最近国外研究比较多的先进并网方式34，它是通过控制发电机与系统之间用作并网开关的双向可控硅的触发角而减小冲击电流。采用交流励磁变速恒频方式运行后，发电机和电力系统之间构成了“柔性连接”。此时只要根据电网电压电流和发电机的转速来调节励磁电流，就可精确地调节发电

22、机输出电压，满足并网要求。1变速恒频风力发电机的并网方式 根据发电机并网前的运行状态，并网控制方式可有两种：并网前发电机空载，调节发电机的空载电压以实现并网称空载并网方式；并网前发电机接独立负载（如电阻），调节发电机的端电压实现并网称独立负载并网方式。两种并网方式如图1所示。 (a)图1变速恒频发电机并网方式(a) 空载并网方式 (b) 独立负载并网方式 (b)2变速恒频风力发电机并网控制策略并网前为调制发电机输出电压满足并网条件,，交流励磁变速恒频发电机须采用定子磁链定向矢量变换控制。（1）并网控制分析用电机数学模型图2为发电机并网分析用参考坐标系示意图5，其中1-1为定子两相静止坐标系，1

23、轴取定子A相绕组轴线正方向。2-2为转子两相坐标系，2取转子a相绕组轴线正方向。2-2坐标系相对于转子静止，相对于定子绕组以转子角速度r逆时针方向旋转。M-T坐标系是两相旋转坐标系，以同步速1逆时针旋转。2轴与1轴的夹角为r，M轴与1轴夹角为S。为实现发电机有功无功的解耦和独立调节，控制系统采用了发电机定子磁链定向矢量变换控制，所采用的M-T坐标系的M轴与定子磁链矢量的方向重合，并按电动机惯例建立发电机数学模型。忽略定子电阻时发电机端电压矢量应该超前定子磁链矢量90º，即位于T轴正方向。图2 坐标变换示意图在M-T坐标系中，发电机的电压方程为1324：（1）（2） 发电机的磁链方程为

24、1324：（3）（4） 式中，R1R2为定子，转子绕组电阻。L1L2Lm分别为定转子等效绕组的自感以及同轴等效绕组间互感。Um1Ut1Um2Ut2分别为定子和转子电压在M轴和T轴上的分量，下标12分别代表定子转子。Im1It1Im2It2分别为定转子电流在M轴和T轴上的分量。m1t1m2t2分别为定转子磁链在M轴和T轴上的分量。Ims为定子等效励磁电流。1sr分别为发电机的同步速绝对转差和转子转速，其中s=1-r。p为微分算子。在上述磁场定向的条件下，m1=1，t1=0，Um1=0，Ut1=U1，则（1）式和（3）式分别变为：（5）（6） 忽略定子电阻，（5）式变为：（7） 由（7）式知，工频

25、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。（2）发电机空载并网控制发电机空载时，定子电流为零，即Im1=It1=0，则（6）式和（4）式分别简化为：（8） （9） 将（8）和（9）式代入（2）式，得到：（10） （7）（8）（10）式为变速恒频发电机空载并网的控制依据，以此可形成如图3所示并网控制框图。图3 变速恒频发电机空载并网控制框图（3）发电机带独立负载并网控制 并网前发电机带有独立负载，此时发电机定子侧有电压及电流，并网控制所需的参数不但取自于电网侧，同时还取自发电机定子，这时应根据电网电压的信息控制发电机运行状态使其满足并网条件。 由于同步速一定条件下发电机电压

26、U1和定子磁链1成正比，根据（6）式定子磁链1与定子等效励磁电流Ims成正比关系，所以通过调节Ims可以调节发电电压U1。(11) Im2和Ims的关系可由（6）式推得： 考虑到励磁用PWM逆变器为电压源型，故需将转子励磁电流转换成逆变器输出电压的表达式。根据（6）式有： (12)将（12）式代入（4）式得： (13)其中a，b为与发电机参数有关的常数(14) 将（13）式代入（2）式经整理得： (15) 其中，分别是4与Im2It2具有一阶微分关系的分量，简称电流分量： (16)Um2Ut2则是电压补偿分量：(17) 图4变速恒频发电机带独立负载并网方式控制框图是实现转子电压电流解耦控制的解

27、耦项，Um2Ut2是为消除转子电压电流MT分量交叉耦合关系而设的耦合补偿项。将转子电压分解为解耦项和耦合补偿项后，简化了控制算法，提高了控制精度和响应快速性。带独立负载并网控制框图如图4所示。整个系统采用双闭环控制，外环为电压环（发电机定子电压矢量控制），内环为电流环（发电机转子电流控制）。由于并网前发电机带有负载，因而发电机可以参与整个系统的能量控制和速度调节。设三相星形连接负载每相电阻为R，电网相电压有效值为Uequ，则稳态时发电机输出能量P1为：（18） 双馈发电机的能量关系可表示为（19）式中Pcu1, Pfe1为发电机定子铜耗和铁耗，Pe为 电磁功率，s为转差率，PM Pm分别为输入

28、发电机机械功率机械损耗和发电机获得的净机械功率，P2为转子功率和转子功耗。由式（18），（19）可得到：（20）'112)3)(1(mfecuequMPPPRUsP+-=如果发电机的变速范围设定为同步速的±35%，则风力机的输出机械功率上下限PMmax，PMmin为：（21） 3两种并网方式的仿真研究 仿真所用参数同第二部分。图7 发电机的角速度 ·图7所示表示空载并网时由风力机控制的发电机的转速。为模拟变速发电过程，假定发电机的转速按0.1Hz的频率作正弦变化，变化幅度为同步速的±35%。 (a)(b)图8 空载并网时发电机端电压U1，电网电压U1*(上

29、)和电压误差err(下)图9 发电机电压电流波形(a)转子励磁电流I2(上)励磁电压U2(下) (b) 子电流I1(上)和转子电流I2(下)(a)(b)· 图8与图9表示了发电机线电压U1与电网线电压U1*以及电压误差err=|U1- U1*|，其中图图8（a）为前0.06秒的波形，（b）为t=6.12秒6.18秒时的波形。可以看出，电压误差err随时间逐渐变小，6秒后小于0.5伏，此时发电机电压波形与电网电压的波形误差极小,符合并网条件。图9（a）表示了发电机转子励磁电压和励磁电流的波形，当过同步速时转子电流频率为零。（b）为发电机空载并网时定转子电流的变化，由于并网时发电机端电压

30、与电网电压已非常接近，准确地符合并网条件，合闸时冲击电流很小。图10 风力机输出机械功率PM和 发电机角速度r(a)(b)图11 发电机端电压U1，电网电压U1*(上)和电压误差err(下) (a)t=0-0.06秒(b)t=6.12-6.18秒图12 发电机转子励磁电压U2和励磁电流I2·图10图12为发电机带独立负载并网的仿真结果。风力机按照（21）式控制其输出机械功率PM，发电机则根据风力机提供的功率和独立负载的大小自动调节转速达到功率平衡。风力机的输出功率按0.1Hz的频率±35%同步速的幅值作正弦变化。图10（a）和（b）分别为风力机的输出功率和发电机转速，可以看

31、出，随着风力机输出功率的变化，发电机的转速也进行调整，图中发电机的转速复盖了亚同步速，同步速和超同步速，类似于空载并网，图12发电机转子电压电流波形的变化反映了这一过程。图11为带独立负载并网方式下发电机电压U1与电网电压U1*以及电压误差err 的波形。 3两种并网方式的比较发电机空载并网方式控制简单，电压误差衰减迅速，冲击电流小，在发电机允许的转速范围内变转速不影响发电机的并网控制。发电机带负载并网时电压误差的衰减稍慢于空载并网方式，但发电机可以通过吸收原动机的输出能量而自动调节转速，对原动机调速能力的依赖性小。四变速恒频风力发电系统交流励磁变频电源 交流励磁变速恒频风力发电子系统中，发电

32、机转子侧采用变频器励磁。由于变频器只需供给转差功率，大大减少了对变频器容量的要求。发电系统根据风力机的转速变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换实现发电机的有功、无功功率的独立调节，进而控制发电机组转速实现最大风能捕获方式运行。由此可知，高质量的转子变频电源是双馈发电机运行性能及生产高质量电能的保证。实现交流励磁变速恒频风力发电技术的关键在于寻求一种输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双向流的“绿色”变频器。1 交流励磁用变频器类型由于交流励磁双馈发电机在追踪最大风能曲线时可能在同步速上、下甚至同步速运行，这就要求变频器输出的励磁电压在大小、频率和相位上均可调，甚至输出直流。

33、此外发电机在同步速上、下运行时，交流励磁绕组的功率将有输入、输出的双向流动，从而要求变频器具有功率双向流动的能力。更为重要的是，作为励磁电源的变频器要有优良的输入、输出特性，确保发出电能符合电网质量要求，目前采用电力电子技术手段构造的有：(1).交-交变频器晶闸管相控交-交变频器通常由反并联的晶闸管相控整流电路构成，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率，改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。它的输出电压是由若干段电源电压拼接而成。因而除基波外含有丰富的低次谐波，输入、输出特性一般不理想，但功率可双向流动。通常6脉波三相桥式电路输入功率因数低，输出电压中低次谐波含量大

34、，不适合用作交流励磁电源，应采用12脉波变流电路，但72管结构的12脉波变频器结构、控制复杂。因此交-交变频电路主要用于大功率的变速恒频水力发电中，而不适合于风力发电的应用。(2).矩阵式交-交变频器这也是一种直接变频电路，所用开关器件为全控型，主电路结构简单。输出频率不受限制，可获得正弦波的输入和输出电流，可在接近于1的功率因数下运行，能量可双向流动。目前因无商品化双向开关器件而使其电路结构较复杂，控制方法还不成熟。但其优良的输入、输出特性和紧凑的结构，配合无刷双馈发电机的最佳组合将能构成极具潜力的变速恒频发电机组。（3）.交-直-交变频器不控整流-PWM逆变电路的型式可以使输出电压正弦化，

35、改善了输出特性。但不控整流加电容滤波的变换会造成输入电流畸变、谐波增大，输入功率因数低下。这种变流方式不具备能量双向流动的能力，也不能用作变速恒频双馈发电机的励磁电源。（4）.双PWM变频器双PWM交-直-交变频器不仅有良好的输出性能，而且大大改善了输入性能，可获得任意功率因数的正弦电流。同时它又具有能量双向流动的能力，是一种理想的变速恒频风力发电机转子励磁要求的变频电源，是本交流励磁变速恒频发电系统研究中的关键技术。2双PWM变频器的基本原理交流励磁用双PWM变频器的主电路如图2所示，图中、为三相电网电压，、为转子三相绕组的反电势，、分别为交流进线电抗器的电感和电阻，、分别为转子一相绕组的漏

36、感和电阻。交流励磁变速恒频发电系统运行时发电机转子绕组中能量经常地双向流动，变频器的整流部分和逆变部分经常变换运行状态，在不同的能量流向下实现整流和逆变的功能，分别称之为变换器和变换器。两变换器结构对称，仅对变换器进行详细的分析，变换器可以作类似推理。图1转子交流励磁用双PWM变频器的主电路图2 三相PWM整流器的主电路结构设变换器接电网侧，工作在整流状态（PWM整流器），结构如图2所示。功率开关按正弦规律作脉宽调制。由于输入电感L的滤波作用，整流器交流侧的输入可近似认为是三相正弦电流，输出呈直流电压源特性，稳态时的输出直流电压可保持不变。 图3是整流器输入电压Us、输入电流Is和施加在整流器

37、交流侧电压Ur间的向量图，控制Ur电压幅值和相位，可获得所需大小和相位的输入电流，也控制了直流侧输出电压。通常采用直流电压外环和输入电流内环的双闭环控制方式，电压外环保证稳定的直流输出，电流内环用于提高系统的动态性能和实现限流保护。图3 PWM整流器的向量图从原理上看，三相PWM整流器的能量传输是可逆的，整流运行时，能量从交流侧向直流侧流动。当直流侧输出电压高于给定值时，电路工作于逆变状态，能量从直流侧流向交流侧。由于输入侧设置有三相电感，整流运行时主电路工作于升压状态（boost电路）；逆变运行时主电路工作于降压状态（buck电路），直流输出电压总是高于交流输入线电压的峰值。这种特性导致PW

38、M整流器的直流输出电压过高，输入应采用降压变压器。3双PWM变频器的控制为了实现三相PWM整流器的高性能控制，首先建立它的数学模型。设功率开关器件为理想开关，根据图2，有ïïïïîïïïïíì+=-=-=-=-iSiSiSiidtduCuSRdtdiLuuSRdtdiLuuSRdtdiLuccbbaaLdcdcdccicccdcbibbbdcaiaaa（1）式中、为是三相桥臂的开关函数：S1表示下标所对应的桥臂上管导通，下管关断；S0表示下标所对应的桥臂下管导通，上管关断；其它各量参见

39、图2。同步速dq轴系中，上式变为：（2） 可以看出，dq轴电流不独立，存在交叉耦合关系，只有经过解耦才能使其静、动态性能达到最优。式（2）中输入电流满足下式： （3） 式中d、q轴电流除受控制量urd、urq的影响外，还受交叉耦合电压Liq、-Lid扰动和电网电压usd和usq扰动。需要寻找一种解除d、q轴之间电流耦合的控制方法。假设整流器交流侧电压矢量Ur中包含三个分量：（4） 其中urd1 = usd, urd2 =Liq；urq1=usq, urq2 =-Lid。由式（3）和式（4）可得： （5）可见，d、q轴电流已实现了解耦，可分别独立控制。图4为实现以上PWM整流器解耦的双闭环控制系

40、统结构图。图4 PWM整流器双闭环控制系统4PWM整流器的实验研究针对10kw交流励磁变速恒频风力发电机实验系统，设计了一台4kw的双PWM变频器，重点对PWM整流器进行了实验研究。整流器直流输出电压为120V-200V之间，为此采用了变比为380/76V的输入变压器作降压输入。开关元件采用PM100CVA060 IPM模块，额定电流100A，耐压600V。进线滤波电感为6mH，电阻忽略不计。直流母线滤波电容为450V/2200F。整流器采用TI公司的TMS320F240 DSP（数字信号处理器）作全数字控制。系统采用了直流电压外环和电流内环的双闭环控制方式，控制计算在以输入电压矢量定向的dq

41、旋转坐标系内完成。为了提高系统抗电网干扰能力，引入了电网电压的前馈控制。PWM整流器实验电路结构如图5所示。整个控制系统硬件部分结构简单，控制功能主要由软件实现。图5 PWM整流器硬件结构实验运行参数如下：相电压ua=ub=uc=44V，直流电压udc=150V，负载电阻RL=30。为使所研究的PWM整流技术便于向大容量交流励磁发电机组移植，整流器的开关频率相对较低（7kHz）。(a) 电阻负载(b) 反电势负载(c) 输入电流频谱图6 整流器的稳态特性·图6 PWM整流器的稳态运行波形。图6 (a)为电阻负载时相电压ua和相电流ia的波形，可以看出输入电流正弦且和输入电压同相位，功

42、率因数近似为1；图6 (b)为整流器直流侧带200V反电势时的波形，由于负载电压高于给定电压，整流器运行在逆变状态，输入电流和输入电压反相位，能量反向流；图6（c）给出了输入电流的频谱，从中看出基波分量占绝对主要成分。这些都表明PWM整流器具有良好的输入特性，满足交流励磁应用中低谐波、高功率因数、能量双向流的要求。图7 整流器对给定电压的阶跃响应·图7为整流器直流输出电压给定由120V跃变调节至160V时输出直流电压和输入电流变化的波形，调整过渡过程持续约20ms，表明本文提出的采用了dq电流解耦和前馈电压补偿技术的整流器能快速跟踪给定。同时由于电流内环的限幅作用，过渡过程电流冲击不

43、大。图8 整流器对负载变化的动态响应·图8是负载变化时整流器的运行情况，负载电阻RL由50变为30,输出功率增大，而直流输出电压基本保持不变，显示了PWM整流器良好的输出特性。5双PWM变频器交流励磁双馈发电机变速恒频运行仿真采用定子磁场定向矢量变换控制的双馈发电机系统框图请参见第三章图2。控制系统采用功率电流双闭环结构，系统的构成和控制原理已在第三章说明，这里重点是利用仿真研究双PWM变频器在变速恒频运行控制系统的应用。整个仿真系统的MATLAB仿真模型如图9所示。仿真所用双馈发电机为10kw，380v，50Hz的6极电机，经折算后的参数为：定子电阻0.0379，漏感1.1mH；转

44、子电阻0.0314，漏感2.2mH，激磁电感（互感）42.8mH，转动惯量0.932 kg·m2。整流器的输入电感为2mH，直流电容4700F。图9 基于PSB的双馈电机调速系统仿真模型 图10 双馈电机控制子系统框图控制部分的功能由SIMULINK模块构成，主要包括位置计算、坐标变换、PI调节以及PWM调制等功能。控制子系统的框图见图10。电机的转速首先设定为75rad/s，作亚同步速发电运行；1.2s时给定速度跃变为140rad/s，作为超同步速发电运行。图11 电机的转矩和速度响应·图11给出了电机的转矩和速度响应，过渡过程没有振荡过程。图12 逆变器的电压和电流波形

45、·图12是逆变器输出和电流波形。图中线电压出现了瞬时尖峰，这是因为IGBT具有开通和关断时间，而仿真中PWM调制未加死区，导致电压冲击。经仿真验证，若把IGBT改为理想开关或在控制中加上死区，即可消除电压尖峰。图13 PWM整流器输入侧的电压和电流波形·图13是发电机超同步和亚同步发电运行时PWM整流器输入侧的电压和电流波形，可见输入电流与输入电压同相位，且能实现功率的双向流动。图14 定子输出电流的频谱·图14给出了亚同步和超同步发电运行中整流器输入电流的频谱，其中基波占绝对主要成分，说明了双PWM变频器良好的输入特性。五变速恒频风力发电系统主机监控管理 变速恒

46、频风力发电（实验）系统设有一个主机（又称上位机）。主机的任务是对发电机控制子系统的运行状况和运行数据进行监督和显示，对运行参数进行设定和控制，此外，主机还控制风力机模拟子系统，通过对模拟风力机的直流电动机的控制在实验室条件下来风力发电现场的运行状况。 根据变速恒频风力发电系统的运行特点和需求，自主开发了变速恒频风力发电系统主机监控管理程序。程序具有MDI（多文档界面）风格，界面友好，使用灵活方便，功能强大，是一个多功能集成化的专用监控管理程序。程序按功能划分为四大模块：系统管理模块发电机运行监控模块风力机模拟控制模块和辅助功能模块。系统管理模块实现密码管理系统配置和通讯设置；发电机运行监控模块

47、实现发电机运行参数监视和控制；风力机模拟控制模块通过对直流电动机的控制实现模拟风力机运行；辅助功能模块通过内嵌的程序提供丰富而必要的辅助功能，如曲线绘制数据计算网络资源等。四个功能模块在功能上相对独立，但又互相联系，互相支持，有机地结合为一个整体。图1 变速恒频风力发电系统主机监控管理程序的欢迎界面图2 变速恒频风力发电系统主机监控管理程序的主界面程序的欢迎界面如图1所示。欢迎界面除了提供程序信息外，还有密码校验的功能。欢迎界面和密码校验可以根据自己的爱好和需求在系统设置，设定它在程序启动过程是否出现。在欢迎界面上通过密码验证后就到达程序主界面，如图2所示（如果没有在系统设置中取消欢迎界面和密

48、码验证，则打开程序后不出现欢迎界面和密码验证，直接到达主界面）。整个主界面分为三部分：菜单栏，工具栏，工作区和状态栏。菜单栏中包含了整个程序所有的操作命令；工具栏对应于菜单栏中一些主要的操作，为用户提供了一种更为简洁的操作方式；显示区是程序主界面的主要部分，用来容纳程序中的监视控制子窗口；状态栏是程序运行状况的指示器，指示程序运行过程中的状态，状态栏有五个窗格，第一，二个窗格指示程序的运行过程，如通信的进程等；第三，四个窗格分别指示时间和年月日。下面按功能模块划分简要介绍本程序的应用和主机对变速恒频风力发电系统的监控管理过程。1.系统管理模块系统管理模块的功能是系统设置和系统操作，对应于主界面

49、上的“系统”和“操作”两个主菜单。（1）“系统”主菜单“系统”主菜单下包括“密码管理” “系统配置” “串行口设置”三个子菜单，点击相应的子菜单将出现相应的功能窗口。密码管理窗口如图3(a)所示，授权使用者可以通过密码管理窗口修改登录密码，密码的设置为程序的安全运行提供了保障。(a)(b)图3密码管理和高级选项系统设置窗口如图4所示。系统设置窗口则提供了监控管理程序的配置和设定。包括·显示属性设置 提供了程序运行中各种数据的显示选项，例如显示曲线的颜色宽度显示背景色以及刻度线的定制等。·工作模式设置 工作模式分主机模式和从机模式两种，主机工作模式下，程序作为主机监控管理程序，主机工作模式是本程序的主要的工作模式；从机工作模式主要用于对工作于主机工作模式的主机进行通讯调试。·程序风格设定 为使用者提供了定制程序的选项，可以根据个人的爱好设置程序的风格。·转换系数设定和高级设定 单击“转换系数”按钮出现转换系数设置向导，根据向导可分别设置上传系数和下传系数。系数设置对话框如图5所示。单击“高级”按钮出现高级设置对话框，如图3(b)所示。图4 通信设置窗口和系统设置窗口图5线性变换系数设置对话框图6 通信设置窗口和系统设置窗口串行口设置窗口和系统设置窗口如图6所示，串行口设