电气工程自动化专业毕业设计论文风力发电机双馈电机的仿真

1、XX大学木科生毕业设il-（论文）摘要前，我国能源面临最突出的矛盾是国内优质能源供应不足，为减少我国对石油 和天然气进口的依赖，大力发展可再生能源是解决问题的关键，而风力发电是可再生 能源技术发展的重点。风力发电作为一种已获得商业化利用并具有较大潜能的可再生 能源开发形式，近年来在我国得到了较快的发展。在双馈风力发电机组中多采用矢量控制对双馈风力发电机转速进行控制，为了给 矢量控制提供更精确地电机参数，提高矢量控制的效果，本文提出基于发电机小值电 压跌落状态，对电机内部参数进行辨识的方法。采用递推最小二乘法对电机参数进行 在线辨识。并将这种参数辨识方法与异步电机矢量控制系统相结合，构成了采用参

2、数 辨识的异步电机矢量控制系统，并利用Matlab/Simulink软件进行仿真实验，仿真结 果表明参数辨识算法是有效的，明显改善了异步电机矢量控制系统的性能。在分析永 磁同步电机数学模型的基础上，把最小二乘法运用在永磁同步电机参数辨识上，这种 基于最小二乘法参数辨识方法是在转子同步旋转坐标系下进行的，通过Matlab / Simulink对基于最小二乘法的永磁同步电机参数辨识进行了仿真，仿真结果表明这种 电机参数辨识方法能够实时、准确地更新电机控制参数。关键词：双馈风力发电机；电压跌落；参数计算；电流分量XX大学木科生毕业设il-（论文）AbstractAt present, our cou

3、ntry the sources of energy are the most outstanding contradiction is the quality of the domestic shortage of energy supply, to reduce the oil and natural gas import dependence, vigorously develop renewable energy sources is the key to solve the problem, while 什le wind power is a renewable energy tec

4、hnology development focus Wind power as a kind of have a commercial use and has large potential of renewable energy development, China in recent years has been rapid development.In the double-fed wind turbine most adopted vector control for doubly fed wind generator speed control, In order to provid

5、e a more accurate vector control motor parameters and improving the effectiveness of vector control; It is both a theoretic and a practical project This paper focuses on the parameters estimation of asynchronous motor and a permanent magnet synchronous motor.First of alb the paper summarizes the cou

6、rse of high performance control strategyfor AC motor. Then, the factors which affect the parameters of the AC motor are described The static and dynamic control performance of AC motor are affected by the change of parameters And then, some common identification methods are analyzed, such as, model

7、reference adaptive algorithm, leastsquares algorithm, kalman filter algorithm.Key words: Wind generator; Voltage drop; Parameters calculation; Current components3目录1. 引言11.1国内外风力发电的状况11国外风力发电状况11.1.2我国风力发电状况21.2未来风电发展前景31.3课题意义42. 双馈风力发电机基本理论62.1引言62.2双馈电机的基本工作原理62.3双馈电机的工作特性82.4风力发电中双馈电机的控制92.5双馈电机

8、数学模型102.6三相静止abc坐标系下的数学模型112.6.1电压方程112.6.2磁链方程122.6.4运动方程152.7同步旋转d-q坐标系下双馈发电机的数学模型162.8双馈风力发电机组应用前景183双馈电机的参数辨识193.1引言193.2双馈电机的电压跌落特性193.3双馈电机瞬时电流分析233.4双馈电机的参数辨识243.5本章小结264双馈电机的仿真274.1引言274.2双馈电机仿真模型274.3电压跌落的仿真294.4本章小结35致谢36参考文献37XX大学木科生毕业设讣（论文）1引言1.1国内外风力发电的状况风能作为作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴

9、藏量巨 大，全球风能资源总量约为2.74X109兆瓦，其中可利用的风能为2X107兆瓦。据统 计，全球风能潜力约为U前全球用电量的5倍。没过0.6%的陆地面积安装风力发电机, 便可以满足美国U前电力需求的20%。风能足以满足全部或大部分电力的国家有：阿 根廷、加拿大、智力、中国、俄罗斯、英国、埃及、印度、墨西哥、南非、和突尼斯, 它们的20%或更多的电力可以山风电提供。山此可见，不远的将来风能将会作为一种 常规能源被人们所采用，开发和研究风能势在必行。1.1.1国外风力发电状况到2003年底，全球风力发电装机容量已突破四千万千瓦，风力发电占全球电力供 应的0.5%。2003年全球新增风电装机容

10、量便超过830万千瓦，而过去5年来全球风 电装机容量年均增长速度超过26.3%。口前全世界风电工业规模约为120亿美元，预 计到2020年可望达到1200亿美元。欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。2003年底 欧洲地区累计风电装机容量为2930万千瓦，约占全球风电总装机容量的73%。尽管 2003年欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由02年的35%降为23%,不过随着 一些欧洲国家海上风电项U的发展，预汁欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。 美洲地区风电装机容量达690万千瓦，占全球风电总装机的17%。亚洲地区风力发电 与美欧相比还比较缓慢，除印度一支独秀以外

11、，其它国家风电装机容量均很小。风电累讣装机容量居前五位（到2003年底）的国家依次是：德国（14612MW）、 西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。世界 各国风力发电现状如下：德国80年代后期德国仅有1.5万千瓦风电装机,得益于90年代初出台的一系列鼓励可 再生能源利用的政策，1999年底风电装机跃升至444.3万千瓦，2003年底累计装机更 高达14,612MW,是口前世界上风电装机最多的国家，占全球风电总装机容量的三分 之一以上（36.3%） o尽管2003年德国风力发电增幅有所放缓，但仍然维持较高水平。 德国雄心勃勃的海上风电计划将为

12、其风电发展提供新的动力，预计未来五年间德国还 XX大学木科生毕业设il-（论文）将新增13,450MW风电装机，约占全球新增装机容量的25%。美国2003年美国风力发电发展迅速，新增装机169万千瓦，累计装机636万千瓦。过 去5年来，美国风电年均增速达24%, LI询有超过27个州有风电场建成。美国是全球最重要的风电市场之一，虽然政府政策方面的不延续性和不稳定性使 得风电的发展充满了不确定性，但仍存在着有利于风电发展的积极因素。西班牙2003年西班牙新增风电装机138万千瓦，U前风电装机总量达642万千瓦，仅次 于德国居世界第二。西班牙官方对风电发展定下的口标是，到2010年装机容量要达到

13、1300万千瓦。丹麦H前丹麦并网风电机组已达3,000MW,风力发电满足其电力消费的20%。鉴于 丹麦风电市场发展水平已经很高，预计未来其风电发展将保持温和增长的势头。尽管 如此，丹麦政府最近宣布将进一步发展400MW的海上风电计划。英国U前英国有600MW的陆上风电招标项U正在规划之中，第一轮海上风电建设项 U总装机容量将达1500MW,而笫二轮更将高达7000MWo预计英国将成为继徳国和 西班牙之后欧洲第三大风电市场。印度印度的风电发展在亚洲可谓一支独秀，LI前风电装机达2125MW,其风电发展潜 力高达45,000MWo印度的风力发电技术国产化水平已经较高，2003年印度本国制造 商在印

14、度风电市场上占有最大份额。1.1.2我国风力发电状况我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一, 据资料统讣，我国10m高度层风能资源总量为3226GW,其中陆上可开采风能总量为 253GW,加上还上风力资源，我国可利用风力资源近1000GW。如果风力资源开发率 达到60%,仅风能发电一项就可支撑我国LI前的全部电力需求。我国利用风力发电起 步较晚，和世界上风能发电发达国家如：德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距, 风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1KW、 10KW、55KW、220KW等多种小型风电机组。后期开始研制开发可充电

15、型风电机组, 并在海岛和风场广泛推广应用，U前有的风机已远销海外。至今，我国已经在河北张 家口、内蒙古、山东荣城、辽宇营口、黑龙江富锦、新媼达坂城、广东南澳和海南等 地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风 电场。截止2007年底我国风机装机容量已达到6.05GW,年发电量占全国发电量的0.8% 左右，比2000年风力发电量增加了近10倍，我国的风力发电已跃居世界第5位。1.2未来风电发展前景自上个世纪70年代以来，已有不少的专家和学者对石油、天然气和煤炭的贮量、 开采年限作过种种佔算和推测，尽管他们所采取的手段千差万别，但所得出的结论却 是惊人地一致，即：非

16、再生的化石能源的耗尽是不可避免的，按II前的技术水平和开 采量计算，石油可采40年，天然气可采60年，煤炭的可釆年限虽然较长，在200年 以上，但也会因为开采成本高和一系列严重的环境问题而失去开采价值。所以，许多 发达国家出于自身能源安全需要，开始限制化石能源的开采和消费，却对风能等可再 生能源的开发利用给予了足够的重视，并制定了一系列的鼓励政策和措施以提高新能 源在整个能源消费量中比重。从世界范围的风电行业发展现状来看，近10多年来，风力发电正成为全球能源新 的增长热点，并迅速成为一个朝阳产业。据美国风能协会预测，今后10年全世界新增 的风力发电装机容量将达48000MW,到2007年估计有

17、美国（5285MW）、西班牙 （5200MW）.德国（5000MW） > 中国（4725MW）和印度（4000MW） 5 个国家新 安装的风力发电装机容量将居前列地位。从目前的发展趋势看，今后风电产业的发展趋势是：（1）风力发电机组容量的大型化。大型机组的优点是有利于降低造价，提高运行 可靠性使风电机组大型化成为世界风能产业发展的大趋势。经过长期研究努力，1_1前 单机容量500、600、750KW的风电机组技术研究达到批量化商业化生产的水平。同 时，更大型、性能更好的机组也已得到开发并投入生产试运行。如徳国正在北海建设 近海风电场，单机功率为5000KW。（2）风力发电机组重量的轻型化

18、。大型机组固然有利于降低造价，提高运行可靠 性，但机组越大，重量也越大。如225KW风力机的重量约为9吨，而500KW和1500KW 机组的重量则可达21吨和58吨。显然这将给风机的运输和安装带来困难，同时还可 能导致机组造价的上升。因此，釆取措施降低机组种重量是未来风机发展的趋势。可 以选择的措施包括优化风机系统的设计，采用轻质柔性材料，采用可变速的微机控制 3XX大学木科生毕业设讣（论文）系统等。（3）风力发电机组容量的高可靠性。前风力发电机组仍未达到完全的技术商业 化，技术寿命只有10-15年左右。因而，采取选用新材料，利用可变速转子、广泛运 用电子技术和计算机技术，从而有效地改善了风力

19、发电总体设计水平，增强了风电设 备的保护功能和控制功能来实现进所有部件尤其是转子的可靠性是大势所趋。（4）风力发电机组的高效率。目前风力发电系统普遍存在效率较低、成本较高的 问题，因此未来的风电发展必须在提高效率的同时降低成本。一些国家研究在进行探 索和研究，如美国和澳大利亚进行过建立高空发电站，以便充分利用高空中稳定的风 能，从而达到提高效率、降低成本试验研究。伦敦海上工程公司已研制成功一种海上 风力发电系统，风力发电机置于海上，把风机放在浮动钢制平台上，让工作塔随风而 动,发电能力达到4.5MW。另外一个措施是在控制技术上釆用自适应控制设备，以便 使风机能自动地根据风的特性调整系统的工作参

20、数，达到最佳运行状态，增加输出功 率。（5）风力发电机组的低成本。由于生产开发规模的扩大，以及新技术的应用和机 组大型化的发展，风电成本正在不断下降。如美国风电机组的造价已由1990年133 万美元降至2000年790美元，相应地发电成本由8美分/kwh减少到4美分/kwh。丹 麦风力发电成本也已经降到了 0.26丹麦克朗/千瓦时。成本下降的原因除了技术进步 和规模化生产以外，还与各国对该产业普遍采取的政策支持和引入竞争机制密不可分。风能是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，不存在资源衰竭问题；同时，在 风能电能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。可以 说，适时建立风

21、力发电产业是未来中国调整能源结构，保障能源安全的迫切要求和最 现实的选择之一。1.3课题意义在风力发电机组中，为了实现风能的最大功率追踪，即一定的风速下有一个最优 的转速能够使得风力机吸收最大的风能，要求风力发电机的转速要随着风速的变化而 变化，由于风速变化频繁要求风力发电机对转速的控制要有很快的响应速度1-2 o鉴 于矢量控制比较出色的控制性能，在双馈风力发电机组中多采用矢量控制对双馈风力 发电机转速进行控制。然而在实际的风电场中，随着风力发电机长时间运行以及机械 损耗等因素，双馈电机的定转子电阻、电感等参数会发生变化，这就大大降低了双馈 电机的控制性能，影响了风力机吸收风能的效率。现代电力

22、系统的安全、稳定运行也 要求电机生产厂家提供高精度的电机运行参数。研究发现可以基于发电机发生小值电 压跌落状态对双馈风力发电机的参数进行辨识，实际发电机在并网运行中，根据LVRT 的要求当电压跌落程度较深时，双馈风力发电机低电压穿越保护保护便会动作，因此 电压跌落程度较深时不能简单的用本文方法进行辨识。5XX大学木科生毕业设il-（论文）2.双馈风力发电机基本理论我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，山于其定、转子 都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是山于其具 有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以乂称为交流 励磁电机，

23、也有称为异步化同步电机。同步电机山于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只 能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值; 二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可 调量。通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的U的。这样，在负荷突变 时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负 荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个 位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。 这说明电机的功率

24、角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调 节有功功率。交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但 是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子 磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有 功无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策略。2.2双馈电机的基本工作原理双馈式异步风电机组是U前应用最广泛的变速恒频风电机组，其发电机的定子绕 组接入工频电网，通过改变转子绕组供电电源的频率、幅值、相位、相序来实现变速 恒频控制。双馈式变速恒频风电机组的运行原理如下：设n为发电

25、机定子旋转磁场的转速，1 n为发电机转子转速，仆为发电机转子旋转磁场的转速，p为极对数。山电机学理论 可知n 1 rf = f + f ,即1 rn = pn + n。当极对数倍的发电机转速1 pn小于定子旋转磁 场的转速n时，即lpn<n时，发电机处于亚同步状态，控制rm = n - pn > 0,转子绕组相序与定子相同，发电机转子从变频器吸收能量进行交流励磁，发电机山定子发出 电能，转子则吸收电能；当极对数倍的发电机转速lpn大于定子旋转磁场的转速n时, 即1 pn>n时，发电机处于超同步状态，控制rm = n - p<0,转子绕组相序与定子 相反，发电机转子进行发

26、电并通过变频器将能量馈入电网，发电机山定子和转子同时 发出电能；当极对数倍的发电机转速lpn等于定子旋转磁场的转速n时，即时1 pn = n, 发电机处于同步状态，控制rm=n - p = 0,发电机转子进行直流励磁，此时发电机 作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁，发电机山定子发出电能。忽略转子机械损耗、定转子的铁耗和铜耗，那么用功率关系可以表示如下：n 1 rP = P + Pr n P = sP上式中，S为转差率。当发电机处于亚同步运行时，s>0,rP>0,变频器向转子绕组送入有功功率；当发电机处于超同步运行时，svO, rP<0,转子绕组向变频 器送入有功功率；

27、当发电机处于同步速运行时，s = 0, rP = 0,变频器不向转子绕组 提供有功功率。电机转速不同时，可以使电机工作在亚同步速、超同步速状态，分别对应转差率 s>0、s<0o在这两种状态下，能量流动如下图2.1所示。超同步速（s0）9召 <1厲<几图2.1双馈电机在不同运行状态能量流向图山双馈电机运行在亚同步、超同步时的功率流动关系图看出，（1）转子仅提供转 差功率，相对于整个机组的额定容量而言较小；（2）转子具有能量双向流动的能力。 2.3双馈电机的工作特性双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也山具有固定频率的对称三相 电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节

28、频率的三相电源激励，一般采用交-交变频 器或交-直-交变频器供以低频电流。当双馈电机定子对称三相绕组山频率为fl（fl=pnl/60）的三相电源供电时，山于电 机转子的转速n = （l-s）nl（s为转差率，nl为气隙中基波旋转磁场的同步速率）。为了实 现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足：3 r= 3 1- 3 2其中zr是转子旋转角频率；3 1是定子电流形成的旋转磁场的角频率；32是转子电流形成的旋转磁场的角频率。山此可得转子供电频率f2 = sfl,此时定转子旋转磁场均以同步速nl旋转，两者 保持相对静止。与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电

29、机一样，可以调节励 磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。通过改 变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用 转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子 励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的I的。而同步电机的可调 量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行 补偿。与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位， 当转子电流的相位改变时，山转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个 位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位

30、置，也就改变了电机的功率角。 所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网 的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励 磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功 率，克服山于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，异步发电机却因需从 电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。所以双馈 电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。2.4风力发电中双馈电机的控制在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风 力发电技术，提高风力发电机组的效率，最

31、充分地利用风能资源，有着十分重要的意 义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电 机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效 率，而风力机的效率乂在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力 机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。 从风力机的气动曲线可以看出，存在一个最佳周速比入，对应一个最佳的效率。所以 风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比X。另外，山于要考虑电网对有功功率和无 功功率的要求，所以风力机最佳工况时的转速应山其气动曲线及电网的功率指令综合 得出。也就是说，风力发电机的转

32、速随风速及负荷的变化应及时作出相应的调整，依 靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变 电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角， 达到调节其转速、有功功率和无功功率的U的，既提高了机组的效率，乂对电网起到 稳频、稳压的作用。图2是按这种控制思路得出的风力发电双馈电机控制系统框图。整个控制系统可分为三个单元:转速调整单元、有功功率调整单元、电压调整单 元（无功功率调整）。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功率指令，并产生一 个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值、频率与相位角，以满足系统 XX大学木科生毕业设讣（论

33、文）的要求。山于双馈电机既可调节有功功率，乂可调节无功功率，有风时，机组并网发 电;无风时，也可作抑制电网频率和电圧波动的补偿装置。2.5双馈电机数学模型双馈感应式发电机的系统结构图如图2.2所示。发电机采用三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接双PWM变换器提供交流励磁。图2. 2变速恒频双馈风力发电系统结构图13本文中电机定转子均采用电动机惯例,双馈电机在同步转速旋转的呦坐标系下的 定转子电压平衡方程为:% =也+也A 一肖纱®atd屮% =，站+警-0列（-©）atdy/（1）式中：U&、Kqx Udr、UqF分别为定转子电压/轴和Q轴分量；ids、

34、iqs、九、加分别 为定转子绕组中电流轴和g轴分量；申冶、屮q$、屮卄、以“分别为定转子磁链轴 和§轴分量；©为同步角速度；©为转子角速。定转子磁链方程：屮 da =+ Lmidr屮 q£ = L$i + Lmiqr(2)<屮dr =厶山+ Lmiqs式中：Ls=L/+Lfn, Lr=L2+Lm,厶/为定子漏电感，厶2为转子漏电感，从为励磁电感。山（1）、（2）式消去磁链得到以电流为变量的描述双反馈发电机电磁暂态过程的状 态空间方程，有如下形式:cil(3)式中4、B为状态空间方程的系数矩阵，U为电压列向量，/为电流列向量。山于稳态运行时电流电压均

35、为常值，则山方程式（3）可得稳定运行时电压与电流 的关系式为(4)2.6三相静止abc坐标系下的数学模型双馈电机的数学模型与三相绕线式感应电机相似，是一个高阶、非线性、强耦合 的多变量系统。为了建立数学模型，一般作如下假设:1. 三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布2. 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的3. 忽略铁损4. 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。于是，实际电机就被等效为图2.3所示的物理模型了。双馈电机的数学模型包括电压方程、2.6.1电压方程选取下标s表示定子侧参数，下标r表示转子侧参数。定子各相绕组的电阻均取 值为转子各相绕组的电阻均取值为°。

36、于是，交流励磁发电机定子绕组电压方程为:XX大学木科生毕业设讣(论文)转子电压方程为:uc = rrie + Dy/e0一匚000000000(3-7)u = Ri+D屮式中:定子和转子相电压的瞬时值;定子和转子相电流的瞬时值;各组绕组的全磁链;定子和转子的绕组电阻 微分算子扌2.6.2磁链方程定转子各绕组的合成磁链是山各绕组自感磁链与其它绕组互感磁链组成，按照上 面的磁链正方向，磁链方程式为:V/八Sb LAC LAa LAb LAeIaWb_ Lba _ Lrb _ Lbc LBa LRh Lb(.J_ Sb _ Ly Lg La, LCc-_ LqB _ LqcLqaLabacla申bS

37、a G 厶比 G Lhb LgL(八L(b JcLgQbLy _U J(3-8)或写成:y/ = L/式中的电感厶是个"6的矩阵，主对角线元素是与下标对应的绕组的自感，其他 元素是与下标对应的两绕组间的互感。山于各相绕组的对称性，可认定定子各相漏感相等，转子各相漏感也相等，定义 定子绕组每相漏感为定子每相主电感为厶，“，转子绕组每相漏感为转子每相主电感为厶/山于折算后定.转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙, 磁阻相等，故可认为：Lmx = Lmr o定子各相自感为：转子各相自感为:Lg = G = L“ = Lh. + Lmr两相绕组之间只有互感。互感可分为两类：定子三相

38、彼此之间和转子三相彼此之间的位置是固定的，故互感为常值定子任一相和转子任一相之间的位置是变化的，互感是的函数先看其中的第一类互感，山于三相绕组的轴线在空间的相位差是120%在假设气 隙磁通为正弦分布的条件下，忽略气隙磁场的高次谐波，互感为：cosQ2(f) =冷于是：XX大学木科生毕业设讣（论文）至于第二类定、转子间的互感，当忽略气隙磁场的高次谐波，则可近似为是定、 转子绕组轴线电角度2的余弦函数。当两套绕组恰好在同一轴线上时，互感有最大值 厶（互感系数），于是：15代入磁链方程，就可以得到更进一步的磁链方程。这里为方便起见，将他写成分块矩阵的形式：ABC- LaL；lABCyabc .L 一

39、JaiK _其中：ABC =WB ©J ；labc = tz U 汀;Lmr + Lbmrcosg厶、和厶两个分块矩阵互为转置，且与转角位置有关，他们的元素是变参数， 这是系统非线性的一个根源。为了把变参数转化为常参数需要进行坐标变换，这将在 后面讨论。需要注意的是：1. 定子侧的磁链正方向与电流正方向关系是正值电流产生负值磁链，不同于一般 的电动机惯例，所以式3-8中出现了负号2. 转子绕组经过匝数比变换折算到定子侧后，定、转子绕组匝数相等，且各绕组 间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可以认为转子绕组主电感、定子绕组主电感与 定转子绕组间互感系数都相等。即Lms = Lmr = L

40、sr o2.6.4运动方程交流励磁电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和山此产生的电磁转 矩之间的平衡关系。简单起见，忽略电机转动部件之间的摩擦，则转矩之间的平衡关 系为：(3-9)式中，几为原动机输入的机械转矩，7；为电磁转矩，丿为系统的转动惯量，知为 电机极对数，Q为电机的电角速度。从磁场能量根据机电能量转换原理，可以得出电磁转矩方程:1n2应该指出，上述公式是在磁路为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下得出XX大学木科生毕业设il-（论文）的，但对定、转子的电流波形没有任何假定，它们都是任意的。因此，上述电磁转矩 公式对于研究山变频器供电的三相转子绕组很有实用意义。2.7同步旋

41、转d-q坐标系下双馈发电机的数学模型因为定子绕组接入无穷大电网，定子旋转磁场角速度为同步角速度,因此， 我们选用在空间以恒定同步速3旋转的d-q坐标系下的变量替代三相静止坐标系下 的真实变量来对电机进行分析。在稳态时，各电磁量的空间矢量相对于坐标轴静止， 这些电磁量在d-q坐标系下就不再是正弦交流量，而成了直流量。交流励磁发电机非 线性、强耦合的数学模型在d-q同步坐标系中变成了常系数微分方程，电流、磁链等 变量也以直流量的形式出现，采用前面的正方向规定，即定子取发电机惯例，转子取 电动机惯例，如图2.4所示。% %图2.4 dq轴系双馈电机物理模型为了分析方便，我们考虑理想状况下的发电机模型

42、，并把转子量按匝数比折算到 定子侧，采用发电系统中常用的正方向规定方法：定子侧采用发电机惯例，转子侧采 用电动机惯例。于是我们可得到d-q同步坐标系下双馈发电机的数学模型：（1）定子电压方程：“屮亦% = 5 +遥仝-屮严"屮q$Uqs = rXlqs + J； + 屮山(2-12)（2）转子电压方程:17XX大学木科生毕业设讣（论文）(2-13)（3）定子磁链方程：%=也+也屮qs = L打+ L爲（4）转子磁链方程：心=厶b +厶丿d$匕n仏（5）定子有功功率和无功功率分别为:(2-14)(2-15)P。严认-认（6）转子侧有功功率和无功功率分别为:鬥=必+认。2=认一必(2-1

43、6)(2-17)（7）根据公式（28）带入（211）中，能够得岀电磁转矩方程：3T严才（2-18）以上各式中,下标“岸代表定子侧向量,下标“严代表转子侧向SoLLz+InnL,=L2 + Lm9L, . Li分别为定子和转子漏电感厶川为定转子间互感，©为同步角速度，（05 =®-®为转差角速度。以上（2-12） （2-18）构成了双馈电机的同步旋转dq坐标系下数学模型。山定转子电压方程和其磁链方程消去磁链得到以电流为变量的描述双馈风力发电 机电磁暂态过程的状态空间方程,有如下形式：(2-19)其中,A、B为状态空间方程的系数矩阵,U为电压列向量,1为电流列向量。X

44、X大学木科生毕业设讣（论文）19-Lrt血-厶厶LfLa - sLmmr2_ Lr tsLr Lm _ Lr LmsLLni - L、Lm L2厶 S-sLgL/2也厶巧一 L2(2-20)(2-21)00 -S厶 0o Lttl 0 LsL = L,厶一氏,s = ®-coT0一厶"2.8双馈风力发电机组应用前景综上所述，将双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调、机组效 率低等问题。另外，山于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压、 稳频的作用，提高发电质量。与同步机交一直一交系统相比，还有变频装置容量小（一 般为发电机额定容量的1020%）、重

45、量轻的优点，更适合于风力发电机组使用，同时 也降低了造价。将双馈电机应用于风力发电的设想，不仅在理论上成立，在技术上也是可行的。 与现有的风力发电技术相比，无论从经济性，还是可靠性来看，都具有无可替代的优 势，具有很强的竞争力，有利于风电机组国产化的进程，其发展前景十分广阔。一般 多应用于l5mw双馈异步发电机。3双馈电机的参数辨识双馈风力发电机的参数辨识的研究很广泛，在在电气传动中，尤其是高性能应用 的场合，电机参数辨识具有重要的意义。在双馈风力发电机组中多采用矢量控制对双 馈风力发电机转速进行控制，具有比较出色的控制性能；矢量控制乂称磁场定向控制, 顾名思义，它是基于转子磁通保持不变的条件

46、下用磁场定向的方式实现转矩电流、励 磁电流的解耦，因此矢量控制技术的关键在于磁场定向，而影响磁场定向的一个重要 因素就是电机参数，当矢量控制系统用于未知电机时，需要在控制系统运行前获得这 些参数。为了抑制电机参数变化对双馈电机矢量控制系统性能的不良影响。本章中，我们先讨论双馈电机的电压跌落特性和参数辨识的方法，在得出结论之 后，根据电压跌落时瞬时电流表达式和瞬时电流特性分析进行参数辨识。3.2双馈电机的电压跌落特性双馈感应式发电机的系统结构图如图（3.1）所示。发电机釆用三相绕线式异步发 电机，定子绕组并网，转子绕组外接双PWM变换器提供交流励磁。山于电压跌落时间很短，故可不考虑转速变化，因此

47、五阶电机模型退化成四阶电 机模型。电压跌落的暂态过程可以看成是稳定运行的工况与定子侧加反向电压运行时 的工况两种悄况的叠加。当电网发生电压跌落时，引入电压跌落系数k和跌落时刻的 电压相角8,如当电网电压跌落到60%时即k = 0.6。在稳定的情况下，令% = 0, ugs = 1；电压跌落时加反向电压，令% = ksin0, IQ = kcos0-o根据DFIGd-q-0坐标系下的数学模型，可以得到消去磁链后以电流为变量的描述DF/G电磁暂态过程的状态空间 方程，如下：XX大学木科生毕业设讣(论文)ci/=Al BU(3-1)式中A、B为状态空间方程的系数矩阵，U为电压列向量，/为电流列向量。

48、山于稳态运行时电流电压均为常值，则由方程式(3-1)可得稳定运行时电压与电 流的关系式为(3-2)A/ + BU=O其中:U = kds % UdrI = iqs 乙LjsL$L他- LjLmSiL,0_厶”00L,0_厶”_厶”0厶00一厶”0厶%、llq、%、分别为定转子电压轴和Q轴分量；0$、iq$、dr、iqr分别为定转子 绕组中电流轴和q轴分量；心、匕、叭八 匕 分别为定转子磁链轴和q轴分量;®为同步角速度；©为转子角速。先求取电压跌落时定转子电流d轴分量和q轴分量的解析表达式，并在此基础上 对定转子电流昭轴分量进行分析。其基本思路是，对式(3-1)进行拉普拉斯变

49、换形 成矩阵形式的代数方程，求得定转子电流的解，再通过拉普拉斯逆变换求得在d-q-0 坐标系中电流随时间的变化规律，得到电压跌落前定子电流的d-q轴分量和低电圧穿 越时定子电流的d-Q轴分量。对公式(3-1)进行拉普拉斯分析，可以得到公式(3-3)：B fjpEI(p)-h)=AI(p) + (3-3)23其中E为单位矩阵；且7() = 00 0 07 o山于稳态运行时电流电压均为常值，则由方程式(3-1)可得稳定运行时电压与电流的关系式为AI + BU = 0(3-4)对(3-3)求解可得:BUP(3-5)对(3-5)式进行拉普拉斯逆变换可求得小”0坐标系中定、转子电流分量，并与 式(3-4

50、)稳定运行时的解叠加即为电网电压跌落时电流的轴分量。山于定子电阻很小，在短路的暂态过程分析时可以忽略不计。以定子电压为参考 向量，采用标么值，在任意转子励磁电压条件下，解方程式(3-2),经坐标变换后得到 稳态运行时定子A相电流的解析表达式为iAW = £ sint + Bl cost(3-6)其中：_ a(a0 + T) Liri(audr+suqr)1 j3L(s2+a2) L(s2 + a2)B _ 皿(a 0)Ls%+a%)1 PLss2+a1)L(s2 + ct2)g竺卩=2L P Lr在电压跌落的暂态过程的分析取稳定运行时功率因数为1,即ids=0Jqs=.加反向电压时，

51、令uds = 0, uqs =k-伙为电压跌落系数)，定子加反向电压时定子A相电流的解为：=Csin(l - s)t + Dcos(l - s)teat + E sin f + F cos / - 伙 _ MT)(C _0龙(3_7 ) (cr+(1 )0 L其中:Ua-fi)suL(a2+?)L(a2+s2)&皿一1)(一1 + 2$)(&-0) flL(a2 + s2)(a2 +(-s)2)XX大学木科生毕业设讣（论文）L(a-0)珂 0E= .厶(a'+“)厶(小+”)pL(a2 +s2)厶(a_0)Paunr+也伙l)(a 0)s%F 厶(a + s2)0 厶(

52、0 + s2)L (a_0)PL(a2 +s2)SU厶 3-0)八厂Y 0匚(0，+$_十)伙_1)(0_0)L(a2 + s2) Ua2 + s2) pL(a2 + s2)a2 + (1 - s)225将稳态及暂态定子A相电流叠加得到双馈风力发电机电压跌落时A相电流表达式:iA =/? + h2 sin(l - s)t + h3 cos(l - s)t eat + /?4 sin(r) + /?5 cos(r)(3-8)将表达式（3-8）化成标准形式为:；=g2esin(l-s)t + <pj + g3sin(t+(p2)+ht = idc + i“)+ i(3-9)其中:h _伙-从

53、$"&(/+(八 s)2)0厶h2 =Ua-P)-(a% + s%.)p、L(a2 +s2)PL(a2 +s2)a2 +(1 -s)2 ar2(k -1 )(-1 + 2s)( a- P)L( a - B) /、(-S% + auar )92q i加+$7%-0赂1丿 pL(a2 + 2 )a2 +(J-s)2 ll4 =L( a 卩)(.、%叫J以妙+为(丿L( a2 +s2 )pL( a2 +s2)h咛也-叫）卄0心丿L( a2 +s2)pUa1 +s2 )XX大学木科生毕业设讣(论文)式（3-8）中可见，第1项为直流分量，第2项为谐波分量，第3项A为基 波分量；直流分量

54、。只与电机的结构参数及转差率有关；而基波分量«及谐波分量 还与转子励磁电压有关。3.3双馈电机瞬时电流分析下面我们选取双馈电机三相短路状态（即电压跌落100%状态）研究分析瞬时电 流各分量的物理意义。为了使物理现象的分析更清晰，作如下假设：电机在短路前空载运行；短路过程中，转速保持不变；励磁电压不可调。三相短路前，空载运行电机的励磁绕组中，有定值励磁电流流通，励磁绕组的合 成磁链也为定值；定子绕组开路，电流为零；山励磁电流产生而匝链定子3个相绕组 的磁链，即这些绕组的合成磁链。山于转子转动，这些定子相绕组合成磁链将按正弦 规律以同步角频率交变。突然三相短路后，定子三相绕组突变为闭合绕

55、组。而一经闭合，就应服从闭合绕 组合成磁链不能突变的磁链守恒定律。在短路前瞬间山励磁电流产生并匝链定子各相 绕组的磁链，就如同被“捕获”在这些绕组之中。这3个被“捕获”的磁链构成一个 与励磁电流产生的磁场强度相等、方向相同、但在空间不动的定子合成磁场。为维持 这一空间不动的磁场，定子绕组中应有相应的直流电流流通，这就是定子绕组中直流 分量0的山来，它是一无电源供电的自山电流分量。转子在短路后继续向前转动，有 使励磁电流产生的磁通，仍穿越定子绕组并使其仍具有按正弦规律以同步角频率交变 的磁链的趋势，但短路后己经闭合的定子绕组，必须服从磁链守恒定律，定子每相绕 组中都必须有一交流电流产生交变磁场，以抵制励磁电流产生磁通的穿越，这就是定 子绕组基波分量A ,的山来，它是一有电源供电的强制电流分量。定子同步角频率交 流电流分量产生的磁场的磁通，在突然闭合瞬间就有穿越励磁绕组的趋