【正文】 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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)速度仍將繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景看好。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量大，分布面廣，全國(guó)大約有 2/3 的地區(qū)為多風(fēng)地帶。我國(guó)己經(jīng)開(kāi)始了 MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)上作，這是我國(guó)自主研制開(kāi)發(fā)的最大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將填補(bǔ)中國(guó)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的空白。 在風(fēng)力 發(fā)電技術(shù)方面，目前世界上流行的風(fēng)電技術(shù)主要有以下幾種： 1．定漿距調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)技術(shù)。變漿距調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：漿葉受力較小，因此風(fēng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)部件可做得比較輕巧；其缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 理論上來(lái)說(shuō)這種技術(shù)是最優(yōu)化的調(diào)節(jié)方式。同時(shí)采用矢量變換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率、無(wú)功功率解耦控制。這種方案實(shí)現(xiàn)了變速恒頻，具有了變速運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，適用于風(fēng)力變化較大的環(huán)境能力強(qiáng)，而且維護(hù)簡(jiǎn)便。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)既能輸出有功功率，又能提供無(wú)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。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?cè)诓粩鄬で笮碌耐緩浇鉀Q電力系統(tǒng)穩(wěn)定和無(wú)功問(wèn)題的時(shí)候，提出了采用交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)取代或部分取代常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的設(shè)想，并已由理論到實(shí)踐取得了一定成果。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，不僅可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，也可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的 有功功率。有關(guān)雙饋發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制方案以及系統(tǒng)運(yùn)行性能分析將是本文要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。 3．針對(duì)雙饋異步電機(jī)能量流動(dòng)的特點(diǎn)，選擇了系統(tǒng)所用變頻器類(lèi)型，分析了雙 PWM 變換器的運(yùn)行機(jī)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(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，分析了電網(wǎng)不平衡條件下雙饋電機(jī)的控制策略。 由風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性可得，風(fēng)力機(jī)的輸入功率如（ 21）所示 （ 21） 式中，為空氣密度；為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；為空氣進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面積以前的風(fēng)速 即未擾動(dòng)風(fēng)速 。設(shè)齒輪傳動(dòng)比為 N，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn) 子機(jī)械轉(zhuǎn)速為，則有 : （ 27） 風(fēng)力機(jī)可分為變漿距和定漿距兩種。一般的水平軸風(fēng)力機(jī)，同時(shí)考慮到在風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)力機(jī)會(huì)受到風(fēng)速與風(fēng)向波動(dòng)的影響，實(shí)際大致在 左右，很難超過(guò) 。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以通過(guò)控制發(fā)電機(jī)輸出功率的辦法，使得在不同風(fēng)況下 ，風(fēng)力機(jī)都能運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳的葉尖速比，從而跟蹤這條最大功率曲線(xiàn)，這有效地提高了風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)分別運(yùn)行至風(fēng)力機(jī)功率曲線(xiàn)和最優(yōu)功率曲線(xiàn)的交點(diǎn) C 時(shí)，功率將重新達(dá)到平衡。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)力條件的變化而變化時(shí)，只要能利用變頻器相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流頻率，以改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度， 當(dāng)亞同步速運(yùn)行時(shí)，維持；當(dāng)超同步速運(yùn)行時(shí)，維持， ，就可以在定子上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)即可做到變速恒頻運(yùn)行。當(dāng)然要真正實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還有一個(gè)前提就是找到合適的勵(lì)磁控制方法。 寫(xiě)成矩陣形式為： （ 212） 或?qū)懗桑? （ 213） ： 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。與分析感應(yīng)電機(jī)的方法類(lèi)似，根據(jù)磁勢(shì)與電勢(shì)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： 221 由基本方程式可得等效電路如圖 2― 5 所示： 圖 25 雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等效電路 式中，為定子電壓；為定子電流；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(lì)磁電流；為勵(lì)磁電阻；為勵(lì)磁電抗；為轉(zhuǎn)差率；為感應(yīng)電勢(shì)。風(fēng)輪輸出的機(jī)械功率，減去齒輪箱功率損耗才是輸入到雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的凈機(jī)械功率。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(jī)運(yùn)行特性與功率流動(dòng)關(guān)系，分析得出雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個(gè)特點(diǎn)就是發(fā)電機(jī)可變速運(yùn)行，可控制轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)風(fēng)力機(jī)的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風(fēng)能。 把三相電動(dòng)機(jī)的各空間矢量的位置關(guān)系畫(huà)在同一坐標(biāo)系中，就是三相電動(dòng)機(jī)的空間矢量圖，簡(jiǎn)稱(chēng)矢量圖。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，不論是直流電機(jī)，還是交流電機(jī)，均可以用氣隙磁鏈?zhǔn)噶颗c電流矢量的乘積來(lái)表示，即 33 對(duì)于直流電機(jī)，即為電樞電流；對(duì)于交流電機(jī)，可以是定子電流，也可以是轉(zhuǎn)子電流。 交流電機(jī)則不同。由此可知，處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相固定對(duì)稱(chēng)交流繞組，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，可以等效為靜止兩 相直角坐標(biāo)系上的兩相對(duì)稱(chēng)固定交流繞組，并且可知三相交流繞組中的三相對(duì)稱(chēng)正弦交流電流、與兩相對(duì)稱(chēng)正弦交流電流、之間必存在著確定的變換關(guān)系。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(chǎng)及三相交流繞 組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同，則 MT 直流繞組與交流繞組及 ABC 交流繞組等效。 由于將直流標(biāo)量作為電機(jī)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(jī)的運(yùn)行，均是通過(guò)矢量坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此將這種控制系統(tǒng)稱(chēng)之為矢量變換控制系統(tǒng) Transvector Control System 通常簡(jiǎn)稱(chēng)為矢量控制系統(tǒng) vector ControlSystem 。 引入一個(gè)零序電流，并令，式 312 可變?yōu)? （ 313） 再令，便可得到 （ 314） 式 314 即為由兩相向三相變換的變換算式。分解出這兩項(xiàng)構(gòu)成線(xiàn)性組合的目的是通過(guò)電壓補(bǔ)償計(jì)算來(lái)簡(jiǎn)化控制。由此可知，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器是保證 DFIG 乃至整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。一方面，不希望變換器從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，另一方面，為了建立額定氣隙磁通， DFIG 轉(zhuǎn)子需要吸收一定的無(wú)功功率，尤其當(dāng) DFIG 向負(fù)載輸出感性無(wú)功功率時(shí)，轉(zhuǎn)子需要的無(wú)功功率更大。這種變換器的輸出電壓是由若干斷電網(wǎng)電壓拼接而成，因而含有大量的低次諧波，其輸入、輸出特性一般不理想，但功率可雙向流動(dòng)。因此， PWM 整流器實(shí)際上是一個(gè)交、直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行變換器，既可工作于整流狀態(tài)，又可工作于逆變狀態(tài)。網(wǎng)側(cè)變換器的主要功能是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，確保機(jī)側(cè)變換器乃至整個(gè) DFIG 勵(lì)磁系統(tǒng)可靠工作。雙 PWM 型變換器的直流環(huán)節(jié)配置有電容，可以發(fā)出一定大小的無(wú)功功率。對(duì)于整流器，所關(guān)心的是它的輸入電流和輸出電壓，選擇作為狀態(tài)變量。本節(jié)建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 DFIG 完整的數(shù)學(xué)模型，以此為工具對(duì) DFIG 的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。 由定子坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得 定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁統(tǒng)方程為： （ 423） （ 424） 式中，為同步角速度，為轉(zhuǎn)差角速度。因此，在并網(wǎng)條件下對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，就可以認(rèn)為是對(duì)定子電流的控制。為了獲得有功功率和無(wú)功功率的解耦控 制，一般把定子磁鏈或定子電壓定向于同步坐標(biāo)系下的 d 軸，這里采用定子電壓定向。 在靜止坐標(biāo)系中的正序和負(fù)序分量被轉(zhuǎn)換到分別以角速度和旋轉(zhuǎn)的 dq +和 dq 坐標(biāo)系中。 將式 437 代入式 426 轉(zhuǎn)子電壓方程可得 （ 438） 由式 438 即可得到轉(zhuǎn)子電壓的控制量、轉(zhuǎn)子電流 dq 軸分量之間的交叉耦合項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的性能影響并不大，可以通過(guò)一定的控制器消除該耦合項(xiàng)的影響。 圖 46 所示為定子坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng) Park Model。規(guī)定定子和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、電流正方向取電機(jī)慣例。 將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的軸定于電網(wǎng)電壓空間矢量方向上，有約束條件： 416 若采用恒功率坐標(biāo)變換，定子側(cè)變換器輸入有功功率和無(wú)功功率分別為： 417 由上式我們可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，控制軸電流即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率，控制軸電流即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的無(wú)功功率。 定子側(cè) PWM 變換器的數(shù)學(xué)模型 三相電壓源 PWM 整流器是雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差功率流動(dòng)控制的執(zhí)行部件，因此建立 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型，是研究對(duì)三相 PWM 整流器進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。兩個(gè)變換器通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。 雙 PWM 型變換器的主電路如下圖 43 所示，其中、為定子側(cè)變換器交流側(cè)三相電網(wǎng)相電壓，、為定子側(cè)變換器交流側(cè)三相流入電流；，是進(jìn)線(xiàn)電抗器的等效電阻和電感；為直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能電容；“、分別是電容電壓和電容電流；、分別是流經(jīng)定子側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器直流母線(xiàn)的電流；、是 DFIG 轉(zhuǎn)子繞組的漏感和等效電阻；、是 DFIG 轉(zhuǎn)子三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不受限制，可獲得正弦波的輸入、輸出電流，可在接近于l 的功率因數(shù)下運(yùn)行，能量也可以雙向流動(dòng)，但目前因?yàn)樯唐坊p向開(kāi)關(guān)器件而使其電路結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜，控制方法還不成熟。 4．目前變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量己達(dá)到幾個(gè) MW，盡管雙饋發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁只需轉(zhuǎn)差功率大小容量，但大容量的風(fēng)電機(jī)組的變換器容量仍可達(dá)到 MW 級(jí)，故勵(lì)磁裝置屬于大容量的半 導(dǎo)件變流裝置。因此，作為 DFIG 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的變換器，必須具有能量雙向流動(dòng)的能力。 式（ 46）―（ 49）組成了雙饋異步發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制的基本關(guān)系，描述定子磁鏈定向矢量控制的系統(tǒng)框圖如圖 42 所示，這是一個(gè)功率、電流閉環(huán)系統(tǒng)。 第四章 變速恒頻雙饋電機(jī)的控制策略 雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制策略 圖 41 定子磁場(chǎng)定向示意圖 由于發(fā)電機(jī)定子繞組接入工頻電網(wǎng)，與電抗相比可以忽略定子電阻，使得定子磁鏈?zhǔn)噶款I(lǐng)先于定子電壓矢量 90 度。 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(biāo)一極坐標(biāo)變換 K/P 。 （ 37） 式中，為變換矩陣。 從直流電機(jī)結(jié)構(gòu)看到，勵(lì)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。同步電機(jī)雖然定子電流和勵(lì)磁電流都可以進(jìn)行控制，但定子電流的變化對(duì)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(lì)磁電流的大小，而且與它們?cè)诳臻g的相對(duì)位置有關(guān)。直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)的速度公式為： （ 35） 由上式可知，保持不變，改變電樞電壓，速度可成比例變化。由于各電磁量均為三相對(duì)稱(chēng)正弦量，所以相量圖表示的是一相的電磁量。若在復(fù)平面中，能用一個(gè)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(jì)算帶來(lái)很多方便。于正常運(yùn)行時(shí)，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(méi)有此項(xiàng)。 雙饋發(fā)電機(jī)的功率流動(dòng)分析 雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個(gè)特點(diǎn)就是發(fā)電機(jī)可變速運(yùn)行，可控制轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)風(fēng)力機(jī)的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風(fēng)能。 經(jīng)簡(jiǎn)化可得： （ 215） 式中： ， 由于三相電機(jī)的對(duì) 稱(chēng)性，對(duì)式（ 214）中的、等可引入等效自感等效互感的概念，得到其表達(dá)是分別為： （ 216） （ 217） （ 218） : 219 式中為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。變速恒頻的機(jī)理可用圖 2― 4 來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。由電機(jī)學(xué)基本原理可知有如下關(guān)系式成立： （ 29） 式中為極對(duì)數(shù)，為轉(zhuǎn)差率。同理，也可以分析風(fēng)速?gòu)母叩降妥兓畲箫L(fēng)能捕獲過(guò)程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在曲線(xiàn)上將會(huì)輸出最大功率，其值為： 28 式中。 定漿距情況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤機(jī) 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而言，輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性相當(dāng)重要，與之相對(duì)應(yīng)的是風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)。風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速比的函數(shù)，同時(shí)也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)，綜合起來(lái)可表示為。 所以風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率為： （ 23） 式中， R 為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑。 第二章 風(fēng)力機(jī)和雙饋異步電機(jī)運(yùn)行分析 整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)由風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能產(chǎn)生，風(fēng)力機(jī)通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，機(jī)械轉(zhuǎn)矩再通過(guò)傳動(dòng)裝置傳遞給發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) ，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，最后接入?fù)載或并入電網(wǎng)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它一般又可分為下面幾個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)輪子系統(tǒng)、傳動(dòng)子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)。雙饋發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 13 所示。當(dāng)通以某一頻率 轉(zhuǎn)差頻率 的交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速加上交流勵(lì)磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則在電機(jī)氣隙中形成一個(gè)同