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1、毕业论文题 目 无源性的变速恒频双馈风力发电机控制仿真研究 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 摘要变速恒频发电技术是一种新型高效的发电技术，在风力发电领域有着良好的应用前景。本文分析了风力机运行特性及其最大风能追踪原理，对双馈电机进行数学分析，给出了功率在双馈电机中的流动图解；针对双馈电机转子能量双向流动的要求，选择了具有能量双向流动能力的双PWM交流励磁用变频器，研究了基于定子磁场定向的变速恒频双馈风力发电机的控制策略，实现了最大风能追踪，分析了电网不平衡条件下双馈电机的控制策略；基于MATLAB软件建立了变速恒频双馈风力发电机组的仿真模型，针对提出的控制策略对变速恒频
2、双馈风力发电机组的并网运行特性进行了仿真研究，仿真结果表明了该控制策略的正确性和可行性。 关键词：变速恒频；风力发电；双馈发电机；双PWM励磁变频器AbstractVariablespeed constant-frequency (VSCF) operation is a new high efficient technology for power generation，which has a good future in the field of wind power generationThis paper analyzed the performance characteristic
3、of wind turbine and the principle of optimum utilization of wind-energy，analyzed the mathematical model of doubly-fed induction generator(DFIG)，a schematic is given about the power flow in generatorIt selected the dual PWM converter aimed at the demand of rotor energy bidirectional flow，the control
4、strategy for VSCF doublyfed wind power generator based on Stator flux orientation is proposed，realized the optimum utilization of wind-energy，analyzed the control strategy of DFIG for unbalanced supplyUsing MATLAB the simulation model of VSCF is built，the simulation of the interconnected performance
5、 characteristic of VSCF under the proposed control strategy is conductedSimulation results show that the proposed control strategy is reasonable and feasibleKEYWORDS：Variablespeed constantfrequency，wind power generation，doubly-fed generator,dual PWM excitation frequency converter目录第一章 绪论41.1 课题的背景41
6、.2 风力发电技术的研究现状和发展趋势41.2.1 国内风力发电历史和现状41.2.2 风力发电发展方向和趋势51.3 变速恒频风力发电系统简介61.3.1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统61.3.2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统71.3.3 同步发电机变速恒频发电系统71.3.4 双馈发电机变速恒频风力发电系统81.4 本文主要研究内容9第二章 风力机和双馈异步电机运行分析102.1 风力机的运行特性102.2 定浆距情况下风力发电系统最大风能追踪机122.3 双馈异步电机基本原理132.5 双馈异步电机稳态运行分析172.5.1 双馈电机稳态等效电路17第三章 矢量控制技术研
7、究203.1 空间矢量的概念203.2 矢量控制的基本思路203.3 矢量坐标变换及变换矩阵233.3.1 旋转坐标系与静止坐标系间的变换233.3.2 三相与两相坐标系之间的变换253.4 本章小结26第四章 变速恒频双馈电机的控制策略274.1 双馈异步发电机的控制策略274.2 变速恒频双馈风力发电机用交流励磁电源分析3043 定子侧PWM变换器及其控制334.4 转子侧PWM变换器及其控制354.4.1 DFIG在两相同步旋转坐标系下的数学模型364.4.2 DFIG定子磁链定向矢量控制374.4.3 电网不平衡条件下DFIG的控制策略394.5本章小结42第五章 无源性的变速恒频双馈
8、风力发电系统仿真研究435.1 变速恒频双馈风力发电机组仿真模型435.1.1 风力机仿真模型435.1.2 双PWM变换器矢量控制系统仿真模型445.1.3 信号反馈系统仿真模型455.1.4 变速恒频双馈风力发电系统仿真模型455.2 变速恒频双馈风力发电机组仿真运行分析465.2.1仿真系统参数465.3 本章小结52第六章 结论与展望53参考文献54外文翻译56原文56译文68第七章 致谢80第一章 绪论1.1 课题的背景近年来，全球风电技术发展迅猛，风电机组的可靠性大大提高，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，控制技术从早期的失速调节向变速恒频发
9、展；传动技术从齿轮箱的结构发展到直接驱动。世界上风电技术的开发，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四十多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率高于其他电源的趋势仍在继续。其中兆瓦级风电机组已成为风电市场中的主流。而这其中的并网运行是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。我国风力发电新增装机速度仍将继续保持较快增长，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前
10、景看好。因此风力发电机尤其是变速恒频双馈风力发电机的研究尤为重要。1.2 风力发电技术的研究现状和发展趋势风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。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，再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。风电机组中的风力机和发电机是其中的关键部件。风电机组中配备不同类型的发电机，并辅以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。1.2.1 国内风力发电历史和现状我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。
11、据专家预测，我国风能储量大，分布面广，全国大约有2/3的地区为多风地带。全年平均风速3m/s及以上的时间达30005000h。平均风能密度为100w/m2，可开发的风能资源约253亿KW。我国风力发电从20世纪80年代开始起步。1994年并网型风力发电机组装机30MW，年发电量7500万KWh；到2000年底，并网型风力发电机组容量己达344 MW，年发电量约8.6亿KWh，同时还有13万台小型独立运行的风力发电机在广大牧区、海岛、有风无电的边远地区运行；到2003年底，全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567MW(以完成整机吊装作
12、为统计依据)。风力发电作为我国电力结构中新型分布式供电系统，以其灵活、实用的方式，为经济发展注入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效益。国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果，其中包括“八五”期间开发成功的200kW/250KW风力发电机组和在“九五”期间开发的600KW风力发电机组，并成功地开发了并网型风力发电机组的当地控制和远程控制系统，使大型风力发电机组的一项关键技术得到了解决。国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发电机、齿轮箱、机舱、主轴、塔架、偏航系统、液压系统等，为我国大型风力发电机组国产化奠定了基础。我国己经开始了MW级风力发电机组的研发上作，这是我国自主研制开发的最大容量
13、风力发电机组，将填补中国风力发电领域的空白。2006年中国安装l347MW的风电机，两倍于其总的装机容量。上年数字增长了70，这使得中国装机容量达到2604MW，成为世界第六大市场。1.2.2 风力发电发展方向和趋势风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，
14、是风力发电技术的研究重点。在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术主要有以下几种：1定浆距调节风电机技术。这种技术是典型的丹麦风电技术的核心，其基本原理是利用浆叶翼型本身的失速特性。在高于额定风速的条件下，气流的攻角增大到失速条件，使浆叶的表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。其优点是：调节简单可靠，控制可大大简化；其缺点是：浆叶、塔架等主要受力部件的受力增大。现在国际上600KW以下的机组，大部分仍在使用该技术，如MFGMICON，BONUS，NORDEX等著名厂商都采用该技术。2变浆距调节风电机技术。由于自然界中的风速变化快且无规律，因此一般的调节方法跟不上因风速变化带来的输出功
15、率的变化，造成功率变化极大，而这种输出功率的变化将增加机组的负荷，对电网冲击很大。最典型的变浆距调节风电机技术Vestas技术，采用高滑差发电机，相当于在传动链中增加了一个弹性环节，使输出功率的变化大大减少。变浆距调节风电机技术的优点是：浆叶受力较小，因此风电机的结构部件可做得比较轻巧；其缺点是：结构复杂。3主动定浆距调节技术。这种方法是上述定浆距调节技术和变浆距调节技术两者的结合。目前，国际上几大风电机制造商，如MFGMICON，BONUS等，在大于600KW风电机上均采用此技术。这种方法的主要特点是：浆叶采用定浆距失速调节型，调节系统采用变浆距调节系统。输出功率在额定功率以下时，调节方式与
16、变浆距方式相同；输出功率在额定功率以上时，调节方式与定浆距方式相同。主动定浆距调节技术的主要优点是：输出功率变化小、较平稳。4变速恒频技术。理论上来说这种技术是最优化的调节方式。目前使用变速恒频技术的制造商主要是德国的Enercon、荷兰的Largeway。这种调节方法在输出功率低于额定功率之前使效率达到最高。但当输出功率大于额定功率，即风速大于额定风速后，其调节方式将与变浆距方式相同。恒频装置价格昂贵，使这种技术只在德国大量使用，而其他国家很少采用的主要原因。1.3 变速恒频风力发电系统简介变速恒频发电是20世纪70年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源
17、开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景：1风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源，传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。2. 变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三项低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现
18、发电机输出有功功率、无功功率解耦控制。控制有功功率可调节发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。3. 采用变速恒频发电技术，可是发电机组与电网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。目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，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变速恒频风力发电系统。1.3.1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统国内外与电网并网运行的风力发电机组中，多采用鼠笼型异步发电机。其系统结构示意图如图1-1所示。风速
19、的不断变化，带动风力机以及转子的转速随之变化，发电机发出的电能的频率也随之变化。在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案实现了变速恒频，具有了变速运行范围宽的优点，适用于风力变化较大的环境能力强，而且维护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵，因此有些文献又把这种系统配置方式称为全额定值变换。因此这种系统配置方式称为全额定值变换。图 1-1 鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统1.3.2 绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统由于普通异步电机的
20、转差变化范围很小，一般在5以内，所以其转子转速变化范围也很小，近似可看作恒速。如果改变转子回路外串电阻的大小，从而改变消耗在转子回路电阻中的转差功率来改变转差率，达到调速目的。采用这种方式的典型代表是丹麦的风电机组制造商Vestas的V39型风机，其转差率可达10。因此，把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。1.3.3 同步发电机变速恒频发电系统在常规并网发电系统中，同步发电机是使用最普遍的。同步发电机在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定，电能质量高，因此被电力系统广泛接受。在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有着严格不变的固定关系，以便维持发电机的频率与电网的
21、频率相同，否则发电机将与电网解列。带变频器的同步发电机风力发电系统，其系统结构示意图如图1-2所示。和鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统类似，当风速变化时，同步发电机发出频率变化的电能，通过中间变频器环节，先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。这种方案可以在较宽的转速范围内得到频率恒定的交流电，并且无须中间调速机构，实现了变速恒频发电运行。缺点是变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵。这种系统配置方式也属于全额定值变换。图 1-2 同步发电机变速恒频风力发电系统1.3.4 双馈发电机变速恒频风力发电
22、系统常规的同步发电机采用直流励磁方式，而异步发电机没有励磁绕组，其励磁通过定子取自电网。随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻求新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了采用交流励磁发电机取代或部分取代常规同步发电机的设想，并已由理论到实践取得了一定成果。交流励磁发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率(转差频率)的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这
23、与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按电机的转子转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机，则交流励磁发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发电机类似。从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无功功率进行调节，而使用这种发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位。通过改变励磁电流的频率来改变发电机的转速，以达到调速的目的，从而按最佳运行方式调整发电机运行功率；通过改变励磁电
24、流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角。因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。由于该发电机定、转子都外接电源，因此许多文献又把这种交流励磁发电机称作双馈发电机或交流励磁双馈发电机。双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统结构示意图如图1-3所示。图 1-3 双馈发电机变速恒频风力发电系统由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的。类似于绕线式异步电动机电气串级调速或双馈电动机调速系统，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，而且可以双向流动
25、。因此，和转子绕组相连的励磁变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，这大大降低了变频器的体积和重量。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于上述诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。有关双馈发电机的励磁控制方案以及系统运行性能分析将是本文要重点研究的内容。1.4 本文主要研究内容完整的风力发电系统是非常复杂的，它涵盖了空气动力学、电力电子技术、计算机控制技术和现
26、代控制理论等多种学科的内容。在系统结构上，它一般又可分为下面几个子系统：风轮子系统、传动子系统、结构子系统、电气子系统、控制子系统。本文所作的变速恒频发电运行方式研究是属于电气与控制子系统的内容，研究对象是采用双馈异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。本文从分析变速恒频双馈风力发电技术运行机理入手，建立各组成部件的数学和仿真模型，对变速恒频双馈风力发电技术展开比较全面的理论分析和仿真研究。本文主要做以下几个方面的工作：1分析了风力机的基本特性，给出了输出机械功率和转矩的表达式，并从风力机输出机械功率与转速的关系曲线出发，分析了风力机捕获最大风能的运行原理。从双馈异步电机的工作原理出发，建立
27、了三相静止坐标系下双馈电机的数学模型，并定性分析了双馈异步电机运行特性与功率流动关系。2从空间矢量的概念入手，分析了矢量控制的基本思路，推导了包括旋转坐标系与静止坐标系间的变换、三相坐标系与两相坐标系间的变换、直角坐标与极坐标之间的变换的矢量坐标变换矩阵。3针对双馈异步电机能量流动的特点，选择了系统所用变频器类型，分析了双PWM变换器的运行机理，分别建立了定子侧和转子侧变换器在dq同步旋转坐标系下的数学模型，分析了电网不平衡条件下双馈电机的控制策略。4.利用Matlab/Simulink软件建立变速恒频双馈风力发电系统各部分的仿真模型，包括：风力机模型、双馈电机模型、双PWM变频器模型及其矢量
28、控制系统模型，并使用该仿真系统进行了基于P、Q解耦控制的变速恒频仿真和最大风能追踪控制仿真。第二章 风力机和双馈异步电机运行分析整个风力发电系统的原动机由风力机吸收风能产生，风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩，机械转矩再通过传动装置传递给发电机，带动发电机转子转动，通过电磁感应产生电能，经过适当的控制，最后接入负载或并入电网。双馈电机(Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG)，或称为交流励磁电机。它随着转子交流励磁频率的改变，无论在电动机工况，还是在发电机工况下运行，电机的转速可以调节变化，而定子输出电压和频率维持不变，既可以调节电网
29、的功率因数，又可以提高系统的稳定性，因而在现代交流电机调速和风力发电等领域有着广泛的应用前景。本章的主要内容是对风力机和双馈电机的运行特性进行分析，为后续章节采用矢量控制的分析与设计提供了理论依据。2.1 风力机的运行特性风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的动能，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。它不仅决定了整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接影响机组的安全、稳定、可靠运行，是风力发电系统中关键部件之一。由风力机的空气动力学特性可得，风力机的输入功率如（2-1）所示 （2-1）式中，为空气密度；为风力机叶片迎风扫掠面积；为空气进入风力机扫
30、掠面积以前的风速(即未扰动风速)。由于通过风轮旋转面的风能不是全部都能被风轮吸收利用，因此可以定义一个风能利用系数： （2-2）式中，为风力机输出的机械功率，为输入风轮面内的功率。所以风力机输出的机械功率为： （2-3）式中，R为风力机风轮半径。风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比 （2-4）式中：为叶片旋转的机械角速度；为叶片的转速。叶片吸收风能后产生转矩： (2-5)水平轴的风力机叶片是通过轮毂与主传动轴连接的。轮毂本身具有较大的惯性，可以用一个一阶惯性
31、环节来表示： (2-6)式中，为齿轮箱输入侧转矩，为惯性时间常数转矩再通过齿轮箱和次传动轴传到发电机转子侧。为简单起见，这部分可按比例环节考虑。设齿轮传动比为N，发电机转子侧机械转矩为，转子机械转速为，则有: （2-7）风力机可分为变浆距和定浆距两种。变浆距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的特性能曲线来表示，如图2-l所示。风能利用系数是叶尖速比的函数，同时也是桨叶节距角的函数，综合起来可表示为。从图中可以看到，当桨叶节距角逐渐增大时，曲线将显著缩小。图 2-1 变桨距风力机性能曲线如果保持桨叶节距角不变，风能利用系数只与叶尖速比有关系，则可用一条曲线描述特性，这就是定浆距风力机的性能曲线，
32、如图22所示。在定浆距情况下，叶尖速比决定着风能利用系数的大小。对于一个特定的风力机，具有唯一一个使得最大的叶尖速比，称之为最佳叶尖速比，当叶尖速比大于或小于最佳叶尖速比时，风能利用系数都会偏离最大风能利用系数，引起机组效率的下降。根据贝茨理论，风能利用系数的最大值为0.593。一般的水平轴风力机，同时考虑到在风场中风力机会受到风速与风向波动的影响，实际大致在0.4左右，很难超过0.5。图 2-2 定浆距风力机性能曲线变浆距风力机是定浆距风力机的改进和发展，但定浆距风力机特性是变浆距风力机特性的基本情况，具有代表意义，是讨论最大风能追踪的依据，因此定浆距风力机及其特性是本文研究的重点。2.2
33、定浆距情况下风力发电系统最大风能追踪机对风力发电机系统而言，输入机械转矩特性相当重要，与之相对应的是风力机的输出机械功率和转速的关系曲线。设定一种风速，然后取不同的转速计算出相应的，由图2-2查出对应的值，代入式(2-3)，即可得到该风速下，风力机输出机械功率和转速的关系曲线。设定不同的风速，重复上面的过程，就可以得到风力机在不同风速下风力机输出机械功率和转速的关系，这就是风力机输出机械功率特性曲线。图2-3所示，即为一组在不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线。图 2-3 风力机输出机械功率和机械角速度之间的关系我们知道，当节距角一定时，风能利用系数只有在叶尖速比为某一值时才取得最大值。不同
34、风速下风轮的输出机械功率与转速的关系，可以看出对应每一种风速，都有一个最佳转速，在该转速下风轮输出的机械功率最大，该转速与风速，都有一个最佳转速，在该转速下风轮输出机械功率最大，该转速与风速对应着最佳叶尖速比和最大风能利用系数，将不同风速下的最大功率点连起来就得到一条最大功率曲线。变速恒频风力发电技术可以通过控制发电机输出功率的办法，使得在不同风况下，风力机都能运转在最佳的叶尖速比，从而跟踪这条最大功率曲线，这有效地提高了风轮的风能转换效率。如图2-3所示，图中不同风速下风力机的功率一转速曲线组成了曲线簇，每条功率一转速曲线上最大功率点的连线称为风力机的最佳功率曲线(曲线)。风力机运行在曲线上
35、将会输出最大功率，其值为： (2-8)式中，。下面定性分析一下最大风能捕获过程。如图2-3所示，假设原来在风速下风力机稳定运行在最优功率曲线的B点，对应着该风速下的最优转速和最优的机械功率，此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时刻风速突然升高至，风力机马上就会由B点跳至风速下功率曲线上的D点运行，其输出机械功率由突变至。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机仍然运行在B点，此时发电机输入的机械功率大于发电机系统输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着风速下功率曲线的DC轨迹和最优功率曲线的BC轨迹运行。当
36、分别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点C时，功率将重新达到平衡。此时，转速稳定在对应于风速下的最优转速，风力机输出最优的机械功率。同理，也可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过。2.3 双馈异步电机基本原理双馈电机在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一样，布有三相分布式绕组；转子与一般发电机不同，它也布有三相分布式绕组。运行时，定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以称为双馈电机。也有文献称为交流励磁发电机，因为转子侧通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用。设系统工作时的双馈异步电机转子转速
37、为，定子磁场的转速(同步转速)为，转子绕组通过变频器提供的励磁电流在转子绕组上所产生的旋转磁场相对于转子的转速为，双馈异步电机的定、转子电流的频率分别为、。当发电机的转速随着风力条件的变化而变化时，只要能利用变频器相应地调节输入转子的励磁电流频率，以改变转子磁场的旋转速度，(当亚同步速运行时，维持；当超同步速运行时，维持，)，就可以在定子上感应出对应于同步转速的工频电压，整个发电系统即可做到变速恒频运行。若将双馈发电机的定子接在电网上，则定子侧电源频率可认为是恒定的，由此可通过检测转子转速来确定转子绕组通过变频器提供的励磁电流的频率。由电机学基本原理可知有如下关系式成立： （2-9）式中为极对
38、数，为转差率。转子侧三相电流的相序取决于的符号，在超同步运行时，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反，此时除定子向电网馈送能量外，转子也向电网馈送一部分电能；在亚同步速运行时，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，此时定子向电网馈送能量，而转子需要馈入能量。双馈发电机的励磁可调量有：励磁电流的频率、幅值和相位。可以通过接在转子侧的变频器来调节励磁电流频率，保证在变速运行情况下发出恒频电流。也可以通过改变励磁电流的幅值和相位，调节输出的有功功率和无功功率。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子旋转磁场位置就有了一个空间位移，这就使得双馈发电机定子感应电势矢
39、量相对于与电网电压矢量的位置也发生了变化，即功率角发生了改变，使有功功率和无功功率得以调节。当然要真正实现这一点，还有一个前提就是找到合适的励磁控制方法。这里可以采用电机调速系统中的矢量控制技术，关于这一点本文将在后面的章节中作更深入地探讨。变速恒频的机理可用图24来进一步说明。图 2-4 DFIG变速恒频运行原理2.4 双馈异步电机数学模型由电机学的知识我们可以知道，一台电机在实际运行时的真实数学模型是一组多变量、时变系数的微分方程，在分析其运行方式时，有必要作出一些理想化的假设，假定如下：1.忽略磁饱和和空间谐波，设三相绕组对称，均为星形连接，磁动势沿气隙正弦分布；2.不考虑温度对电机参数
40、的影响；3.转子绕组均折算到定子侧，折算后每相绕组匝数相等。定子三相绕组轴线as、bs、cs在空间是固定的，以A轴为参考坐标系，转子三相绕组轴线ar、br、cr随转子旋转，转子ar轴和定子as轴间的电角度为空间角位移变量。并规定各绕组电压、电流、磁链正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这时双馈发电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。1. 电压方程：三相定子绕组电压方程 (2-10)三相转子绕组电压方程 （2-11）式中、为相电压瞬时值；、为相电流瞬时值；、为各相绕组励磁；下标“”、“”分别代表定子、转子；、为定子、转子绕组等效电阻；p为微分算子。写成矩阵形式为： （2-1
41、2）或写成： （2-13）2.磁链方程：定转子各绕组的合成磁链均是由绕组自感磁链与其他绕组间互感磁链组成。按照上面的磁链正方向规定，磁链方程式可列为： （2-14）式中的电感矩阵L是66的矩阵，主对角线元素是与下标符号对应的绕组的自感，其它元素是与下标符号对应的两绕组间的互感。经简化可得： （2-15）式中：， 由于三相电机的对称性，对式（2-14）中的、等可引入等效自感等效互感的概念，得到其表达是分别为： （2-16） （2-17） （2-18）3.转矩方程: (2-19)式中为发电机的电磁转矩。4.运动方程：双馈发电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和由此产生的电磁转矩之间的平衡关
42、系。起动时，输入的机械转矩使电机转速上升，感应产生的电磁转矩也随着增加，忽略电机转动部件粘性摩擦，当和达到平衡时，电机转速趋于稳定。 (2-20)式中为电机转动的机械角速度，与转子电气角速度之间有：2.5 双馈异步电机稳态运行分析2.5.1 双馈电机稳态等效电路双馈电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定：(1)只考虑定转子电流的基波分量，忽略谐波分量；(2)只考虑定转子空间磁势基波分量；(3)忽略磁滞、涡流损耗和铁耗；(4)变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源，不计其阻抗与损耗。定子和转子正方向按电动机惯例定义。与分
43、析感应电机的方法类似，根据磁势与电势平衡原则，将转子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如下： (2-21)由基本方程式可得等效电路如图25所示：图 2-5 双馈电机稳态运行等效电路式中，为定子电压；为定子电流；为定子电阻；为定子漏感抗；为折算后的转子电压；为折算后的转子电流；为折算后的转子电阻；为折算后的转子漏感抗；为励磁电流；为励磁电阻；为励磁电抗；为转差率；为感应电势。另外，由于，故忽略。2.5.2 双馈发电机的功率流动分析双馈电机变速恒频风力发电系统最大的一个特点就是发电机可变速运行，可控制转速对应风力机的叶尖速比最佳值，从而充分地利用风能。下面就对系统中的功率流动过程作一个分析。从
44、总体上说，首先是由风力机吸收风能产生机械转矩，然后通过轮毅、齿轮箱和联轴器等传动装置带动发电机转子转动，从而将机械功率传递给发电机；转子绕组本身接入励磁电流建立磁场，由于转子的转动，在定子绕组中感应出电流，功率就这样通过磁场传递到了定子侧。具体的功率流动过程可以用图2-6来表示。 图 2-6 稳态运行时功率流动示意图由风轮吸收风能产生的机械功率为。在从风力机向双馈电机转子轴传递的过程中，要经过齿轮箱、联轴器等中间传动装置，会产生一定的功率损耗，主要是齿轮箱损耗。风轮输出的机械功率，减去齿轮箱功率损耗才是输入到双馈发电机转子轴上的净机械功率。电磁功率是由双馈电机轴上输入的净机械功率与转子绕组输入
45、的有功功率一起，在扣除转子铜耗之后建立的，即： （2-22）又 （2-23）得 （2-24）电磁功率就是定转子间通过气隙旋转磁场传递的那部分功率，上面的电磁功率传递到定子侧后，又有一部分消耗在定子绕组铜耗，和电机铁耗上。于正常运行时，转子频率很低，转子铁耗很小，所以铁耗一般只是定子铁耗，如果忽略铁心损耗则没有此项。扣除和损耗之后，剩下的功率就是双馈发电机通过定子输出的有功功率，也就是一般意义上的发电功率。即： （2-25）可以看出，由于电机铜耗和铁耗在总的电磁功率中所占比例较小，转子侧功率近似为转差功率。按照前面的正方向规定，当时转子绕组由电网输入功率，此时双馈电机工作在亚同步状态下，；当时转子绕组向电网输出电功率，这部分功率也由电机轴上输入的机械功率提供，此时双馈电机工作在超同步状态下，。2.6 本章小节本章首先分析了风力机运行的基本特性，给出了输出机械功率和转矩的表达式，并从风力机输出机械功率与转速的关系曲线出发，分析了风力机捕获最大风能的运行原理。本章总结了DFIG的特点及其在变速恒频风力发电中的优势，说明了DFIG实现变速恒频运行的原理，推导了DFIG在三相静止坐标系的数学模型，为后续的DFIG控制建立了理论基础。接着从DFIG的稳态等效电路出发，分析了双馈发电机运行特性与功率流动关系，分析得出
