無源性的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機控制仿真研究畢業(yè)設(shè)計

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1、 畢業(yè)論文 題 目 無源性的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機控制仿真研究 學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 學 院 答辯日期 83 摘要 變速恒頻發(fā)電技術(shù)是一種新型高效的發(fā)電技術(shù)，在風力發(fā)電領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本文分析了風力機運行特性及其最大風能追蹤原理，對雙饋電機進行數(shù)學分析，給出了功率在雙饋電機中的流動圖解；針對雙饋電機轉(zhuǎn)子能量雙向流動的要求，

2、選擇了具有能量雙向流動能力的雙PWM交流勵磁用變頻器，研究了基于定子磁場定向的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的控制策略，實現(xiàn)了最大風能追蹤，分析了電網(wǎng)不平衡條件下雙饋電機的控制策略；基于MATLAB軟件建立了變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的仿真模型，針對提出的控制策略對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行特性進行了仿真研究，仿真結(jié)果表明了該控制策略的正確性和可行性。 關(guān)鍵詞：變速恒頻；風力發(fā)電；雙饋發(fā)電機；雙PWM勵磁變頻器 Abstract Variable—speed constant-frequency (VSCF) operation is a new high efficient tec

3、hnology for power generation，which has a good future in the field of wind power generation．This paper analyzed the performance characteristic 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

4、 given about the power flow in generator．It selected the dual PWM converter aimed at the demand of rotor energy bidirectional flow，the control strategy for VSCF doubly—fed wind power generator based on Stator flux orientation is proposed，realized the optimum utilization of wind-energy，analyzed the

5、control strategy of DFIG for unbalanced supply．Using MATLAB the simulation model of VSCF is built，the simulation of the interconnected performance characteristic of VSCF under the proposed control strategy is conducted．Simulation results show that the proposed control strategy is reasonable and feas

6、ible． KEYWORDS：Variable—speed constant—frequency，wind power generation，doubly-fed generator,dual PWM excitation frequency converter 目錄 第一章 緒論 4 1.1 課題的背景 4 1.2 風力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4 1.2.1 國內(nèi)風力發(fā)電歷史和現(xiàn)狀 4 1.2.2 風力發(fā)電發(fā)展方向和趨勢 5 1.3 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)簡介 6 1.3.1 鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 6 1.3.2

7、 繞線式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 7 1.3.3 同步發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 7 1.3.4 雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 8 1.4 本文主要研究內(nèi)容 9 第二章 風力機和雙饋異步電機運行分析 10 2.1 風力機的運行特性 10 2.2 定漿距情況下風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤機 12 2.3 雙饋異步電機基本原理 13 2.5 雙饋異步電機穩(wěn)態(tài)運行分析 17 2.5.1 雙饋電機穩(wěn)態(tài)等效電路 17 第三章 矢量控制技術(shù)研究 20 3.1 空間矢量的概念 20 3.2 矢量控制的基本思路 20 3.3 矢量坐標變換及變換矩陣 23 3.3.1 旋轉(zhuǎn)坐標系與靜

8、止坐標系間的變換 23 3.3.2 三相與兩相坐標系之間的變換 25 3.4 本章小結(jié) 26 第四章 變速恒頻雙饋電機的控制策略 27 4.1 雙饋異步發(fā)電機的控制策略 27 4.2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機用交流勵磁電源分析 30 4．3 定子側(cè)PWM變換器及其控制 33 4.4 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器及其控制 35 4.4.1 DFIG在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型 36 4.4.2 DFIG定子磁鏈定向矢量控制 37 4.4.3 電網(wǎng)不平衡條件下DFIG的控制策略 39 4.5本章小結(jié) 42 第五章 無源性的變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 43 5.1 變速恒頻雙

9、饋風力發(fā)電機組仿真模型 43 5.1.1 風力機仿真模型 43 5.1.2 雙PWM變換器矢量控制系統(tǒng)仿真模型 44 5.1.3 信號反饋系統(tǒng)仿真模型 45 5.1.4 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型 45 5.2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組仿真運行分析 46 5.2.1仿真系統(tǒng)參數(shù) 46 5.3 本章小結(jié) 52 第六章 結(jié)論與展望 53 參考文獻 54 外文翻譯 56 原文 56 譯文 68 第七章 致謝 80 第一章 緒論 1.1 課題的背景 近年來，全球風電技術(shù)發(fā)展迅猛，風電機組的可靠性大大提高，發(fā)電成本顯著降低

10、，逐步接近常規(guī)能源發(fā)電的水平。風電機組的單機容量逐步加大，控制技術(shù)從早期的失速調(diào)節(jié)向變速恒頻發(fā)展；傳動技術(shù)從齒輪箱的結(jié)構(gòu)發(fā)展到直接驅(qū)動。 世界上風電技術(shù)的開發(fā)，近十年來取得了驚人的進步，其中最顯著的是風力發(fā)電機的大型化。目前，中大型風力發(fā)電機組已在世界上四十多個國家陸地和近海并網(wǎng)運行，風電增長率高于其他電源的趨勢仍在繼續(xù)。其中兆瓦級風電機組已成為風電市場中的主流。而這其中的并網(wǎng)運行是20世紀80年代興起的一項新能源技術(shù)，一開始就受到世界各國的高度重視，因而迅速實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是計算機與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風力發(fā)電控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展。 我國

11、風力發(fā)電新增裝機速度仍將繼續(xù)保持較快增長，風電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點，市場前景看好。因此風力發(fā)電機尤其是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的研究尤為重要。 1.2 風力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械設(shè)備。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過變速齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。風電機組中的風力機和發(fā)電機是其中的關(guān)鍵部件。風電機組中配備不同類型的發(fā)電機，并輔以相關(guān)的電力電子變流裝置，配合發(fā)電機進行功率控制，

12、就構(gòu)成了形式多樣的風力發(fā)電系統(tǒng)。 1.2.1 國內(nèi)風力發(fā)電歷史和現(xiàn)狀 我國地域遼闊，地處北緯陽光充沛的亞熱帶地區(qū)。據(jù)專家預測，我國風能儲量大，分布面廣，全國大約有2/3的地區(qū)為多風地帶。全年平均風速3m/s及以上的時間達3000—5000h。平均風能密度為100w/m2，可開發(fā)的風能資源約2．53億KW。我國風力發(fā)電從20世紀80年代開始起步。1994年并網(wǎng)型風力發(fā)電機組裝機30MW，年發(fā)電量7500萬KWh；到2000年底，并網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量己達344 MW，年發(fā)電量約8.6億KWh，同時還有13萬臺小型獨立運行的風力發(fā)電機在廣大牧區(qū)、海島、有風無電的邊遠地區(qū)運行；到2003年底，全

13、國風能資源豐富的14個省(自治區(qū))已建成風電場40座，累計運行風力發(fā)電機組1042臺，總?cè)萘窟_567MW(以完成整機吊裝作為統(tǒng)計依據(jù))。風力發(fā)電作為我國電力結(jié)構(gòu)中新型分布式供電系統(tǒng)，以其靈活、實用的方式，為經(jīng)濟發(fā)展注入活力，取得了可觀的經(jīng)濟效益和巨大的社會效益。國產(chǎn)風力發(fā)電機組的開發(fā)也取得了一定的成果，其中包括“八五”期間開發(fā)成功的200kW/250KW風力發(fā)電機組和在“九五”期間開發(fā)的600KW風力發(fā)電機組，并成功地開發(fā)了并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的當?shù)乜刂坪瓦h程控制系統(tǒng)，使大型風力發(fā)電機組的一項關(guān)鍵技術(shù)得到了解決。國內(nèi)可以制造的其他主要部件包括槳葉、發(fā)電機、齒輪箱、機艙、主軸、塔架、偏航系統(tǒng)、液壓

14、系統(tǒng)等，為我國大型風力發(fā)電機組國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。我國己經(jīng)開始了MW級風力發(fā)電機組的研發(fā)上作，這是我國自主研制開發(fā)的最大容量風力發(fā)電機組，將填補中國風力發(fā)電領(lǐng)域的空白。2006年中國安裝l347MW的風電機，兩倍于其總的裝機容量。上年數(shù)字增長了70％，這使得中國裝機容量達到2604MW，成為世界第六大市場。 1.2.2 風力發(fā)電發(fā)展方向和趨勢 風能，作為一種綠色能源，日益受到專家學者的重視。同時，風力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點。風力發(fā)電的過程就是風能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉(zhuǎn)換為電能。這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率

15、和電能質(zhì)量，也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研制適用于風電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電技術(shù)的研究重點。 在風力發(fā)電技術(shù)方面，目前世界上流行的風電技術(shù)主要有以下幾種： 1．定漿距調(diào)節(jié)風電機技術(shù)。 這種技術(shù)是典型的丹麥風電技術(shù)的核心，其基本原理是利用漿葉翼型本身的失速特性。在高于額定風速的條件下，氣流的攻角增大到失速條件，使?jié){葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，達到限制功率的目的。其優(yōu)點是：調(diào)節(jié)簡單可靠，控制可大大簡化；其缺點是：漿葉、塔架等主要受力部件的受力增大?，F(xiàn)在國際上600KW以下的機組，大部分仍在使用該技術(shù)，如MFG．MICON，BO

16、NUS，NORDEX等著名廠商都采用該技術(shù)。 2．變漿距調(diào)節(jié)風電機技術(shù)。 由于自然界中的風速變化快且無規(guī)律，因此一般的調(diào)節(jié)方法跟不上因風速變化帶來的輸出功率的變化，造成功率變化極大，而這種輸出功率的變化將增加機組的負荷，對電網(wǎng)沖擊很大。最典型的變漿距調(diào)節(jié)風電機技術(shù)Vestas技術(shù)，采用高滑差發(fā)電機，相當于在傳動鏈中增加了一個彈性環(huán)節(jié)，使輸出功率的變化大大減少。變漿距調(diào)節(jié)風電機技術(shù)的優(yōu)點是：漿葉受力較小，因此風電機的結(jié)構(gòu)部件可做得比較輕巧；其缺點是：結(jié)構(gòu)復雜。 3．主動定漿距調(diào)節(jié)技術(shù)。 這種方法是上述定漿距調(diào)節(jié)技術(shù)和變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)兩者的結(jié)合。目前，國際上幾大風電機制造商，如MFG．MIC

17、ON，BONUS等，在大于600KW風電機上均采用此技術(shù)。這種方法的主要特點是：漿葉采用定漿距失速調(diào)節(jié)型，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出功率在額定功率以下時，調(diào)節(jié)方式與變漿距方式相同；輸出功率在額定功率以上時，調(diào)節(jié)方式與定漿距方式相同。主動定漿距調(diào)節(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點是：輸出功率變化小、較平穩(wěn)。 4．變速恒頻技術(shù)。 理論上來說這種技術(shù)是最優(yōu)化的調(diào)節(jié)方式。目前使用變速恒頻技術(shù)的制造商主要是德國的Enercon、荷蘭的Largeway。這種調(diào)節(jié)方法在輸出功率低于額定功率之前使效率達到最高。但當輸出功率大于額定功率，即風速大于額定風速后，其調(diào)節(jié)方式將與變漿距方式相同。恒頻裝置價格昂貴，使這種技術(shù)只

18、在德國大量使用，而其他國家很少采用的主要原因。 1.3 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)簡介 變速恒頻發(fā)電是20世紀70年代中后期逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電技術(shù)，非常適用于風力、水力等綠色能源開發(fā)領(lǐng)域，尤其是在風力發(fā)電方面，變速恒頻體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景： 1．風能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源，傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運行在同步轉(zhuǎn)速上，當風速改變時風力機就會偏離最佳運行轉(zhuǎn)速，導致運行效率下降，不但浪費風力資源，而且增大風力機的磨損。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使之始終運行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高了

19、機組發(fā)電效率，優(yōu)化了風力機的運行條件。 2. 變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三項低頻電流實現(xiàn)交流勵磁，控制勵磁電流的幅值、頻率、相位實現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。同時采用矢量變換控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電機輸出有功功率、無功功率解耦控制。控制有功功率可調(diào)節(jié)發(fā)電機組轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大風能捕獲的追蹤控制；調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風力發(fā)電機組及電力系統(tǒng)運行的動、靜態(tài)穩(wěn)定性。 3. 采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可是發(fā)電機組與電網(wǎng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作及運行。 目前，采用變速恒頻技術(shù)的風力發(fā)電機組，由于采用不同類型的發(fā)電機，并輔之相關(guān)的電力電子變流裝置，配合

20、發(fā)電機進行功率控制，就構(gòu)成了形式多樣的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。 1.3.1 鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 國內(nèi)外與電網(wǎng)并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組中，多采用鼠籠型異步發(fā)電機。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。風速的不斷變化，帶動風力機以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機發(fā)出的電能的頻率也隨之變化。在定子繞組與電網(wǎng)之間增加一個變頻器環(huán)節(jié)，先整流再逆變就可以把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能送入電網(wǎng)。這種方案實現(xiàn)了變速恒頻，具有了變速運行范圍寬的優(yōu)點，適用于風力變化較大的環(huán)境能力強，而且維護簡便。但是由于變頻器在發(fā)電機定子側(cè)，變頻器的容量必須與發(fā)電機的容量相等，導致變頻器體積大、重量大，系

21、統(tǒng)成本昂貴，因此有些文獻又把這種系統(tǒng)配置方式稱為全額定值變換。因此這種系統(tǒng)配置方式稱為全額定值變換。 圖 1-1 鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 1.3.2 繞線式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 由于普通異步電機的轉(zhuǎn)差變化范圍很小，一般在5％以內(nèi)，所以其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍也很小，近似可看作恒速。如果改變轉(zhuǎn)子回路外串電阻的大小，從而改變消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻中的轉(zhuǎn)差功率來改變轉(zhuǎn)差率，達到調(diào)速目的。采用這種方式的典型代表是丹麥的風電機組制造商Vestas的V39型風機，其轉(zhuǎn)差率可達10％。因此，把這種發(fā)電系統(tǒng)稱為高轉(zhuǎn)差率異步發(fā)電機系統(tǒng)。 1.3.3 同步發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 在常

22、規(guī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機是使用最普遍的。同步發(fā)電機在運行時既能輸出有功功率，又能提供無功功率，且頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。在同步發(fā)電機中，發(fā)電機的極對數(shù)、轉(zhuǎn)速及頻率之間有著嚴格不變的固定關(guān)系，以便維持發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)的頻率相同，否則發(fā)電機將與電網(wǎng)解列。帶變頻器的同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示。和鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)類似，當風速變化時，同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的電能，通過中間變頻器環(huán)節(jié)，先整流再逆變就可以把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能送入電網(wǎng)。這種方案可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到頻率恒定的交流電，并且無須中間調(diào)速機構(gòu)，

23、實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電運行。缺點是變頻器在發(fā)電機定子側(cè)，變頻器的容量必須與發(fā)電機的容量相等，導致變頻器體積大、重量大，系統(tǒng)成本昂貴。這種系統(tǒng)配置方式也屬于全額定值變換。 圖 1-2 同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 1.3.4 雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 常規(guī)的同步發(fā)電機采用直流勵磁方式，而異步發(fā)電機沒有勵磁繞組，其勵磁通過定子取自電網(wǎng)。隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的迅速發(fā)展，人們在不斷尋求新的途徑解決電力系統(tǒng)穩(wěn)定和無功問題的時候，提出了采用交流勵磁發(fā)電機取代或部分取代常規(guī)同步發(fā)電機的設(shè)想，并已由理論到實踐取得了一定成果。交流勵磁發(fā)電機是在同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一

24、種新型發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子具有三相勵磁繞組結(jié)構(gòu)。當通以某一頻率(轉(zhuǎn)差頻率)的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速加上交流勵磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)磁場，在定子側(cè)感應(yīng)出同步頻率的感應(yīng)電勢。從定子側(cè)看，這與同步發(fā)電機直流勵磁的轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場是等效的。如果按電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否與同步轉(zhuǎn)速一致來區(qū)分異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，則交流勵磁發(fā)電機應(yīng)當被稱為異步發(fā)電機。但是，從外特性來看，交流勵磁發(fā)電機在很多地方又與同步發(fā)電機類似。從能量流動的特性來看，與采用直流勵磁的同步發(fā)電機相比，同步發(fā)電機勵磁的可調(diào)量只有

25、直流勵磁電流的幅值一個，所以同步發(fā)電機勵磁一般只能對無功功率進行調(diào)節(jié)，而使用這種發(fā)電機，其勵磁的可調(diào)量除了勵磁電流的幅值外，還有勵磁電流的頻率和相位。通過改變勵磁電流的頻率來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，以達到調(diào)速的目的，從而按最佳運行方式調(diào)整發(fā)電機運行功率；通過改變勵磁電流的相位，來改變發(fā)電機的空載電勢與電網(wǎng)電壓矢量之間的相對位置，從而改變發(fā)電機的功率角。因此，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，不僅可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功功率，也可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率。由于該發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子都外接電源，因此許多文獻又把這種交流勵磁發(fā)電機稱作雙饋發(fā)電機或交流勵磁雙饋發(fā)電機。雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。

26、 圖 1-3 雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的。類似于繞線式異步電動機電氣串級調(diào)速或雙饋電動機調(diào)速系統(tǒng)，流過轉(zhuǎn)子回路的功率是雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，而且可以雙向流動。因此，和轉(zhuǎn)子繞組相連的勵磁變頻器的容量也僅為發(fā)電機容量的一小部分，這大大降低了變頻器的體積和重量。采用雙饋發(fā)電方式，突破了機電系統(tǒng)必須嚴格同步運行的傳統(tǒng)觀念，使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制，而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響，變機電系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接?；谏鲜鲋T多優(yōu)點，由

27、雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風力發(fā)電方面的研究熱點和必然的發(fā)展趨勢。有關(guān)雙饋發(fā)電機的勵磁控制方案以及系統(tǒng)運行性能分析將是本文要重點研究的內(nèi)容。 1.4 本文主要研究內(nèi)容 完整的風力發(fā)電系統(tǒng)是非常復雜的，它涵蓋了空氣動力學、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等多種學科的內(nèi)容。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它一般又可分為下面幾個子系統(tǒng)：風輪子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)。本文所作的變速恒頻發(fā)電運行方式研究是屬于電氣與控制子系統(tǒng)的內(nèi)容，研究對象是采用雙饋異步發(fā)電機的交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。本文從分析變速恒頻雙饋風力發(fā)電技術(shù)運行機理入手，建立各組成部

28、件的數(shù)學和仿真模型，對變速恒頻雙饋風力發(fā)電技術(shù)展開比較全面的理論分析和仿真研究。本文主要做以下幾個方面的工作： 1．分析了風力機的基本特性，給出了輸出機械功率和轉(zhuǎn)矩的表達式，并從風力機輸出機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線出發(fā)，分析了風力機捕獲最大風能的運行原理。從雙饋異步電機的工作原理出發(fā)，建立了三相靜止坐標系下雙饋電機的數(shù)學模型，并定性分析了雙饋異步電機運行特性與功率流動關(guān)系。 2．從空間矢量的概念入手，分析了矢量控制的基本思路，推導了包括旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系間的變換、三相坐標系與兩相坐標系間的變換、直角坐標與極坐標之間的變換的矢量坐標變換矩陣。 3．針對雙饋異步電機能量流動的特點，選擇了系

29、統(tǒng)所用變頻器類型，分析了雙PWM變換器的運行機理，分別建立了定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，分析了電網(wǎng)不平衡條件下雙饋電機的控制策略。 4.利用Matlab/Simulink軟件建立變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)各部分的仿真模型，包括：風力機模型、雙饋電機模型、雙PWM變頻器模型及其矢量控制系統(tǒng)模型，并使用該仿真系統(tǒng)進行了基于P、Q解耦控制的變速恒頻仿真和最大風能追蹤控制仿真。 第二章 風力機和雙饋異步電機運行分析 整個風力發(fā)電系統(tǒng)的原動機由風力機吸收風能產(chǎn)生，風力機通過葉片捕獲風能，將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩，機械轉(zhuǎn)矩再通過傳動裝置傳遞給發(fā)電機，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

30、動，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電能，經(jīng)過適當?shù)目刂疲詈蠼尤胴撦d或并入電網(wǎng)。雙饋電機(Doubly-Fed Induction Generator，簡稱DFIG)，或稱為交流勵磁電機。它隨著轉(zhuǎn)子交流勵磁頻率的改變，無論在電動機工況，還是在發(fā)電機工況下運行，電機的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)變化，而定子輸出電壓和頻率維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在現(xiàn)代交流電機調(diào)速和風力發(fā)電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本章的主要內(nèi)容是對風力機和雙饋電機的運行特性進行分析，為后續(xù)章節(jié)采用矢量控制的分析與設(shè)計提供了理論依據(jù)。 2.1 風力機的運行特性 風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的首要部件，它用來截獲流動

31、空氣所具有的動能，并將風力機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉(zhuǎn)換為機械能。它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。 由風力機的空氣動力學特性可得，風力機的輸入功率如（2-1）所示 （2-1） 式中，為空氣密度；為風力機葉片迎風掃掠面積；為空氣進入風力機掃掠面積以前的風速(即未擾動風速)。 由于通過風輪旋轉(zhuǎn)面的風能不是全部都能被風輪吸收利用，因此可以定義一個風能利用系數(shù)： （2-2） 式中，為風力機輸出

32、的機械功率，為輸入風輪面內(nèi)的功率。 所以風力機輸出的機械功率為： （2-3） 式中，R為風力機風輪半徑。 風能利用系數(shù)是表征風力機效率的重要參數(shù)，它與風速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。為了便于討論的特性，定義風力機的另一個重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風速之比 （2-4） 式中：為葉片旋轉(zhuǎn)的機械角速度；為葉片的轉(zhuǎn)速。 葉片吸收風能后產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩： (2-5) 水平軸的風力機葉片是通過輪轂與主傳動軸連接的。輪轂本身具

33、有較大的慣性，可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)來表示： (2-6) 式中，為齒輪箱輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩，為慣性時間常數(shù) 轉(zhuǎn)矩再通過齒輪箱和次傳動軸傳到發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)。為簡單起見，這部分可按比例環(huán)節(jié)考慮。設(shè)齒輪傳動比為N，發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)機械轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速為，則有: （2-7） 風力機可分為變漿距和定漿距兩種。變漿距風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)的特性能曲線來表示，如圖2-l所示。風能利用系數(shù)是葉尖速比的函數(shù)，同時也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)，綜合起來可表示為。從圖中可以看到，當槳葉節(jié)距角逐漸

34、增大時，曲線將顯著縮小。 圖 2-1 變槳距風力機性能曲線 如果保持槳葉節(jié)距角不變，風能利用系數(shù)只與葉尖速比有關(guān)系，則可用一條曲線描述特性，這就是定漿距風力機的性能曲線，如圖2—2所示。在定漿距情況下，葉尖速比決定著風能利用系數(shù)的大小。對于一個特定的風力機，具有唯一一個使得最大的葉尖速比，稱之為最佳葉尖速比，當葉尖速比大于或小于最佳葉尖速比時，風能利用系數(shù)都會偏離最大風能利用系數(shù)，引起機組效率的下降。根據(jù)貝茨理論，風能利用系數(shù)的最大值為0.593。一般的水平軸風力機，同時考慮到在風場中風力機會受到風速與風向波動的影響，實際大致在0.4左右，很難超過0.5。 圖 2-2 定漿距

35、風力機性能曲線 變漿距風力機是定漿距風力機的改進和發(fā)展，但定漿距風力機特性是變漿距風力機特性的基本情況，具有代表意義，是討論最大風能追蹤的依據(jù)，因此定漿距風力機及其特性是本文研究的重點。 2.2 定漿距情況下風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤機 對風力發(fā)電機系統(tǒng)而言，輸入機械轉(zhuǎn)矩特性相當重要，與之相對應(yīng)的是風力機的輸出機械功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。設(shè)定一種風速，然后取不同的轉(zhuǎn)速計算出相應(yīng)的，由圖2-2查出對應(yīng)的值，代入式(2-3)，即可得到該風速下，風力機輸出機械功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。設(shè)定不同的風速，重復上面的過程，就可以得到風力機在不同風速下風力機輸出機械功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，這就是風力機輸出機械功率特

36、性曲線。圖2-3所示，即為一組在不同風速下風力機的輸出機械功率特性曲線。 圖 2-3 風力機輸出機械功率和機械角速度之間的關(guān)系 我們知道，當節(jié)距角一定時，風能利用系數(shù)只有在葉尖速比為某一值時才取得最大值。不同風速下風輪的輸出機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以看出對應(yīng)每一種風速，都有一個最佳轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下風輪輸出的機械功率最大，該轉(zhuǎn)速與風速，都有一個最佳轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下風輪輸出機械功率最大，該轉(zhuǎn)速與風速對應(yīng)著最佳葉尖速比和最大風能利用系數(shù)，將不同風速下的最大功率點連起來就得到一條最大功率曲線。變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)可以通過控制發(fā)電機輸出功率的辦法，使得在不同風況下，風力機都能運轉(zhuǎn)在最佳的葉尖速

37、比，從而跟蹤這條最大功率曲線，這有效地提高了風輪的風能轉(zhuǎn)換效率。如圖2-3所示，圖中不同風速下風力機的功率一轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇，每條功率一轉(zhuǎn)速曲線上最大功率點的連線稱為風力機的最佳功率曲線(曲線)。風力機運行在曲線上將會輸出最大功率，其值為： (2-8) 式中，。 下面定性分析一下最大風能捕獲過程。如圖2-3所示，假設(shè)原來在風速下風力機穩(wěn)定運行在最優(yōu)功率曲線的B點，對應(yīng)著該風速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)的機械功率，此時發(fā)電機輸入的機械功率等于發(fā)電機系統(tǒng)輸出的功率。如果某一時刻風速突然升高至，風力機馬上就會由B點跳至風速下功率曲線上的D點運

38、行，其輸出機械功率由突變至。由于大的機械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機仍然運行在B點，此時發(fā)電機輸入的機械功率大于發(fā)電機系統(tǒng)輸出的功率，功率的不平衡，將導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速馬上升高。在這個變化過程中，風力機和發(fā)電機將分別沿著風速下功率曲線的DC軌跡和最優(yōu)功率曲線的BC軌跡運行。當分別運行至風力機功率曲線和最優(yōu)功率曲線的交點C時，功率將重新達到平衡。此時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對應(yīng)于風速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，風力機輸出最優(yōu)的機械功率。同理，也可以分析風速從高到低變化，最大風能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過。 2.3 雙饋異步電機基本原理 雙饋電機在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步感應(yīng)電機，定子與一般的交流發(fā)電機一樣，布有三相分

39、布式繞組；轉(zhuǎn)子與一般發(fā)電機不同，它也布有三相分布式繞組。運行時，定子側(cè)直接接入三相工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入所需低頻電流。因為定子與轉(zhuǎn)子兩側(cè)都有能量的饋送，所以稱為雙饋電機。也有文獻稱為交流勵磁發(fā)電機，因為轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入的低頻電流起到了勵磁作用。設(shè)系統(tǒng)工作時的雙饋異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為，定子磁場的轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)為，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器提供的勵磁電流在轉(zhuǎn)子繞組上所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為，雙饋異步電機的定、轉(zhuǎn)子電流的頻率分別為、。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風力條件的變化而變化時，只要能利用變頻器相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率，以改變轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，(當亞同步速運行時，維持；當超同步

40、速運行時，維持，)，就可以在定子上感應(yīng)出對應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓，整個發(fā)電系統(tǒng)即可做到變速恒頻運行。 若將雙饋發(fā)電機的定子接在電網(wǎng)上，則定子側(cè)電源頻率可認為是恒定的，由此可通過檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來確定轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器提供的勵磁電流的頻率。由電機學基本原理可知有如下關(guān)系式成立： （2-9） 式中為極對數(shù)，為轉(zhuǎn)差率。 轉(zhuǎn)子側(cè)三相電流的相序取決于的符號，在超同步運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相反，此時除定子向電網(wǎng)饋送能量外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電能；在亞同步速運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相同，

41、此時定子向電網(wǎng)饋送能量，而轉(zhuǎn)子需要饋入能量。雙饋發(fā)電機的勵磁可調(diào)量有：勵磁電流的頻率、幅值和相位?？梢酝ㄟ^接在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器來調(diào)節(jié)勵磁電流頻率，保證在變速運行情況下發(fā)出恒頻電流。也可以通過改變勵磁電流的幅值和相位，調(diào)節(jié)輸出的有功功率和無功功率。當轉(zhuǎn)子電流相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場位置就有了一個空間位移，這就使得雙饋發(fā)電機定子感應(yīng)電勢矢量相對于與電網(wǎng)電壓矢量的位置也發(fā)生了變化，即功率角發(fā)生了改變，使有功功率和無功功率得以調(diào)節(jié)。當然要真正實現(xiàn)這一點，還有一個前提就是找到合適的勵磁控制方法。這里可以采用電機調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制技術(shù)，關(guān)于這一點本文將在后面的章節(jié)中作更深入地探討。變速恒頻

42、的機理可用圖2—4來進一步說明。 圖 2-4 DFIG變速恒頻運行原理 2.4 雙饋異步電機數(shù)學模型 由電機學的知識我們可以知道，一臺電機在實際運行時的真實數(shù)學模型是一組多變量、時變系數(shù)的微分方程，在分析其運行方式時，有必要作出一些理想化的假設(shè)，假定如下： 1.忽略磁飽和和空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，均為星形連接，磁動勢沿氣隙正弦分布； 2.不考慮溫度對電機參數(shù)的影響； 3.轉(zhuǎn)子繞組均折算到定子側(cè)，折算后每相繞組匝數(shù)相等。 定子三相繞組軸線as、bs、cs在空間是固定的，以A軸為參考坐標系，轉(zhuǎn)子三相繞組軸線ar、br、cr隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子ar軸和定子as軸間的電角度為空間角位

43、移變量。并規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。這時雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。 1. 電壓方程： 三相定子繞組電壓方程 (2-10) 三相轉(zhuǎn)子繞組電壓方程 （2-11） 式中、、為相電壓瞬時值；、、為相電流瞬時值；、、為各相繞組勵磁；下標“”、“”分別代表定子、轉(zhuǎn)子；、為定子、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；p為微分算子。 寫成矩陣形式為： （2-12） 或?qū)懗桑?

44、 （2-13） 2.磁鏈方程： 定轉(zhuǎn)子各繞組的合成磁鏈均是由繞組自感磁鏈與其他繞組間互感磁鏈組成。按照上面的磁鏈正方向規(guī)定，磁鏈方程式可列為： （2-14） 式中的電感矩陣L是6×6的矩陣，主對角線元素是與下標符號對應(yīng)的繞組的自感，其它元素是與下標符號對應(yīng)的兩繞組間的互感。 經(jīng)簡化可得： （2-15） 式中： ，，， 由于三相電機的對稱性，對式（2-14）中的、、、等可引入等效自感等效互感的概念，得到其表達是分別為： （2-16）

45、 （2-17） （2-18） 3.轉(zhuǎn)矩方程: (2-19) 式中為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 4.運動方程： 雙饋發(fā)電機內(nèi)部電磁關(guān)系的建立，離不開輸入的機械轉(zhuǎn)矩和由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系。起動時，輸入的機械轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)速上升，感應(yīng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也隨著增加，忽略電機轉(zhuǎn)動部件粘性摩擦，當和達到平衡時，電機轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。 (2-20) 式中為電機轉(zhuǎn)動的機械角速度，與轉(zhuǎn)子電氣角速度之間有： 2.5 雙饋異步電機穩(wěn)態(tài)運行分析 2.5.1 雙饋電機穩(wěn)態(tài)等效電路 雙饋電機

46、定轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，它均勻分布在電機圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對稱分布?，F(xiàn)作如下假定：(1)只考慮定轉(zhuǎn)子電流的基波分量，忽略諧波分量；(2)只考慮定轉(zhuǎn)子空間磁勢基波分量；(3)忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗；(4)變頻電源可為轉(zhuǎn)子提供能滿足幅值、頻率及功率因數(shù)要求的電源，不計其阻抗與損耗。定子和轉(zhuǎn)子正方向按電動機慣例定義。與分析感應(yīng)電機的方法類似，根據(jù)磁勢與電勢平衡原則，將轉(zhuǎn)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電路如圖2—5所示： 圖 2-5 雙饋電機穩(wěn)態(tài)運行等效電路 式中，為定子電壓；為定

47、子電流；為定子電阻；為定子漏感抗；為折算后的轉(zhuǎn)子電壓；為折算后的轉(zhuǎn)子電流；為折算后的轉(zhuǎn)子電阻；為折算后的轉(zhuǎn)子漏感抗；為勵磁電流；為勵磁電阻；為勵磁電抗；為轉(zhuǎn)差率；為感應(yīng)電勢。另外，由于，故忽略。 2.5.2 雙饋發(fā)電機的功率流動分析 雙饋電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個特點就是發(fā)電機可變速運行，可控制轉(zhuǎn)速對應(yīng)風力機的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風能。下面就對系統(tǒng)中的功率流動過程作一個分析。 從總體上說，首先是由風力機吸收風能產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，然后通過輪毅、齒輪箱和聯(lián)軸器等傳動裝置帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而將機械功率傳遞給發(fā)電機；轉(zhuǎn)子繞組本身接入勵磁電流建立磁場，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，在定子繞組中

48、感應(yīng)出電流，功率就這樣通過磁場傳遞到了定子側(cè)。具體的功率流動過程可以用圖2-6來表示。 圖 2-6 穩(wěn)態(tài)運行時功率流動示意圖 由風輪吸收風能產(chǎn)生的機械功率為。在從風力機向雙饋電機轉(zhuǎn)子軸傳遞的過程中，要經(jīng)過齒輪箱、聯(lián)軸器等中間傳動裝置，會產(chǎn)生一定的功率損耗，主要是齒輪箱損耗。風輪輸出的機械功率，減去齒輪箱功率損耗才是輸入到雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的凈機械功率。 電磁功率是由雙饋電機軸上輸入的凈機械功率與轉(zhuǎn)子繞組輸入的有功功率一起，在扣除轉(zhuǎn)子銅耗之后建立的，即： （2-22） 又

49、 （2-23） 得 （2-24） 電磁功率就是定轉(zhuǎn)子間通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場傳遞的那部分功率，上面的電磁功率傳遞到定子側(cè)后，又有一部分消耗在定子繞組銅耗，和電機鐵耗上。于正常運行時，轉(zhuǎn)子頻率很低，轉(zhuǎn)子鐵耗很小，所以鐵耗一般只是定子鐵耗，如果忽略鐵心損耗則沒有此項?？鄢蛽p耗之后，剩下的功率就是雙饋發(fā)電機通過定子輸出的有功功率，也就是一般意義上的發(fā)電功率。即： （2-25） 可以看出，由于電機銅耗和鐵耗在總的電磁功率中所占比例較小，轉(zhuǎn)子側(cè)功率近似為轉(zhuǎn)差功

50、率。按照前面的正方向規(guī)定，當時轉(zhuǎn)子繞組由電網(wǎng)輸入功率，此時雙饋電機工作在亞同步狀態(tài)下，；當時轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)輸出電功率，這部分功率也由電機軸上輸入的機械功率提供，此時雙饋電機工作在超同步狀態(tài)下，。 2.6 本章小節(jié) 本章首先分析了風力機運行的基本特性，給出了輸出機械功率和轉(zhuǎn)矩的表達式，并從風力機輸出機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線出發(fā)，分析了風力機捕獲最大風能的運行原理。 本章總結(jié)了DFIG的特點及其在變速恒頻風力發(fā)電中的優(yōu)勢，說明了DFIG實現(xiàn)變速恒頻運行的原理，推導了DFIG在三相靜止坐標系的數(shù)學模型，為后續(xù)的DFIG控制建立了理論基礎(chǔ)。接著從DFIG的穩(wěn)態(tài)等效電路出發(fā)，分析了雙饋發(fā)電機運行特

51、性與功率流動關(guān)系，分析得出雙饋電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個特點就是發(fā)電機可變速運行，可控制轉(zhuǎn)速對應(yīng)風力機的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風能。 第三章 矢量控制技術(shù)研究 3.1 空間矢量的概念 三相電動機的電壓、電流、磁動勢、磁鏈等均為三相電磁量。若在復平面中，能用一個矢量表示三相電磁量的合成作用，則可將三維物理量變?yōu)閮删S物理量，為分析和計算帶來很多方便。為此，引入Park矢量變換。Park矢量變換是將三個標量變換為一個矢量，這種變換對于時間函數(shù)同樣適用。若用、、分別表示三相電磁量在三相坐標系中的瞬時幅值，用V示合成作用矢量，用Park矢量變換關(guān)系為

52、 （3-31） 矢量V成為Park矢量，它代表三相電磁量某一時刻合成作用在坐標系中的空間位置，所以稱為空間矢量。對于三相異步電動機來說，空間磁動勢矢量、磁通矢量、磁鏈矢量是確實存在的，而電流矢量和電壓矢量并不存在。但是磁動勢與電流密切相關(guān)，電壓與磁鏈密切相關(guān)，所以仍可以定義電流空間矢量和電壓空間矢量,它們分別表示三相電流的合成作用和三相電壓的合成作用在坐標系中所處的位置。 把三相電動機的各空間矢量的位置關(guān)系畫在同一坐標系中，就是三相電動機的空間矢量圖，簡稱矢量圖。這里所說的矢量圖與電動機學中所說的三相電動機的相量圖是不同的，電機學中的相量圖描述的是在三相對稱正弦波供電情況下,態(tài)運

53、行時各電磁量之間的相位關(guān)系。由于各電磁量均為三相對稱正弦量，所以相量圖表示的是一相的電磁量。而矢量圖描述的是某一時刻合成作用在坐標系中的位置關(guān)系，因而三相電磁量可以是正弦量，也可以是非正弦量，可以是對稱的，也可以是非對稱的?？梢?，矢量圖不僅可描述穩(wěn)態(tài)運行時各電磁量之間在空間的位置關(guān)系，而且可以描述動態(tài)過程個電磁量之間在空間的位置關(guān)系。矢量變換控制就是對這些空間矢量進行變換而實現(xiàn)對交流電動機的有效控制，使其達到穩(wěn)態(tài)運行和動念過程高性能指標。 3.2 矢量控制的基本思路 對電機運動的控制，包括速度控制和位置控制，歸根到底是要對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，電力傳動系統(tǒng)的運動方程為

54、 （3-2） 式中：為電動機電磁轉(zhuǎn)矩；負載阻轉(zhuǎn)矩；為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；為角速度；為角位移?？梢姡谪撦d一定的情況下，如果能夠使電磁轉(zhuǎn)矩按給定的規(guī)律變化，則速度和位移就可以按給定的規(guī)律變化，實現(xiàn)對電機的有效的控制。電機的電磁轉(zhuǎn)矩，不論是直流電機，還是交流電機，均可以用氣隙磁鏈矢量與電流矢量的乘積來表示，即 (3-3) 對于直流電機，即為電樞電流；對于交流電機，可以是定子電流，也可以是轉(zhuǎn)子電流。 直流電機的氣隙磁鏈矢量和電樞電流矢量在空間相互垂直，故電磁轉(zhuǎn)矩為： (3-4) 如果忽略電樞反應(yīng)

55、的影響，則與之間沒有耦合，磁鏈和電流可以分別獨立控制，互不影響，所以直流電機的控制方便和靈活。直流電機穩(wěn)態(tài)的速度公式為： （3-5） 由上式可知，保持不變，改變電樞電壓，速度可成比例變化。由于不變，在相同的電樞電流下，電機在不同速度下輸出轉(zhuǎn)矩將不變，這就是通常所說的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。保持不變，改變氣隙磁通，速度亦成比例變化。由于變化，在相同的電樞電流下，轉(zhuǎn)矩將成比例變化，但轉(zhuǎn)矩和速度的乘積，即輸出功率卻是不變的，這就是通常所說的恒功率調(diào)速。在動態(tài)情況下，由于電樞電流和氣隙磁通的控制無耦合，所以轉(zhuǎn)矩隨時問的變化規(guī)律很容易得到控制。正是由于直流電動機具有

56、上述良好的控制特性，才使得長期以來電動機在可調(diào)速的電力傳動系統(tǒng)中處于絕對的統(tǒng)治地位。 交流電機則不同。異步電機可控制的參數(shù)只有定子電流，而定子電流的變化不但影響輸出轉(zhuǎn)矩，而且也使氣隙磁鏈發(fā)生變化。同步電機雖然定子電流和勵磁電流都可以進行控制，但定子電流的變化對氣隙磁鏈的影響很大，氣隙磁鏈大小不僅決定于定子電流和轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小，而且與它們在空間的相對位置有關(guān)。也就是說交流電機的轉(zhuǎn)矩控制和磁通控制之間存在著很強的耦合，簡單的閉環(huán)控制并不能獲得優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。矢量變換控制正是為了解決這個問題而提出來的。異步電機三相對稱定子繞組中，通入對稱的三相正弦交流電流、、時，則形成三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁

57、勢，并由它建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁勢,其旋轉(zhuǎn)角速度等于定子電流的角頻率。然而，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相繞組不可，除單相外任意的多相對稱繞組，通入多相正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如具有位置互差90度的兩相定子繞組、，當通入兩相對稱正弦電流、時，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果這個旋轉(zhuǎn)磁場的大小，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與三相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場完全相同，則可認為該兩相交流繞組與三相交流繞組等效。由此可知，處于三相靜止坐標系上的三相固定對稱交流繞組，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準則，可以等效為靜止兩相直角坐標系上的兩相對稱固定交流繞組，并且可知三相交流繞組中的三相對稱正弦交流電流、、與兩相對稱正弦交流電流、之間必存在著確定的變換關(guān)

58、系。 (3-6) 上式表示矩陣方程，其中為變換矩陣。 從直流電機結(jié)構(gòu)看到，勵磁繞組是在空間固定的直流繞組，而電樞繞組是在空間中旋轉(zhuǎn)的繞組。電樞繞組本身在旋轉(zhuǎn)，但是電樞磁勢在空間上卻有固定的方向，這樣從磁效應(yīng)的意義上來說，可以把直流電機的電樞繞組當成在空間上固定電流繞組。因而直流電機的勵磁繞組和電樞繞組可以用兩個在位置上互差90度的直流繞組M和T來等效，M繞組是等效的勵磁繞組，T繞組是等效的電樞繞組，M繞組中的直流電流稱為勵磁電流分量，T繞組中的直流電流稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。

59、 設(shè)為M繞組和T繞組分別通入直流電流和時產(chǎn)生的合成磁通，且在空間固定不動。如果人為地使這兩個繞組旋轉(zhuǎn)起來，則也自然地隨著旋轉(zhuǎn)。當觀察者站在M-T繞組上與其一起旋轉(zhuǎn)，在他看來，仍是兩個通入直流電流的固定繞組。若使的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與二相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場及三相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同，則M-T直流繞組與交流繞組及A-B-C交流繞組等效。在旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則下，交流繞組等效為M-T直流繞組，這時交流繞組中的交流電流、與M-T直流繞組中的直流電流、之間必存在著確定的關(guān)系。 （3-7） 式中，為變換矩陣。

60、式(3-7)的物理性質(zhì)是表示一種旋轉(zhuǎn)關(guān)系，或者說，對于相同的旋轉(zhuǎn)磁場而言，如果交流繞組中的電流、與M-T直流繞組中的直流電流、存在式3-5)的變換關(guān)系，則交流繞組與M-T直流繞組完全等效。 由于兩相交流繞組又與A-B-C三相交流繞組等效，所以M-T直流繞組與A-B-C交流繞組等效，即有 (3-8) 由上式可知，M-T直流繞組中的電流、三相電流、、之間必然存在著確定關(guān)系，因此通過控制、就可以實現(xiàn)對、、瞬時控制。 實際上是在異步電動機的外部，把(勵磁電流分量)、(轉(zhuǎn)矩電流分量)作為控制量，記為、，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換得到兩相交流控制量、，記為、，然后通過二

61、相一三相矢量變換得到三相電流的控制量、、，記為、、，再用其來控制三相異步電動機的運行，從而就實現(xiàn)了交流電動機電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時控制。 以上所敘述的矢量變換控制的基本思想和控制過程可用框圖來表達，如圖3-1所示的控制通道。如果需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流控制分量、勵磁電流控制分量的閉壞控制，則要測量交流量，然后通過矢量坐標變換控制計算實際的、，用其作為反饋控制量，其過程如圖3-1所示的反饋通道。 由于將直流標量作為電機外部的控制量，然后又將其變換成交流量區(qū)控制交流電機的運行，均是通過矢量坐標變換來實現(xiàn)的，因此將這種控制系統(tǒng)稱之為矢量變換控制系統(tǒng)(Transvector Control System)通常簡稱

62、為矢量控制系統(tǒng)(vector ControlSystem)。 圖 3-1 矢量變換過程控制框圖 3.3 矢量坐標變換及變換矩陣 由前述可知，矢量控制是通過矢量坐標變換將異步電動機的轉(zhuǎn)矩控制和直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制統(tǒng)一起來，可見，矢量坐標變換是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。 矢量控制所用到的變換規(guī)律有：三相一兩相變換(/)、矢量旋轉(zhuǎn)變換(/)和直角坐標一極坐標變換(K/P)?，F(xiàn)推導這些變換公式。 3.3.1 旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系間的變換 在圖3-2中，旋轉(zhuǎn)坐標系的橫坐標和縱坐標分別用和表示，電流矢量在靜止坐系中的兩個分量分別為和，在旋轉(zhuǎn)坐標系中的兩個分量分別為和， 軸與軸的夾角用表示，從

63、圖可以看出有如下關(guān)系： (3-9) 式(3-9)即為由旋轉(zhuǎn)坐標系向靜止坐標系變換的算式。 式(3-9)中變換矩陣的逆矩陣為 （3-10） 由式(3-9)及式(3-10)可以得到 （3-11） 式(3-11)即為由靜止坐標系向旋轉(zhuǎn)坐標系變換的變換算式。 圖 3-2 旋轉(zhuǎn)變換 3.3.2 三相與兩相坐標系之間的變換 圖 3-3 三相/兩相變換 分別用、、表示三相電流的瞬時值，它們的作用在三相坐標系中的位置如圖3-3所示。三相電流的合成作用用矢量表示，在坐標系中的兩個量

64、分別用和表示，從圖3-3可以看出如下關(guān)系： （3-12） 式(3-12)即為由三相向兩相變換的算式。 引入一個零序電流，并令，式(3-12)可變?yōu)? （3-13） 再令，便可得到 （3-14） 式(3-14)即為由兩相向三相變換的變換算式。 3.3.3 直角坐標與極坐標之間的變換 圖 3-4 直角坐標系/極坐標系變換 (3-15)

65、 (3-16) (3-17) (3-18) 3.4 本章小結(jié) 本章從空間矢量的概念入手，分析了矢量控制的基本思路，并推導了包括旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系間的變換、三相坐標系與兩相坐標系間的變換、直角坐標與極坐標之間的變換的矢量坐標變換矩陣。 第四章 變速恒頻雙饋電機的控制策略 4.1 雙饋異步發(fā)電機的控制策略 圖 4-1 定子磁場定向示意圖 由于發(fā)電機定子繞組接入工頻電網(wǎng)，與電抗相比可以忽略定子電阻，使得定子磁

66、鏈矢量領(lǐng)先于定子電壓矢量90度。當選擇坐標系的軸沿定向時，如圖4-1所示，有： （4-1） 略去定子電阻后，對發(fā)電機慣例來說有 （4-2） 那么相電壓矢量將比磁鏈矢量滯后90度，正好落在軸的負方向上。由于定子接于恒定的電網(wǎng)上，電壓綜合矢量將是常數(shù)，保持不變。由于采用的是模不變型變換矩陣，在坐標系中，相電壓的綜合矢量的模任然為三相系統(tǒng)的相電壓幅值，所以有 (4-3) 將（4-1）、（4-2）式代入（4-3）中并略去定子電阻，可得 (4-4) 可見定子磁鏈也是恒定不變的。 為了進行發(fā)電機的有功功率、無功功率的獨立調(diào)節(jié)，應(yīng)寫出坐標系內(nèi)的功率表達式 (4-5) 3/2為按模不變原則引入的坐標變換系數(shù)。將式（4-3）代入上式可得定子磁鏈定向后的功率表達式：