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1、风力发电机组模型及其控制,第二章,谢 桦,联系方式：51687109 电气楼611,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,Contents,风力机分类概述恒速风机的原理及控制双馈风机的原理及控制直驱式风机的原理及控制,重点：主流风力发电机组结构、运行特点和控制方法。难点：风电机组的并网控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,以速度控制为标准，把风力机分为恒速和变速两种主要的类型。恒速风机又可以分为失速型、桨距可控型和主动失速型。变速风机现在常见的型号有双馈电机（DFIG）和直驱式永磁同步电机（
2、DMSG）。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,风力发电机,InductionGenerator感应发电机,InductionGenerator感应发电机,InductionGenerator感应发电机,无无功控制,有无功控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,恒速风机 恒速风机多采用鼠笼型感应发电机并通过变压器直连电网。因为鼠笼型感应发电机经常从电网吸收无功功率，所以此类型风力机使用电容器组来进行无功功率补偿，使用软启动器获得更平稳的电网电压。无论恒速风力机使用哪种功率控制
3、原理，风的波动都要转化成机械波动，进而转化成电功率波动。弱电网中，这些波动会引起连接点电压波动。恒速风力机从公共电网中吸收的无功功率随电压波动变化（除非有电容器组），增加了电压波动和传输线损耗。因而，此类型的主要缺点是它不支持任何速度控制，需要刚性电网，其机械约束也必须能容忍高机械应力。恒速风机又可以分为失速型、浆距可控型和主动失速型。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,失速型 失速控制是传统类型，早在20世纪80年代和90年代就被许多丹麦风力机制造商采用（即上风向失速调节型三桨叶风力机）。相对低廉的价格、简单和坚固耐用的特性使
4、其十分流行。但是失速控制型风力机不能实现辅助启动，这意味着无法控制风力机功率。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,桨距可控型 桨距控制型风力机已经商业化。它的主要优点是可控功率、可控启动和紧急停车。主要缺点是高风速时即使很小的风速变化也会导致很大的输出功率波动。桨距机构的反应速度不足以避免这样的功率波动。桨叶调节能补偿风的缓慢变化，但阵风情况是不能补偿的。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,主动失速型 主动失速控制基本上具备了所有失速调节型风力机的电能质量特性。主
5、动失速控制能使全系统得到更好的利用，桨叶和轮毂的灵活组合也使其具备紧急停车和启动功能。缺点是桨距机构及其控制器的成本较高。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,变速风机 变速风力机在很宽的风速范围内都能达到最大气动效率。变速运行使它可以连续地调节（加速或减速）风力机转速以适应风速v的变化。这种方式下，叶尖速比在对应最大功率系数的设定值上保持恒定。与恒速系统相比，变速系统的发电机转矩相当恒定，风速变化被发电机转速的变化所吸收。变速风力机的电气系统比恒速风力机更复杂。它的典型配置是感应或同步发电机，通过功率变换器并网。功率变换器控制发
6、电机转速；即，风速变化引起的功率波动主要通过风轮发电机转速，从而通过风力机转子速度变化吸收。变速风力机的优点在于增强了能量捕获能力，改善了电能质量以及减小了风力机的机械应力；缺点是有电力电子设备损耗，需要使用更多器件和因使用电力电子设备而增加成本。变速风力机类型的引入增加了可应用发电机类型，也提供了发电机类型与功率变换器类型组合的自由度。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,转子电阻可调的感应发电机此类型对应的是含可变转子电阻的有限变速风力机，丹麦风力机制造商Vestas公司在20世纪90年代中期开始使用。它用绕线感应发电机直接并
7、网；用电容器组进行无功功率补偿；用软启动器使并网更平稳。此类型的独特之处是有可变附加转子电阻，能用安装在转子轴上的光控变换器改变其电阻值，从而使总转子电阻是可控的。光耦替代了昂贵的、需要电刷和支架的滑环，并且转子电阻可变使得转差也可变。这种方式下，系统的功率输出是可控的，可变转子电阻的大小决定了动态速度控制范围，典型地是高于同步转速的010%。外部功率变换单元的能量以热损耗方式消耗掉。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,双馈电机（DFIG）此类风机含绕线转子感应发电机和转子电路中部分容量变频器（风机容量额定值约30%）的有限变速
8、风力机。变频器用来进行无功功率补偿，并使并网更平稳。双馈风机的变频器的容量决定了此类风力机具有更宽的动态速度控制范围，一般为同步转速的-40%30%。因其变频器的容量较小，所以此类风力机更经济。它的主要缺点是需要增加齿轮箱以及滑环和需要有电网故障保护。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,风力机分类概述,直驱式永磁同步电机（PMSG）通过全功率变频器并网的变速风力机。变频器进行无功功率补偿并使并网更平稳。与双馈电机相比，主要的优势为省略了齿轮箱这一环节，但全功率的变频器却增加了成本。一般情况下，电机要使用大直径的直驱多极发电机。,返回,Wind
9、Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,1.恒速风机特点2.鼠笼型异步发电机数学模型3.恒速风机的并网控制按发电机的不同，恒速恒频风电机组可以分为：,异步发电机组,同步发电机组,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,异步发电机特点靠转差率来调整负荷，对机组调速精度要求不高，不需要同步设备和整步操作，转速接近同步转速时，进行并网；控制装置简单，并网后不会产生振荡和失步，运行稳定；直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降，影响系统安全；当输出功率超过最大转矩所对应的功率会引起网上飞
10、车；过高的系统电压会使无功激磁电流增加，定子电流过载，功率因数下降；本身不发出无功功率，需要无功补偿。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,同步发电机特点传统电力系统广泛采用；既能输出有功功率，又能提供无功功率；频率稳定，电能质量高；对并网条件要求严格，需要专门的同步和整步设备；风速随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机的要求精度；并网后若不进行有效的控制，常会发生无功振荡与失步问题，在重载下尤其严重。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及
11、控制,上世纪90年代，风力发电多采用基于笼型感应发电机的恒速恒频机组，由于电网频率恒定，而感应电机转差变化范围小，因此在不同风速下，发电机转子转速近似不变。由于风力机转速很低，通常不超过50RPM，因此这种风机必须通过增速齿轮箱与发电机转子相连。考虑到感应电机启动电流大、功率因数低，因此网侧需配备软启动装置和无功补偿电容，恒速风力系统结构如图所示：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,恒速恒频风电机组并网的特点转速接近同步速时，进行直接并网；并网冲击电流大，电能质量不高；风机的转速随风速变化而改变，转速变化输出功率脉动；异步电机吸
12、收无功，对电网的电压稳定不利;同步电机并网要求严格，需要专门的辅助设备，增加成本结构简单，控制简单，节省成本。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,2.鼠笼型异步发电机数学模型鼠笼型异步发电机等效电路如下：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,鼠笼型异步发电机向量图：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,鼠笼型异步发电机数学模型：,传动轴方程：,定子电压方程：,转子电压方程：,Wind Power in
13、Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,3.恒速风机的并网控制（1）无功控制 风电机组接入电网，通常需要加入无功补偿装置。补偿设备：电容器组；电力电子设备：SVC、STATCOM等。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,恒速风机的原理及控制,（2）电压控制软并网（Soft Cut-in）技术 目标：减小并网冲击电流。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,1.双馈风机的特点2.双馈风机的数学模型3.双馈风机的并网控制4.双馈风机的低电压穿越,Wind Powe
14、r in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,1.双馈风机（DFIG）的特点双馈型风力发电机组和直驱式风力发电机组属于变速恒频风电机组，与恒速恒频风电机组相比：减少了风电机组机械部件；增加了捕获的风能；控制发电机有功与风电机组转速；无功控制能力，不依靠于电网电压；通过转子励磁电流实现有功，无功解耦控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,双馈感应发电机（DFIG）定子直接与工频电网相接，转子经过变频器也与电网相接，发电机进行有功、无功功率解耦控制，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕
15、获并为系统的无功-电压调节提供有效的手段。对于双馈感应发电机的无功补偿是通过控制变流器的输出电流实现的,从而达到电压稳定调整的目的，因此与恒速恒频风力发电机相比，它不需要传统的电力系统无功补偿装置。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,DFIG结构简图如下：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,优点：转子侧背靠背变流器小，降低了变流器的造价；降低电磁干扰；双馈型风力发电机无需从电网励磁；实现有功、无功功率解耦控制，参与系统的无功调节；可实现发电机安全、便捷的并网。缺点
16、：必须使用双绕组以及滑环，发电机成本较高；调速范围较小；控制电路较复杂；转子绕组承受较高的电压，转子绝缘等级要求较高。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,2.双馈风机的数学模型DFIG等效电路,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,DFIG基本方程：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,亚同步运行功率流动关系超同步运行功率流动关系,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学
17、院,双馈风机的原理及控制,三相静止坐标系下DFIG的数学模型：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,dq旋转坐标系下DFIG的数学模型：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,考虑磁链暂态时DFIG的基本方程：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,3.双馈风电机组的并网控制（1）无功控制 风机通常通过电力电子变频装置接入电网，既能输出有功功率，又能提供无功功率。（2）电压控制 风机通常通过电力电子变频装置对
18、定子电压进行调节，实现平稳并网。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,双馈型风力发电机空载并网原理框图：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,双馈型风力发电机负载并网原理框图：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及
19、控制,并网后控制无功控制目标：控制无功输入，稳定电压。措施：电容器组投切 动态无功补偿 变流器动态补偿,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,并网后控制电压控制 目标：控制变流器输出，稳定电压。实现最大风能的捕获。措施：平稳直流环节电压 控制输出功率因数,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,实现最大风能捕获的常用方法：叶尖速比法爬山法功率信号反馈法,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,功率解耦法控制框图：,
20、Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,参考功率指令有功功率和无功功率的计算方法,其中,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,网侧变流器数学模型,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,双馈风机的原理及控制,网侧变流器控制框图:,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,随着技术的发展，直驱式永磁同步风力发电机组显示了较大的发展潜力。与双馈型风机相比：1.采用多级永磁同步发电机
21、，同步转速低，可与风力机直接相连，无需齿轮箱，机组噪声降低，能量转换效率提高；2.永磁同步发电机运行效率搞，且不存在滑环和电刷，能显著提高机组的可靠性；3.电机定子绕组通过全功率变流装置接入电网，对电网波动的适应性好，网侧功率控制更加灵活。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,1.直驱式风机的数学模型与结构特性；2.直驱式风电机组的控制策略；3.直驱式风机的低电压穿越特性。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,1.直驱式风机的数学模型与结构特性；1.1直驱式风机的
22、数学模型（1）风力机模型（空气动力学部分）根据贝兹原理，风机输入功率满足：,其中，为风力机吸收的从动能转化来的机械功率，A为桨叶扫掠面积，V为风速，Cp为功率系数，是风力机吸收功率与通过桨叶旋转面的全部风能的比例，直接反映风力发电系统对风能的利用率。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,叶尖速比为桨叶的叶尖线速度与风速的比值。令桨叶半径为R，为叶片旋转的角速度，则叶尖速比可以表示如下：功率系数Cp是桨距角和叶尖速比的函数，其函数表达式根据各风机的设计而定，当风机一旦被设计好，其Cp关于桨矩角和叶尖速比的函数也唯一确定了。,Win
23、d Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,如图给出了Cp关于叶尖速比和桨矩角的曲线。可见在桨距角一定时，随着风速和风机转速的变化，存在一个最优的叶尖速比，使得功率系数取得最大值；当叶尖速比一定时，随着桨距角的增大，所对应的功率因数系数也呈下降趋势。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（2）PMSG数学模型 随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电机的变频调速进人到深人研究和广泛应用的阶段。由永磁体建立磁极磁场的永磁同步
24、电机，具有体积小、重量轻、不需要电刷和滑环，省去励磁绕组，可靠性高，无励磁损耗，电机的效率和功率因数大大提高，因此已经逐步取代直流伺服电动机而用于高性能的交流伺服系统中。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,由于三相静止坐标系下用永磁同步电机数学模型中参数为变参数，因此矢量控制系统的设计一般采用其dq坐标系下的动态数学模型。由于没有转子励磁绕组，忽略铁心饱和与电机绕组漏感，假设气隙中磁势呈正弦分布，忽略磁场的高次谐波，运用坐标变换理论，可以得到永磁同步电机在同步旋转的两相坐标系下的数学模型，等值电路如下图所示。,Wind Pow
25、er in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,数学模型如下：式中：和分别为发电机的d轴和q轴电流；和分别为发电机的d轴和q轴电感；为定子电阻；为电角频率，；为发电机转子的极对数，为发电机转子的机械转速；为永磁体的磁链；和分别为电压的d轴和q轴分量。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,定义q轴的反电势，d轴的反电势，假设发电机d轴和q轴电感相等，即，PMSG的数学模型可以写为：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（3）传动
26、轴模型由于没有齿轮箱，风轮机转轴直接与发电机转子相连，因此。为发电机转子转速，为风轮叶片的角速度。直驱式风力发电机组传动系统模型为：式中：为机组的等效转动惯量；为转动粘滞系数；为发电机电磁转矩；为风轮机的输出转矩。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,PMSG的电磁转矩表达式为：假设，则可以简化为：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,1.2直驱式风机的变频原理结构特性 下图为2种常见的直驱式风机的变频拓扑结构：,Wind Power in Power Syste
27、ms,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,如上图所示的直驱式永磁同步风电机组系统。该系统有两种拓扑系统结构。为便于分析，通常将电网侧变流单元称为网侧变流器，将发电机侧变流单元称为电机侧变流器。对比图（a）（b）不难发现，二者的网侧变流器拓扑结构相同，均采用三相PWM整流电路；而电机侧变流器拓扑结构则有所不同，图（a）采用不控整流加升压斩波电路，成为被动整流拓扑；图（b）采用三相逆变器电路，成为主动整流拓扑。两种全功率变流器拓扑结构的工作原理简单解释如下。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（1）被动整流拓扑首先，不控
28、整流桥将发电机发出的幅值、频率均变化的三相交流电转换为直流；其次，升压斩波器通过调节其输入电流控制发电机的负载转矩，从而实现对发电机转速的调节；第三，PWM整流器将电机侧的输入功率转换为恒幅恒频的三相交流电馈入电网，保证网侧功率因数，并减少对电网的谐波污染。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（2）主动整流拓扑与前者的主要区别在于，三相逆变器取代了不控整流和升压斩波单元，控制发电机负载转矩，从而实现对电机转速的调节。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（3）两
29、种结构对比：被动整流拓扑通过控制斩波器输入电流调节电机转矩，实现起来相对简单可靠，但由于采用不控整流，控制上无法实现电机转矩和磁链的解耦，同时电机定子电流低次谐波含量偏大。主动整流拓扑能够实现对发电机的高性能控制，也避免了不控整流和升压斩波两级结构给系统增加的复杂性，但同时也将引入逆变器驱动电机系统的负面效应，需要采取相应措施予以克服。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,2.直驱式风电机组控制策略 本节主要讲述直驱式风电机组的控制策略。2.1风机流程控制目标2.2风机并网控制2.3风机正常运行发电控制,Wind Power i
30、n Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,2.1风机流程控制目标 根据风速的大小，可以将风机的运行状态划分为几个运行阶段。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,风速在0m/s预备风速为模式0，该模式也就是风机低风速停机阶段；预备风速启动风速为模式1，也就是风机待机准备发电阶段和并网阶段；切入风速额定风速为模式2，为风机最大功率追踪阶段，这时对直驱式风机的控制的目的是保证风机的发电功率最大；额定风速切出风速为模式3，为恒功率输出控制阶段，这时变桨工作保证风机运行在额定功率附近；切出风速以上为模式
31、4，风机大风停机。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,2.2风机并网控制并网过程如下：当风速在预备风速之下时，风轮所吸收的能量无法很好的利用，因此这时候风力发电机不工作，风机不并网；当风速达到预备风速后，风机的一部份能量可以被利用，发电机开始低速启动，但这时发出的能量仍然不足以并网；直到风速达到切入风速，这时候风机才进行并网操作，正常发电。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,2.3风机正常运行发电控制策略风机正常运行下有2个基本目标：当风速低于额定风速时，对P
32、MSG进行转速控制的目的是保证机组运行在最大风功率追踪状态下；当风速高于额定风速时，受机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，必须降低风轮捕获的能量，使功率保持在额定值附近，此时桨距角控制需要起作用，以保证机组保持在额定功率附近。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,目标1：最大功率追踪策略最大功率点跟踪原理：在额定风速下，不同的风速下，风机输出的功率大小会随着转速的变化而变化，在每一种风速下，都有一个最优转速对应着一个功率最大点，因此，风机控制的目标是要控制的转速始终运行在最优转速点，使风机无论在哪种风速下都能在输出功率最大点
33、，这也就是最大功率点跟踪（或者叫最大风能捕获）。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,为尽可能提高风能利用率，近年来，人们广泛的研究了各种最大功率跟踪策略。基本控制原理分为三类，分别是叶尖速比法（Tip speed ratio，TSR）、功率信号反馈法（Power signal feedback，PSF）和爬山法（Hill-climb searching，HCS）。其中，TSR法需要同时检测风速和发电机转速，并通过控制使叶尖速比维持最优值，由于风速很难准确测量，且风机的最优叶尖速比各有不同，因而给TSR法的实现增加了难度。PSF
34、法基于风机最大功率曲线进行控制，使得机组在不同发电机转速下的输出功率跟随指令值，该控制策略在被动整流和主动整流拓扑中的实现方法均不相同。由于最大功率曲线通常由离线测量得到，实际运行时的参数变化将影响PSF法对最大功率点跟踪的准确行。HCS法通过不断改变功率指令使机组输出功率逐步逼近最优值，对系统参数的变化不敏感，在被动整流拓扑中应用较多，不过对于大惯性系统，HCS法实现最大功率点跟踪所需时间较长，因此在风速持续变化的情况下其控制性能将受到影响。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,目标2：恒功率输出控制在额定风速以上时，风机的转
35、速达到额定转速，风力机吸收的风能功率将大于风力发电机的额定发电功率，为了保护发电机避免出现故障，因此在额定风速以上时，恒功率输出算法的目的是调节桨矩角，始终保持风机输出功率维持在额定功率附近。在额定风速以上，风机转速达到额定转速，因此这个阶段始终发电机转速给定始终为额定转速。控制的重点是变桨装置的控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,3种常见的桨矩角控制：,基于风速,基于风机转速,基于风机功率,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,永磁同步发电机通过变频电路控
36、制，实现风机的控制目标：（1）被动整流拓扑电机侧控制策略,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,不控整流加升压斩波拓扑，主电路图如图（a）所示。Ur表示不控整流器后的直流输入电压，Udc表示升压斩波后的输出电压，Idc表示输入电流。随着风速的变化，永磁同步发电机输出电压的幅值和频率均不定，而不控整流电路能够使其转变为直流，使永磁同步电机和不控整流电路一起近似等效于一台直流发电机，从而简化了控制策略。考虑到并网型风电机组中Udc一般由网侧变流器控制，因此升压斩波器通过调节输入电流Idc即可调节发电机负载转矩，实现调速，从而控制并网功
37、率的大小。不难发现，被动整流拓扑性能的好坏，与其中升压斩波器的电流控制密切相关，升压斩波器电流跟踪控制策略的选择关系到机组的稳定和动态性能，并且电流指令的计算关系到电机转矩的调节和最大功率跟踪的实现。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,升压斩波器控制策略如图所示，为转速参考值，根据TSR法和风机参数算出最优的叶尖速比，根据公式，可以算出在不同风速下为保持最优叶尖速比的转速参考值曲线。此时采用双闭环结构，外环控制转速，内环控制转矩，转速环输出作为斩波器输入电流指令，电流 与电流指令 作差经过PI 调节器得出占空比指令输入到开关管
38、。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,(2)主动整流拓扑电机侧控制策略,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,三相PWM整流的拓扑主电路结构如图（b）所示对于主动整流拓扑，研究内容主要集中在控制上。现在，永磁同步电机最普遍采用矢量控制（Vector control，VC）和直接转矩控制策略（Direct toque control，DTC），同时，研究人员也关注于永磁同步电机运行性能的改善方法，提出了以端口功率因数最优（Unity power factor，UPF
39、）、转矩/电流比最优（Maximum torque per current，MTPC）、或效率最优（Maximum efficiency，ME）等为目标的改进型控制策略。碍于篇幅关系，这里介绍最常用的矢量控制策略。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,矢量控制原理矢量变换控制的基本思想是通过坐标变换，把交流电动机的定子电流 分解成磁场电流分量 和与之垂直坐标的转矩电流分量，从而实现解耦控制，具体来说，就是在调速过程中，通过维持磁场电流分量不变而控制转矩电流分量，获得良好的动态特性。当将发电机放在同步旋转（d，q）坐标系时，稳态时
40、的正弦变量呈现为直流量，此时电机可获得类似于直流电机的性能特性。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,这里，PMSG采用=0的转子磁链定向控制，电机的转矩方程变为，转矩和电流呈线性关系。只要能准确地检测出转子空间位置(d轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流位于q轴上。那么，只要控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,定子三相电流经电流检测电路被取出后，经Clark变换、Park变换到d，q旋转坐标系中，得到，。变换方程如
41、下：,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,这里令=0；为了实现最大功率点跟踪，令 和 参考值 的差输入PI调节器，其输出的值为。通过上面PMSG的数学模型方程可知，d轴和q轴存在耦合项和，通过前馈补偿的方法可消除二者之间的耦合，如下所示。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,（3）网侧变流器控制策略对于2种拓扑结构，其网侧变流器均是一样的，作为直驱永磁同步风力发电机与电网相连的重要组成部分，电网侧变换器的主要作用包括：提供稳定的直流电容电压；实现网侧功率因数调整或
42、并网无功功率控制。电网侧变换器可工作于逆变和整流2种工作状态，从而可灵活实现功率的双向流动。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,目前对于网侧变换器普遍有以下控制策略：a电压定向控制（矢量控制）VOCb直接功率控制DPCC基于虚拟磁链定向控制VFOCd基于虚拟磁链直接功率控制VF-DPC限于边幅，这里只介绍电压定向控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,电压定向控制VOC电压定向控制一般采用电压外环、电流内环结构，电流方向以网压空间矢量的方向为基准。VOC控制
43、系统能否实现高性能稳态运行和快速动态响应，很大程度上依赖于电流内环的设计。在静止坐标系下设计电流内环，如滞环电流控制等，易于实现，理论上也可以获得快速动态响应和较高的控制精度，但实际应用时往往受到开关频率、器件应力等因素的限制，网侧滤波器设计也相对困难。在同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环调节器设计，同时可以很方便的与正弦脉宽调制（SPWM）或空间适量脉宽调制（SVPWM）接口，利于网侧滤波参数的设计，是目前应用最广泛的控制策略。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,直接功率控制DPCDPC控
44、制策略与交流传动中的直接转矩控制类似，网侧的有功和无功功率分别与电机的转矩和磁链相对应，根据有功、无功反馈值与给定值的偏差和网压空间矢量的位置选择最优的开关组合，让功率控制的误差逼近于零。DPC能够实现网侧有功和无功的解耦控制，具有优异的动态响应性能。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,基于虚拟磁链定向控制VFOC将三相网侧整流器看作一台虚拟电机，则电感及其等效电阻分别对应虚拟电机的定子电感和定子电阻。网压对应于虚拟电机的定子感应电势，定义虚拟气隙磁链。虚拟磁链能够对网压中的畸变成份进行有效抑制，避免网压畸变对控制带来的
45、扰动问题。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,基于虚拟磁链直接功率控制VF-DPC有功和无功的快速准确检测是保证DPC稳态和动态性能的关键。为避免网压畸变对功率估算的影响，将虚拟磁链的概念引入直接功率控制，形成VF-DPC。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,假设d，q坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴，将电网电压综合矢量定向在d轴上，电网电压在q轴上投影为0。d-q坐标系下网侧变换器的有功和无功功率分别为,Wind Power in Power
46、 Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,式中：、分别为电网电压和电流的d、q轴分量。调节电流矢量在d、q轴的分量就可以独立控制变换器的有功和无功功率(功率因数)。调节变换器的有功功率可实现对双PWM变换器直流侧电压的稳定控制。因此，对网侧变换器可采用双闭环控制，外环为直流电压控制环，主要作用是稳定直流侧电压，其输出为网侧变换器的d轴电流给定量；内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令 以及设定的无功电流指令，以实现快速的电流控制。这样既可保证发电机输出的有功功率能及时经网侧变换器馈入电网，又可实现发电系统的无功控制。,Wind Power in Power
47、 Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,网侧变换器在d-q坐标系下的数学模型为：式中：和 分别为网侧变换器进线电抗器的电阻和电感；和 分别为网侧变换器的d、q轴电压分量；为电网同步电角速度。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,网侧变流器控制策略结构,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,直驱式风机的原理及控制,3 直驱式风机的低电压穿越特性当风机介入电网处发生电压跌落时，直驱式永磁同步风机会出现：电网电压的瞬间降落会功率不匹配；直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全；需要考虑成本、电网规范以及故障深度和时间。因此，需要在直流母线上接储能系统以保持直流母线电压稳定；选择器件时应放宽电力电子器件的耐压和过流值；提高直流电容的额定电压。,Wind Power in Power Systems,北京交通大学电气学院,作业,熟悉风电机组类型和结构图；总结风电机组模型和控制方法；准备实验：（可选，2个学时）仿真分析风电机组的并网控制,Thank you,
