第4章风力发电机组的运行特性

1、第四章风力发电机组的运行特性4.1风力发电系统的一般构成及分类14.2风力机的功率调节原理3风力机的输出功率3风力机功率调节原理5风力机相关技术参数54.3三相交流异步电机的基本电磁理论7三相交流异步电机的结构7三相交流异步电机的基本工作原理8静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型104.3.4 dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型134.4 电压源型变流器工作原理及运行特性174.4.1 三相电压源型变流器的基本工作原理174.4.2 三相电压源型变流器联网运行特性194.4.3 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性204.5定速型风电机组的运行特性23鼠笼式感应风电机组的运行

2、原理234.5.2 鼠笼式感应风电机组的风速-功率特性26鼠式笼感应风电机组的运行控制274.6变速型风电机组的运行特性31双馈感应式发电机组的转速调节原理31双馈感应式风电机组的运行控制原理33双馈感应式风电机组的功率传输特性34双馈感应式异步风电机组的撬杠保护36双馈感应式异步风电机组的运行操作384.7直驱式永磁同步风电机组的运行特性40永磁同步发电机的数学模型40永磁同步发电机的外特性41直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理42直驱式永磁同步风电机组的运行操作44参考文献46第4章 风力发电机组的运行特性风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统组成，其中风力机完成风能到机械能的转换，发

3、电机及其控制系统完成机械能到电能的转换1。本章将首先介绍风力发电系统的构成及各主要设备的运行原理，在此基础上，介绍恒速恒频式、变速恒频式和永磁直驱式等三种典型风电机组运行特性。4.1风力发电系统的一般构成及分类风力机和发电机是风力发电系统的基本部件，随着电力电子技术的飞速发展，现代大容量风力发电机组还引入了电力电子变换器，以实现发电机电磁功率与风力机机械功率的柔性匹配，进而改善风电机组的整体运行性能2。图4-1 风力发电系统的一般构成为风力发电系统的一般构成3，主要包括风力机、齿轮箱（可选）、发电机、电能变换装置（可选）等。图4-1 风力发电系统的一般构成根据图4-1 风力发电系统的一般构成中

4、各部件类型及组合的不同，目前主要有以下三类风力发电系统：1) 恒速恒频式（Constant Speed Constant Frequency, CSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组产生的交流电能的频率恒定，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。2) 变速恒频式（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子发出的交流电能的频率恒定，而发电机组的运行转速变化；通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应式异步发电机组。 3) 变速变频

5、式（Variable Speed Variable Frequency, VSVF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子侧产生的交流电能的频率和发电机组转速都是变化的，因此，此类风力发电系统需要串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。图4-2图4-4是几种典型风力发电系统的结构示意图。图4-2恒速恒频式风力发电系统结构示意图图4-3变速恒频式风力发电系统结构示意图图4-4变速变频直驱式风力发电系统结构示意图4.2风力机的功率调节原理风力机是风力发电系统中的原动机，其功能是将风的动能转换为机械能，驱动后续装置发电机旋转发电。风力机主要

6、包括风轮、塔架和对风装置。风轮是由轮毂及安装于轮毂上的叶片组成，是风力机捕获风能的部件；塔架是为了风轮能在地面上较高的风速中运行；对风装置是实现风向跟踪装置，使风轮总能处于最大迎风方向。现代大容量风力机为水平轴风力机，其优点是扫风面积大、风能利用系数Cp高（Cp能大于0.5）等。按风功率调节方式分类，风力机又可分为定桨距风力机和变桨距风力机两种。定桨距风力机其风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，难以对风功率的捕获进行精确的控制，其优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。变桨距风力机通过叶片桨距角调节实现风能捕获控制，在低风速条件下具有较高的风能捕获效率，高于额定风速时拥有平稳的风功率

7、输出。因此得到了广泛的应用。但其控制系统较为复杂，对风速的跟踪有一定的延时，可能导致风力机的瞬间超载4。4.2.1风力机的输出功率风力机从风中吸收的功率可用下式表示：（4-1）式中：Pm为风轮输出功率（W），Cp为风能利用系数表征风力机捕获风能能力的参数，A1=pR2为风力机叶片扫略面积（m2），r为空气密度（kg/m3），Vw为风速（m/s），R为风力机叶片半径（m）。由式（4-1）可知，风力机从风中吸收的功率与空气密度r、风速Vw、叶片半径R和风能利用系数Cp等都有关。在任一时刻，由于无法对空气密度、风速、叶片半径等施加控制，因此，为了获得最大风能捕获，唯一的控制参数便是风能利用系数Cp。

8、众所周知，如果接近风轮的空气的全部动能都被转动的风轮叶片所吸收，则风轮后的空气就不动了，然而空气不可能不动，所以风力机的风能捕获效率总是小于1；根据Betz理论，风力机的风能利用系数的理论最大值是0.595，其实际值通常在0.47左右。风力机的风能利用系数Cp与风力机叶片参数（如攻角、桨距角、叶片翼型）和风力机转速等有关。在实际应用中，往往用Cp-叶尖速比l的关系曲线来表示该风轮的空气动力特性，其中风轮的叶尖速比l定义为风轮叶尖的线速度与风速之比，即：l=WR/V（4-2）式中：W为风轮旋转角速度；R为风轮半径；V为风速。图4-5现代大功率风力机的Cp-l特性曲线示意图由图4-5可知，当叶尖速

9、比l取某一特定值时Cp值最大，与Cp最大值对应的叶尖速比称之为最佳叶尖速比。因此，为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随之变化，使之运行于最佳叶尖速。图4-6风力机的功率调节特性曲线（Popt是各风速下风力机最大输出功率点曲线最佳功率曲线）图4-6是不同风速下（风速V1、V2、V3和V4且V1V2V3V4）风力机的输出功率特性。由图可知，对于某给定风速，风力机有一最佳转速，在此转速下风力机捕获的风能最大，该转速即为最佳叶尖速。不同风速下的风力机最大输出功率点连线即为风力机最佳功率曲线。4.2.2风力机功率调节原理由前面分析可知，风力机输出功率与风速的三次方成正比，当风速超过额定

10、风速时，风力机输出功率将超过额定值，进而导致发电机组、齿轮传动机构等过载运行，威胁着风力发电系统的安全运行。因此，当风速超过额定风速时，往往需要对风力机的输出功率进行调节，以保证发电机、齿轮箱等设备运行于允许范围内。由前面的分析可知，调节风力机输出功率的有效途径是调节风能利用系数Cp，而Cp与风力机转速、风力机叶片空气动力特性密切相关，因此，通过调节风力机转速或风力机叶片空气动力特性即可实现风力机输出功率的调节。1. 定桨距风力机功率调节定桨距风力机是根据风力机叶片失速特性来调节风力机的输出功率。当风速超过额定风速时，风力机叶片翼型发生变化，使风力机风轮捕获风能的能力下降，保证风力机输出功率不

11、随风速上升而增加，而使输出功率不超过额定功率。2. 变桨距风力机功率调节变桨距风力机是通过调节风力机桨距角b来改变叶片的风能捕获能力，进而调节风力机的输出功率。风力机启动时，调节风力机的桨距角，限制风力机的风能捕获以维持风力机转速恒定，为发电机组的软并网创造条件。当风速低于额定风速时，保持风力机桨距角恒定，通过发电机调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。当风速高于额定风速时，调节风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。4.2.3风力机相关技术参数为了能够准确地描述风力机的运行性能，通常定义如下技术参数：1. 风速某一高度连续10min所测得

12、各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。2. 有效风速风速随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行。有效风速是指使风力发电机风轮安全转动的风速，有时也称可利用风速。3. 有效风速范围把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称作有效风速范围。设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围。一般设计时常取320m/s（也有取620m/s）的风速范围为有效风速范围。4. 有效风速可利用的时间把一年内有效风速所占的时间称作有效风速可利用时间。如东南沿海的泗礁岛年320m/s风速占7000h

13、以上，有效风速时间即7000h以上。5. 起始风速（切入风速）与停机风速（切出风速）在低风速下，风力发电机组的风轮虽然可以转动，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能。当风速上升到切入风速时，风力发电机组才开始发电。随着风速的不断升高，发电机组输出功率不断增加，当风速上升到切出风速，风力发电机组输出功率超过额定功率时，在控制系统的作用下机组停止发电。因此，切入风速为使风力发电机组开始发电的最小风速；切出风速为风力发电机组输出功率超过额定功率时的最小风速。对于不同厂商生产的风电机组，其切入、切出风速不完全相同，切入风速与切出风速之间的风速段称为“工作风速”。6. 额定风速与额定输出功率

14、风力发电机组产生额定输出功率时的最低风速，称为额定风速，它是由设计者为机组确定的一个参数。在额定风速下，风力发电机组产生出的功率，称为额定输出功率。7. 最大输出功率与安全风速最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发电机组可以发出的最高功率值。最大输出功率高，说明风力发电机组的发电机容量具有较大的安全系数。安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速。安全风速高，说明该机组强度高，安全性好，一般不要求机组在安全风速下工作。8. 风能利用系数Cp值高，表示风力机的空气动力性能好，风力机叶片吸收和转换风能的能力强，其理论最大极限值为0.593。4.3三相交流异步电机的基本

15、电磁理论三相交流异步发电机是一种通过定、转子绕组间的电磁耦合来实现机械能电能的能量转换装置。从电磁观点看，三相交流异步发电机可看作由一些相互耦合的线圈构成，这些线圈包括定子绕组、转子绕组等。研究三相交流异步电机的电磁关系是了解三相交流发电机运行问题的理论基础，对解决三相交流发电机运行问题具有重要的意义。为此，本节主要研究恒速恒频、变速恒频风电机组中的异步发电机组的基本电磁理论。4.3.1三相交流异步电机的结构三相交流异步电机主要由定子和转子两大部分组成，定、转子之间是空气隙。定子是一个圆筒形的铁心，在靠近铁心内表面的槽里嵌放了导体，把这些导体按一定的规律连接起来，叫定子绕组，也叫电枢绕组，三相

16、定子绕组在空间对称分布。高电压大、中型容量的异步电机定子绕组通常采用Y联结，只有三根引出线。对于中、小容量低电压异步电机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形（Y联结）或D形（D联结）。圆筒形铁心的中间是可以旋转的转子。在转子铁心槽中，嵌放着转子绕组。转子绕组有鼠笼式绕组和绕线式绕组两类。如果是鼠笼式异步电机，则转子绕组是短接绕组，即是一种自行闭合的短路绕组。它是由插入转子铁心每个槽中的导条以及转子铁心两端的端环构成。在转子的每个槽里放上一根导条，每根导条都比转子铁心长，转子导条两端分别接在自行短路的端环上，即在转子铁心两端用两个端环把所有的导体都短接起来，形成一个自己短

17、接的绕组。如果去掉铁心，单看转子导条的外型，就象一个松鼠笼，故称为鼠笼式绕组。如果是绕线式异步电机，转子绕组嵌放在转子铁心槽中，和定子绕组相似，三相绕组在空间对称分布，它可以是Y或D联结，一般，小容量电机用D联结，中、大容量电机都采用Y联结。转子绕组的三条引线分别接到转轴的三个滑环上，通过电刷装置引出来，从而可以把外接电阻或交流变频励磁调速电源串联到转子绕组回路里去，实现调速目的6-8。图4-7为绕线型异步电机结构纵向剖面示意图。图中：sA和sA、sB和sB、sC和sC分别表示A、B、C三相定子绕组；ra和ra、rb和rb、rc和rc分别表示a、b、c三相转子绕组。图4-7绕线型异步电机结构纵

18、向剖面示意图4.3.2三相交流异步电机的基本工作原理下面以鼠笼式异步电机为例，分析三相交流电机的基本工作原理。把鼠笼式异步电机的定子接到三相电源时，定子中会有三相电流，定子电流产生一系列的气隙旋转磁通密度。其中起主要作用的是以同步速、顺着绕组相序旋转的基波气隙旋转磁通密度。同步速的大小取决于电网频率和绕组极对数，即n1=60f/p。（a）电动状态 （b）发电状态 （c）制动状态图4-8鼠笼式异步电机运行状态示意图图4-8（a）是一台二极异步电动机的气隙磁通密度和转子转向示意图，n1箭头表示气隙磁通密度的旋转方向，最里边的那个大圆圈代表转子，其中两个小圆圈代表转子绕组的导体，和分别表示电流流入、

19、流出纸面方向。先考虑转子还没有转动起来的情况。在图中所示的瞬间，气隙旋转磁通密度形象地用N、S极表示，例如，这时N极在上面，S极在下面。于是，气隙旋转磁通密度切割转子导体而感应电动势，图所示瞬间，假设导体中电流的方向与感应电动势同相，根据右手定则，转子导体电流方向如图中的和所示。根据气隙旋转磁通密度的极性和电流方向，利用左手定则可以看出，会产生一个与气隙旋转磁通密度同方向的电磁转矩，作用在转子上，如果这个电磁转矩能够克服加在转子上的负载转矩，转子就能旋转起来，并加速旋转。如果转子的转速n能加速到等于同步速n1时，转子绕组和气隙旋转磁通密度之间就没有相对运动，当然转子绕组中也就没有感应电动势，电

20、流和电磁转矩都等于零。这就是说，这种情况不可能维持下去。但是，只要nn1或Sn1，使气隙旋转磁通密度切割转子导体的方向反了，导体中电动势、电流的方向以及产生的电磁转矩的方向也反了。这种情况下，电磁转矩对原动机来说，是一个制动转矩。要保持电机转子继续转动，原动机必须给电机输入机械功率，于是，异步电机定子向电网发送功率，即处于发电状态。如果用其他机械拖动电机转子向着气隙旋转磁通密度转向相反的方向转动，即S1，如图4-8（c）所示。这时转子中电动势、电流的方向仍然与电动机工作状态时的一样，作用在转子上的电磁转矩方向仍然与气隙旋转磁通密度的方向一致，但是，与转子的实际转向却相反了。可见，这种情况，电磁

21、转矩与拖动机械加在电机转子上的转矩二者方向相反，互相平衡，而电磁转矩为制动性转矩。把这种情况叫做电机处于电磁制动状态运行。电机除了吸收拖动机械的机械功率外，还从电网吸收功率，这两部分功率在电机内部都以损耗的方式最终转化为热能散发出来。对于双馈感应式异步电机，其绕组结构与绕线型异步电机相同，不同之处是在普通绕线型异步电机的基础上外加了交流变频励磁电源如背靠背四象限变流器。其运行特征是定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子电源为电压的幅值、频率和相位根据运行要求可分别进行调节的变频电源。对转子电源频率的要求很严格，即要求在任何情况下，都应与转

22、子感应电动势同频率。双馈感应型异步电机转子可以根据运行要求接原动机或机械负载。转子绕组由背靠背四象限变流器供电，负责控制电机的磁场变化。根据转子绕组加入的励磁电源电压的幅值、频率和相位的不同，双馈感应式异步电机可以运行在发电、电动和电磁制动三种不同的状态。4.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型为了便于定量分析三相交流异步电机的能量转换过程，本节基于理想电机假设，建立了三相交流异步电机的数学模型，即假设：1) 电机铁心的导磁系数为常数，即忽略铁心磁饱和、磁滞的影响，也不计涡流及集肤作用等的影响；2) 对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的，即电机磁路在空间上完全对称；3) 定

23、（转）子三相绕组的位置在空间上互相相差120电角度，三个绕组在结构上完全相同；4) 定子绕组和转子绕组均在气隙空间中产生正弦分布的磁动势；5) 只考虑气隙基波磁场的作用，忽略谐波磁动势，谐波磁通及相应的谐波电动势的影响；6) 定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面；转子上没有阻尼绕组。在此基础上，对定转子绕组回路电压电流正方向、定转子电流与磁链间正方向等做如下规定：1) 定子绕组回路电压极性及其电流正方向采用发电机惯例（从定子绕组端电压的正极性端流出为定子电流正方向），并规定负值定子电流产生正值磁链，且磁链正方向为绕组轴线方向；2) 转子绕组电

24、压极性及其电流正方向采用电动机惯例（从转子绕组端电压的正极性端流入为转子电流正方向），并且规定正值转子电流产生正值磁链，磁链方向为转子绕组轴线方向。根据以上假设，可得到如图4-9所示的三相交流异步电机绕组空间分布剖面示意图，电机转子由原动机驱动、相对于定子逆时针方向以电角速度wr旋转。图4-9三相交流电机绕组空间分布纵向剖面示意图图中：sA和sA、sB和sB、sC和sC分别表示A、B、C三相定子绕组；ra和ra、rb和rb、rc和rc分别表示a、b、c三相转子绕组；、分别表示电流流入、流出纸面方向；定子A相绕组轴线正方向为空间位置参考方向即sD轴，转子绕组a相轴线即ra轴超前sD轴qr电角度。

25、1. 电压方程根据所规定的电压、电流和磁链正方向，定、转子电压方程可表示为：（4-5）（4-6）式中：Rs、Rr分别为定、转子绕组电阻；usx、urx，isx、irx，sx、rx(xa,b,c)分别为定、转子绕组电压、电流和磁链。2. 磁链方程其中，定、转子绕组磁链与电流之间的关系为：（4-7）式中：s(t)=sA(t) sB(t)sC(t)T；r(t)=ra(t)rb(t)rc(t)T；is(t)=isA(t)isB(t)isC(t)T；ir(t)=ira(t)irb(t)irc(t)T ；Lss、Lrr、Lsr=LrsT均为3行*3列的电感子矩阵，分别表示定子绕组电感矩阵、转子绕组电感矩阵

26、和定、转子绕组之间的互感矩阵。当假定三相定子绕组和三相转子绕组除了各自漏磁通之外，只存在同时和这6个绕组都交链的公共磁通，而不存在只和其中任意2个、3个、4个或5个绕组交链的磁通（公共磁通假设），则有，式中：qr=rt+qr0为转子a相绕组轴线与定子A相绕组轴线之间的空间位置角，qr0为t=0时qr的初值；r为转子旋转电角速度。Ls=Lsm+Lsl，Lr=Lrm+Lrl，Ms=-Lsm/2，Mr=-Lrm/2，Msr2=Ms*Mr各电感量的物理含义：根据公共磁通假设，与电机绕组交链的磁通主要有两类：一类是与所有绕组均交链的穿过气隙的公共磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是

27、主要的。定子绕组漏磁通所对应的电感称作定子漏感Lsl，由于各相绕组结构的对称性，定子各相漏感值均相等；同理，转子各相漏磁通对应于转子漏感Lrl，转子各相漏感值也均相等。公共磁通与定子绕组相交链对应的最大互感为Lsm，即当公共磁通方向与定子绕组轴线方向重合时，定子绕组所交链的磁链最大；由于定子绕组之间的空间相对位置固定且互差120电角度，故定子绕组间的互感磁链Ms=-Lsm/2。同理，公共磁通与转子绕组相交链对应的最大互感为Lrm，即当公共磁通方向与转子绕组轴线方向重合时，转子绕组所交链的磁链最大；由于转子绕组之间的空间相对位置固定且互差120电角度，故转子绕组间的互感磁链Mr=-Lrm/2。定

28、、转子绕组之间的互感磁链与两者之间的相对空间位置有关，故定、转子绕组之间的互感是空间位置角的时变函数，如Lsr，Lrs矩阵表达式所示，其最大值为Msr2=Lsm*Lrm=Ms*Mr。假设公共磁通回路的磁阻为R，定、转子绕组的有效线圈匝数分别为Ns、Nr，则定子绕组最大互感Lsm=(Ns)2/R、转子绕组最大互感Lrm=(Nr)2/R，定、转子绕组间的最大互感Msr=NsNr/R=（Lsm*Lrm）1/2。3. 转子运动方程电机转子运动方程为（4-8）式中：r为转子旋转电角速度（rad/s），Np为转子极对数，TJ为发电机组的转动惯量（kgm2），Tm为机械力矩（Nm），Te为电磁力矩（Nm），

29、且（4-9）式（4-5）、（4-6）、（4-7）、（4-8）和（4-9）构成了abc静止坐标系下的交流电机方程，其中包含了6个电压方程、6个磁链方程和1个转子运动方程。以上共计13个方程，为7阶数学模型，含有变量usabc、rabc、isabc、rabc、ysabc、rabc、Tm和wr共20个，故还需要有7个约束（或已知）条件方程方可求解。这7个约束条件如下：Tm为原动机输出机械力矩，设为已知；定子三相绕组与电网连接，定子三相电压认为已知；转子三相电压由电机运行要求给定。因此，总的方程数与变量数平衡，可以求数值解。4.3.4 dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型由上述分析可知，电机

30、绕组的互感系数为时变，从而使电机动态过程问题变为求解含有时变系数的微分方程组问题，造成求解的困难。为了解决这个问题，通常根据电机的双反应理论，即任何一组三相平衡定（转）子电流产生的合成磁场，总可以由两个轴线相互垂直的磁场所代替，以两个轴线分别在d、q轴上、与合成磁场同步旋转的定（转）子绕组代替定（转）子三相真实绕组。1. 电压方程根据电机的双反应理论，在同步旋转dq坐标系下的电机电压方程为：（4-10）式中：usd、usq，isd、isq，ysd、ysq分别为d、q定子绕组电压、电流和磁链；urd、urq，ird、irq，yrd、yrq分别为d、q转子绕组电压、电流和磁链；s为转差角速度，s=

31、1-r。，,，C1、C2为Park变换矩阵，本文选择：（4-11）（4-12）式中：q1=1t+q10为同步旋转坐标系的d轴与三相静止坐标轴系的A相绕组轴线之间的夹角，1为同步旋转坐标系的旋转角速度，q10为t=0时q1的初值；qs=st+qs0为同步旋转坐标系的d轴与三相转子坐标轴系的a相绕组轴线之间的夹角，s=1-r为转差角速度，qs0为t=0时qs的初值。2. 磁链方程同步旋转坐标系下的磁链方程为：（4-13）式中：sdq=sd，sqT；rdq=rd，rqT；isdq=isd，isqT；irdq=ird，irqT； ，Lm为dq坐标系同轴定子与转子等效绕组间的互感，Lm=1.5Lsm；L

32、s为dq坐标系定子等效两相绕组的自感，Ls=1.5Lsm+Lsl=Lm+Lsl；Lr为dq坐标系转子等效两相绕组的自感，Lr=1.5Lrm+Lrl=Lm+Lrl。3. 功率方程忽略定、转子绕组磁链动态过程，则由发电机定、转子电压方程，可以获得定子发出功率Ps和转子吸收功率Pr分别为：（4-14）上式等号右边第一项反映了定子绕组损耗，第二项反映了速度电动势对输出电功率的贡献，其值即为跨气隙传输到定子的电磁功率。（4-15）上式中等号右边第一项反映了转子绕组损耗，第二项反映了速度电动势对输出电功率的贡献，其值即为跨气隙传输到转子的转差功率。由转子功率方程可知，当转子转速小于同步速，即wsw1-wr

33、0时，Pr0，此时转子绕组需要从外部电源吸收电功率；而当转子转速等于同步速，即ws0时，转子绕组从外部电源吸收的电功率全部转化为转子绕组损耗；当转子转速大于同步速，即ws0时，表示变流器工作在整流状态，从电网吸收能量；P0表示变流器从电网吸收滞后的无功功率；Q0表示变流器从电网吸收超前的无功功率。由上式可知，通过分别控制电网电流空间矢量的d、q轴分量，即可实现变流器与电网之间的有功、无功交换的解耦控制。而由两相同步旋转坐标系下的变流器电压方程可知，电压源型变流器电压方程中含有与d、q轴电流相关的交叉耦合项，故需要解耦技术才能实现d、q轴电流（有功、无功）的独立控制。4.4.3 背靠背四象限电压

34、源型变流器联网运行特性背靠背电压源型变流器的电路原理结构如图4-11所示，是由两个结构相同的电压源型变流器（VSC1和VSC2）以“背靠背”方式、通过中间的直流环节耦合而成。两侧变流器与交流系统之间可以进行独立的无功功率交换，但是进行有功功率传输时，两者需要协调控制，以保证直流侧电容电压的恒定。图4-11背靠背电压源型变流器的主电路结构图1. 背靠背电压型变流器联网运行电压方程参考图4-11所示正方向，背靠背电压源型变流器在静止坐标系下的状态方程可表示为：（4-23）（4-24）（4-25）式中：ux1、ux2分别为VSC1、VSC2交流侧输出相电压的基波分量（x=a,b,c）。同理，将上述状

35、态方程转换到电网电压空间矢量定向的两相同步旋转坐标系（dq坐标系）下，则背靠背四象限变流器状态方程为：（4-26）（4-27）（4-28）式中：md1ud1/udc，mq1uq1/udc，md2ud2/udc，mq2uq2/udc。w1、w2分别为VSC1、VSC2所联交流电网角频率。由上式可知，背靠背四象限变流器为5阶模型，状态量为id1,iq1,id2,iq2,udc；控制量为ud1,uq1,ud2,uq2；当状态量初始值已知时，则给定一组控制量（因电网电压空间矢量幅值E1、E2已知），即可求解出一组状态量。2. 背靠背电压型变流器与交流电网间的功率交换特性忽略连接电感、电阻上的损耗，则流

36、入VSC1、流出VSC2的有功功率、无功功率分别为：（4-29）（4-30）由于E1、E2均为常数，因此对有功功率和无功功率的控制可转化为对有功电流id1（id2）和无功电流iq1（iq2）的控制。忽略变流器开关损耗，则输入VSC1的有功功率应等于直流侧输出功率，变流器VSC2直流侧注入功率应等于其交流侧的输出功率，即：（4-31）（4-32）由电容电压状态方程可知，为维持直流侧电容电压udc恒定，需使i01=i02，即要求背靠背变流器与两端交流系统间的有功功率交换需保持平衡。3. 背靠背电压型变流器并网操作为了防止背靠背电压型变流器接入交流电网时造成电流冲击，要求遵循一定的操作步骤，以实现无

37、冲击联网。图4-12背靠背电压源型变流器并网操作示意图VSC1、VSC2分别通过断路器与交流电网相联。1） 合KM1，使VSC1经充电电阻对直流侧电容充电；2） 合KM2，旁路充电电阻，使VSC1直接进入不控直接整流；3） 给定直流侧参考电压控制指令，控制VSC1产生相应的控制脉冲，使VSC1运行于直流侧电容电压控制模式；4） 根据KM3断口系统侧电压，控制VSC2产生相应的控制脉冲，使VSC2交流输出电压基波分量与KM3断口系统侧电压相等，此时合上开关KM3，实现VSC2无冲击并网；5） VSC2接受指定有功功率、无功功率参考指令，实现指定功率交换控制。4.5定速型风电机组的运行特性定速型风

38、力发电系统的显著特点是风电机组转速变化范围非常小甚至不变，其典型机型是鼠笼式感应风电机组，主要由定速定桨风力机、增速齿轮箱和鼠笼式感应发电机等构成。本节主要研究鼠笼式感应发电机的运行原理、运行状态及运行操作等内容。4.5.1鼠笼式感应风电机组的运行原理1. 鼠笼式感应发电机的稳态模型根据三相交流异步电机电磁理论，忽略定、转子绕组动态过程，则鼠笼式感应发电机组在同步旋转坐标系下的电压方程为：（4-33）式中：Usd、Usq、Urd、Urq分别为定、转子电压的d、q轴分量；Isd、Isq、Ird、Irq分别为定、转子电流的d、q轴分量；Rs、Rr分别为定、转子的电阻；w1、ws分别为鼠笼感应发电机

39、组的同步角速度和转差角速度；ysd、ysq、yrd、yrq分别为定、转子磁链的d、q轴分量，其表达式为：（4-34）将磁链表达式代入电机电压方程，并整理成矢量形式可得：（4-35）式中：xs=w1*Lsl，xr=w1*Lrl，xm=w1*Lm，Ls、Lr、Lm分别为定、转子绕组的自感及定、转子绕组间的互感。据此可得如图4-13所示的鼠笼感应电机等效电路图，图中İm=-İs+İr。当电机处于发电运行状态时S0，即Rr/S0，Rr/S相当于一个电源向定子侧发送功率。由于励磁电抗比定、转子漏抗大得多，因此可以得到更为实用的G型等效电路，即将励磁支路移到定子侧，图4-14为鼠笼式感应电机的G型等效电路

40、。图4-13鼠笼式感应电机T型等效电路图图4-14鼠笼式感应电机G型等效电路图2. 鼠笼式感应发电机组的功率与转矩由鼠笼式感应电机的G型等效电路图，可得到定子电流为：（4-36）故鼠笼式感应发电机组定子发出功率为：（4-37）由此可知，电机发出的有功功率Ps等于原动机传输给电机转轴上的机械功率Pm减去定、转子绕组的铜耗功率Ps.Cu和Pr.Cu，即：（4-38）其中：（4-39）（4-40）（4-41）由于鼠笼式感应电机运行于发电状态时，S0。发电机组发出的无功功率为：（4-42）即无论是运行于电动状态（S0），还是发电状态（S0），鼠笼式电机发出的无功功率都小于零，即需要外部电源提供无功，其

41、中上式右端第一项表示定、转子漏抗消耗的无功功率，且随电机输出有功功率的增加而增加，第二项表示励磁电抗消耗的无功功率即激磁无功功率，仅与电机端电压有关。由式（4-38）可知，鼠笼式感应电机运行于发电状态（S4m/s的条件下，即可自起动到发电机的额定转速。2. 待机检测并网控制当风速V大于切入风速（一般为3m/s）时，风轮开始逐渐起动，但不足以将风力发电机组拖动到切入转速；或者风力发电机组从小功率状态切出，没有重新并入电网，这时的风力机处于自由转动状态，称为待机状态。待机状态除了发电机没有并入电网，机组实际上已处于工作状态。这时控制系统已做好并入电网的一切准备（如机械刹车已松开，风力机叶轮的叶尖阻

42、尼板已收回，风轮处于迎风状态，风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中等），一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。由于异步发电机并入电网运行时，是靠转差来调整负荷的，其输出功率与转速近乎成线性关系，因此对机组的调速要求，不像同步发电机那么严格精确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可以并网。鼠笼式感应风力发电系统中的并网方法主要有以下三种。1) 直接并网这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的鼠笼式感应发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由测速装置给出，而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。这种并网方式比同步发电机的

43、准同步并网简单。但这种并网方式在并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降。这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的断路器断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使低压保护动作，从而导致鼠笼式感应发电机根本不能并网。因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下，而电网容量较大的情况下。中国最早引进的55kW风力发电机组及自行研制的50kW风力发电机组都是采用这种方法并网的。2) 降压并网这中并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除，这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组，显见这种并网方法的经济性较差，中国引进的200kW鼠笼式感应发电机组，就是采用这种并网方式，并网时发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。3) 通过晶闸管软并网这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间，通过基于双向晶闸管的软启动器并网，如图4-18所示，双向晶闸管的两端与并网自动开关K2并联。这种软并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电