（电力系统及其自动化专业论文）双馈风力发电机组的并网特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着风电装机容量在电网中所占的比例越来越高，其对电网的影响将不可忽视，研 究风电机组的运行特性进而分析其对电网及发电机自身的影响对保证风电机组并网的 安全可靠运行都具有重要的意义。本文以双馈风电机组为研究对象，在对其工作原理进 行分析的基础上建立了详细的模型，对其暂稳态运行特性进行详尽的分析；并针对目前 电网对风电并网的新标准，提出了一种提高双馈风电机组不间断运行能力的控制策略， 通过仿真验证了此策略的有效性。此外，研究了双馈风电机组对并列运行的鼠笼机组的 影响，在此基础之上对恒定容量的风电场中不同容量比例的双馈机组和鼠笼机组之间 的相互影响进行分析研究。 关键词：双馈异步发电机，最大功率跟踪，运行特性，鼠笼异步发电机，转子换流器 暂态电压控制 a b s t r a c t w i t ht h ep r o p o r t i o no 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 rg e n e r a t o r si nt h eg r i d i n c r e a s i n g ，t h ei m p a c to fw i n dg e n e r a t o r so nt h eg r i dc a n tb ei g n o r e d i t sn e c e s s a r y t os t u d yt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dp o w e rg e n e r a t o r sa n dt h e i ri n f l u e n c e o nt h e m s e l v e sa n dt h eg r i dt oa s s u r et h a tt h eg r i d c o n n e c t e dw i n dg e n e r a t o r sa n dt h e g r i dc a nr u no nt h es a f es i d e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed o u b l yf e di n d u c t i o n g e n e r a t o r ( d f i g ) ，t h ed e t a i l e dm o d e lo fd f i gi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i s o fi t sw o r k i n gt h e o r y t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd f i gi ss t u d i e d an e wc o n t r o l s t r a t e g yt oi m p r o v et h eu n i n t e r r u p t e do p e r a t i o nc a p a b i l i t yo fd f i gi sp u tf o r w a r d a n dv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n m o r e o v e r , t h ei m p a c to fd f i go nt h es q u i r r e lc a g e i n d u c t i o ng e n e r a t o r ( s c i g ) r u n n i n gi np a r a l l e lw i t hd f i gi sa l s os t u d i e d ，a n dn e x t t h et r a n s i e n to p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd f i ga n ds c i gw i t hd i f f e r e n tc a p a c i t y p r o p o r t i o ni naf i x e d c a p a c i t yw i n df a r ma r ea l s os t u d i e d z h a n gy a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i nl i k e yw o r d s ：d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r , m a x i m u mp o w e rt r a c k i n g , o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，s q u i r r e lc a g ei n d u c t i o ng e n e r a t o r , r o t o r - s i d ec o n v e r t e rt r a n s i e n tv o l t a g e c o n t r o l 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双馈风力发电机组的并网特性研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特y j , j j l l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盗抱目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：2 1 整：主! ! ! b日期：竺! 量：；! 1 6 ， 华北电力大学硕十学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 随着世界经济的快速发展和工业规模的不断扩大，能源短缺和环境恶化己成为 全球性的两大难题，开发利用新能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成 部分。1 9 9 2 年，联合国在巴西召开了世界各国首脑参加的世界环境与发展大会，强 调了可再生能源的开发对环境与发展的深远意义，并得到了世界各国的广泛共识。 在可再生能源中，风能以其取之不尽又清洁无污染的优势为各国所青睐。在过 去的2 0 年里，风力发电在技术水平、性能价格以及装机容量等方面都取得了长足 的进步。如今，风力发电已是世界上可再生能源开发利用中除水力发电之外，技术 最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电技术。大力发展风力发电，对环境 保护、节约能源以及生态平衡等都有重要的意义。 由于风能具有很强的间歇性和随机性，所以风力发电具有许多不同于常规能源 发电的特点，风力发电机组的并网运行对电网的电能质量、安全稳定运行等方面带 来不容忽视的影响。随着风力发电规模的快速增长，风电特性对系统的影响也越来 越明显，目前多个国家都对风电并网提出了更高的要求，如有功功率控制能力、无 功电压的调整以及故障穿越能力等。因此，迫切需要研究风力发电运行的特性及其 对电网的影响，这对风力发电的规划、设计和运行都有重要的意义【l 引。 1 1 1 国内外风力发电的发展 风力发电兴起于2 0 世纪7 0 年代，到9 0 年代中后期进入黄金时代。1 9 9 0 年以 来，风力发电装机容量平均每年增长超过2 0 ，仅2 0 0 5 年世界在新增装机容量就达 到1 1 7 6 9 y w ，其增长速度位居各种新能源发电方式之首。截止2 0 0 5 年底，全世界风 力发电装机容量已达到5 9 3 2 2 m w 。表卜l 给出了2 0 0 5 年底世界各国风电装机容量( 前 1 0 位) 。 表1 - 1 截至2 0 0 5 年底世界各国风电装机容量( 前1 0 位) l234567891 0 国家德国西班牙美国印度 丹麦恳人币u英国 中国荷兰日本 装机容 1 8 4 2 8l 0 0 2 79 1 4 94 4 3 03 1 2 81 7 1 71 3 5 31 2 6 01 2 1 91 0 4 0 量( m v o 据欧洲风能协会最近发表的一项国际能源研究报告称，到2 0 2 0 年全球风力发 华北电力大学硕士学位论文 电装机容量将达到1 2 3 1 亿k w ，占总发电量的1 2 【引。 开发风电的动力主要来自于改善环境的压力。欧洲将风电的发展作为实现减排 二氧化碳等温室气体承诺的措施，因此丹麦、德国和西班牙等都制定了比较高的风 电收购价格，保持了风电稳定高速的增长，使风电成为发展最快的清洁能源【4 j 。德 国是世界上风力发电发展最快的国家，其风电总装机容量接近世界总装机容量的 1 3 ，风电的年发电量已占全国电力年需求量的5 9 。在近期德国的风电发展长远 规划中指出，到2 0 5 0 年将实现风电量占总用电量的5 0 【5 】。丹麦是风电装机容量在 电网中所占比例最高的国家，到2 0 0 5 年底，风电装机容量占总发电总计容量的 2 2 8 。在美洲，美国已有超过1 7 万台风力发电机在运转，预计2 0 5 0 年风力发电 量将占美国发电总量的1 0 6 j 。地处亚洲的印度最近几年风力发电发展较快，超过 丹麦成为风电装机容量第四大的国家。 我国是一个风力资源非常丰富的国家，据初步估算，中国陆地风能可开发量约 2 5 3 亿k w ，海上风能资源可开发量在7 5 亿k w ，共计约1 0 亿k w 7 1 。但我国的风力 发电起步较晚。自1 9 8 6 年建立山东荣城第一个风电场，经过2 0 多年的发展，截至 2 0 0 5 年底，我国已建成风电场6 2 座，安装机组1 8 6 4 台，装机容量达1 2 6 0m w ，占 世界风电机组装机容量的2 1 。风力发电设备和技术由最初的依靠引进正逐步实 现风电机组的国产化。随着国家风电特许权项目的实施以及2 0 0 6 年1 月1 日可 再生能源法的正式实施，中国的风电场开发进入了快速发展时期。国家发展和改 革委员会初步规划，到2 0 2 0 年力争风电装机容量达到3 0 g w ，同时使中国的风电设 计、制造和管理技术达到国际先进水平【6 j 。 1 1 2 风力发电的并网问题 风力发电有离网和并网两种运行方式。并网型的风力发电是大规模利用风能资 源的最为经济的方式。目前商品化的并网型风电机组单机容量已由上世纪8 0 年代 的几十k w 发展到最大单机容量5 m w ，既可以一台发电机单独并网，又可以由多台发 电机按照地形和主风向排成阵列，组成风电场并网。 随着风电装机容量在电网中所占的比例越来越高，对电网的影响也越来越明 显，研究风电并网对电网的影响已成为重要的课题。首先，风力发电的并网打破了 传统配电网的辐射型结构，使得潮流及故障电流的大小和流向发生变化，使得配电 网的运行和管理变得更加复杂；其次，风能为间歇性、随机性能源，风电场的有功 功率和无功功率将随风速的变化而变化，进而引发系统诸如频率波动、电压闪变、 谐波污染等一些问题；并且大容量风力发电机组的并网运行可能会对系统的功角、 频率以及电压稳定性产生不利影响。如何合理地在理论分析的基础上解决这些问 题，以保证风力发电机组并网的安全可靠运行，是目前进行研究的重要问题。 2 华北电力大学硕士学位论文 在风力发电的初期，由于风电在电网中所占的比例很小，一般不要求并网风电 机组参与电力系统控制。当电网侧发生故障时由于风电机组本身的暂态电压稳定性 无法保证，通常采用切除风电机组的措施来保证风电场及电网的安全。随着风电技 术的进步和风电机组并网容量的提高，目前欧美多个国家都对风电并网提出了更高 的要求，如故障穿越能力，即在电网发生故障、电压水平降低的情况下，并网风电 机组仍能够在线运行以确保系统的完整性和稳定性，甚至要求在故障发生后输出无 功功率参与电网的电压控制【2 岿9 j 。从这个观点来看，并网风电场在电网中已经开始 具备了传统发电厂的特性。要满足上述要求，一方面要求并网风电机组的暂态特性 得到改善，解决其暂态过程中存在的问题，具备足够的故障穿越能力；另一方面要 求电网的故障控制措施，如继电保护等措施与之配合。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 风电机组技术的发展 目前，世界上流行的风力发电技术可分为恒速恒频和变速恒频两类，根据其桨 距的控制方案又可分为定桨距失速型与变桨距型【i0 1 。恒速恒频的风力发电机组多采 用鼠笼异步发电机，不管风速如何变化，发电机都维持在高于同步速附近作恒速运 行以实现发电频率的恒定，如图1 - 1 所示。由于其结构简单、成本低、可靠性高、 维护方便，因此一直以来得到了广泛应用。其缺点是不能实现最大风能捕获，风能 转换效率不能保持最优；在发出有功功率的同时会吸收一定的无功功率，不利于电 网电压稳定；风速变化引起的功率波动乃至电网电压波动较大，对电网的电能质量 不利。 风轮机 图1 1 恒频恒速风力发电系统 变速恒频风力发电技术是2 0 世纪末发展起来的一种新型发电技术，它将电力 电子技术、矢量控制技术和微机信息处理技术引入到发电机的控制中，从而获得了 一种全新的、高质量的电能获取方式。变速恒频发电技术是指在风力发电的过程中， 华北电力大学硕士学位论文 发电机的转速随风速变化，然后通过适当的控制措施使其发出的电能转变为与电网 同频率的电能送入电网。变速恒频的风力发电机组多采用双馈异步发电机和同步发 电机。双馈异步发电机是目前最具发展潜力的变速恒频风力发电机组，其桨叶采用 变桨距调节，定子直接与电网相连，转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率 的双向流动。双馈风力发电机既可次同步运行，又可超同步运行，因此变速范围宽， 可跟踪最佳叶尖速比，实现最大风能捕获，优化了功率输出，提高了效率，减小了 运行噪声。而且它可对输出有功功率和无功功率进行控制，能吸收阵风能量，减小 转矩脉动和输出功率的波动，因此提高了功率因数和电能质量。与基于同步发电机 的变速恒频风力发电方式来说，其功率变换器容量小，成本低。然而与恒速恒频风 力发电机组相比，它的控制系统比较复杂，转子上的电刷和滑环降低了系统的可靠 性。双馈风力发电系统结构如图i - 2 所示】。 风轮机 ；b 煮交交频器 图i - 2 双馈风力发电机系统 在风轮机直接驱动同步发电机构成的变速恒频风力发电系统中，风轮机直接与 发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化，通过交一直一 交或交一交变频器与电网相连，在电网侧得到频率恒定的电压。同步发电机极数很 多，转速较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状，省去了齿轮箱，降低了 机械噪声，减小了维修量，提高了机组的寿命和运行可靠性，但功率变换器的容量 较大，成本高。同步机风力发电系统的结构示意图如图i - 3 所示。 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运 行，今后风力发电机组将向大容量、变桨距、变转速、无齿轮和无刷化方向发展。 4 华北电力大学硕士学位论文 风轮机 图1 - 3 同步机风力发电系统 本文研究的重点是双馈风力发电机系统的运行特性的研究，该课题是近年来风 力发电研究领域的一个重要部分，国内外学者就这个问题开展了大量的研究工作， 也取得了一些成果。下面就该课题的国内外研究现状进行总结。 1 2 2 双馈风力发电机组并网运行特性的研究现状 在研究风电特性和评估其对电力系统的影响时，由于风能具有很强的间歇性和 随机性，并且各类风力发电机组具有不同的运行特性和调节特性，所以风电机组不 能直接采用常规电源模型来模拟，需要对其加以研究。 文献 1 2 对当前流行的风力发电机组进行了详细的分析，并介绍了当前可用的 风力发电机组的动态模型，结合2 0 0 4 年夏季爱尔兰电网的实际情况，研究了电网 故障时刻风力发电机组的动态特性以及其对电网的影响。并在此基础上，分析了各 个模型的优缺点。由此看来，要准确评估并网风力发电系统的动态特性及其对电网 的影响，建立正确的风力发电系统模型是极其重要的。 国内外学者对双馈风力发电机系统的模型及其运行特性进行了大量的研究和 试验。文献 1 3 详细介绍了双馈风力发电系统的模型，转子回路中采用背靠背的p w m 电压源换流器；采用了矢量控制技术，不仅实现了有功功率和无功功率的独立控制， 也使发电机的转速可在较宽的范围内运行；研究最大功率跟踪策略，风速变化时实 现了最大风能捕捉；并通过一个7 5 k w 的双馈风电系统的实验平台，验证了双馈风 电系统的优越特性。文献 1 4 - 1 7 通过采用空间矢量控制等不同的控制措施，建立 了双馈机组的模型，并对双馈风电系统的运行特性进行了详细的研究。 文献 1 8 针对双馈风力发电系统控制措施中的定向问题进行了讨论，对采用定子磁链定向和 采用电网磁链定向两种控制措施进行了比较研究。文献 1 9 探讨了p q 解耦控制下 及保持恒功率输出的双馈机组的静态稳定性，研究表明，双馈机组具有广泛的静态 稳定运行区域。 文献 2 0 建立了双馈机组的详细模型，并分析了当电网发生短路故障时，双馈 风力发电机组的暂态过程。而且认为当故障不严重时，转子电路的保护可不动作， 5 华北电力大学硕士学位论文 双馈风电系统的控制措施正常运行；等故障消除后，系统有能力降低转速，并使机 端电压恢复到故障前水平。文献 2 1 建立了双馈发电机的暂态模型，并针对传统的 控制方法提出了改进措施，并仿真对比分析了此改进措施的有效性。文献 2 2 建 立了适合暂态稳定分析的双馈机组的模型，并通过仿真算例探讨了该种模型的适用 性。 当电网发生故障时，要求风电场与电网保持相连，这就要求风力发电系统必须 具有故障穿越能力。文献 8 介绍了风力发电系统具有故障穿越能力应满足的要求： 在故障期间，风电场必须提供与残留电压成比例的有功功率，输出的无功功率不超 过发电机的限制：在电压恢复的l s 内，有功功率的输出最少应达到最大有功功率 输出的9 0 ，这也取决与系统的电压水平；故障必须尽快地切除等等。 文献 2 3 分析了双馈风电系统的故障穿越能力及影响因素，认为故障期间转子 电动势减小是影响双馈风电系统故障过渡的关键因素，而转子电动势又取决于定子 磁链的直流、负序分量以及转速。论文根据上述特点设计了控制措旌以增加系统的 故障穿越能力，并通过时序计算机仿真和实验验证了模型和控制措施的有效性。 文献 2 4 2 5 研究了电网发生故障时，双馈风力发电机组的暂态运行特性，并 提出了提高双馈机暂态运行稳定性的控制措施，如转子回路并联旁路电阻或者在故 障期间投入电池组供给转子侧换流器直流电压并且断开网侧换流器等，并验证了这 些措施不仅保护了换流器，也增加了短路时系统的稳定运行区域。 文献 2 6 使用p s s e 软件对双馈风力发电系统进行建模，结合爱尔兰国家电网 的简化模型，仿真验证了模型的有效性，并通过风速变化和电网发生故障的仿真研 究分析了风力发电机组的动态特性及其对电网中其他机组的影响。文献 2 7 提出了 一种双馈风力发电机组并网的电压控制策略，并建立了双馈机组的动态线性时不变 模型，通过仿真验证该电压控制措施的有效性。文献 2 8 提出了一种应用于双馈风 力发电系统的电力系统稳定器，并通过仿真分析了配有电力系统稳定器的风力发电 系统对电网的影响。 本文基于上述研究成果，对双馈风电机组的并网运行特性进行全面详尽的研究 分析，并在此基础上提出一种新的提高双馈风电机组不间断运行能力的措施，并探 讨同一风电场中双馈机组和鼠笼机组之间的相互影响的问题。本文针对这些问题进 行详细的仿真分析研究。 1 3 本文主要工作 本文的主要工作总结如下： ( 1 ) 研究分析了双馈异步发电机的运行理论。在讨论双馈发电机静态数学模 型的基础上，研究了发电机定、转子中的功率传递关系；详细分析了双馈发电机组 6 华北电力大学硕士学位论文 的动态模型、矢量控制策略以及风轮机控制系统。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，利用p s c a d 建立了双馈风力发电机组的详细模型， 研究双馈发电机组的次同步运行工况和超同步运行工况；并采用转速控制的最大功 率跟踪策略实现风速变化时的最大风能的捕捉；仿真研究了电网故障时的双馈机组 的暂态运行特性。 ( 3 ) 在以上研究的基础上，提出一种提高并网双馈机组不间断运行能力的控 制措施转子侧换流器暂态电压控制，并通过仿真验证了该控制措施能提高双馈 发电机系统的不间断运行能力，改善其暂态运行特性。 ( 4 ) 针对双馈发电机组与鼠笼发电机组并联的风电场，研究双馈机组有无转 子侧换流器暂态电压控制对并列运行的鼠笼发电机组的影响。 ( 5 ) 研究大型风电场中不同容量比例的双馈发电机组和鼠笼发电机组的运行 特性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章双馈风力发电机组的运行理论 2 1 双馈风力发电机组的基本原理 2 1 1 双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理 双馈异步发电机是在普通绕线式异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑 环与定子之间的四象限变频器及其控制系统而构成的。因此，双馈异步发电机可以 看作是一个具有打开的绕线式转予接有外加电压源的传统异步发电机，此外加电压 源通过变频器引入，变频器对转子回路电流实现频率、幅值和相位的调节，起到了 励磁电源的作用。双馈发电机除通过定子向电网溃入功率之外，还通过部分功率变 频器与电网之间交换转差功率，并可以通过变频器的控制对整个双馈电机的有功功 率和无功功率分别进行控制。 双馈异步发电机属于交流励磁的异步化同步发电机的一种，转子的旋转速度 以一转子外加励磁电源产生的旋转磁场相对于转子的旋转速度，l ，与定子同步磁场的 旋转速度万。之间的关系为 n ，+ n 8 = ，z j ( 2 1 ) 从上式可知，当转子转速发生变化时，通过调节转子励磁电流的频率即可保证 发电机定子端输出工频电能，这就是变速恒频运行的原理。当双馈发电机次同步运 行时，转子励磁电流相序与定子电流相同；当发电机超同步运行时，转子励磁电流 相序则与定子电流相反；当发电机同步运行时，转子进行直流励磁。 采用这种交流励磁变速恒频的双馈异步发电机系统有如下优点： ( 1 ) 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的 机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组的运行效率。 ( 2 ) 调节励磁电流幅值和相位，可调节发出的有功和无功功率。应用矢量控 制可实现有功和无功功率的独立调节。 ( 3 ) 变频器的功率仅为电机额定容量的一部分，使变频器装置体积减小，成 本降低，投资减小。 正因为以上优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域的主流 发电机。 2 1 2 双馈风力发电机系统的结构 8 华北电力大学硕士学位论文 风轮机 突赢- 交变 甥l 嚣 图2 1 双馈风力发电机系统示意图 双馈风力发电机系统的示意图如图2 一l 所示。在双馈风力发电系统中，发电机 的定子侧直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交一直一交变频器 与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅值、相位、频率均可变， 其中励磁频率为转差频率。其中交一直一交变频器为双p w m 换流器，可实现四象限运 行。电网侧换流器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母 线电压的稳定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及 为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额 定风速时，桨距角为o o ，采用最大功率跟踪策略来实现最大风能的捕捉；当风速增 加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限 制在额定功率附近。但由于风轮机的转动惯量较大，因此，变桨距装置动作具有一 定的时延。 2 2 双馈风力发电机的静态模型及功率关系 2 2 1 双馈风力发电机的静态模型 双馈机的静态等值电路如图2 - 2 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 双馈异步发电机t 型等值电路 弭 s 根据发电机的等值电路，得到其电压方程为： e = i 肘m ( 2 2 ) e = u ，一，( 尺，+ j x ，) ( 2 3 ) u ，= s e + 7 ，( 尺，+ j s x ，) ( 2 4 ) ，m = is + 1 ， ( 2 5 ) 其中，e 为气隙磁场感应电动势，玑，u ，分别为发电机定、转子电压，j ，厶 分别为发电机定、转子电流和激磁电流，冠，耳分别为定转子电阻，鼍，互，以分别 为定转子漏抗和激磁电抗，转子侧各量均已折算到定子侧。 2 2 。2 双馈风力发电机的功率关系 下面从双馈发电机的等效电路来研究其功率平衡关系。 根据功率守恒关系，经气隙磁场传递的电磁功率从定子方和转子方可以分别 表示为： b e = 只+ p 白l + p 恐= r e ( u ，：) + r ；，；+ p 愚 ( 2 6 ) 尸e = 一生，? + r e ( 坠t ) ( 2 7 ) 式( 2 - 7 ) 又可以重写为 ：一r ，；+ r e ( u 。，t ) 一生竺足，；+ r e ( 生1 6 ，t ) ( 2 8 ) 由上式可以看出，r ，；、r ，；分别为定、转子铜耗，r e 双f ) 为定子端输出 1 0 华北电力大学硕士学位论文 的有功功率：r e ( u ，：) 为励磁系统向发电机转子回路输入的功率，记为p ； 一l ! 尺，1 ，2 + r e ( 1 - sc r ，) 即，为发电机轴所产生的机械功率。 ss 式( 2 7 ) 又可以变化为 j e = 一r e + r e ( u ，f ) ( 2 9 因此，可以得出， = ( 1 一s ) ( 2 1 0 ) = 皿+ 尺，1 ，2 ( 2 1 1 ) 由此得出，稳态运行时，双馈异步发电机的能量传递和发电机的运行状态有关。 在忽略定转子回路损耗及铁耗的情况下，可以得出定转子回路功率关系的表达 式为 e = 啦 ( 2 1 2 ) 当0 s 1 ，双馈机处于次同步运行状态，当s 0 时，双馈机处于超同步运行状 态。图2 3 即为不同运行状态下双馈机的实际功率流向。 风轮机 殁馈薅庶发电机 ( i ) 次同步发电运行工况 风轮枫 硬馈感应发电帆 罔 圈 风轮机 双馈感应发电机 ( b 次同步i 氯动运行工况 风轮机 双馈雅应发呶机 罔 ( c 超陶步发电运行工况田超同步电动运行工况 图2 3 不同运行工况的双馈机的功率流向示意图 从上图可以看出，当0 0 ，发电机定子端向电网输出有功功率，电网通过变频器向转子回路溃入功率， 华北电力大学硕士学位论文 如图2 - 3 ( a ) 所示；当s 0 ，超同步发电运行状态时，皿 0 ，发电机定 子端向电网输出有功功率，转子回路通过变频器向电网输入功率，如图2 3 ( c ) 所 示。实际上，双馈机在滑差为0 的情况下也可实现发电，这时转子励磁电流为直流 电，转子回路溃入电网的有功功率为0 ，双馈机的运行状态等同于同步发电机，由 于其特殊性，一般不将其列为一种独立的运行状态。对于双馈机的次同步和超同步 电动运行工况，分别如图2 3 ( b ) 、( d ) 所示，这里不再赘述。 2 3 双馈风力发电机的动态数学模型 在考虑双馈发电机的数学模型时，定转子绕组均采用电动机惯例，即定、转子 绕组电流以流入为正。为便于分析问题，假定如下： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，( 在空间上互差1 2 0 0 电角度) 所产生 的磁势沿气隙圆周按正旋规律分布。 ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是定常线性对称的。 ( 3 ) 忽略频率和温度变化对绕组电阻的影响，忽略铁芯损耗。 ( 4 ) 转子绕组已经折算到定子侧，折算后每相匝数相等。 与同步发电机相似，在三相静止坐标系下双馈发电机的数学模型也具有非线 性、时变性、强耦合等特点，分析和求解困难。为简化分析和应用于矢量控制变化， 通过坐标变换的方法简化双馈发电机的数学模型。 坐标变换的思想是：将一个三相静止坐标系里的矢量，通过变换用一个两相静 止坐标下或两相旋转坐标系里的矢量表示，在变换时刻采取功率不变或幅值不变的 原则。其坐标变换示意图如图2 - 4 所示。 6 国气万 蠢。 ( a ) 三相静止坐标系到两相静止坐标系( b ) 两相静止坐标系到两相旋转坐标系 图2 - 4 坐标变化示意图 1 2 华北电力大学硕士学位论文 从结构上来说，双馈异步发电机与普通异步电机的最大不同在于双馈电机的转 子绕组中引入了励磁电势；而普通异步机转子绕组短接，其转子侧电压为0 。所以 同步旋转坐标下两种电机的方程区别仅仅在于转子电压方程。在同步旋转d q 坐标 系下，双馈异步发电机的方程如下所示。 电压方程： u s d = p 妒姬一国ys q + r s i 硪 u s q = p v 叼七国硪+ r s i s q 1 l l 咀= p i ；，融一s 嚼+ r j 嘻 g 叼= p 妙唧+ s o 。妙耐+ r ，如 其中下标为s 的表示定子量，下标为，的表示转子量， 磁锛方程： 沙耐= l 。+ l 卅l r d 沙阳= 三，i s q + l 脚f w 妙耐= l ，乙+ l 所乙 缈w = l ，+ 三所 其中l = 要k ，l 为定、转子间互感峰值。 转矩方程： 1 i = 云( 一0 蹿) 转子运动方释： 一l 妾= 砌一乃一d q j d t 7 ( 2 1 3 ) 国。表示同步角速度。 ( 2 1 4 ) 其中乃表示双馈发电机的惯性时间常数，d 表示阻尼系数。 通过以上1 0 个方程的联立求解可精确描述双馈发电机的全部动态行为。 2 4 双馈风力发电机的矢量控制策略 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 双馈异步发电机控制技术的核心是矢量控制技术。矢量控制是1 9 7 1 年西门子 公司的f b l a s c h k e 等人首先提出来的，它是交流传动调速系统实现解耦控制的核 心，其基本思路是通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分 华北电力大学硕士学位论文 解成磁场定向旋转坐标系的励磁电流分量和与之垂直的转矩分量，然后分别对它们 进行控制使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能【2 9 1 。 借鉴这一思想，对于双馈异步发电机来说，通过矢量控制技术对双馈异步发电 机的有功功率和无功功率进行解耦控制，从而实现控制风电机组变速运行和提供无 功电压支持的目的。 双馈发电机转子侧换流器和网侧换流器均有一套独立的矢量控制系统，分别介 绍如下。 2 4 1 转子侧换流器矢量控制 由于双馈机的定子接在频率恒定的大电网上，定子电阻比电抗小的多，定子电 阻上的压降远远小于定子的端电压，通常可以忽略定子绕组电阻。在同步旋转坐标 系下，忽略定子绕组电阻后，发电机的定子磁链与定子端电压矢量之间的相位差正 好是9 0 0 。若以定子磁链定向，取定子磁链矢量方向为同步坐标系d 轴，则定子电 压矢量将落在超前d 轴9 0 0 的q 轴上，这样可以进一步简化双馈机的数学模型，从 而得到矢量控制所需的控制方程。在忽略双馈发电机定子电磁暂态过程的情况下， 双馈异步发电机的定子电压磁链方程可简化为： l f ，| d2 l f ，s ： ( 2 1 7 ) u 订= 0 “阳2u 5 将式( 2 - 1 7 ) 代入定子磁链方程( 2 - 1 4 ) ，可得 铲警 l ，。i 。 一f 在同步旋转坐标系下， b = 亏( “耐+ 甜距i 阳) 厶 ( 2 1 9 ) g = 丢 叼0 一u , d i 叼) 将式( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 代入( 2 1 9 ) 可得 1 4 华北电力大学硕士学位论文 b = 知凹一扣铷 协2 。) 驴知厨= 等- l m i 詹) 式( 2 - 2 0 ) 构成了双馈异步发电机转子侧换流器矢量控制的数学模型。由上式 可见，当定子磁链或定子电压保持恒定时，定子有功功率与转子电流的转矩分量 成正比，而定子无功功率则完全由转子电流的励磁分量决定。转子换流器矢量 控制实现了定子有功功率和无功功率控制的解耦，或者说实现了电磁转矩与转子励 磁控制的解耦，这就是转子变流器矢量控制的目的。 矢量控制的控制量既可以是转予电流，也可以根据式( 2 2 0 ) 和双馈机转子电 压、磁链方程，将控制量转化为转子电压。这里给出控制量为转子电流时矢量控制 结构图如图2 - 5 所示。 图2 5 转子侧换流器矢量控制结构示意图 转子侧换流器实现了双馈异步发电机定子有功功率和无功功率的解耦控制。转 子电流的励磁分量乙和转矩分量分别通过对定子无功功率的控制和实现最大风 能捕捉策略来得到。一般控制策略中，为实现双馈发电机组的单位功率因数控制， 设定定子侧无功功率的参考值为o 。在最大风能跟踪策略实现中，将发电机转速和 1 5 华北电力大学硕十学位论文 参考转速哆矽的偏差通过p i 控制得到转子电流的转矩分量，其中吐矽是根据风速 与机组运行情况确定的对应最大捕获风能的转速。 2 4 2 网侧换流器矢量控制 电网侧换流器的控制采用了基于电网电压定向的矢量控制方案，此矢量控制方 案用于电网与电网侧换流器之间传输的有功功率和无功功率的解耦控制。其中网侧 换流器电流的直轴分量用来控制直流母线电压保持恒定，而其交轴分量用来控制电 网侧换流器与电网之间的无功功率的交换。图2 - 6 即为网侧换流器的结构示意图。 u l 、cl ” 一。 一一 k , wr _ 一 u k j - 、j _ 、 j i h k j o 、 j 、j 、1 1 ， 一 rrr 、 u 1 a b c u o a b c rr 淑丽 图2 - 6 网侧换流器电路结构示意图 由图2 - 5 ，可得出其电压方程为 f 三三 = 五 兰； + 上。丢 耋； + 三兰 ( 2 - 2 1 ) 其中“础、甜l 咖分别表示电网三相电压和网侧换流器三相电压，i 1 4 6 c 表示网侧 换流器三相电流，心、t 为网侧换流器串联的电阻和电感，l d c g 、l d c r 分别为网侧 换流器和转子侧换流器的直流电流，c 为直流母线的电容。 在同步旋转坐标系下，式( 2 2 1 ) 可转化为 “= ( 毽+ p l z ) i l d 一纪t g4 -uld(2-22) u 珂= ( 毽+ p t ) f l g + 织t d + “。叮 其中，下标d 、q 分别为相对应电压或电流的直轴分量和交轴分量。 网侧换流器和电网之间交换的功率，即转子功率可表示为 1 6 华北电力大学硕士学位论文 p 2 量( 甜f l d + “朋- e ) ( 2 - 2 3 ) 3 q ，= 詈( “孵d 一“耐碍) 由于采用了电网电压定向的矢量控制方案，参考坐标系的d 轴方向与电网电 压一致，口轴沿旋转方向超前d 轴9 0 。，即有 “- u g ( 2 - 2 4 ) 甜舰= 0 由此可得，式( 2 2 3 ) 可写为 2 只= 移屯 ( 2 - 2 5 ) q ，= 一詈“g i l g 由式( 2 - 2 5 ) 可见，在电网电压保持恒定时，转子有功功率与i i d 成比例，而转 子无功功率则与。成比例，网侧换流器实现了转子有功功率和无功功率的解耦控 制。 忽略换流器开关损耗和串联电阻损耗，把换流器看作理想换流器，则有 “，f 。，= 一3 “，( 2 - 2 6 ) 吆= j “2 1 4 此外，对于p w m 换流器来说，则有 m “= 丽 ( 2 。2 7 上式中m 为网侧换流器的调制系数。 对于直流回路中的电容器c ，则有 k 一。- c 警 ( 2 - 2 8 ) 综合式( 2 - 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) ，则有 c 警= 去帆一。 协2 9 ， o 为流向转子换流器的直流电流，通常视为一扰动量。由式( 2 - 2 9 ) 可以看出， 直流母线电压“d c 可由d 控制，然而因为对换流器的控制作用是通过作用在换流器 华北电力大学硕士学位论文 上的电压来实现的，则需要建立换流器电压“l 。6 c 与电流d 、g 的联系。 变量 “：= ( 毽+ 以) d 材( 毽+ 以) g 引入中间 ( 2 3 0 ) 则式( 2 2 2 ) 则可转化为 铭l d = 虬+ c o , l j l q 一玑 ( 2 3 1 ) 甜l g = 一一c ot l i d 根据以上分析，得出网侧换流器的矢量控制结构示意图如图2 7 所示。 网侧换流器矢量控制用于维持直流母线电压在一个恒定值，而与转子功率的方 向与大小无关，并根据整个风电机组对无功功率的要求对宁参考值进行控制。一般 控制策略中，为充分利用变频器的控制能力并发尽可能多的有功功率，通常设定电 网与网侧换流器之间没有无功功率的交换，即网侧换流器保持单位功率因数运行。 图2 - 7 网侧换流器矢量控制结构示意图 2 5 双馈风力发电机系统的风轮机控制 网 侧 巍 流 器 在双馈风力发电机组的综合控制系统中，双馈异步发电机的控制起到了至关重 要的作用，整个风电机组的有功功率和无功功率的解耦控制、风电机组的变速运行 1 8 华北电力大学硕士学位论文 以及最大风能的捕捉都是依靠对双馈异步发电机的电气控制来实现的；但风轮机的 控制同样至关重要。风轮机的桨距角控制以及为双馈机提供有功功率参考值的转速 控制都是较慢的机械控制，其动态响应速度要慢于双馈电机的控制响应速度。 2 5 1 风轮机的运行特性 风轮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 动能并将风轮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可靠运行。 风轮机的功率控制措施可以分为定桨距和变桨距两种。定桨距是指叶片被固定 安装在轮毂上，其桨距角固定不变，当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速 条件、使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的，此 控制方式多用于基于普通异步发电机的恒速风电机组。变桨距风轮机桨叶与轮毂不 再采用刚性连接，而通过可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的联轴器连接。这种 风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率 可稳定的保持在额定功率上，此种控制方式多采用于变速风电机组，也有少部分恒 速风电机组采用。 由风轮机的空气动力学知识可以得出风轮机的输出功率为 p w = 专p h r , 2 v 3 - c p 2 - 3 2 ) 其中，p 为空气密度，氐为风轮机叶片的半径，n r w 为叶片的扫略面积， 为风速，c p 为风能利用系数。c p 为表征风轮机效率的重要参数，是风轮机叶尖速 比旯和桨叶节距角的函数，可表示为c p ( 名，) 。根据贝茨理论，风轮机最大的 风能利用系数c p 。一为0 5 9 3 。此外，叶尖速比五即叶片的叶尖线速度与风速之比， 可表示为 国r 允= 业j 生 ( 2 3 3 ) 其中0 3 。为叶片旋转的角速度。 对于给定的叶尖速比兄和叶片桨距角，可用下式计算风能利用系数3 0 l ： c p ( ，2 ) = 0 2 2 ( 半- o 4 - 5 o ) p 半 3 4 ) 1 9 华北电力大学硕+ 学位论文 其中 丑： 10 0 3 5 旯+ o 0 8 , a 3 + l 由上式根据不同的、五计算得到的q ，也即变桨距风轮机的性能曲线如图2 8 所示。 图2 - 8 变桨距风轮机性能曲线 由图2 - 8 可以知道，当桨距角为恒定值时，c p 的大小与兄有关，且仅有一个 使c 最大的叶尖速比五，称之为最佳叶尖速比，此时的角速度国w 为最佳转速 g o 删。因此当恒定时，可用任一条c p ( 兄) 曲线描述定桨距风轮机的运行特性。 在某一固定的风速下，随着风轮机转速的变化，叶片旋转的角速度发生大变化， c p 也会相应地变化，从而使风轮机的输出机械功率发生变化。由式( 2 - 3 2 ) 和 ( 2 - 3 3 ) ，可以得到风轮机输出功率和风轮机角速度之间的表达式如下。 勺：艘。2 ( 等) 3 c 尸缈：砌w 3 c 2 彤， 其中七= 积。2 ( 等) 3 c p 要想使风轮机保持最大的功率转换效率，必须保证叶尖速比始终为最佳叶尖速 比，因此国w 将随着风速的变化而变化。将不同风速时的最大功率点连接起来，即 可得到风轮机的最佳功率曲线p o p t ，其功率表达式为 华北电力大学硕士学位论文 p 印f7 1 r r ，2 ( ) 3 c p 一一w 3 = k 印f 0 0 w 3 q 。3 6 o p t 通过上面的分析可以得出，对于定桨距风轮机来说， ( 1 ) 在某一固定的转速下，随着风速的增加，风提供的输入功率增加，风轮 机输出的机械功率也随之增加； ( 2 ) 对于一特定的风轮机，具有唯一的最佳叶尖速比，对应于不同的风速， 最佳转速不同且随风速的增加而增加。 ( 3 ) 在某一固定的风速下，风轮机在某一转速下可以输出最大功率，转速较 大或较小风轮机的输出功率都会降低。 变桨距风轮机是定桨距风轮机的改进和发展，对于变桨距风轮机的运行特性将 在下一节中详细说明。 2 5 2 变桨距控制 在风电机组中，桨距控制系统通过控制风轮机桨叶角度改变桨叶相对于风速的 攻角，从而改变风轮机从风中捕获的风能。变桨距控制在不同的情况下采用不同的 策略： ( 1 )当风速低于额定风速时，变桨距角控制用于风电机组功率的寻优，目的 是在给定风速下使风电机组发出尽可能多的电能。对于变速风电机组，其功率寻优 可以通过风电机组的变速来实现，因此当风速低于额定风速时，桨