（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略研究.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁(yè) a b s t r a c t t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ec o n t r o ls c h e m eo fd o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r d f i g i nw i n dp o w e rc o n v e r s i o ns y s t e m w h i c hc a nm a k ep o w e rg e n e r a t i o ni n v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y v s c f m o d e f u r t h e r m o r e t h eo p e r a t i o n m o d eo fd f i gs y s t e mi nl o wv o l t a g er i d et h r o u g h l v r t c o n d i t i o n i s i n v e s t i g a t e da n ds i m u l a t e di nd e t a i l t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fd f i gs y s t e mi sd e s c r i b e db yc o m p a r i n gw i t h o t h e rk i n d so fw i n dg e n e r a t o r s t h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co fd f i gi sa n a l y z e db y u s i n gt h et t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i t w h i c hm e a n st h es t a t o r s i d eo u t p u tp o w e ro f d f i gc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h er o t o r s i d es l i dp o w e r a l s ot h ep r i n c i p l e o fv s c fm o d eo nd f i gi sd e s c r i b e d a n dt h eo t h e rp a r t so fd f i gs y s t e mi s i n t r o d u c e db r i e f l y t h ec o n t r o ls c h e m eo fd f i gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e do ni t sm a t h e m a t i c a l m o d e l w h i c hi sak i n do fr o t o rc u r r e n tv e c t o rc o n t r o l i ns t a t o r v o l t a g e o r i e n t e d f l a m e a n dc a nc o n t r o la c t i v ea n dr e a c t i v eo u t p u tp o w e ro fd f i gi n d e p e n d e n t l y c o m p a r e dt ot h es t a t o r f l u x o r i e n t e df r a m e t h i sc o n t r o lm e t h o dd o e s n tn e e d s t a t o r f l u xm e a s u r e m e n t t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e db ym a t l a b si m u l i n kf o r 1 5 m wd f i gt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l s c h e m ed u r i n gv a r i a t i o n so fa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r l v r ti san e wa n dn e c e s s a r yr e q u e s tt ow i n dt u r b i n e s w h i c hm e a n st h e g e n e r a t o rs h o u l dk e e pc o n n e c t i n gt o t h eg r i dw h e ng r i dv o l t a g es a gh a p p e n s t h e r ea r em a n y p r o b l e m st od f i gs y s t e mi nl v r to p e r a t i o n a n dt h eg e n e r a l a n s w e rt ot h e s ep r o b l e m si sa c t i v ec r o w b a rc i r c u i t w h i c hc a np r o t e c tr o t o r s i d e c o n v e r t e ra n dk e e pg e n e r a t o rc o n n e c t i n gt ot h eg r i dd u r i n gl v r t t h ed i f f e r e n t t y p e so fa c t i v ec r o w b a rc i r c u i ta r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s a n dt h eo p e r a t i o n e f f e c ti ss i m u l a t e db a s e do nt h ec o n t r o ls c h e m em e n t i o n e da b o v e k e y w o r d d f i g l v r t p o w e rc o n t r o l c r o w b a r 西南交通大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作 所得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果 對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中作了明確的說(shuō)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下 1 采用定子電壓定向矢量控制的方式對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行 控制 仿真驗(yàn)證控制效果良好 2 分析研究了用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主動(dòng)式c r o w b a r 保護(hù)電路的運(yùn) 行方式 并對(duì)其在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)對(duì)稱跌落時(shí)的運(yùn)行效果進(jìn)行了仿真研究 委1 磐也 u 乙d dd l 鄉(xiāng) z 乙 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué) 校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查 閱和借閱 本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位 論文 本學(xué)位論文屬于 1 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書(shū) 2 不保密舀使用本授權(quán)書(shū) 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打 學(xué)位論文作者簽名 刻思彳t 日期 2 d d7 6 7 之7 匆 儼7 入 跏 名期簽日 老導(dǎo)指 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 1 1 概述 1 1 1 風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì) 第1 章緒論 如今能源短缺 生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益突出 主要發(fā)達(dá)國(guó)家 發(fā)展中 國(guó)家 都已經(jīng)將發(fā)展風(fēng)能 太陽(yáng)能等可再生能源作為應(yīng)對(duì)新世紀(jì)能源和氣候 變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段 風(fēng)能 是世界上公認(rèn)的除水能之外最接近商業(yè)化 的可再生能源 相比于太陽(yáng)能 生物質(zhì)能等其他可再生能源 風(fēng)能的產(chǎn)業(yè)化 基礎(chǔ)最好 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)最明顯 而且不存在生物質(zhì)能所面臨的資源約束 另 外也沒(méi)有任何大的環(huán)境影響 是最有可能大規(guī)模發(fā)展的能源資源之一 事實(shí) 也證明 自2 0 世紀(jì)8 0 年代以來(lái) 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷提高 世界風(fēng)電裝機(jī)容 量迅猛增長(zhǎng) 全球風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)和發(fā)展規(guī)模突飛猛進(jìn) 2 0 0 3 至2 0 0 7 年 全球風(fēng)電平均增長(zhǎng)率為2 4 7 總裝機(jī)容量目前累計(jì)達(dá)到9 4 0 0 萬(wàn)千瓦 2 0 0 7 年 全球大約生產(chǎn)了2 0 0 0 億千瓦時(shí)風(fēng)電電力 分布在全球7 0 多個(gè)國(guó)家和地 區(qū) 約占全球電力供應(yīng)的1 按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名 全球前十 個(gè)國(guó)家依次是 德國(guó) 2 2 3 0 萬(wàn)千瓦 美國(guó) 1 6 9 0 萬(wàn)千瓦 西班牙 1 4 7 0 萬(wàn)千瓦 印度 7 8 0 萬(wàn)千瓦 中國(guó) 5 9 0 萬(wàn)千瓦 丹麥 3 1 0 萬(wàn)千瓦 意 大利 2 7 0 萬(wàn)千瓦 法國(guó) 2 5 0 萬(wàn)千瓦 英國(guó) 2 4 0 萬(wàn)千瓦 和葡萄牙 2 2 0 萬(wàn)千瓦 前十名國(guó)家累計(jì)裝機(jī)容量8 1 0 0 萬(wàn)千瓦 占全球的8 6 t 1 1 發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是歐盟國(guó)家在風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用方面已取得了驚人的成就 2 0 世紀(jì)8 0 年代問(wèn)世的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 只經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展便迅速實(shí)現(xiàn)了商 品化 產(chǎn)業(yè)化 至l j 9 0 年代中期就己形成了一個(gè)規(guī)模巨大的風(fēng)力機(jī)行業(yè) 早在 2 0 世紀(jì)9 0 年代初 歐盟就提出了大力發(fā)展風(fēng)電 至l j 2 0 lo 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到4 o o o 萬(wàn)千瓦的奮斗目標(biāo) 并且要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展目標(biāo)制定本國(guó)的發(fā)展 目標(biāo)與實(shí)施計(jì)劃 在丹麥 德國(guó)和西班牙等國(guó)的帶動(dòng)下 風(fēng)電在歐盟大多數(shù) 國(guó)家得到了重視 至1 j 2 0 0 7 年年底 歐盟有8 個(gè)國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)了l o o 萬(wàn) 千瓦 世界風(fēng)電裝機(jī)容量前十名的國(guó)家中 歐洲也占了7 個(gè) 近年來(lái) 美國(guó)的 風(fēng)電發(fā)展也十分迅速 已成為世界風(fēng)電大國(guó) 2 0 0 l 一2 0 0 7 年 美國(guó)的風(fēng)電增加 了3 0 0 2 0 0 7 年一年新增風(fēng)電裝機(jī)容量5 2 0 萬(wàn)千瓦 居世界之首 中國(guó)風(fēng)電發(fā) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) 展歷史較短 但發(fā)展速度很快 特別是 可再生能源法 實(shí)施以來(lái) 我國(guó)的 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展十分迅速 幾年時(shí)間便已成為世界第五風(fēng)電大國(guó) 目前歐洲仍是世界風(fēng)電發(fā)展的中心 風(fēng)電在歐盟已經(jīng)逐步成為重要的替 代能源 新增風(fēng)電是用來(lái)取代或替代其他發(fā)電技術(shù) 如核電 煤電和油電等 因此風(fēng)電裝機(jī)速度相對(duì)緩慢 如今歐洲在當(dāng)年裝機(jī)容量中所占的比例已經(jīng)下 降n 5 0 以下 相比之下 中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng) 能源需求特別是電力需求 也將持續(xù)增長(zhǎng) 風(fēng)電的發(fā)展空間較大 而且中國(guó)近期風(fēng)電的發(fā)展不會(huì)對(duì)其他 發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和增長(zhǎng)造成實(shí)質(zhì)性的影響 因此風(fēng)電增長(zhǎng)速度較快 同時(shí) 我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量大 分布面廣 陸地上可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源約2 5 3 億k w 東部沿 海還有豐富的海上風(fēng)能資源 世界風(fēng)電制造商和開(kāi)發(fā)商均認(rèn)為中國(guó)是世界上 最具有發(fā)展前景的風(fēng)電市場(chǎng) 全球風(fēng)能理事會(huì)是世界上公認(rèn)的風(fēng)電預(yù)測(cè)的權(quán)威機(jī)構(gòu) 據(jù)全球風(fēng)能理事 會(huì)的預(yù)測(cè) 未來(lái)幾年 全球風(fēng)電還將保持2 0 以上增長(zhǎng)速度 至1 j 2 0 1 2 年 全 球風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到2 4 億千瓦 年發(fā)電5 0 0 0 億千瓦時(shí) 風(fēng)電電力約占全球 電力供應(yīng)的3 1 可見(jiàn)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是大勢(shì)所趨 未來(lái)風(fēng)電也必然成為一個(gè) 龐大的新興電力市場(chǎng) 1 1 2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué) 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 自動(dòng)控制 力學(xué) 材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程 近2 0 多年來(lái) 隨著風(fēng)電技術(shù)的不 斷提高 風(fēng)電機(jī)組已由早期的小功率機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行方式發(fā)展成為兆瓦級(jí)機(jī)組 并網(wǎng)運(yùn)行方式 風(fēng)力槳葉調(diào)節(jié)方式已由定槳距失速調(diào)節(jié)方式改進(jìn)為變槳距調(diào) 節(jié)方式 發(fā)電機(jī)發(fā)電方式也由恒速恒頻方式提高為變速恒頻方式 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在提高風(fēng)電系統(tǒng)效率 提高可靠性 和降低成本這三方面 提高風(fēng)電系統(tǒng)效率的主要方法為 增大單機(jī)容量和變槳距變速發(fā)電 作 為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效益的有效途徑 風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷向大型 化發(fā)展 1 9 9 7 年以前 全球兆瓦級(jí)機(jī)組市場(chǎng)份額還小到1 0 2 0 0 2 年則達(dá) 到6 2 1 2 0 0 3 年全球安裝的風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量達(dá)到1 2 m w 目前1 5 兆瓦及其以上的風(fēng)機(jī)已基本上壟斷了風(fēng)電的市場(chǎng) 早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片與輪轂的連接是固定的 當(dāng)風(fēng)速變化時(shí) 葉片 的迎風(fēng)角度不能隨之變化 即葉片槳距角不能調(diào)節(jié) 當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的設(shè)計(jì) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 點(diǎn)風(fēng)速即額定風(fēng)速時(shí) 葉片必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近 而不 能超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)材料的物理性能使用限度 葉片的這一特性稱為自動(dòng)失速 特性 這種限制功率輸入的方式被稱為失速調(diào)節(jié) 失速調(diào)節(jié)是在轉(zhuǎn)速基本不 變的條件下 風(fēng)速超過(guò)額定值以后 葉片發(fā)生失速 將輸出功率限制在一定 范圍 失速調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是葉片與輪轂之間沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件 不需要復(fù)雜的控制 程序 其缺點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組的性能受葉片失速性能的限制 起動(dòng)風(fēng)速較高 在 風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)發(fā)電功率有所下降 同時(shí)需要葉尖剎車裝置 2 0 世紀(jì)9 0 年代以后 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始采用變槳距技術(shù) 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)變 槳距調(diào)節(jié)器使風(fēng)輪機(jī)葉片安裝角隨風(fēng)而變化 以達(dá)到控制吸收風(fēng)能的目的 在額定風(fēng)速以下時(shí) 葉片節(jié)距角處于零度附近 此時(shí)葉片角度受控制環(huán)節(jié)精 度的影響 變化范圍很小 可看作等同于定槳距風(fēng)機(jī) 在額定風(fēng)速以上時(shí) 變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用 調(diào)節(jié)葉片攻角 保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的范圍 以內(nèi) 但風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)能的反應(yīng)有一定的延時(shí) 在陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí) 槳 距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)不及動(dòng)作而造成風(fēng)機(jī)瞬時(shí)的過(guò)載 不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行 由于風(fēng) 能本身的隨機(jī)波動(dòng)性 一般的調(diào)節(jié)方法跟不上因風(fēng)速的變化而產(chǎn)生的發(fā)電機(jī) 輸出功率的變化 這顯然對(duì)電網(wǎng)和輸出的電能影響極大 由于變距風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的效果仍不理想 到了2 0 世紀(jì)9 0 年代中期 基 于變槳距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入風(fēng)電市場(chǎng) 變速與定速風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是把風(fēng)速信號(hào)作為控 制系統(tǒng)的輸入變量來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制的 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn) 是 低于額定風(fēng)速時(shí) 能跟蹤最佳功率曲線 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng) 能轉(zhuǎn)換效率 高于額定風(fēng)速時(shí) 增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性 使功率輸出更加穩(wěn) 定 特別是解決了高次諧波與功率因素等問(wèn)題后 達(dá)到了高效率 高質(zhì)量地 向電網(wǎng)提供電力的目的 提高系統(tǒng)可靠性方面 需要考慮的主要因素有 變槳距技術(shù) 葉片 齒 輪箱和發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)技術(shù) 以及風(fēng)電系統(tǒng)的控制與監(jiān)控技術(shù) 變槳 距機(jī)組可以減小風(fēng)機(jī)槳葉的機(jī)械應(yīng)力 提高風(fēng)機(jī)壽命 已逐漸地淘汰定槳矩 風(fēng)電機(jī)組 葉片 齒輪箱 發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件不斷在可靠性 大型化等方而 取得進(jìn)步 基于空氣動(dòng)力學(xué)及商用軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)化使葉片葉型趨于成熟 新材 料新結(jié)構(gòu)的槳葉也不時(shí)出現(xiàn) 控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善 包括先進(jìn)控制方法 的應(yīng)用 快速無(wú)沖擊并網(wǎng)技術(shù) 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù) 獨(dú)立槳葉控制技術(shù) 孤立風(fēng) 機(jī)或弱電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)以及風(fēng)電與光伏混合控制技術(shù)等 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 風(fēng)電成本的降低主要體現(xiàn)在機(jī)械成本上 風(fēng)電系統(tǒng)中 機(jī)械成本約占總 成本的8 0 以上 目前風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本 但隨著材料 安裝 電力電子器件等成本的降低 風(fēng)電的規(guī)模化發(fā)展 國(guó)家政策的扶持 風(fēng)電成 本還會(huì)進(jìn)一步降低 事實(shí)上世界主要風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格己經(jīng)由8 0 年代早 期的3 8 美分 k w h 降至2 0 0 3 年初的4 美分 k w h 左右 預(yù)計(jì)到2 0 1 0 年 世界 風(fēng)電平均發(fā)電成本將降至2 6 美分 k w h 左右 3 2 1 1 2 風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)理論 1 2 1 風(fēng)能發(fā)電原理 風(fēng)能發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn) 它把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)?風(fēng)輪軸的機(jī)械能 發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn) 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?小 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái) 需要時(shí) 再提供給負(fù)載 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上 向電網(wǎng)饋電 風(fēng)力機(jī)械要根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況確定一個(gè)風(fēng)速來(lái)設(shè)計(jì)的 該風(fēng)速稱為 設(shè)計(jì)風(fēng) 速 或 額定風(fēng)速 它與 額定功率 相對(duì)應(yīng) 由于風(fēng)的隨機(jī)性的不穩(wěn)定 風(fēng)力 機(jī)械不可能始終在額定風(fēng)速下運(yùn)行 因此風(fēng)力機(jī)械就有一個(gè)工作風(fēng)速范圍 即從切入風(fēng)速到切出速度 稱為工作風(fēng)速 即有效風(fēng)速 依此計(jì)算的風(fēng)能密 度稱為有效風(fēng)能密度 根據(jù)國(guó)標(biāo)j b t7 8 7 8 1 9 9 5 風(fēng)力機(jī)術(shù)語(yǔ)的定義 z 起動(dòng)風(fēng)速 風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速 切入風(fēng)速 風(fēng)力機(jī)對(duì)額定負(fù)載開(kāi)始有功率輸出時(shí)的最小風(fēng)速 切出風(fēng)速 由于調(diào)節(jié)器的作用使風(fēng)力機(jī)對(duì)額定負(fù)載停止功率輸出時(shí)的風(fēng) 速 工作風(fēng)速范圍 風(fēng)力機(jī)對(duì)額定負(fù)載有功率輸出的風(fēng)速范圍 從定義上可以看出 低于起動(dòng)風(fēng)速 風(fēng)機(jī)不能運(yùn)行 而高于切出風(fēng)速 風(fēng)力機(jī)如繼續(xù)在高風(fēng)速下運(yùn)行 將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)機(jī) 甚至造成重大事故 不考慮風(fēng)力機(jī)械的利用系數(shù)的前提下 單位面積獲得的風(fēng)功率稱為風(fēng)能 密度 并以此表征某地風(fēng)能潛力的大小 表達(dá)式為 形 0 5 p v 3 w m 2 1 1 式中 p 為空氣密度 k g m 2 v 為風(fēng)速 m s 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁(yè) 風(fēng)力機(jī)通過(guò)風(fēng)輪捕獲風(fēng)能 將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩 由 空氣動(dòng)力學(xué)特性可知 通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被風(fēng)輪吸收利用 可 以定義出一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)o c p e e j n p m p w 2 式中 e 為時(shí)間f 內(nèi)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能 e 加為時(shí)間f 內(nèi)通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的 全部風(fēng)能 厶為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪吸收且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能 即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出 功率 尸w 為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)輪掃掠面的風(fēng)能 即風(fēng)力機(jī)的輸入功率 對(duì)一臺(tái)實(shí)際的風(fēng)力機(jī) 其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率尸肌的表 達(dá)式為 1 一 己 j p v 3 踢 告p d 2 礦3 0 1 3 么 式中 s 為風(fēng)輪的掃掠面積 m 2 d 為風(fēng)輪的直徑 m 風(fēng)能利用系數(shù)c 尸反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率 是一個(gè)與風(fēng)速 風(fēng) 輪轉(zhuǎn)速 風(fēng)輪直徑均有關(guān)系的量 理論上 的最大值為0 5 9 3 這是理想風(fēng) 輪的最大理論效率 貝茲極限 這表示 即使毫無(wú)損失地吸收風(fēng)的全部 能量 也只能有5 9 的能量可以為風(fēng)力機(jī)所用 但貝茲理論沒(méi)有考慮到不可 避免的渦流損失 并認(rèn)為在高的葉尖速比2 3 時(shí) 葉片翼形優(yōu)化 渦流損失 很小 實(shí)際情況 c p 的值一般在0 2 0 5 之間 風(fēng)輪的葉尖速比五是風(fēng)輪葉片的葉尖速度與風(fēng)速之比 它是風(fēng)力機(jī)的一 個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù) 可以表示為 a r e v 1 4 式中 尺為風(fēng)輪半徑 m c o 為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速 r a d s v 為作用于風(fēng) 力機(jī)的迎面風(fēng)速 m s 葉尖速比五直接影響葉片的能量捕獲 影響風(fēng)能利用系數(shù)c p 風(fēng)能利用 系數(shù)c 尸只有在葉尖速比五為某一定值時(shí)最大 不同類型 容量的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 此五值也不一樣 風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)盡可能追求c 尸 最大 從而增加其輸出功率 在實(shí)際應(yīng)用中常用風(fēng)能利用系數(shù)c p 對(duì)葉尖速比丑的變化曲線表示該風(fēng) 輪的空氣動(dòng)力特性 如圖1 1 所示 有圖可知 當(dāng)葉尖速比a 為最佳葉尖速 比a 叩 時(shí) c 尸最大 此時(shí)輸出功率為最佳功率 由式 1 3 1 4 可推導(dǎo) 出 最佳功率尸0 川表達(dá)式為 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) c e c p m e o p t 三j d s g 一 尺 k 硝 b 五 圖1 1 一種典型的風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 1 2 2 變速風(fēng)力發(fā)電原理 1 5 對(duì)于變速變槳距運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō) c p 是葉尖速比a 和槳距角聲的 函數(shù) 即槳距角 不同時(shí) 風(fēng)能利用系數(shù) 對(duì)應(yīng)的葉尖速比五不同 由圖 1 1 可以看出 對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī) 槳距角口不變時(shí) 總有一個(gè)對(duì)應(yīng)著 最佳功率系數(shù)c 尸腳似的最佳葉尖速比a 倒 此時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換效率最高 這時(shí)需 要始終保持a 五d 川 那么風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速將與風(fēng)速一一對(duì)應(yīng) 對(duì)于一個(gè)特定的 風(fēng)速兒風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速下才會(huì)有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 因此在恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)中 由于葉輪轉(zhuǎn)速不變 而風(fēng)速經(jīng)常在變化 因此a 不可能經(jīng)常保持在最佳值 即使是采用變槳距葉片 c j p 值往往與其最 大值相差很多 使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài) 而變速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī) 使風(fēng) 力機(jī)在葉尖速比在最優(yōu)的情況下運(yùn)轉(zhuǎn) 從而使c 尸在很大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均 能保持最大值 提高效率 圖l 2 是一組在不同風(fēng)速 v j i j 2 v 3 下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性 r 肼曲線 是各風(fēng)速下最大輸出功率點(diǎn)的連線 即最佳功率曲線 從中可以看出在同一 個(gè)風(fēng)速下 不同轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率 要想追蹤尸d 口 曲線 保持 最佳葉尖比 即最大限度地獲得風(fēng)能 就必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī) 的轉(zhuǎn)速刀 這就是變速恒頻發(fā)電技術(shù)的主要思想 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第7 頁(yè) p n 3n 2n l n 圖1 2 不同風(fēng)速下功率曲線及最佳功率曲線圖 通過(guò)變速恒頻發(fā)電技術(shù) 理論上可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在輸出功率低于額 定功率之前 輸出最佳功率 效率最高 在達(dá)到額定功率以后保持額定功率 不變 如圖1 3 所示 p p n 圖1 3 變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率曲線 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作方式 最大功率輸出工作方式 額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化槳距角的定槳距方 式運(yùn)行 由變頻器控制系統(tǒng)來(lái)控制轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比 從而實(shí)現(xiàn)最 佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲 恒功率輸出工作方式 在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機(jī)變槳距運(yùn)行 由風(fēng)力機(jī)控 制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)改變風(fēng)能系數(shù) 從而控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速 防止風(fēng) 電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限運(yùn)行而可能造成的事故 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 1 3 變速恒頻發(fā)電技術(shù) 1 3 1 變速恒頻發(fā)電與 匾速恒頻發(fā)電的比較 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí) 要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率與電網(wǎng)頻率一致 保持 輸出頻率恒定的方法有2 種 恒速恒頻 c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y 簡(jiǎn) 稱c s c f 和變速恒頻 v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y 簡(jiǎn)稱v s c f 恒 速恒頻指在風(fēng)力發(fā)電中 控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變 從而得到頻率恒定的電能 變速恒頻指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化 通過(guò)控制其他參數(shù) 例如轉(zhuǎn)矩 功率 來(lái)得到恒頻電能 早期風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要采用恒頻恒速發(fā)電方式 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)行可靠 但它存在一個(gè)弊端是 當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí) 巨大的風(fēng)能將通過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片傳遞給 主軸 齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件 在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力 上述過(guò) 程的重復(fù)出現(xiàn)將會(huì)引起這些部件的疲勞損壞 因此 在設(shè)計(jì)時(shí)不得不加大安 全系數(shù) 從而導(dǎo)致機(jī)組重量加大 制造成本增加 而且恒速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)輪 機(jī)轉(zhuǎn)速不能夠隨著風(fēng)速的變化而變化 通常只在很小的風(fēng)速范圍內(nèi)維持額定 功率輸出 無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的風(fēng)能利用系數(shù) 其發(fā)電效率較低 變速恒頻允許風(fēng)輪機(jī)根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 在風(fēng)速未達(dá) 到額定風(fēng)速時(shí) 可根隨最佳功率曲線 圖1 2 在不同的風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)最大功 率輸出 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn) 1 減少機(jī)械應(yīng)力 陣風(fēng)能量可以被風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量吸收 這種具有 彈 性 的吸收方式減少了力矩的脈沖幅值 由風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的巨大風(fēng)能 部分 以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪機(jī)當(dāng)中 避免了主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò) 大的扭矩及應(yīng)力 當(dāng)風(fēng)速下降時(shí) 在電力電子裝置的調(diào)控下 將高速風(fēng)輪所 釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?送入電網(wǎng) 風(fēng)輪機(jī)的加速 減速對(duì)風(fēng)能的階躍性變 化起到了緩沖作用 使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件承受的應(yīng)力變化比較平穩(wěn) 防止破壞性機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生 從而使風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全 2 較簡(jiǎn)單的槳距控制 通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 可以使得對(duì)槳距的 控制時(shí)間常數(shù)延長(zhǎng) 降低了槳距控制的復(fù)雜性和峰值功率的要求 在低風(fēng)速 下 槳距通常保持不變 槳距控制只是保證在高風(fēng)速下 風(fēng)輪機(jī)吸收的功率 不超過(guò)最大值 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 3 提高了系統(tǒng)的風(fēng)能利用率 轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)變化 通過(guò)對(duì)最佳 葉尖速比的跟蹤 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出 1 3 2 變頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo) 風(fēng)能的隨機(jī)性 陣風(fēng)性 不確定性 導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組所輸出的電功率的頻 率 電壓均隨風(fēng)速而變 因此風(fēng)力機(jī)組是復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng) 具有不確 定性和多干擾等特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為4 個(gè)層次 保證可 靠運(yùn)行 獲取最大能量 提供優(yōu)質(zhì)電力 延長(zhǎng)機(jī)組壽命 控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能 1 運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 2 低風(fēng)速時(shí)跟蹤最優(yōu)葉尖速比 實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲 3 高風(fēng)速時(shí)限制風(fēng)能捕獲 保持風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率 4 減少陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩峰值變化 減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波 動(dòng) 5 減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng) 6 控制代價(jià)小 不同輸入信號(hào)的幅值應(yīng)有限制 如槳距角的調(diào)節(jié)范圍和 變槳距速率有一定限制 7 抑制可能引起機(jī)械共振的頻率 8 調(diào)節(jié)機(jī)組功率 控制電網(wǎng)電壓 頻率穩(wěn)定 1 4 本文研究意義與主要內(nèi)容 風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)展最快的可再生能源 而雙饋發(fā)電機(jī)已普遍用于兆瓦 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 因此對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略研究具有很強(qiáng)的實(shí) 用價(jià)值 當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)易對(duì)局部電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響 比如 出現(xiàn)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)驟降 若要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)必須提高風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn) 行的能力 低壓穿越技術(shù)是必不可少的 對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言 即電網(wǎng)電 壓出現(xiàn)故障時(shí)保持并網(wǎng)狀態(tài) 以便故障解除后可快速恢復(fù) 若實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 需對(duì)系統(tǒng)增加保護(hù)電路 本文對(duì)目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要采用的低壓穿 越技術(shù)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了仿真研究 論文主要內(nèi)容安排如下 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第10 頁(yè) 第一章為緒論 綜述風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 闡述風(fēng)力發(fā)電及 變速恒頻發(fā)電的原理 介紹了變速恒頻發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn) 第二章介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)與組成部分 分析研究了雙饋 發(fā)電機(jī)的特性 介紹了所采用的雙p w m 變流器的特點(diǎn) 并對(duì)系統(tǒng)其他部分 進(jìn)行了說(shuō)明 第三章對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究 采用定子電壓定 向的矢量控制方式 根據(jù)數(shù)學(xué)模型分別對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制 系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 最后介紹了兩種較新的控制策略 第四章主要介紹雙饋風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的低壓穿越方式 并對(duì)所使用的 c r o w b a r 保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明 第五章對(duì)前面搭建的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 并通過(guò)仿真對(duì)系統(tǒng)低壓 穿越的性能表現(xiàn)進(jìn)行了分析說(shuō)明 最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)與展望 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第11 頁(yè) 第2 章大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 2 1 引言 兆瓦級(jí)的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已普遍采用變槳距技術(shù)和變速恒頻控制技 術(shù) 并且實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行 其電氣系統(tǒng)主要由四部分組成 變槳距系統(tǒng) 偏航 系統(tǒng) 主控系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變槳距系統(tǒng) 是用于調(diào)節(jié)風(fēng)輪槳葉槳距角的伺服系統(tǒng) 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定 風(fēng)速時(shí) 通過(guò)變槳距可降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 防止因轉(zhuǎn)速過(guò)快而造成的機(jī)械損害 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組在額定風(fēng)速以上的狀態(tài)下有效運(yùn)行 偏航系統(tǒng) 是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng) 主要功能為 調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn) 向 使之跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向 當(dāng)機(jī)組由于偏航作用導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)的電纜發(fā)生 纏繞 需自動(dòng)解除纏繞 主控系統(tǒng) 主控機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 大腦 機(jī)組所有的控制指令都由 主控機(jī)發(fā)出 根據(jù)風(fēng)速情況 電網(wǎng)情況和機(jī)組內(nèi)部情況來(lái)控制調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn) 行狀態(tài) 同時(shí)根據(jù)風(fēng)速計(jì)算機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的輸出功率也由主控機(jī)完成 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 是風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿暮诵南到y(tǒng) 由風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變流器兩 部分組成 通過(guò)變流器的控制 使發(fā)電機(jī)輸出的電能 頻率 幅值 符合電 網(wǎng)的要求 同時(shí)跟據(jù)主控機(jī)輸出的控制指令 轉(zhuǎn)矩 功率 控制發(fā)電機(jī)的運(yùn) 轉(zhuǎn)狀態(tài) 當(dāng)采用不同的發(fā)電機(jī)時(shí) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會(huì)不盡相同 可用 于風(fēng)力發(fā)電的電機(jī)有鼠籠式異步電機(jī) 雙饋感應(yīng)電機(jī) 同步電機(jī)等 兆瓦級(jí) 風(fēng)電機(jī)組主要采用永磁同步發(fā)電機(jī)與雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖2 1 所示 由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對(duì) 數(shù)較多 轉(zhuǎn)子可直接連接風(fēng)輪 無(wú)需通過(guò)齒輪箱加速 電機(jī)定子通過(guò)變流器 并入電網(wǎng) 一般采用 交一直一交 結(jié)構(gòu)的變流器 由于變流器控制電機(jī)定子 側(cè)電流電壓 變流器的額定功率需達(dá)到發(fā)電機(jī)的額定功率 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖2 2 所示 電機(jī)轉(zhuǎn)子連接風(fēng)輪 一般需通過(guò)齒 輪箱來(lái)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速 電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連接 變流器與電機(jī)轉(zhuǎn)子 電 網(wǎng)相連 通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電流電壓間接控制電機(jī)定子側(cè)的電流電壓 由于電機(jī)運(yùn)行于不同狀態(tài)時(shí) 變流器的電流流向不同 故多采用 交 直 交 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁(yè) 結(jié)構(gòu)的雙p w m 型變流器 由于變流器連接電機(jī)轉(zhuǎn)子 變流器的功率是電機(jī) 的轉(zhuǎn)差功率 僅為電機(jī)功率的2 0 一3 0 降低了變流器的功率器件成本 因此目前兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的較多 風(fēng)輪 圖2 1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙p w m 變流器 圖2 2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 2 2 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 2 2 1 雙饋發(fā)電機(jī)的特點(diǎn) 網(wǎng) 網(wǎng) 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r 簡(jiǎn)稱d f i g 已經(jīng)廣泛 應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 d f i g 在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步感應(yīng)電機(jī) 定子與 般的交流發(fā)電機(jī)一樣 布有三相分布式繞組 轉(zhuǎn)子與一般發(fā)電機(jī)不同 也布 有三相分布式繞組 運(yùn)行時(shí) 定子側(cè)直接接入三相工頻電網(wǎng) 而轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò) 變頻器接入所需低頻電流 發(fā)電機(jī)的定 轉(zhuǎn)子都參與了勵(lì)磁 定子與轉(zhuǎn)子兩 側(cè)都有能量的饋送 所以稱為雙饋發(fā)電機(jī) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第13 頁(yè) d f i g 兼有異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的特性 如果從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否與 同步轉(zhuǎn)速一致來(lái)定義 則d f i g 應(yīng)當(dāng)被稱為異步發(fā)電機(jī) 但d f i g 在性能上 又不像異步發(fā)電機(jī) 相反具有很多同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn) 例如 異步發(fā)電機(jī)是 通過(guò)定子由電網(wǎng)提供勵(lì)磁 本身無(wú)勵(lì)磁繞組 而d f i g 與同步發(fā)電機(jī)一樣 具有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組 異步發(fā)電機(jī)無(wú)法改變功率因數(shù) d f i g 與同步發(fā)電機(jī) 一樣可調(diào)節(jié)功率因數(shù) 實(shí)際上 它是具有同步發(fā)電機(jī)特性的交流勵(lì)磁異步發(fā) 電機(jī) 與同步發(fā)電機(jī)相比 d f i g 具有很多的優(yōu)越性1 4 8 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的可調(diào)量只有幅值 一般只用于調(diào)節(jié)無(wú)功功率 而 d f i g 采用交流勵(lì)磁 可調(diào)量有三個(gè) 一是勵(lì)磁電流幅值 二是勵(lì)磁電流頻 率 三是勵(lì)磁電流相位 由于d f i g 勵(lì)磁電流的可調(diào)量比同步發(fā)電機(jī)多了兩 個(gè) 控制上更加靈活 改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率 d f i g 可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn) 行 改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的相位 使轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在氣隙空間上有 一個(gè)位移 改變了發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量與電網(wǎng)電壓相量的相對(duì)位置 調(diào)節(jié)了發(fā)電 機(jī)的功率角 所以交流勵(lì)磁可同時(shí)調(diào)節(jié)無(wú)功功率和有功功率 當(dāng)發(fā)電機(jī)吸收 無(wú)功功率時(shí) 往往由于功率角變大使運(yùn)行穩(wěn)定度降低 通過(guò)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁的 相位 可減小發(fā)電機(jī)的功率角 使機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性提高 可更多地吸收無(wú) 功功率 改善目前由于晚間負(fù)荷下降 電網(wǎng)電壓過(guò)高的不利局面 利用矢量 變換控制技術(shù) 同步調(diào)節(jié)d f i g 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的相位和幅值 可以實(shí)現(xiàn)d f i g 輸出有功功率和無(wú)功功率的解耦控帶l j 4 8 1 2 2 2 等效電路 圖2 3 為雙饋發(fā)電機(jī)單相t 型等效電路1 6 8 電路已歸算到定子側(cè) 圖中 b 墨為定子電阻 漏抗 b 墨為轉(zhuǎn)子電阻 漏抗 翰為互抗 以 珥 分別為定子電壓 轉(zhuǎn)子電壓相量 厶 厶分別為定子電流 轉(zhuǎn)子電流相量 勵(lì)磁電流相量 s 為轉(zhuǎn)差率 1 s r s j x sj x r r s i 圖2 3 雙饋電機(jī)單相t 型等效電路 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第14 頁(yè) 由圖所示 電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)存在電壓 這是雙饋感應(yīng)電機(jī)與其他風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的主要不同之處 也正因此 雙饋電機(jī)可通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流電壓間接實(shí) 現(xiàn)定子側(cè)電流電壓的有效控制 根據(jù)等效電路可列出以下方程 u s i m j x m is l r s 七j x3 堡 厶 以 i 盤 2 1 is i m i r 式中相量可表示為 虬 l j u 2 以 u l j u 2 l c l j i s 2 2 2 i r l j i 2 i m 乙l j i m 2 若設(shè)以為基準(zhǔn)相量 同時(shí)忽略發(fā)電機(jī)的銅耗 鐵耗 機(jī)械損耗及附加損 耗功率 則 虬 u r 耳 0 2 3 此時(shí)發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出有功功率只等于電磁功率只小 根據(jù)式 2 2 2 3 雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)有功功率為 e r e 3 u e 3 u l l 2 4 由式 2 1 2 2 2 3 可得轉(zhuǎn)子側(cè)電壓 電流相量為 疋c t j k b s 一 心 z 2 5 u s k c u l 一髟 2 j s k d t l 式中系數(shù)乜 蠔 疋 腸為 k s 1 一妻 g b 瓦1 k c l 妻 g d 墨 挺一等 泣6 轉(zhuǎn)子側(cè)輸入有功功率為 e r e e 3 u f l 3 u l 材 2 2 2 7 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第15 頁(yè) 式 2 5 2 6 代入 2 7 解得 p 3 s u 1 t 1 s 只 s p e 2 8 故發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)功率僅為轉(zhuǎn)差功率 當(dāng)采用控制轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的方式 時(shí) 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制功率即是轉(zhuǎn)差功率即可 僅是電機(jī)額定功率的一部 分 這使得變流器體積減小 成本降低 投資減少 這在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中 表現(xiàn)的更為明顯 這也是雙饋發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電的主要優(yōu)勢(shì)之一 2 2 3 運(yùn)行特點(diǎn) 雙饋發(fā)電機(jī)的電流頻率關(guān)系式 z 吉 玎 l 2 9 彳 等 五 告 甌一等 珊吃 2 式中 力為定子電流頻率 t 3 為轉(zhuǎn)子電流頻率 n 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n l 為定 子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 即同步轉(zhuǎn)速 玎2 為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 p 為電機(jī)極 對(duì)數(shù) 當(dāng)n 小于同步轉(zhuǎn)速 z 時(shí) 式中 為 當(dāng)n 大于 z 時(shí) 為 一 當(dāng)n g l 時(shí) 發(fā)電機(jī)處于超同 步運(yùn)行狀態(tài) 由式 2 9 2 1 0 可以看出 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速療變化時(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 尼 從而改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n 2 亞 同步時(shí) 維持r 1 2 r l 川 超同步時(shí) 維持砌 聆邗 就可以維持定子電流頻 率萬(wàn)恒定 在定子上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速n 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)發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同 此時(shí)定子向電網(wǎng)饋送能量 而轉(zhuǎn)子需要饋入能量 圖2 3 即為亞同步運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的等效電路 在超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí) 轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相反 此時(shí)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 2 3 雙p w m 型變流器 由前述可知 雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子能量是在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)的 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第16 頁(yè) 因此接于轉(zhuǎn)子回路 用于作交流勵(lì)磁的電源必須保證能量能夠雙向流動(dòng) 雙 饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用雙p w m 型變流器 如圖2 4 所示 來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制 網(wǎng)側(cè)變流器轉(zhuǎn)子側(cè)變流器 r 一一一一一一一一一一一一一一一f廣一一一一一一一一一一一一一一1 i j j 崔 王 l 本 l 本 lj 一一一 l 纛礎(chǔ) 一u 億叫二卜妒 k 尊 盡占點(diǎn) 一 廠 一一一 弋t 廣 l j 一 是母 匆 o 亡p 受母匆 o 已 矗 一 0 時(shí) c o 與o s 的誤 差量 1 9 一 o s 一日 都漸進(jìn)穩(wěn)定 通過(guò)不斷修正估算值 i 與9 0 估算 值將逐漸接近真實(shí)值 1 9 與吼 最終達(dá)到同步 p l l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 3 所示 圖3 3p l l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 1 5 空間矢量p w m s v p w m 控制 空間矢量p w v l s v p w m 控制是依據(jù)變流器空間電壓 電流 矢量切換 來(lái)控制變流器的一種新穎思路的控制策略 空間矢量p w m 控制策略早期由 日本學(xué)者在2 0 世紀(jì)8 0 年代初針對(duì)交流電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)而提出的 其主要思 路在于拋棄了原有的正弦波脈寬調(diào)制 s p w m 而是采用變流器空間電壓矢 量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 從而在不高的開(kāi)關(guān)頻率 1 3 k h z 條件下 使交流電動(dòng)機(jī)獲得了較s p w m 控制更好的性能 主要表現(xiàn)在 s v p w m 提高 了電壓型變流器的電壓利用率和電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能 同時(shí)還減小了電機(jī)的 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 5 頁(yè) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等 另外 簡(jiǎn)單的矢量模式切換更易于單片微處理的實(shí)現(xiàn) 目前s v p w m 技術(shù)主要分成兩類 其一是基于固定開(kāi)關(guān)頻率的s v p w m 電流控制 即利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d q 中電流調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量 指令 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換空間電壓矢量指令可為三相電壓矢量 u 咖 或兩相靜止電壓矢量 咖 移 再采用s v p w m 使變流器輸出的空間電 壓矢量跟蹤電壓矢量指令 從而達(dá)到電流控制的目的 其二是利用基于滯環(huán) 電流控制的s v p w m 即利用電流偏差矢量或電流偏差變化率矢量空間分布 給出最佳的電壓矢量切換 使電流偏差控制在滯環(huán)寬度以內(nèi) 這實(shí)際上是一 種開(kāi)關(guān)頻率變化的s v p w m 當(dāng)采用這種方法時(shí) 變化的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān) 器件產(chǎn)生不平衡的應(yīng)力 第一類s v p w m 電流控制方案 一般用于動(dòng)態(tài)電流響應(yīng)要求不高的正弦 波電流跟蹤控制場(chǎng)合 如高功率因數(shù)整流器 無(wú)功補(bǔ)償裝置等 這主要是由 于這類控制方案 其指令電壓矢量受變流器系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)的影響 因而不易 取得十分理想的動(dòng)態(tài)電流響應(yīng) 第二類s v p w m 電流控制方案 電流響應(yīng)較 快 系統(tǒng)魯棒性較好 常用于諸如有源濾波器等要求快速電流響應(yīng)控制的系 統(tǒng)中 本文中的雙p w m 變流器控制系統(tǒng)采用第一類s v p w m 控制方案 其原 理 9 簡(jiǎn)述如下 當(dāng)三相電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦時(shí) 其電壓空間矢量的軌跡是以相電壓幅值為半 徑的圓 s v p w m 就是利用變流器三相橋的功率晶體管所能輸出的8 個(gè)電壓 空間矢量 圖3 4 來(lái)合成該圓 從圖中可以看到8 個(gè)電壓矢量是 表3 1 間 斷的 而參考電壓矢量卻是連續(xù)的 但如果開(kāi)關(guān)頻率足夠高 則可以以一個(gè) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 6 頁(yè) 開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效 這也正是s v p m w 的基本思路 v 3 0 1 1 v 4 1 0 0 v 1 0 0 1 v s 1 0 1 圖3 4 基本空問(wèn)矢量示意圖 圖3 4 中各電壓矢量表達(dá)式為 圪 魯 s 但州3 t p 小州3 3 1 4 j 式中 s i 1 第f 相功率晶體管上管導(dǎo)通 i a b c s 0 第f 相功率晶體管下管導(dǎo)通 i a b c 變流器的功率開(kāi)關(guān)必須滿足以下兩個(gè)條件 1 任意時(shí)刻總有三個(gè)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)狀態(tài) 另三個(gè)處于關(guān)狀態(tài) 2 上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通 這樣開(kāi)關(guān)相量的組合共有8 個(gè)如表3 1 所示 表中 分別表示其在 兩相靜止坐標(biāo)系口邛中的值 可由式3 1 4 計(jì)算得到 表3 1 開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出矢量 s s bs 1 0 0 1 l o0 1 00 1 10 0 11 0 10 0 01 11 圪 兒 虼圪吩巧 乃 三 1 2 一 1 u 出 三 0o u d c一j u d cj 1 1 rr 1 rr 1 rr o 西u d c 百u 如 o 一萬(wàn)u 如一萬(wàn)u 出 oo 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 7 頁(yè) 當(dāng)給定輸出電壓矢量u o h 的兩相電壓空間矢量指令u 咖 u 邶 設(shè)其所 在位置如圖3 5 所示 從圖中可看出其和基本空間矢量 的對(duì)應(yīng)關(guān)系 岱 亭圪 詠1 0 礬 圖3 5 中 圪a 表示比和 的o 軸分量之和 表示屹和 的 軸分量之和 由表3 1 可知基本空間矢量的幅值都為妄 由圖可得下列等 式 2 u 如 曇u 如 u 2 三 孚曼 粵魄 3 1 5 在圖3 5 所示的情況中 參考電壓空間矢量u o 位于被基本空間矢量 所包圍的扇區(qū)中 因此u o 以可以用乃和玩兩個(gè)矢量來(lái)表示 于是有如下等式 t 石 互 瓦 亭圪 等圪 1 6 上式中 兀和疋分別是在周期時(shí)間丁中基本空間矢量以 玩各自作用的時(shí) 間 t o 是o 矢量的作用時(shí)間 由圖3 5 與式 3 1 6 可知 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 8 頁(yè) 爭(zhēng)吲 爭(zhēng)吲c o s 6 0 3 17 下 蘆 等吲s i n 6 0 由上述公式可以看出 通過(guò)設(shè)定時(shí)間乃 疋和死 即可控制基本矢量的 合成矢量 使之等同于給定的輸出電壓矢量指令 加 繆 即達(dá)到變流器 輸出的空間電壓矢量跟蹤電壓矢量指令的效果 實(shí)現(xiàn)變流器的有效控制 3 2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路如圖3 6 所示 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為在定子同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相t 型等效電路 眭1 4 電路已歸算至定子側(cè) 雙饋發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器網(wǎng)側(cè)變流器 圖3 6 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等效電路 3 2 1 網(wǎng)側(cè)濾波器 由圖3 6 可知 網(wǎng)側(cè)濾波器兩側(cè)的三相電壓關(guān)系式為 乙p u 9 6 u 蓼 r i 1 缸 1 f c d l 函 l 細(xì) l b l 磚 i 甜加 網(wǎng) 3 1 8 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 9 頁(yè) 式中 為濾波器網(wǎng)側(cè)三相電壓 鰳 坳 嘞為濾波器變流 器側(cè)三相電壓 枷 扔 拓為濾波器三相電流 移巧分別為濾波器的電阻 濾波電感 通過(guò)坐標(biāo)變換 在以電網(wǎng)電壓基波角頻率c o 為旋轉(zhuǎn)角頻率的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d q 下的電壓關(guān)系式為 d j 嘞2 t 婦 三詈一q l 如慨 3 1 9 t l 鵲 r f i f q 七l 焉 e u f q 式中 為濾波器網(wǎng)側(cè)電壓d q 分量 即 為濾波器變流器側(cè) 電壓d q 分量 婦 編為濾波器電流d q 分量 根據(jù)式 3 1 0 網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間交換的功率為 3 2 2 直流環(huán)節(jié) 名2 婦 州g q l f g 3 2 0 q g t f a u g d t f q 直流側(cè)電容c 吸收的能量 為 三睨 3 2 1 由于變流器自身消耗的能量很少 可忽略不計(jì) 故網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè) 變流器的功率分別可表示為 p f u d jf o e u d c i r d 則電容吸收能量的瞬時(shí)變化量望壘為 d t 睪 弓一e 魄 匆一o 出 同時(shí) 霉d t 三2 c 罷a t 乏 國(guó)出單a t 3 2 2 3 2 3 3 2 4 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第3 0 頁(yè) 所以 c 罷爭(zhēng) k k 班 由此可知 當(dāng)直流電壓穩(wěn)定時(shí) 即系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí) p f p r i