【正文】 列。和鼠籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)類似，當風速變化時，同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的電能，通過中間變頻器環(huán)節(jié)，先整流再逆變就可以把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能送入電網(wǎng)。缺點是變頻器在發(fā)電機定子側(cè)，變頻器的容量 必須與發(fā)電機的容量相等，導致變頻器體積大、重量大，系統(tǒng)成本昂貴。 圖 12 同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 常規(guī)的同步發(fā)電機采用直流勵磁方式，而異步發(fā)電機沒有勵磁繞組，其勵磁通過定子取自電網(wǎng)。交流勵磁發(fā)電機是在同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的一種新型發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子具有三相勵磁繞組結(jié)構(gòu)。從定子側(cè)看，這與同步發(fā)電機直流勵磁的轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場是等效的。但是，從外特性來看，交流勵磁發(fā)電機在很多地方又與同步 發(fā)電機類似。通過改變勵磁電流的頻率來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，以達到調(diào)速的目的，從而按最佳運行方式調(diào)整發(fā)電機運行功率；通過改變勵磁電流的相位，來改變發(fā)電機的空載電勢與電網(wǎng)電壓矢量之間的相對位置，從而改變發(fā)電機的功率角。由于該發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子都外接電源，因此許多文獻又把這種交流勵磁發(fā)電機稱作雙饋發(fā)電機或交流勵磁雙饋發(fā)電機。 圖 13 雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的。因此，和轉(zhuǎn)子繞組相連的勵磁變頻器的容量也僅為發(fā)電機容量的一小部 分，這大大降低了變頻器的體積和重量?；谏鲜鲋T多優(yōu)點，由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風力發(fā)電方面的研究熱點和必然的發(fā)展趨勢。 本文主要研究內(nèi)容 完整的風力發(fā)電系統(tǒng)是非常復雜的，它涵蓋了空氣動力學、電力 電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等多種學科的內(nèi)容。本文所作的變速恒頻發(fā)電運行方式研究是屬于電氣與控制子系統(tǒng)的內(nèi)容，研究對象是采用雙饋異步發(fā)電機的交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。本文主要做以下幾個方面的工作： 1．分析了風力機的基本特性，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)，分析了風力機捕獲最大風能的運行原理。 2．從空間矢量的概念入手，分析了矢量控制的基本思路，推導了包括旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系間的變換、三相坐標系與兩相坐標系間的變換、直角坐標與極坐標之間的變換的矢量坐標變換矩陣。 Matlab/Simulink 軟件建立變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)各部分的仿真模型，包括：風力機模型、雙饋電機模型、雙 PWM 變頻器模型及其矢量控制系統(tǒng)模型，并使用該仿真系統(tǒng)進行了基于 P、 Q 解耦控制的變速恒頻仿真和最大風能追蹤控制仿真。雙饋電機 DoublyFed Induction Generator，簡稱 DFIG ，或稱為交流勵磁電機。本章的主要內(nèi)容是對風力機和雙饋電機的運行特性進行分析，為后續(xù)章節(jié)采用矢量控制的分析與設(shè)計提供了理論依據(jù)。它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。 由于通過風輪旋轉(zhuǎn)面 的風能不是全部都能被風輪吸收利用，因此可以定義一個風能利用系數(shù)： （ 22） 式中，為風力機輸出的機械功率，為輸入風輪面內(nèi)的功率。 風能利用系數(shù)是表征風力機效率的重要參數(shù)，它與風速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。 葉片吸收風能后產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩： 25 水平軸的風力機葉片是通過輪轂與主傳動軸連接的。為簡單起見，這部分可按比例環(huán)節(jié)考慮。變漿距風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)的特性能曲線來表示，如圖 2l 所示。從圖中可以看到，當槳葉節(jié)距角逐漸增大時，曲線將顯著縮小。在定漿距情況下，葉 尖速比決定著風能利用系數(shù)的大小。根據(jù)貝茨理論，風能利用系數(shù)的最大值為 。 圖 22 定漿距風力機性能曲線 變漿距風力機是定漿距風力機的改進和發(fā)展，但定漿距風力機特性是變漿距風力機特性的基本情況，具有代表意義，是討論最大風能 追蹤的依據(jù)，因此定漿距風力機及其特性是本文研究的重點。設(shè)定一種風速，然后取不同的轉(zhuǎn)速計算出相應的，由圖 22 查出對應的值，代入式 23 ，即可得到該風速下，風力機輸出機械功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。圖 23 所示，即為一組在不同風速下風力機的 輸出機械功率特性曲線。不同風速下風輪的輸出機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以看出對應每一種風速，都有一個最佳轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下風輪輸出的機械功率最大，該轉(zhuǎn)速與風速，都有一個最佳轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下風輪輸出機械功率最大，該轉(zhuǎn)速與風速對應著最佳葉尖速比和最大風能利用系數(shù)，將不同風速下的最大功率點連起來就得到一條最大功率曲線。如圖 23 所示，圖中不同風速下風力機的功率一轉(zhuǎn)速曲線組成了曲線簇，每條功率一轉(zhuǎn)速曲線上最大功率點的連線稱為風力機的最佳功率曲線 曲線 。 下面定性分析一下最大風能捕獲過程。如果某一時刻風速突然升高至，風力機馬上就會由 B 點跳至風速下功率曲線上的 D 點運行，其輸出機械功率由突變至。在這個變化過程中，風力機和發(fā)電機將分別沿著風速下功率曲線的 DC 軌跡和最優(yōu)功率曲線的 BC 軌跡運行。此時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對應于風速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，風力機 輸出最優(yōu)的機械功率。 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。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。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、。 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。 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。可以通過接在轉(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。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)。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。 圖 24 DFIG 變速 恒頻運行原理 雙饋異步電機數(shù)學模型 由電機學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。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。 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。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的繞組的自感，其它元素是與下標符號對應的兩繞組間的互感。 ： 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。 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。定子和轉(zhuǎn)子正方向按電動機慣 例定義。另外，由于，故忽略。下面就對系統(tǒng)中的功率流動過程作一個分析。具體的功率流動過程可以用圖 26 來表示。在從風力機 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。 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。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。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。 本章總結(jié)了 DFIG 的特點及其在變速恒頻風力發(fā)電中的優(yōu)勢，說明了 DFIG實現(xiàn)變速恒頻運行的原理，推導了 DFIG 在三相靜止坐標系的數(shù)學模型，為后續(xù)的 DFIG 控制建立了理 論基礎(chǔ)。 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。為此，引入 Park 矢量變換。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。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。這里所說的矢量圖與電動機學中所說的三相電動機的相量圖是不同的，電機學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。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。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?？梢姡谪撦d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。 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。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。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。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。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。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。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，并由它建立相應的旋轉(zhuǎn)磁勢 ,其旋轉(zhuǎn)角速度等于定子電流的角頻率。如果這個旋轉(zhuǎn)磁場的大小，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與三相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場完全相同，則可認為該兩相交流繞組與三相交流繞組等效。 36 上式表示矩陣方程，其中為變換矩陣。電樞繞組本身在旋轉(zhuǎn)，但是電樞磁勢在空間上卻有固定的方向，這樣從磁效應的意義上來說，可以把直流電機的電樞繞組當成在空間上固定電流繞組。 設(shè)為 M 繞組和 T 繞組分別通入直流電流和時產(chǎn)生的合成磁通，且在空間固定不動。當觀察者站在MT 繞組上與其一起旋轉(zhuǎn)，在他看來，仍是兩個通入直流電流的固定繞組。在旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則下，交流繞組等效為 MT 直流繞組，這時交流繞組中的交流電流、與MT 直流繞組中的直流電流、之間必存在著確定的關(guān)系。 式 37 的物理性質(zhì)是表示一種旋轉(zhuǎn)關(guān)系，或者說，對于相同的旋轉(zhuǎn)磁場而言，如果交流繞組中的電流、與 MT 直流繞組中的直流電流、存在式 35 的變換關(guān)系，則交流繞組與 MT 直流繞組完全等效。 實際上是在異步電動機的外部，把 勵磁電流分量 、 轉(zhuǎn)矩電流分量 作為控制量，記為、