【文章內(nèi)容簡介】 定在對應(yīng)于風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機 輸出最優(yōu)的機械功率。同理，也可以分析風(fēng)速從高到低變化，最大風(fēng)能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過。 雙饋異步電機基本原理 雙饋電機在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步感應(yīng)電機，定子與一般的交流發(fā)電機一樣，布有三相分布式繞組；轉(zhuǎn)子與一般發(fā)電機不同，它也布有三相分布式繞組。運行時，定子側(cè)直接接入三相工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入所需低頻電流。因為定子與轉(zhuǎn)子兩側(cè)都有能量的饋送，所以稱為雙饋電機。也有文獻稱為交流勵磁發(fā)電機，因為轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入的低頻電流起到了勵磁作用。設(shè)系統(tǒng)工作時的雙饋異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為，定子磁場的轉(zhuǎn)速 同步 轉(zhuǎn)速 為，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器提供的勵磁電流在轉(zhuǎn)子繞組上所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為，雙饋異步電機的定、轉(zhuǎn)子電流的頻率分別為、。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)力條件的變化而變化時，只要能利用變頻器相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率，以改變轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度， 當亞同步速運行時，維持；當超同步速運行時，維持， ，就可以在定子上感應(yīng)出對應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓，整個發(fā)電系統(tǒng)即可做到變速恒頻運行。 若將雙饋發(fā)電機的定子接在電網(wǎng)上，則定子側(cè)電源頻率可認為是恒定的，由此可通過檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來確定轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器提供的勵磁電流的 頻率。由電機學(xué)基本原理可知有如下關(guān)系式成立： （ 29） 式中為極對數(shù)，為轉(zhuǎn)差率。 轉(zhuǎn)子側(cè)三相電流的相序取決于的符號，在超同步運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相反，此時除定子向電網(wǎng)饋送能量外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電能；在亞同步速運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相同，此時定子向電網(wǎng)饋送能量，而轉(zhuǎn)子需要饋入能量。雙饋發(fā)電機的勵磁可調(diào)量有：勵磁電流的頻率、幅值和相位?？梢酝ㄟ^接在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器來調(diào)節(jié)勵磁電流頻率，保證 在變速運行情況下發(fā)出恒頻電流。也可以通過改變勵磁電流的幅值和相位，調(diào)節(jié)輸出的有功功率和無功功率。當轉(zhuǎn)子電流相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場位置就有了一個空間位移，這就使得雙饋發(fā)電機定子感應(yīng)電勢矢量相對于與電網(wǎng)電壓矢量的位置也發(fā)生了變化，即功率角發(fā)生了改變，使有功功率和無功功率得以調(diào)節(jié)。當然要真正實現(xiàn)這一點，還有一個前提就是找到合適的勵磁控制方法。這里可以采用電機調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制技術(shù)，關(guān)于這一點本文將在后面的章節(jié)中作更深入地探討。變速恒頻的機理可用圖 2― 4 來進一步說明。 圖 24 DFIG 變速 恒頻運行原理 雙饋異步電機數(shù)學(xué)模型 由電機學(xué)的知識我們可以知道，一臺電機在實際運行時的真實數(shù)學(xué)模型是一組多變量、時變系數(shù)的微分方程，在分析其運行方式時，有必要作出一些理想化的假設(shè)，假定如下： ，設(shè)三相繞組對稱，均為星形連接，磁動勢沿氣隙正弦分布； ； ，折算后每相繞組匝數(shù)相等。 定子三相繞組軸線 as、 bs、 cs 在空間是固定的，以 A 軸為參考坐標系，轉(zhuǎn)子三相繞組軸線 ar、 br、 cr 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 ar 軸和定子 as 軸間的電角度 為空間角位移變量。并規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。這時雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。 電壓方程： 三相定子繞組電壓方程 210 三相轉(zhuǎn)子繞組電壓方程 （ 211） 式中、為相電壓瞬時值；、為相電流瞬時值；、為各相繞組勵磁；下標“”、“”分別代表定子、轉(zhuǎn)子；、為定子、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻； p 為微分算子。 寫成矩陣形式為： （ 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。按照上面的磁鏈正方向規(guī)定，磁鏈方程式可列為： （ 214） 式中的電感矩陣 L 是 6 6 的矩陣，主對角線元素是與下標符號對應(yīng)的繞組的自感，其它元素是與下標符號對應(yīng)的兩繞組間的互感。 經(jīng)簡化可得： （ 215） 式中： ，， 由于三相電機的對 稱性，對式（ 214）中的、等可引入等效自感等效互感的概念，得到其表達是分別為： （ 216） （ 217） （ 218） : 219 式中為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 ： 雙饋發(fā)電機內(nèi)部電磁關(guān)系的建立，離不開輸入的機械轉(zhuǎn)矩和由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系。起動時，輸入的機械轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)速上升，感應(yīng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也隨著增加，忽略電機轉(zhuǎn)動部件粘性摩擦，當和達到平衡時，電機轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn) 定。 220 式中為電機轉(zhuǎn)動的機械角速度，與轉(zhuǎn)子電氣角速度之間有： 雙饋異步電機穩(wěn)態(tài)運行分析 雙饋電機穩(wěn)態(tài)等效電路 雙饋電機定轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，它均勻分布在電機圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對稱分布?，F(xiàn)作如下假定： 1 只考慮定轉(zhuǎn)子電流的基波分量，忽略諧波分量； 2 只考慮定轉(zhuǎn)子空間磁勢基波分量； 3 忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗； 4 變頻電源可為轉(zhuǎn)子提供能滿足幅值、頻率及功率因數(shù)要求的電源，不計其阻抗與損耗。定子和轉(zhuǎn)子正方向按電動機慣 例定義。與分析感應(yīng)電機的方法類似，根據(jù)磁勢與電勢平衡原則，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 雙饋電機穩(wěn)態(tài)運行等效電路 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；為勵磁電流；為勵磁電阻；為勵磁電抗；為轉(zhuǎn)差率；為感應(yīng)電勢。另外，由于，故忽略。 雙饋發(fā)電機的功率流動分析 雙饋電機變速恒頻風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個特點就是發(fā)電機可變速運行，可控制轉(zhuǎn)速對應(yīng)風(fēng)力機的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風(fēng)能。下面就對系統(tǒng)中的功率流動過程作一個分析。 從總體上說，首先是由風(fēng)力機吸收風(fēng)能產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，然后通過輪毅、齒輪箱和聯(lián)軸器等傳動裝置帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而將機械功率傳遞給發(fā)電機；轉(zhuǎn)子繞組本身接入勵磁電流建立磁場，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，在定子繞組中感應(yīng)出電流，功率就這樣通過磁場傳遞到了定子側(cè)。具體的功率流動過程可以用圖 26 來表示。 圖 26 穩(wěn)態(tài)運行時功率流動示意圖 由風(fēng)輪吸收風(fēng)能產(chǎn)生的機械功率為。在從風(fēng)力機 向雙饋電機轉(zhuǎn)子軸傳遞的過程中，要經(jīng)過齒輪箱、聯(lián)軸器等中間傳動裝置，會產(chǎn)生一定的功率損耗，主要是齒輪箱損耗。風(fēng)輪輸出的機械功率，減去齒輪箱功率損耗才是輸入到雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的凈機械功率。 電磁功率是由雙饋電機軸上輸入的凈機械功率與轉(zhuǎn)子繞組輸入的有功功率一起，在扣除轉(zhuǎn)子銅耗之后建立的，即： （ 222） 又 （ 223） 得 （ 224） 電磁功率就是定轉(zhuǎn)子間通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場傳遞的那部分功率，上面的電磁功率傳遞到定子側(cè)后，又有一部分消耗在定子繞組銅耗，和電機鐵耗上。于正常運行時，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有此項。扣除和損耗之后，剩下的功率就是雙饋發(fā)電機通過定子輸出的有功功率，也就是一般意義上的發(fā)電功率。即： （ 225） 可以看出，由于電機銅耗和鐵耗在總的電磁功率中所占比例較小，轉(zhuǎn)子側(cè)功率近似為轉(zhuǎn)差功率。按照前面的正方 向規(guī)定，當時轉(zhuǎn)子繞組由電網(wǎng)輸入功率，此時雙饋電機工作在亞同步狀態(tài)下，；當時轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)輸出電功率，這部分功率也由電機軸上輸入的機械功率提供，此時雙饋電機工作在超同步狀態(tài)下。 本章小節(jié) 本章首先分析了風(fēng)力機運行的基本特性，給出了輸出機械功率和轉(zhuǎn)矩的表達式，并從風(fēng)力機輸出機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線出發(fā)，分析了風(fēng)力機捕獲最大風(fēng)能的運行原理。 本章總結(jié)了 DFIG 的特點及其在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的優(yōu)勢，說明了 DFIG實現(xiàn)變速恒頻運行的原理，推導(dǎo)了 DFIG 在三相靜止坐標系的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的 DFIG 控制建立了理 論基礎(chǔ)。接著從 DFIG 的穩(wěn)態(tài)等效電路出發(fā)，分析了雙饋發(fā)電機運行特性與功率流動關(guān)系，分析得出雙饋電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大的一個特點就是發(fā)電機可變速運行，可控制轉(zhuǎn)速對應(yīng)風(fēng)力機的葉尖速比最佳值，從而充分地利用風(fēng)能。 第三章 矢量控制技術(shù)研究 空間矢量的概念 三相電動機的電壓、電流、磁動勢、磁鏈等均為三相電磁量。若在復(fù)平面中，能用一個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，為分析和計算帶來很多方便。為此，引入 Park 矢量變換。 Park 矢量變換是將三個標量變換為一個矢量，這種變換對 于時間函數(shù)同樣適用。若用、分別表示三相電磁量在三相坐標系中的瞬時幅值，用 V 示合成作用矢量，用 Park 矢量變換關(guān)系為 （ 331） 矢量 V 成為 Park 矢量，它代表三相電磁量某一時刻合成作用在坐標系中的空間位置，所以稱為空間矢量。對于三相異步電動機來說，空間磁動勢矢量、磁通矢量、磁鏈矢量是確實存在的，而電流矢量和電壓矢量并不存在。但是磁動勢與電流密切相關(guān)，電壓與磁鏈密切相關(guān)，所以仍可以定義電流空間矢量和電壓空間矢量 ,它們分別表示三相電流的合成作用和三相電壓的合成作用在坐 標系中所處的位置。 把三相電動機的各空間矢量的位置關(guān)系畫在同一坐標系中，就是三相電動機的空間矢量圖，簡稱矢量圖。這里所說的矢量圖與電動機學(xué)中所說的三相電動機的相量圖是不同的，電機學(xué)中的相量圖描述的是在三相對稱正弦波供電情況下 ,態(tài)運行時各電磁量之間的相位關(guān)系。由于各電磁量均為三相對稱正弦量，所以相量圖表示的是一相的電磁量。而矢量圖描述的是某一時刻合成作用在坐標系中的位置關(guān)系，因而三相電磁量可以是正弦量，也可以是非正弦量，可以是對稱的，也可以是非對稱的。可見，矢量圖不僅可描述穩(wěn)態(tài)運行時各電磁量之間在空間的位置關(guān) 系，而且可以描述動態(tài)過程個電磁量之間在空間的位置關(guān)系。矢量變換控制就是對這些空間矢量進行變換而實現(xiàn)對交流電動機的有效控制，使其達到穩(wěn)態(tài)運行和動念過程高性能指標。 矢量控制的基本思路 對電機運動的控制，包括速度控制和位置控制，歸根到底是要對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，電力傳動系統(tǒng)的運動方程為 （ 32） 式中：為電動機電磁轉(zhuǎn)矩；負載阻轉(zhuǎn)矩；為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；為角速度；為角位移。可見，在負載一定的情況下，如果能夠使電磁轉(zhuǎn)矩按給定的規(guī)律變化，則速度和位移就可以按給定 的規(guī)律變化，實現(xiàn)對電機的有效的控制。電機的電磁轉(zhuǎn)矩，不論是直流電機，還是交流電機，均可以用氣隙磁鏈矢量與電流矢量的乘積來表示，即 33 對于直流電機，即為電樞電流；對于交流電機，可以是定子電流，也可以是轉(zhuǎn)子電流。 直流電機的氣隙磁鏈矢量和電樞電流矢量在空間相互垂直，故電磁轉(zhuǎn)矩為： 34 如果忽略電樞反應(yīng)的影響，則與之間沒有耦合，磁鏈和電流可以分別獨立控制，互不影響，所以直流電機的控制方便和靈活。直流電機穩(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。由于不變，在相同的電樞電流下，電機在不同速度下輸出轉(zhuǎn)矩將不變，這就是通常所說的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。保持不變，改變氣隙磁通，速度亦成比例變化。由于變化，在相同的電樞電流下，轉(zhuǎn)矩將成比例變化，但轉(zhuǎn)矩和速度的乘積，即輸出功率卻是不變的，這就是通常所說的恒功率調(diào)速。在動態(tài)情況下，由于電樞電流和氣隙磁通的控制無耦合，所以轉(zhuǎn)矩隨時問的變化規(guī)律很容易得到控制。正是由于直流電動機具有上述良好的控制特性，才使得長期以來電動機 在可調(diào)速的電力傳動系統(tǒng)中處于絕對的統(tǒng)治地位。 交流電機則不同。異步電機可控制的參數(shù)只有定子電流，而定子電流的變化不但影響輸出轉(zhuǎn)矩，而且也使氣隙磁鏈發(fā)生變化。同步電機雖然定子電流和勵磁電流都可以進行控制，但定子電流的變化對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)子勵磁電流的大小，而且與它們在空間的相對位置有關(guān)。也就是說交流電機的轉(zhuǎn)矩控制和磁通控制之間存在著很強的耦合，簡單的閉環(huán)控制并不能獲得優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。矢量變換控制正是為了解決這個問題而提出來的。異步電機三相對稱定子繞組中，通入對稱的三 相正弦交流電流、時，則形成三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁勢，并由它建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁勢 ,其旋轉(zhuǎn)角速度等于定子電流的角頻率。然而，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相繞組不可，除單相外任意的多相對稱繞組，通入多相正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如具