（电力电子与电力传动专业论文）基于无速度传感器的双馈风力发电系统低电压穿越的研究.pdf

- i l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垄函卜 日期：矽，f 年月彦日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盏维 指导教师签名：害础 日期：扫，f 年月产日 日期：2 ，o t 年多月d1 3 、 i 弘 t 摘要 随着风力发电装机容量的增加，大容量风电接入电网后所带来的各种问题也 日益突出。因此各国都根据本国的实际情况，对风电接入电网的各项指标，做出 了严格的规定，其中最重要的就是低电压穿越能力( l 玎) 。不同的风力发电 机组，l v r t 实现的难度也不同，而对于现阶段应用最广的双馈感应发电机 ( d f i g ) 来说，低电压穿越实现起来就比较困难，经常需要使用c r o w b a r 电路。 为了改善d f i g 的低电压穿越能力，本文首先详细分析了电网电压对称跌落 时d f i g 的动态特性，推导出了引起转子侧过流的原因，然后对转子侧变流器控 制策略进行了改进。不同于经典的控制方法，在改进的控制策略中通过转子电流 的d 轴分量对定子磁链进行控制，并且在电压跌落期间，以这种方法来给出故障 期间转子d 轴电流的参考值，用来提高d f i g 低电压穿越能力。 在d f i g 控制方法中，需要使用转子速度和位置角，所以需要在机端安装速 度传感器，这样就增加了恶劣环境下d f i g 的运行维护费用并降低了可靠性。因 此本文使用模型参考自适应法设计了基于转子电流的转速观测器，并实现了 d f i g 的无速度传感器控制。最后将这两种控制方法结合起来，对电网故障时使 用无速度传感器控制的d f i g 的低电压穿越能力进行了分析，并通过在 m a t l a b s i m u l i n k 平台下进行仿真来验证控制方法的有效性。 关键词：低电压穿越；双馈发电机；无速度传感器；模型参考；电网故障 q r e s e a r c ho nl o w v o l t a g er i d et h r o u g ho fd o u b l y - f e dw i n d p o w e rs y s t e mb a s e do ns e n s o r l e s s ， l iw 葫( p o w e re l c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f k a n gz h o n g j i a n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n dp o w e r , t h ep r o b l e m b r o u g h tb yl a r g e - s c a l e w i n d p o w e rb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t w o r l d g o v e r n m e n t sh o ws e ts t r i c tl i m i t so i lt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fs n d c o n n e c t e d w i n dg e n e r a t o r a c c o r d i n gt o 也e i ra c t u a l c o n d i t i o n s t h em o s ti m p o r t a n ti na l l p r o v i s i o n si st h el o wv o l t a g er i d e - t h r o u g h ( l v r t ) c a p a b i l i t y f o rn o w t h em a i n s t r e a m w i n dg e n e r a t o r si s d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) b e c a u s eo fi t s o w n s t r u c t u r a lf e a t u r e ，i t sl v r ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ea n da l w a y sn e e dt ou s eac r o w b a r i no r d e rt oi m p r o v et h el v r ta b i l i t yo ft h ed f i g t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h e d y n a m i cb e h a v i o ro ft h ed f i gd u r i n gt h r e e - p h a s ev o l t a g ed i p sa n di n f e r st h er e a s o n s o fr o t o ri n r u s hc u r r e n t t h e n ，a l li m p r o v e dc o n t r o ls t r a t e g yi s p r o p o s e d u n l i k et h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，t h en e wc o n t r o ls t r a t e g yu s et h ed - a x i sr o t o rc u r r e n tt o c o n t r o lt h es t a t o rf l u x w h e nav o l t a g ed i pi sd e t e c t e do nt h ed f i gt e r m i n a l ，t h i s c o n t r o ls c h e m ew i l lg i v et h ed - c o m p o n e n to fr o t o rr e f e r e n c ec u r r e n ta n de n h a n c et h e w i n dt u r b i n e sl v r t c a p a b i l i t y i nt h ed f i gt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d , w en e e dt ou s eas e n s o rt oo b t a i nt h e r o t o rs p e e da n da n g l e b u tw i n dt u r b i n e sa l w a y sw o r ki nb a dc o n d i t i o n s ，t h e nt h i s s e n s o rw i l li n c r e a s et h ec o s t sa n dm i n m i z er e l i a b i l i t y , s oi nt h i sp a p e r ，as e n s o r l e s s m e t h o df o rt h ev e c t o rc o n t r o lo fd f i gi sp r o p o s e d n ep r o p o s e ds e n s o d e s sm e t h o di s b a s e do l lt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) e s t i m a t i n gt h er o t o rs p e e d a n dp o s i t i o nf r o mt h er o t o rc u r r e n t a tl a s t ，t h en e wl v r tc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h es e n s o r l e s sc o n t r o lo fd f i gw i l lb e c o m b i n e dt os t u d yas e n s o r l e s sc o n t r o lo fd f i g sb e h a v i o rw h e nt h e r ei sav o l t a g ed 砸 a tt h ed f i gt e r m i n a l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ec o n t r o lm e t h o di sc o r r e c t k e yw o r d s ：l v r t ；d f i g ；s e n s o r l e s sc o n t r o l ；m r a s ；鲥df a u l t i i 目录 第1 章引言：1 1 1 课题来源及研究意义1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题的研究意义1 1 2 风力发电低电压穿越的提出。2 1 3 低电压穿越技术3 1 3 1 转子短路保护技术( c r o w b a rp r o t e c t i o n ) 一3 1 3 2 新型拓扑结构一5 1 3 3 改进励磁控制策略。6 1 4 无速度传感器技术6 1 5 本文的主要工作8 第2 章d f i g 数学模型及转子侧变流器的控制9 2 1 双馈风力发电系统原理9 2 2 双馈感应发电机数学模型l1 2 2 1 三相旋转坐标系下d f i g 的数学模型1 1 2 2 2 两相旋转坐标系下d f i g 的数学模型1 4 2 3 转子侧变流器的控制1 6 2 4 小结2 0 第3 章d f i g 无速度传感器的设计与仿真2 2 3 1 转子速度辨识的基本方法2 2 3 1 1 利用电机方程直接估算2 2 3 1 2 模型参考自适应法2 3 3 2 基于转子电流的d f i g 转速观测器的设计2 5 3 3 仿真结果分析2 8 3 4 j 、结：3 0 第4 章电压跌落时d f i g 转子侧变流器的控制3 2 4 1 电网故障时d f i g 的动态特性3 3 4 1 1 正常运行时的特性3 3 4 1 2 电网故障时的特性3 4 4 2 电压跌落时d f i g 转子侧变流器的控制策略3 6 4 2 1 李雅普诺夫能量函数法3 7 4 2 2 电压跌落期间转子侧变流器的控制3 9 4 3 仿真结果分析4 2 4 4 小结4 8 第5 章基于无速度传感器的d f i g 低电压穿越的研究4 9 5 1 定子电压跌落对转速辨识的影响5 0 5 2 无速度传感器控制对d f i g 低电压穿越的影响5 2 5 3 小结5 4 结论及展望5 5 参考文献5 7 致谢。6 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第1 章引言 1 1 1 课题来源 本课题为自选课题。 现今，地球上的化石能源已经日益枯竭，在强调节能减排的今天，人们迫切需要寻 找一种常规能源的替代品，以实现人类可持续发展的目的。在已经开始使用的各种新能 源中，风能以其得天独厚的优势受到了人们的青睐。现今，风力发电技术已经越来越成 熟，规模也越来越大。然而由于风力发电的不稳定及不确定性，大规模风电接入电网后， 不仅会对电网的安全稳定运行造成各种影响，就电网本身而言，也对风力发电机组的控 制方面，提出了新的要求。因此，研究大规模风电接入电网和接入电网的风力发电机组 的控制问题，成为了现今的研究热点。 1 1 2 课题的研究意义 能源是人类赖以生存与发展的基础，但是随着人类社会的发展与壮大，石油、天然 气等常规能源已经难以满足人类的需求，再加上常规能源使用所带来的各种环境问题， 人们不得不寻找常规能源的替代品，各种各样的新能源也出现在人们的视线里，然而其 中最受人关注的，却是风能。风能，在地球上不仅储量极其丰富，而且使用过程中不会 对环境产生任何影响，能够满足绿色环保的要求，而且在所有的新能源中，风能能够达 到5 0 的利用效率，有很强的竞争力。据估计，地球上可以用来发电的风能，储量约有 1 0 0 亿千瓦，几乎是现有全世界水力发电量的1 0 倍。因此各国政府都对风力发电极其重 视，这就导致了风力发电在整个电网中的比例越来越高。 一般电网中的发电机，都是以同步发电机为主，而且都有成熟的控制与运行技术。 当电网发生短路故障时，各发电厂通过励磁控制，参与电网电压的重建，并通过频率控 制来保持电网频率。但是风力发电却没这么简单，由于风能的随机性及不确定性，当故 障发生时，很多风力发电厂不仅不能对电网提供有利的电压支撑，更严重的情况是：风 电厂为了自身安全而解列脱网运行，这样就加重了电网的故障。因此研究风力发电接入 电网的运行特点及对电网稳定性的影响，是非常有必要的。从风力发电接入电网产生的 影响来看，可以分为两个方面：一是研究风力发电接入电网后对电网稳定性的影响；二 是改进风力发电机本体的控制策略，使风力发电机在电网故障时能够像常规火电厂一 1 第1 章引言 样，帮助恢复电网的电压和频率。 为了降低风力发电机组对电网的影响，并使风电机组能够在电网故障时提供电压支 撑，因此对风电机组并网运行提出了各种严格的技术要求，其中最重要的就是低电压穿 越能力( i 脉t ) 。在现阶段使用的各种风力发电机组中，应用最广泛的就是双馈感应发 电机( d o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 。但是由于d f i g 本身的结构特点，它的 低电压穿越实现起来较为困难。国内外许多文献h 。7 3 都对d f i g 在电网故障期间的运行特 点进行了分析研究。研究表明，当风电机组并网点电压跌落时，根据磁链守恒定理，定 子磁链不会随着定子端电压而突变，因而会产生一个直流分量，这样就会引起转子绕组 的过压、过流，严重时会烧坏转子侧变流器。同时由于转子电流的迅速增加，转子侧变 流器的直流环节电压也会升高，这样就会引起d f i g 输出有、无功功率的震荡。如果发 生的是不对称故障，这种情况将会更加严重，因此必须采取适当的保护措施来保护转子 侧变流器。 在传统的d f i g 控制方法中，一般都使用速度传感器来获得转子的速度和位置角， 但是这样就会增加恶劣环境下风机的运行维护费用并降低系统可靠性。所以借鉴电机变 频调速控制系统中使用无速度传感器的思想，通过对定子参数进行测量，进而估算出转 子的速度与位置角，实现d f i g 的无速度传感器控制。 总之，随着风电大规模的接入电网，研究风电对电网的影响已经成为热点，本课题 的选择有很强的现实意义。 1 2 风力发电低电压穿越的提出 当电网发生故障时，会引起风电厂出口的电压跌落，进而会给风电机组带来一系列 的暂态过程，例如过电压、过电流、转速上升等，这将严重威胁风电机组的安全。遇到 这种情况后，一般的风电机组都是通过解列脱离电网，来保障机组的安全，这在风电占 整个电网比例较小时是没有问题的。然而随着风电规模的增加，这种单纯的解列脱网运 行会增大电网从故障状态恢复至正常的难度，严重时甚至会加剧故障，最终导致系统瓦 解。因此，各国政府都根据国家的实际情况，对电压跌落时风电机组的不脱网运行进行 了规定：即要求风电机组在电网发生故障导致风电厂出口电压跌落时，不仅要保持不脱 网运行，而且要在故障期间为电网提供一定的电压支撑，也就是说，要使风电机组穿越 电压跌落的这段时间，这就是一般意义上的低电压穿越( l o wv o l t a g er i d et h r o u g h ， m t ) 。 2 i 毒 、， n ”， 寸 jk ! i t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对低电压穿越能力的要求，各国政府的规定都不同。例如：图1 1 是德国e o n 公司对风电机组低电压穿越能力的要求n 叫。从图中可以看出，在最严重的情况下，也就 是电压跌落至额定的1 5 时，要求风电机组不脱网运行时间要达到6 2 5 m s ；当电压跌落 不明显( 1 0 左右) 时，就要求风电机组能够持续运行更长时间。图中的阴影区域，是 对应电压跌落时要求风力发电机组的不脱网运行时间，只有当电压跌落至曲线下方非阴 影区域时，才允许风机解列。我国国家电网公司对风电机组接入也有类似规定：当风电 厂接入点电压跌落至2 0 时，风电机组要保持并网运行6 2 5 m s ；当风电厂接入点电压跌 落后3 s 内能够恢复至额定电压的9 0 时，风电机组要保持并网运行；风电厂升压变高 压侧电压不低于额定的9 0 时，风电厂必须不问断并网运行。 0 、 b 图1 - 1 德国e 0 n 公司对风电机组l v r t 的要求 f i 9 1 - 1 l v r tr e q u i r e m e n t so fe o nn e t z 1 3 低电压穿越技术 如前所述，电网要求风电机组能够在故障期间保持并网运行，实现低电压穿越。而 由于风力发电机组的本身特点，故障期间经常需要为了自身安全而脱网运行，这样就必 须在支撑电网电压重建和保护自身机组安全之间找到平衡点，因此就产生了各种实用的 实现d f i g 低电压穿越的方法。 1 3 1 转子短路保护技术( c r o w b a rp r o t e c t i o n ) 这种保护技术，是目前风电制造商中采用最多的方法。其原理就是在d f i g 转子侧 装设c r o w b a r 电路，为转子侧变流器提供故障旁路，当检测到转子电流升高时，通过一 定的控制接通c r o w b a r ，为转子电流提供旁路，经释能电阻后进行消耗，转子电流降低 后，切除c r o w b a r 恢复到正常运行模式。c r o w b a r 电路形式虽然很多，但是它的基本原 理却都基本相同，都是在转子侧变流器并上一个三相整流桥和释能电阻，区别只是整流 3 v。、，、?飞?、j；，r o e ；。嘻掌亨， 第1 章引言 桥所选器件和控制方法的不同，大体可以分为以下几种呻叫们： 1 ) 混合型c r o w b a r 电路，这种电路的每个桥臂由可控器件和二极管串联而成，通 过对三个可控器件的控制，对c r o w b a r 进行投切操作，结构如图1 2 所示，这种电路需 要对三个可控器件进行控制，控制较复杂。 d f l g 图1 - 2 混合桥型c r o w b a r 电路 f i g l - 2h y b r i db r i d g ec r o w b a r 2 ) 采用不可控整流桥与i g b t 并联的c r o w b a r 电路，可称为i g b t 型c r o w b a r 。 这种结构只有一个可控器件，控制起来简单，结构如图1 - 3 所示： d f i g 图卜3i g b tc r o w b a r 结构 、 f i g l - a s t r u c t u r eo fi g b tc r o w b a r 使用c r o w b a r 电路虽然可以保证故障期间d f i g 的不脱网运行，但是由于此时是将转 子短路，所以故障期间的d f i g 就相当于一个大的感应电机，此时不仅不能对电网进行 有力的电压支撑，而且由于会吸收大量无功，有可能会对电网产生更加不利的影响。因 此，采用c r o w b a r 保护电路时，经常要增加适当的无功补偿。除此之外，c r o w b a r 电路投 切时，还会对电网产生暂态冲击，这些都需要采取一定的措施进行改进。所以有学者提 出了改进方案，可称为软启动控制。这种方法就是将转子电流该时刻的值设定为控制指 令值，这样就防止了由于控制值与实际值不等而引起的暂态冲击，通过逐渐改变转子电 4 t，只ki10酽；_，丐jo f 、 l 妻 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流指令，使发电机逐步恢复到正常运行。这样就缓解了投切c r o w b a r 保护电路时对系统 产生的暂态冲击，并且在一定程度上缩短t d f i g 低电压穿越的过渡时间。 1 3 2 新型拓扑结构 除了如上所述的典型的c r o w b a r 电路，还有学者提出了不同于c r o w b a r 的新型低压 旁路系统n 0 3 ，如图1 4 所示： 图l - 4 新型旁路系统 f i g l - 4 s t r u c t u r eo fn e wp a s s 从图上可以看出，这种结构有点类似于传统的软启动，在d f i g 定子侧与电网间串 联反向可控硅电路。当电网电压跌落较大时，转子侧会产生很大的冲击电流，因此采用 这种方法时，转子侧变流器在器件的选择上，应该选取电流等级高的大功率i g b t 器件， 这样就可以对变流器进行有效的保护。在这种方法中，为了避免电压回升所产生的冲击 电流，可以控制可控硅使d f i g 的定子侧脱网。脱网以后，经过重新励磁，当电压回升 到允许的范围之后，就可以通过可控硅使d f i g 迅速地与电网同步。这种方法中转子侧 大功率馈入变流器直流环节，会使电容电压的升高，而直流环节的耐压等级依赖于电容 的大小，因此直流环节设计了旁路吸收电路，通过吸收电阻将直流环节电压限制在允许 范围内。 通过分析不难发现，由于d f i g 的定、转子都是连接到电网且都可以输出功率，这 种方法实现的低电压穿越，实际是通过转子的不脱网运行来实现的。而由于d f i g 转子 侧的功率流动是双向的，是由d f i g 的转差来决定，所以故障期间d f i g 是吸收还是发出 功率都不能确定，而是由故障时的初始条件来决定，因此这种方法有很大的局限性和不 确定性。除此之外，由于故障期间定子电流中存在着直流分量，就会增加可控硅电路器 件的选择和控制的复杂性，相对于经典的c r o w b a r 保护电路，这种电路就有些过于复杂 而且不利于实际使用。 5 p ， 中；口 i l _一j 卜l 卜l i 第1 章引言 1 3 3 改进励磁控制策略 如前所述，在一般的风力发电系统中，都增加了额外的电路来实现d f i g 的低电压 穿越，这样就增加了系统的成本，而最理想的方法应该是即不增加制造成本又实现了 l v r t 功能，这时就需要对d f i g 的控制系统进行适当的改进，能够使d f i g 安全度过 电网故障这一段时间，并且转子侧变流器也工作在安全状态。针对如何改进励磁控制策 略，国内外学者都进行了大量的研究。由于故障期间使转子电流升高的根本原因是定子 磁链的不能突变，所以有文献n 妇n 2 3 在详细分析了定子电压和磁链变化对转子的影响的基 础上，提出了反馈补偿方式，经研究表明，这种方法可以一定程度上实现低电压穿越。 但是这种方法的实现，要依赖转子变流器来提供足够大的可以使转子电流得到有效控制 的电压，这在电压跌落幅度较小时是没有问题的，但是当电压跌落较大时，由于变流器 容量的限制，转子侧变流器往往不能提供所需要的控制电压而失去对转子电流的控制。 所以这种方法只适用于电压小幅度跌落的情况。 由于在故障期间，d f i g 存在着一系列的暂态过程，因此有学者在详细分析d f i g 暂态过程的基础上，提出了一种灭磁保护原理n 朝。在暂态过程中，定子磁链中直流分 量的存在是使转子电流升高的主要原因，这种励磁控制策略的出发点就是通过对转子电 流进行控制，以产生漏磁链来抵消定子磁链中对转子电流影响最大的直流分量，这种方 法的关键就是要估算出故障时刻定子磁链中的直流分量。经深入研究，故障时的初始条 件，主要是定子电压和转差会对控制效果产生相当大的影响，如果故障前定子电压较大， 这种方法就不能保证故障时转子电流可以被限制在变流器的允许范围之内。 1 4 无速度传感器技术 目前d f i g 的控制，基本上都采用定子磁链定向的矢量控制技术，这种控制方法需 要使用位置传感器来获得转子速度和位置角。但在实际工程中，由于风力发电机组一般 的工作环境都比较恶劣，会导致位置传感器维护工作量的加大，而且从风力机组机端的 传感器到变流器之间距离比较长，这样就大大降低了风力发电系统的可靠性。鉴于无速 度传感器技术在异步电机矢量控制系统中已经有了比较成熟的应用，因此就有学者将无 速度传感器技术引入风电机组的控制系统当中n 州1 7 1 ，并获得得了比较好的结果。在使用 基于无速度传感器的控制系统中，核心问题就是通过相应手段估算出转子速度和位置 角。一般来讲，异步电机无速度传感器控制系统中，获得转速的方法主要有以下几种： 1 ) 利用电机方程直接计算n 8 3 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这种方法就是从电机方程出发，根据电磁关系式和转速定义推算出转速。这种方法 应用简单但是却存在着一系列的问题，如：转速估算过分依赖于电机参数，在有干扰或 暂态过程中，估算结果的误差将非常大，甚至出现不稳定情况。而且这种方法的前提是 必须对磁链计算准确，因此磁链观测是否准确，也是影响转速辨识精度的主要问题。 2 ) 模型参考自适应法n 钔啪1 这种控制方法首先要得到一个被控系统准确的数学模型，模型的输出为最理想的状 态，称为参考模型。控制思想就是：在实际过程中，使系统的输出与参考模型的输出始 终保持一致。实现过程是通过设计合适的控制器产生一个辅助的输入，以使得被控过程 的实际输出与参考模型的输出的偏差尽可能的小。图1 5 所示为模型参考自适应控制系 统的一般结构，它主要包括了参考模型、被控过程、控制器和比较器。 图1 _ 5 模型参考自适应系统 f i g l 5m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ea y s t e m 使用这种方法来进行转速估算，较有影响工作是f hs c h a u d e r 做出的。文献n 9 3 将没有 转速参数的磁链方程作为参考模型，将含有转速的磁链方程( 电流模型) 作为可调模型， 比较输出量为转子磁链，控制器使用的是传统的p i 控制，进行了转子速度的估算。使用 这种方法时，由于电压方程中积分环节的存在，在转速较低时会影响观测结果，但是 d f i g 一般都运行在较高的转速下，所以实际观测结果会优于一般的异步电动机。 模型参考自适应法的准确性，非常依赖于参考模型，而电机的实际参数( 如电感和 电阻) ，却随着工况的不同而改变，因此，如何选择合适的参考模型并能够同时辨识多 个参数，并保证参数和系统状态同时收敛，是模型参考自适应法面临的主要问题。 3 ) 扩展卡尔曼滤波法瞳订 r e k a l m a n 在六十年代初提出了一种基于最小方差意义上的最优预测估计的方 法，即卡尔曼滤波法。这种方法的主要优点是可以有效地抑制随机干扰和测量噪声的影 响。由于电机是一个多变量、强耦合的高阶非线性系统，在使用扩展卡尔曼滤波法进行 7 第1 章引言 转速估计时，文献位妇使用电机的五阶非线性模型，并且把转子速度也作为一个状态变量。 在估算过程中，每一步估计时都重新将模型在该点线性化，再使用线性卡尔曼滤波器的 递推公式进行估计。使用这种方法的优点是可以避免对测量量进行微分计算，并且可以 通过选择适当的误差协方差阵来加快收敛速度，相比于其他的转速估算方法，卡尔曼滤 波法可以有效抑制噪声干扰，提高估算的准确性。这种方法的缺点就是计算量太大，而 且线性化的结果有可能会引起系统不稳定甚至发散，同时电机参数的改变，也会影响观 测结果的准确性，即这种方法对电机参数不具有鲁棒性。 除了上述的几种方法，还有利用转子槽产生的谐波和快速傅里叶变换( f f t ) 、注入 高频信号等方法来进行转速估计。 1 5 本文的主要工作 本课题的研究目标是在m a t l a b s i m u l i n k 平台建立基于无速度传感器的d f i g 的仿真 模型和包含风力发电机组的电力系统模型，通过仿真分析研究电网故障时d f i g 的动态 特性，并在此基础上对传统的d f i g 控制策略进行改进，提高d f i g 的低电压穿越能力。 本文主要的工作为： 1 ) 在分析双馈发电机的结构和工作原理的基础上，在传统的控制系统中引入了无 速度传感器的思想，实现了d f i g 的无速度传感器控制。转速观测器的设计采用了模型 参考自适应法，通过定子参数对转子电流进行估算，并以这个方程作为参考方程，与转 子电流的实际值进行比较，进而估算出转子的速度与位置角。经过仿真验证，所估计的 转速有比较好的效果。 2 ) 在d f i g 低电压穿越的研究中，详细的分析了电网故障期间双馈感应发电机的 动态特性，并推导出了定子磁链与转子电流之间关系的方程，提出了一种基于李雅普诺 夫能量函数法的附加控制，在故障期间，通过转子电流来对定子磁链进行控制，以提高 d f i g 的低电压穿越能力。 3 ) 建立了基于无速度传感器和低电压穿越附加控制的d f i g 模型，并以此模型为 基础建立了包含风力发电机组的电力系统模型，分析研究了当电网发生故障造成电压跌 落对转速观测造成的影响和使用无速度传感器控制的双馈感应发电机的低电压穿越特 性。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章d f i g 数学模型及转子侧变流器的控制 随着人类对风能开发利用的成熟，各种形式的风力发电机组先后被研究并投入使 用，目前国际上主流的风力发电技术，大体上可以分为两种：恒速恒频( c s c f ) 和变 速恒频( v s c f ) 。恒速恒频风力发电系统就是要保持风机转速维持在同步转速附近，以 提供与电网相同的频率，这种形式虽然简单，但是却不能保证风机运行在最佳叶尖速比 下，会导致风能转化效率低。相对于恒速恒频机组，变速恒频技术有着得天独厚的优势。 这是一种出现在上世纪7 0 年代的技术，但是由于当时的技术水平限制，它并没有得到 充分的应用，随着这些年电力电子技术的发展和各种先进控制技术的涌现，变速恒频风 力发电系统越来越受到人们的重视，成为了当今研究的热点。变速恒频风力发电系统的 核心是交流励磁发电机，由于这种电机的定、转子都可以发出功率，因此也可称为双馈 感应发电机( d o u b l y - f e a ：li n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 。不同于普通的同步或异步发电机， 这种电机使用的是交流励磁，因此励磁的可调量就有三个：励磁电流的大小、频率和相 位，改变励磁电流的频率可以改变转速，调节励磁电流的相位就可以改变发电机的功角， 即可以实现对发出功率的调节。本章将详细介绍d f i g 的工作原理和数学模型，并在此 基础上对传统的d f i g 转子侧变流器的控制系统进行分析，为以后的改进转子侧变流器 - 控制策略打下基础。 。 2 1 双馈风力发电系统原理 典型的双馈风力发电系统如图2 1 所示，它的主要结构包括：风机、变速箱、双馈 感应发电机、变流器、控制及检测系统和变压器等。 f 稚,蕊： ￥h ￥i 图2 - 1双馈风力发电系统结构框图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo fd o u b l y - f e dw i n dg e n e r a t o rs y s t e m 9 第2 章d f i g 数学模型及转子侧变流器的控制 系统中风力机通过变速箱与双馈发电机连接，d f i g 的定子侧接电网，转子侧通过 一组交一直一交变频器与电网相连，转子侧与电网的功率交换及励磁的控制，都是通过这 组变频器来实现。双馈电机的结构与绕线式异步电动机相似，它的定子和转子都均匀安 放着三相对称绕组，正常工作时定子绕组与电网相连，流过的是频率固定的对称三相电 流；转子绕组使用交流电源励磁，并且励磁电源的幅值、频率和相位均可调。d f i g 的 转速由定转子之间的转差频率决定，因此当d f i g 的定子磁场与电网相连并以同步转速 旋转时，可以通过调节励磁电源的频率来进行d f i g 转速的调节，这样就可以实现风力 发电系统的变速恒频。 当d f i g 的定子绕组接入频率为z 的电网时乜幻瞳朝，定子磁场就以同步转速q 旋转， 并满足z = p 吗6 0 ( p 为定转子极数) 的关系。设转子的机械转速为q ，则此时会形 成一个相对于转子以转速嫂旋转的磁场，且嫂由下式确定： q = q q = q s ( 2 1 ) 上式中s 为双馈感应电机的转差率，从式( 2 - 1 ) 可以看出，转子磁场相对于转子的 转速与转差率成正比。当d f i g 运行在不同状态时，转子旋转磁场的方向与转子旋转方 向就会不同：超同步时两者方向相反，次同步时两者方向相同，当d f i g 运行在不同的 工作状态，就可以实现转子侧功率的双向流动。 设通过转- t 倾, u 变流器流入转子的电流频率为以，此时转子电流产生的旋转磁场相对 于转子的旋转速度就可以表示为c o , = 2 刀灰，正与转差率s 的关系是： 厶2 阢 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 也可以表示为： 石= 等- + a ( 2 - 3 ) 上式中的“+ 对应于d f i g 的亚同步运行状态，“一”对应于d f i g 的超同步运行 状态。从式( 2 3 ) 可以看出，当d f i g 转速发生改变时，可以通过调节馈入d f i g 转子 的电流的频率，来实现定子侧的恒频。 相对于一般的感应电机，d f i g 主要有以下优点： 1 ) 由于转子侧与电网交换的仅是转差功率，所以使用变流器的容量小，只有双馈 感应发电机组容量的3 0 左右，能够节省成本； 2 ) 通过对转子电流解耦，可以实现对定子侧的无功和有功功率的单独控制； l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 ) 由于可通过调整馈入转子电流的频率进行调速，所以可以允许风机在一定范围 内变速运行，这就简化了机械调速装置，同时还提高了控制的灵活性和机组运行的效率。 因此，在变速恒频风力发电机组中，双馈感应发电机得到了广泛的应用。接下来， 将对d f i g 的数学模型进行详细的分析推导，为今后的工作打下基础。 2 2 双馈感应发电机数学模型 2 2 1 三相旋转坐标系下d f i g 的数学模型 双馈发电机从本质上讲，与普通交流电机并无太大差别，因此一般交流电机的分析 方法对于d f i g 也同样适用。但是双馈发电机除了具有多变量、高阶、强耦合的非线性 系统的特点外，转子侧有三相交流励磁绕组，这就使转子侧电压不为零，分析起来将更 加困难，为了方便数学模型的推导，特作如下假设删： 1 ) 电机的三相绕组对称分布，彼此在空间上相差1 2 0 。电角度，忽略空间谐波，气 隙磁场按正弦规律分布； 2 ) 忽略铁磁材料饱和、磁滞、涡流影响，假设各绕组的自感和互感都是恒定的； 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机绕组阻值的影响； 4 ) 忽略定转子铁芯损耗； 不论何种电机，都可以将绕组等效为三相绕线转子，折算到定子侧后定转子绕组匝 数都相同，这样可得到如图2 - 2 所示的d f i g 的物理模型。 b； c ：， 图2 - 2 双馈电机的物理模型 f i 9 2 - 2p h y s i c a lm o d e lo fd o u b l y - f e dg e n e r a t o r 在图2 - 2 中，定予三相绕组的轴线a 、b 、c 在空间上是固定的，并且彼此相差1 2 0 。； 转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴之间的电角度为臼，称为转子 位置角。并规定各绕组的电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手定则。在以 下各式中下标s 表示定子侧参数，下标r 表示转子侧参数，定子绕组的电阻均为凡， 转子绕组的电阻均为r ，。这时d f i g 的数学模型就可以由电压方程、磁链方程、转矩方 程和运动方程来描述。 1 ) 电压方程 定子绕组电压平衡方程为： 与此相应，转子侧绕组折算到定子侧后的电压平衡方程为： ”甄+ 警 铲母之+ 警 铲毗+ 警 将电压方程写成矩阵的形式，并用微分算子p 代替导可得以下方程： 口f 一疋0 000 0 一b 0 00 00 一咫0 0 000 尺，0 0000 r ， o oooo 阿 j iy 口 f + 箧 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式中： “一，甜b ，“c ，“。，“。分别为定、转子绕组各相相电压的瞬时值； ，如，如，屯，屯，f c 分别为定、转子绕组各相相电流的瞬时值； y ，少c ，虬，y 。分别为定、转子绕组各相绕组的全磁链； 足，尺，分别是定、转子绕组的电阻。 2 ) 定转子绕组磁链方程 绕组磁链是它的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，矩阵形式的磁链方程可 表示为： 1 2 4 一 口一 c 一 帆一出饥i帆了 + + + 0 b 七 足 艮 b 届 = = = 幻冶配，珞，如，k wiiijiijiiiijiiijiiiii儿 o o o o o 群 咖咖比如如如 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 其中： 少产砂y 占缈c f ； y ，= 砂。y 。沙。r ； i s = f i 。f c r ； f ，= p 。i 6i c r ； l s s = l 阿= k + 厶 1 ， 一i k 二 1 ， 一i k 二 k + 厶 1 ， 一：厶， z 1 r 一：k 1 ， 一i k 二 k + 厶 1 ， 一i k 二 1 ， 一：厶w i k + 厶 1 ， 一i 厶。 z 阡 二竺 1 ， 一i 二 1 ， 一i k ； k + 厶 1 ， 一i k 1 ， 一i k 二 k + 厶 ( 2 7 ) l c o s o e o s ( o - 2 万3 ) e o s ( o + 2 x 3 ) ， 厶= 厶= k fc o s ( o + 2 z r 3 ) e o s o e o s ( o 一2 z r 3 ) l ； l c o s ( o 一2 z r 3 ) e o s ( o + 2 x 3 ) c o s o i 其中： k 是与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感； 厶，是与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感； 是定子和转子之间的互感系数； 厶，厶为定子和转子之间的漏感； 口为转子位置角； 由于折算后定、转子匝数相同，并且各绕组互感磁通都经过气隙，磁阻相等，因此 可以认为k = k = l s r 。 3 ) 运动方程 假定输入双馈发电机的机械转矩为乙，双馈发电机产生的电磁转矩为z ，机组的 1 3 1j 00 l 1j 血加 第2 章d f i g 数学模型及转子侧变流器的控制 转动惯量为j - ，在忽略电力拖动系统中粘性摩擦和扭转弹性的情况下，稳态运行时的转 矩平衡关系可以表示为： 乙= t + 丢警 协8 ， 其中： c o 是转子机械角速度； 刀。是双馈电机极