風(fēng)力發(fā)電機組的運行特性

1、第四章 風(fēng)力發(fā)電機組的運行特性4.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成及分類14.2風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)原理3風(fēng)力機的輸出功率3風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)原理5風(fēng)力機相關(guān)技術(shù)參數(shù)54.3三相交流異步電機的基本電磁理論7三相交流異步電機的結(jié)構(gòu)7三相交流異步電機的基本工作原理8靜止坐標(biāo)系下的三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型104.3.4 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相交流異步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型134.4 電壓源型變流器工作原理及運行特性174.4.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理174.4.2 三相電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運行特性194.4.3 背靠背四象限電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運行特性204.5定速型風(fēng)電機組的運行特性23鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的運

2、行原理234.5.2 鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的風(fēng)速-功率特性26鼠式籠感應(yīng)風(fēng)電機組的運行控制274.6變速型風(fēng)電機組的運行特性31雙饋感應(yīng)式發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理31雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機組的運行控制原理33雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機組的功率傳輸特性34雙饋感應(yīng)式異步風(fēng)電機組的撬杠保護36雙饋感應(yīng)式異步風(fēng)電機組的運行操作384.7直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組的運行特性40永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型40永磁同步發(fā)電機的外特性41直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組的運行控制原理42直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組的運行操作44參考文獻46第4章 風(fēng)力發(fā)電機組的運行特性風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)力機和發(fā)電機及其控制系統(tǒng)組成，其中風(fēng)力機完成風(fēng)能到機械能的轉(zhuǎn)換，

3、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換1。本章將首先介紹風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及各主要設(shè)備的運行原理，在此基礎(chǔ)上，介紹恒速恒頻式、變速恒頻式和永磁直驅(qū)式等三種典型風(fēng)電機組運行特性。4.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成及分類風(fēng)力機和發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本部件，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代大容量風(fēng)力發(fā)電機組還引入了電力電子變換器，以實現(xiàn)發(fā)電機電磁功率與風(fēng)力機機械功率的柔性匹配，進而改善風(fēng)電機組的整體運行性能2。圖4-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成3，主要包括風(fēng)力機、齒輪箱（可選）、發(fā)電機、電能變換裝置（可選）等。圖4-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成根據(jù)圖4-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成

4、中各部件類型及組合的不同，目前主要有以下三類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：1) 恒速恒頻式（Constant Speed Constant Frequency, CSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電能的頻率恒定，發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速變化范圍很小，近似恒定；通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組。2) 變速恒頻式（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組定子發(fā)出的交流電能的頻率恒定，而發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速變化；通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組為雙饋感應(yīng)式異步發(fā)電機組。 3) 變速變

5、頻式（Variable Speed Variable Frequency, VSVF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特點是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率和發(fā)電機組轉(zhuǎn)速都是變化的，因此，此類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要串聯(lián)電力變流裝置才能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行。通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組為永磁同步發(fā)電機組。圖4-2圖4-4是幾種典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-2 恒速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖4-3 變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖4-4 變速變頻直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4.2風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)原理風(fēng)力機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的原動機，其功能是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動后續(xù)裝置發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)

6、力機主要包括風(fēng)輪、塔架和對風(fēng)裝置。風(fēng)輪是由輪轂及安裝于輪轂上的葉片組成，是風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的部件；塔架是為了風(fēng)輪能在地面上較高的風(fēng)速中運行；對風(fēng)裝置是實現(xiàn)風(fēng)向跟蹤裝置，使風(fēng)輪總能處于最大迎風(fēng)方向。現(xiàn)代大容量風(fēng)力機為水平軸風(fēng)力機，其優(yōu)點是掃風(fēng)面積大、風(fēng)能利用系數(shù)Cp高（Cp能大于0.5）等。按風(fēng)功率調(diào)節(jié)方式分類，風(fēng)力機又可分為定槳距風(fēng)力機和變槳距風(fēng)力機兩種。定槳距風(fēng)力機其風(fēng)功率捕獲控制完全依靠葉片的氣動性能，難以對風(fēng)功率的捕獲進行精確的控制，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、同時具有較好的安全系數(shù)。變槳距風(fēng)力機通過葉片槳距角調(diào)節(jié)實現(xiàn)風(fēng)能捕獲控制，在低風(fēng)速條件下具有較高的風(fēng)能捕獲效率，高于額定風(fēng)速時擁有平穩(wěn)

7、的風(fēng)功率輸出。因此得到了廣泛的應(yīng)用。但其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，對風(fēng)速的跟蹤有一定的延時，可能導(dǎo)致風(fēng)力機的瞬間超載4。4.2.1風(fēng)力機的輸出功率風(fēng)力機從風(fēng)中吸收的功率可用下式表示：（4-1）式中：Pm為風(fēng)輪輸出功率（W），Cp為風(fēng)能利用系數(shù)表征風(fēng)力機捕獲風(fēng)能能力的參數(shù)，A1=pR2為風(fēng)力機葉片掃略面積（m2），r為空氣密度（kg/m3），Vw為風(fēng)速（m/s），R為風(fēng)力機葉片半徑（m）。由式（4-1）可知，風(fēng)力機從風(fēng)中吸收的功率與空氣密度r、風(fēng)速Vw、葉片半徑R和風(fēng)能利用系數(shù)Cp等都有關(guān)。在任一時刻，由于無法對空氣密度、風(fēng)速、葉片半徑等施加控制，因此，為了獲得最大風(fēng)能捕獲，唯一的控制參數(shù)便是風(fēng)能利用系

8、數(shù)Cp。眾所周知，如果接近風(fēng)輪的空氣的全部動能都被轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪葉片所吸收，則風(fēng)輪后的空氣就不動了，然而空氣不可能不動，所以風(fēng)力機的風(fēng)能捕獲效率總是小于1；根據(jù)Betz理論，風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)的理論最大值是0.595，其實際值通常在0.47左右。風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)Cp與風(fēng)力機葉片參數(shù)（如攻角、槳距角、葉片翼型）和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速等有關(guān)。在實際應(yīng)用中，往往用Cp-葉尖速比l的關(guān)系曲線來表示該風(fēng)輪的空氣動力特性，其中風(fēng)輪的葉尖速比l定義為風(fēng)輪葉尖的線速度與風(fēng)速之比，即：l=WR/V（4-2）式中：W為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；R為風(fēng)輪半徑；V為風(fēng)速。圖4-5 現(xiàn)代大功率風(fēng)力機的Cp-l特性曲線示意圖由圖4-5可知

9、，當(dāng)葉尖速比l取某一特定值時Cp值最大，與Cp最大值對應(yīng)的葉尖速比稱之為最佳葉尖速比。因此，為了使Cp維持最大值，當(dāng)風(fēng)速變化時，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速也需要隨之變化，使之運行于最佳葉尖速。圖4-6 風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)特性曲線（Popt是各風(fēng)速下風(fēng)力機最大輸出功率點曲線最佳功率曲線）圖4-6是不同風(fēng)速下（風(fēng)速V1、V2、V3和V4且V1>V2>V3>V4）風(fēng)力機的輸出功率特性。由圖可知，對于某給定風(fēng)速，風(fēng)力機有一最佳轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能最大，該轉(zhuǎn)速即為最佳葉尖速。不同風(fēng)速下的風(fēng)力機最大輸出功率點連線即為風(fēng)力機最佳功率曲線。4.2.2風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)原理由前面分析可知，風(fēng)力機輸出功率

10、與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力機輸出功率將超過額定值，進而導(dǎo)致發(fā)電機組、齒輪傳動機構(gòu)等過載運行，威脅著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。因此，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，往往需要對風(fēng)力機的輸出功率進行調(diào)節(jié)，以保證發(fā)電機、齒輪箱等設(shè)備運行于允許范圍內(nèi)。由前面的分析可知，調(diào)節(jié)風(fēng)力機輸出功率的有效途徑是調(diào)節(jié)風(fēng)能利用系數(shù)Cp，而Cp與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機葉片空氣動力特性密切相關(guān)，因此，通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速或風(fēng)力機葉片空氣動力特性即可實現(xiàn)風(fēng)力機輸出功率的調(diào)節(jié)。1. 定槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)定槳距風(fēng)力機是根據(jù)風(fēng)力機葉片失速特性來調(diào)節(jié)風(fēng)力機的輸出功率。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力機葉片翼型發(fā)生變化，使風(fēng)力機風(fēng)輪捕獲

11、風(fēng)能的能力下降，保證風(fēng)力機輸出功率不隨風(fēng)速上升而增加，而使輸出功率不超過額定功率。2. 變槳距風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)變槳距風(fēng)力機是通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳距角b來改變?nèi)~片的風(fēng)能捕獲能力，進而調(diào)節(jié)風(fēng)力機的輸出功率。風(fēng)力機啟動時，調(diào)節(jié)風(fēng)力機的槳距角，限制風(fēng)力機的風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機轉(zhuǎn)速恒定，為發(fā)電機組的軟并網(wǎng)創(chuàng)造條件。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，保持風(fēng)力機槳距角恒定，通過發(fā)電機調(diào)速控制使風(fēng)力機運行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運行。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳距角，使風(fēng)輪葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。4.2.3風(fēng)力機相關(guān)技術(shù)參數(shù)為了能夠準(zhǔn)確地描述風(fēng)力機的運行性能，通常定義如下技術(shù)參數(shù)：1

12、. 風(fēng)速某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。2. 有效風(fēng)速風(fēng)速隨機性很大，并不是所有風(fēng)速都能使風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，也不是所有風(fēng)速都能使風(fēng)輪安全運行。有效風(fēng)速是指使風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪安全轉(zhuǎn)動的風(fēng)速，有時也稱可利用風(fēng)速。3. 有效風(fēng)速范圍把風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪能安全運轉(zhuǎn)正常輸出功率的風(fēng)速段稱作有效風(fēng)速范圍。設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機時把起始風(fēng)速、額定風(fēng)速和停機風(fēng)速之間的風(fēng)速稱作有效風(fēng)速范圍。一般設(shè)計時常取320m/s（也有取620m/s）的風(fēng)速范圍為有效風(fēng)速范圍。4. 有效風(fēng)速可利用的時間把一年內(nèi)有效風(fēng)速所占的時間稱作有效風(fēng)速可利用時間。如東南沿海的

13、泗礁島年320m/s風(fēng)速占7000h以上，有效風(fēng)速時間即7000h以上。5. 起始風(fēng)速（切入風(fēng)速）與停機風(fēng)速（切出風(fēng)速）在低風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪雖然可以轉(zhuǎn)動，但由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很低，并不能有效地輸出電能。當(dāng)風(fēng)速上升到切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組才開始發(fā)電。隨著風(fēng)速的不斷升高，發(fā)電機組輸出功率不斷增加，當(dāng)風(fēng)速上升到切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率超過額定功率時，在控制系統(tǒng)的作用下機組停止發(fā)電。因此，切入風(fēng)速為使風(fēng)力發(fā)電機組開始發(fā)電的最小風(fēng)速；切出風(fēng)速為風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率超過額定功率時的最小風(fēng)速。對于不同廠商生產(chǎn)的風(fēng)電機組，其切入、切出風(fēng)速不完全相同，切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間的風(fēng)速段稱為“工作

14、風(fēng)速”。6. 額定風(fēng)速與額定輸出功率風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生額定輸出功率時的最低風(fēng)速，稱為額定風(fēng)速，它是由設(shè)計者為機組確定的一個參數(shù)。在額定風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生出的功率，稱為額定輸出功率。7. 最大輸出功率與安全風(fēng)速最大輸出功率是風(fēng)力發(fā)電機組運行在額定風(fēng)速以上時，發(fā)電機組可以發(fā)出的最高功率值。最大輸出功率高，說明風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機容量具有較大的安全系數(shù)。安全風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機組在保證安全的前提下，所能承受的最大風(fēng)速。安全風(fēng)速高，說明該機組強度高，安全性好，一般不要求機組在安全風(fēng)速下工作。8. 風(fēng)能利用系數(shù)Cp值高，表示風(fēng)力機的空氣動力性能好，風(fēng)力機葉片吸收和轉(zhuǎn)換風(fēng)能的能力強，其理論最大極限值為0.

15、593。4.3三相交流異步電機的基本電磁理論三相交流異步發(fā)電機是一種通過定、轉(zhuǎn)子繞組間的電磁耦合來實現(xiàn)機械能電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。從電磁觀點看，三相交流異步發(fā)電機可看作由一些相互耦合的線圈構(gòu)成，這些線圈包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組等。研究三相交流異步電機的電磁關(guān)系是了解三相交流發(fā)電機運行問題的理論基礎(chǔ)，對解決三相交流發(fā)電機運行問題具有重要的意義。為此，本節(jié)主要研究恒速恒頻、變速恒頻風(fēng)電機組中的異步發(fā)電機組的基本電磁理論。4.3.1三相交流異步電機的結(jié)構(gòu)三相交流異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。定子是一個圓筒形的鐵心，在靠近鐵心內(nèi)表面的槽里嵌放了導(dǎo)體，把這些導(dǎo)體按一定的規(guī)律連接

16、起來，叫定子繞組，也叫電樞繞組，三相定子繞組在空間對稱分布。高電壓大、中型容量的異步電機定子繞組通常采用Y聯(lián)結(jié)，只有三根引出線。對于中、小容量低電壓異步電機，通常把定子三相繞組的六根出線頭都引出來，根據(jù)需要可接成Y形（Y聯(lián)結(jié)）或D形（D聯(lián)結(jié)）。圓筒形鐵心的中間是可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，嵌放著轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式繞組和繞線式繞組兩類。如果是鼠籠式異步電機，則轉(zhuǎn)子繞組是短接繞組，即是一種自行閉合的短路繞組。它是由插入轉(zhuǎn)子鐵心每個槽中的導(dǎo)條以及轉(zhuǎn)子鐵心兩端的端環(huán)構(gòu)成。在轉(zhuǎn)子的每個槽里放上一根導(dǎo)條，每根導(dǎo)條都比轉(zhuǎn)子鐵心長，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條兩端分別接在自行短路的端環(huán)上，即在轉(zhuǎn)子鐵心兩端用兩個端環(huán)把

17、所有的導(dǎo)體都短接起來，形成一個自己短接的繞組。如果去掉鐵心，單看轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的外型，就象一個松鼠籠，故稱為鼠籠式繞組。如果是繞線式異步電機，轉(zhuǎn)子繞組嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，和定子繞組相似，三相繞組在空間對稱分布，它可以是Y或D聯(lián)結(jié)，一般，小容量電機用D聯(lián)結(jié)，中、大容量電機都采用Y聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)子繞組的三條引線分別接到轉(zhuǎn)軸的三個滑環(huán)上，通過電刷裝置引出來，從而可以把外接電阻或交流變頻勵磁調(diào)速電源串聯(lián)到轉(zhuǎn)子繞組回路里去，實現(xiàn)調(diào)速目的6-8。圖4-7為繞線型異步電機結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖。圖中：sA和sA、sB和sB、sC和sC分別表示A、B、C三相定子繞組；ra和ra、rb和rb、rc和rc分別表示a、b、c三相轉(zhuǎn)

18、子繞組。圖4-7 繞線型異步電機結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖4.3.2三相交流異步電機的基本工作原理下面以鼠籠式異步電機為例，分析三相交流電機的基本工作原理。把鼠籠式異步電機的定子接到三相電源時，定子中會有三相電流，定子電流產(chǎn)生一系列的氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度。其中起主要作用的是以同步速、順著繞組相序旋轉(zhuǎn)的基波氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度。同步速的大小取決于電網(wǎng)頻率和繞組極對數(shù)，即n1=60f/p。 （a）電動狀態(tài) （b）發(fā)電狀態(tài) （c）制動狀態(tài)圖4-8 鼠籠式異步電機運行狀態(tài)示意圖圖4-8（a）是一臺二極異步電動機的氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向示意圖，n1箭頭表示氣隙磁通密度的旋轉(zhuǎn)方向，最里邊的那個大圓圈代表轉(zhuǎn)子，其中兩個小圓

19、圈代表轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體，Ä和分別表示電流流入、流出紙面方向。先考慮轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)動起來的情況。在圖中所示的瞬間，氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度形象地用N、S極表示，例如，這時N極在上面，S極在下面。于是，氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而感應(yīng)電動勢，圖所示瞬間，假設(shè)導(dǎo)體中電流的方向與感應(yīng)電動勢同相，根據(jù)右手定則，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流方向如圖中的Ä和所示。根據(jù)氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度的極性和電流方向，利用左手定則可以看出，會產(chǎn)生一個與氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度同方向的電磁轉(zhuǎn)矩，作用在轉(zhuǎn)子上，如果這個電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服加在轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就能旋轉(zhuǎn)起來，并加速旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n能加速到等于同步速n1時，轉(zhuǎn)子繞組和氣隙旋

20、轉(zhuǎn)磁通密度之間就沒有相對運動，當(dāng)然轉(zhuǎn)子繞組中也就沒有感應(yīng)電動勢，電流和電磁轉(zhuǎn)矩都等于零。這就是說，這種情況不可能維持下去。但是，只要n<n1，轉(zhuǎn)子繞組和氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度之間就有相對運動，轉(zhuǎn)子繞組里就會有電流，也就有電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子就以恒速n運行，這種情況下，定子從電源吸收有功功率，這就是異步電動機的簡單運行原理。可見，異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不可能達到同步轉(zhuǎn)速n1，一般總是略小于n1。通常把同步轉(zhuǎn)速n1和電動機轉(zhuǎn)速n二者之差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值叫做轉(zhuǎn)差率，用S表示。轉(zhuǎn)差率S定義如下：當(dāng)電機的定子繞組接電源時，站在定子邊看，如果氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一

21、致時，則轉(zhuǎn)差率S為S=(n1-n)/n1（4-3）如果兩者轉(zhuǎn)向相反，則S=(n1+n)/n1（4-4）式中：n1、n都理解為轉(zhuǎn)速的絕對值，S是一個沒有量綱的數(shù)，它的大小能夠反映電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。如果用另外一臺原動機拖動異步電機，使它的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速n1運行，即n>n1或S<0，如圖4-8（b）所示。由于n>n1，使氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的方向反了，導(dǎo)體中電動勢、電流的方向以及產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也反了。這種情況下，電磁轉(zhuǎn)矩對原動機來說，是一個制動轉(zhuǎn)矩。要保持電機轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，原動機必須給電機輸入機械功率，于是，異步電機定子向電網(wǎng)發(fā)送功率，即處于發(fā)電狀態(tài)。如果用其他機械拖

22、動電機轉(zhuǎn)子向著氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度轉(zhuǎn)向相反的方向轉(zhuǎn)動，即S>1，如圖4-8（c）所示。這時轉(zhuǎn)子中電動勢、電流的方向仍然與電動機工作狀態(tài)時的一樣，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向仍然與氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度的方向一致，但是，與轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)向卻相反了?？梢姡@種情況，電磁轉(zhuǎn)矩與拖動機械加在電機轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩二者方向相反，互相平衡，而電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩。把這種情況叫做電機處于電磁制動狀態(tài)運行。電機除了吸收拖動機械的機械功率外，還從電網(wǎng)吸收功率，這兩部分功率在電機內(nèi)部都以損耗的方式最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出來。對于雙饋感應(yīng)式異步電機，其繞組結(jié)構(gòu)與繞線型異步電機相同，不同之處是在普通繞線型異步電機的基礎(chǔ)上外加了交流變頻

23、勵磁電源如背靠背四象限變流器。其運行特征是定、轉(zhuǎn)子三相繞組分別接到兩個獨立的三相對稱電源，其中定子繞組的電源為固定頻率的工業(yè)電源，而轉(zhuǎn)子電源為電壓的幅值、頻率和相位根據(jù)運行要求可分別進行調(diào)節(jié)的變頻電源。對轉(zhuǎn)子電源頻率的要求很嚴(yán)格，即要求在任何情況下，都應(yīng)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢同頻率。雙饋感應(yīng)型異步電機轉(zhuǎn)子可以根據(jù)運行要求接原動機或機械負(fù)載。轉(zhuǎn)子繞組由背靠背四象限變流器供電，負(fù)責(zé)控制電機的磁場變化。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組加入的勵磁電源電壓的幅值、頻率和相位的不同，雙饋感應(yīng)式異步電機可以運行在發(fā)電、電動和電磁制動三種不同的狀態(tài)。4.3.3靜止坐標(biāo)系下的三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型為了便于定量分析三相交流異步電機的能

24、量轉(zhuǎn)換過程，本節(jié)基于理想電機假設(shè)，建立了三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型，即假設(shè)：1) 電機鐵心的導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)，即忽略鐵心磁飽和、磁滯的影響，也不計渦流及集膚作用等的影響；2) 對縱軸及橫軸而言，電機轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，即電機磁路在空間上完全對稱；3) 定（轉(zhuǎn)）子三相繞組的位置在空間上互相相差120°電角度，三個繞組在結(jié)構(gòu)上完全相同；4) 定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均在氣隙空間中產(chǎn)生正弦分布的磁動勢；5) 只考慮氣隙基波磁場的作用，忽略諧波磁動勢，諧波磁通及相應(yīng)的諧波電動勢的影響；6) 定子及轉(zhuǎn)子的槽及通風(fēng)溝等不影響電機定子及轉(zhuǎn)子的電感，即認(rèn)為電機的定子及轉(zhuǎn)子具有光滑的表面；轉(zhuǎn)子上沒有阻尼

25、繞組。在此基礎(chǔ)上，對定轉(zhuǎn)子繞組回路電壓電流正方向、定轉(zhuǎn)子電流與磁鏈間正方向等做如下規(guī)定：1) 定子繞組回路電壓極性及其電流正方向采用發(fā)電機慣例（從定子繞組端電壓的正極性端流出為定子電流正方向），并規(guī)定負(fù)值定子電流產(chǎn)生正值磁鏈，且磁鏈正方向為繞組軸線方向；2) 轉(zhuǎn)子繞組電壓極性及其電流正方向采用電動機慣例（從轉(zhuǎn)子繞組端電壓的正極性端流入為轉(zhuǎn)子電流正方向），并且規(guī)定正值轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生正值磁鏈，磁鏈方向為轉(zhuǎn)子繞組軸線方向。根據(jù)以上假設(shè)，可得到如圖4-9所示的三相交流異步電機繞組空間分布剖面示意圖，電機轉(zhuǎn)子由原動機驅(qū)動、相對于定子逆時針方向以電角速度wr旋轉(zhuǎn)。圖4-9 三相交流電機繞組空間分布縱向剖面示

26、意圖圖中：sA和sA、sB和sB、sC和sC分別表示A、B、C三相定子繞組；ra和ra、rb和rb、rc和rc分別表示a、b、c三相轉(zhuǎn)子繞組；Ä、分別表示電流流入、流出紙面方向；定子A相繞組軸線正方向為空間位置參考方向即sD軸，轉(zhuǎn)子繞組a相軸線即ra軸超前sD軸qr電角度。1. 電壓方程根據(jù)所規(guī)定的電壓、電流和磁鏈正方向，定、轉(zhuǎn)子電壓方程可表示為：（4-5）（4-6）式中：Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；usx、urx，isx、irx，sx、rx(xa,b,c)分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流和磁鏈。2. 磁鏈方程其中，定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈與電流之間的關(guān)系為：（4-7）式中：s(t)=sA

27、(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均為3行*3列的電感子矩陣，分別表示定子繞組電感矩陣、轉(zhuǎn)子繞組電感矩陣和定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感矩陣。當(dāng)假定三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組除了各自漏磁通之外，只存在同時和這6個繞組都交鏈的公共磁通，而不存在只和其中任意2個、3個、4個或5個繞組交鏈的磁通（公共磁通假設(shè)），則有，式中：qr=rt+qr0為轉(zhuǎn)子a相繞組軸線與定子A相繞組軸線之間的空間位置角，qr0為t=0時qr的

28、初值；r為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度。Ls=Lsm+Lsl，Lr=Lrm+Lrl，Ms=-Lsm/2，Mr=-Lrm/2，Msr2=Ms*Mr各電感量的物理含義：根據(jù)公共磁通假設(shè)，與電機繞組交鏈的磁通主要有兩類：一類是與所有繞組均交鏈的穿過氣隙的公共磁通，另一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，前者是主要的。定子繞組漏磁通所對應(yīng)的電感稱作定子漏感Lsl，由于各相繞組結(jié)構(gòu)的對稱性，定子各相漏感值均相等；同理，轉(zhuǎn)子各相漏磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感Lrl，轉(zhuǎn)子各相漏感值也均相等。公共磁通與定子繞組相交鏈對應(yīng)的最大互感為Lsm，即當(dāng)公共磁通方向與定子繞組軸線方向重合時，定子繞組所交鏈的磁鏈最大；由于定子繞組之間的

29、空間相對位置固定且互差120°電角度，故定子繞組間的互感磁鏈Ms=-Lsm/2。同理，公共磁通與轉(zhuǎn)子繞組相交鏈對應(yīng)的最大互感為Lrm，即當(dāng)公共磁通方向與轉(zhuǎn)子繞組軸線方向重合時，轉(zhuǎn)子繞組所交鏈的磁鏈最大；由于轉(zhuǎn)子繞組之間的空間相對位置固定且互差120°電角度，故轉(zhuǎn)子繞組間的互感磁鏈Mr=-Lrm/2。定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感磁鏈與兩者之間的相對空間位置有關(guān)，故定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感是空間位置角的時變函數(shù)，如Lsr，Lrs矩陣表達式所示，其最大值為Msr2=Lsm*Lrm=Ms*Mr。假設(shè)公共磁通回路的磁阻為R，定、轉(zhuǎn)子繞組的有效線圈匝數(shù)分別為Ns、Nr，則定子繞組最大互感Lsm

30、=(Ns)2/R、轉(zhuǎn)子繞組最大互感Lrm=(Nr)2/R，定、轉(zhuǎn)子繞組間的最大互感Msr=NsNr/R=（Lsm*Lrm）1/2。3. 轉(zhuǎn)子運動方程電機轉(zhuǎn)子運動方程為（4-8）式中：r為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度（rad/s），Np為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，TJ為發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量（kg×m2），Tm為機械力矩（N×m），Te為電磁力矩（N×m），且（4-9）式（4-5）、（4-6）、（4-7）、（4-8）和（4-9）構(gòu)成了abc靜止坐標(biāo)系下的交流電機方程，其中包含了6個電壓方程、6個磁鏈方程和1個轉(zhuǎn)子運動方程。以上共計13個方程，為7階數(shù)學(xué)模型，含有變量usabc、rabc、isab

31、c、rabc、ysabc、rabc、Tm和wr共20個，故還需要有7個約束（或已知）條件方程方可求解。這7個約束條件如下：Tm為原動機輸出機械力矩，設(shè)為已知；定子三相繞組與電網(wǎng)連接，定子三相電壓認(rèn)為已知；轉(zhuǎn)子三相電壓由電機運行要求給定。因此，總的方程數(shù)與變量數(shù)平衡，可以求數(shù)值解。4.3.4 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相交流異步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型由上述分析可知，電機繞組的互感系數(shù)為時變，從而使電機動態(tài)過程問題變?yōu)榍蠼夂袝r變系數(shù)的微分方程組問題，造成求解的困難。為了解決這個問題，通常根據(jù)電機的雙反應(yīng)理論，即任何一組三相平衡定（轉(zhuǎn)）子電流產(chǎn)生的合成磁場，總可以由兩個軸線相互垂直的磁場所代替，以兩個軸線分別

32、在d、q軸上、與合成磁場同步旋轉(zhuǎn)的定（轉(zhuǎn)）子繞組代替定（轉(zhuǎn)）子三相真實繞組。1. 電壓方程根據(jù)電機的雙反應(yīng)理論，在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電機電壓方程為：（4-10）式中：usd、usq，isd、isq，ysd、ysq分別為d、q定子繞組電壓、電流和磁鏈；urd、urq，ird、irq，yrd、yrq分別為d、q轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流和磁鏈；s為轉(zhuǎn)差角速度，s=1-r。，,，C1、C2為Park變換矩陣，本文選擇：（4-11）（4-12）式中：q1=1t+q10為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與三相靜止坐標(biāo)軸系的A相繞組軸線之間的夾角，1為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度，q10為t=0時q1的初值；qs=st+q

33、s0為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與三相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸系的a相繞組軸線之間的夾角，s=1-r為轉(zhuǎn)差角速度，qs0為t=0時qs的初值。2. 磁鏈方程同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈方程為：（4-13）式中：sdq=sd，sqT；rdq=rd，rqT；isdq=isd，isqT；irdq=ird，irqT； ，Lm為dq坐標(biāo)系同軸定子與轉(zhuǎn)子等效繞組間的互感，Lm=1.5Lsm；Ls為dq坐標(biāo)系定子等效兩相繞組的自感，Ls=1.5Lsm+Lsl=Lm+Lsl；Lr為dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，Lr=1.5Lrm+Lrl=Lm+Lrl。3. 功率方程忽略定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈動態(tài)過程，則由發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子電壓方程，可以獲得

34、定子發(fā)出功率Ps和轉(zhuǎn)子吸收功率Pr分別為：（4-14）上式等號右邊第一項反映了定子繞組損耗，第二項反映了速度電動勢對輸出電功率的貢獻，其值即為跨氣隙傳輸?shù)蕉ㄗ拥碾姶殴β?。?-15）上式中等號右邊第一項反映了轉(zhuǎn)子繞組損耗，第二項反映了速度電動勢對輸出電功率的貢獻，其值即為跨氣隙傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率。由轉(zhuǎn)子功率方程可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步速，即wsw1-wr>0時，Pr>0，此時轉(zhuǎn)子繞組需要從外部電源吸收電功率；而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步速，即ws0時，轉(zhuǎn)子繞組從外部電源吸收的電功率全部轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子繞組損耗；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步速，即ws<0時，轉(zhuǎn)子繞組則向外部電源傳輸電功率。4. 轉(zhuǎn)子

35、運動方程dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子運動方程為：（4-16）式中：Tm，Te，Np，TJ意義同前。只是Te應(yīng)該按下式計算：（4-17）式（4-10）、（4-13）、4-16）和（4-17）構(gòu)成了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交流電機方程，其中包含了4個電壓方程、4個磁鏈方程和1個轉(zhuǎn)子運動方程。以上共計9個方程，為5階數(shù)學(xué)模型，含有變量usdq、rdq、isdq、rdq、ysdq、rdq、Tm和wr共14個，故還需要有5個約束（或已知）條件方程方可求解。這7個約束條件如下：Tm為原動機輸出機械力矩，設(shè)為已知；定子繞組與電網(wǎng)連接，二相定子電壓認(rèn)為已知；二相轉(zhuǎn)子電壓由電機運行要求給定。因此，總的方程數(shù)與變量數(shù)平衡

36、，可以求數(shù)值解。4.4 電壓源型變流器工作原理及運行特性電力電子變換器是以電力電子器件為基礎(chǔ)、采用一定的電路結(jié)構(gòu)形式對電能進行變換的系統(tǒng)或裝置，其顯著特點是能夠?qū)﹄娔苓M行靈活、準(zhǔn)確、連續(xù)的控制。因此，現(xiàn)代大容量風(fēng)電機組大多引入了電力電子變換器以改善機組的運行性能。目前，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變換器主要是基于全控型電力電子器件的交直交電壓源型變流器9，本節(jié)主要介紹電壓源型變流器的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理。4.4.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理圖4-10給出了三相電壓源型變流器的原理結(jié)構(gòu)：直流側(cè)并聯(lián)一個單極性的直流電壓源或支撐電容，直流電源或支撐電容的容量足夠大，能在持續(xù)充/放電和器件換相過

37、程中保持電壓不會發(fā)生很大的變化。為討論方便，在本章中假定直流電容電壓恒定，并且直流電流是雙向流動的，從而實現(xiàn)電能的雙向交換。交流側(cè)通過一定的接口電感與交流系統(tǒng)（電網(wǎng)或負(fù)載）相連，串聯(lián)電感的作用是在交流電壓源內(nèi)阻抗較小的情況下，防止直流側(cè)電容發(fā)生短路而快速向容性負(fù)載放電，損壞器件和裝置。接口電感可以是分立的電抗器，也可以是連接變壓器的漏抗。由于電壓型變流器中電壓的極性不變，而直流電流是雙向的，因此所采用的可關(guān)斷器件組（開關(guān)閥）只需阻斷正向電壓而無需阻斷反向電壓，同時應(yīng)具備雙向電流導(dǎo)通能力。圖中可關(guān)斷器件V1和一個等容量的二極管VD1反并聯(lián)構(gòu)成電壓型變流器的開關(guān)閥，同理，V2、VD2，V6、VD6

38、也分別構(gòu)成了5個開關(guān)閥?？申P(guān)斷器件V1V6一般有三個端子：兩個端子聯(lián)結(jié)在主電路中流通主電路電流，而第三端為控制端。可關(guān)斷器件V1V6的導(dǎo)通或者關(guān)斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間施加一定的控制信號來控制的。為防止直流側(cè)電壓源短路，同一支路上的上、下橋臂不能同時導(dǎo)通?？申P(guān)斷器件導(dǎo)通后，聯(lián)結(jié)在主電路中的兩個端子之間的阻抗非常小，相當(dāng)于短路；可關(guān)斷器件關(guān)斷后，聯(lián)結(jié)在主電路中的兩個端子之間的阻抗非常大，相當(dāng)于開路，即可關(guān)斷器件相當(dāng)于可控理想開關(guān)。下面以A相輸出控制為例，分析電壓源型變流器的工作原理：當(dāng)可關(guān)斷器件V1開通、V2處于關(guān)斷狀態(tài)時，正向直流端和交流側(cè)A相連，相對于直流側(cè)電源假想中點的交流輸

39、出電壓跳變?yōu)閁dc/2。當(dāng)可關(guān)斷器件V1關(guān)斷、V2開通時，負(fù)向直流端和交流側(cè)A相連，相對于直流側(cè)電源假想中點的交流輸出電壓跳變?yōu)?Udc/2。即變流器交流側(cè)輸出電壓完全受控于可關(guān)斷器件的工作狀態(tài)。圖4-10 電壓源型變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖為分析方便，定義變流器的相開關(guān)函數(shù)：，（k=A、B、C）則變流器交流側(cè)相對于直流電源假想中點O的輸出電壓為：（4-18）可見，電壓源型變流器直流側(cè)電壓恒定時，交流側(cè)輸出電壓是幅值等于Udc/2、與開關(guān)函數(shù)波形相似的電壓脈沖，即輸出電壓完全取決于變流器開關(guān)函數(shù)。因此，通過改變SA、SB和SC的值或開關(guān)V1-V6的狀態(tài)，即可實現(xiàn)對輸出電壓的控制，即電壓型變流器實質(zhì)為

40、可控電壓源。當(dāng)開關(guān)函數(shù)SA、SB和SC為正弦脈寬調(diào)制函數(shù)時，由于功率器件的開關(guān)頻率較高（kHz級），變流器交流側(cè)電壓包含基波和高次諧波。由于變流器輸出電感的濾波作用，高次諧波電壓的影響非常小；當(dāng)忽略輸出電壓中的高頻分量時，變流器又相當(dāng)于可控的基本正弦電壓源，其表達式為：（4-19）式中：mA、mB、mC分別為正弦脈寬開關(guān)函數(shù)sA、sB、sC的基波正弦分量，也稱之為調(diào)制比，是逆變器輸出相電壓基波幅值與半倍直流電壓幅值之比。4.4.2 三相電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運行特性根據(jù)圖4-10給定正方向，忽略電壓型變流器輸出電壓的高頻分量，則電壓型變流器聯(lián)網(wǎng)運行電壓方程可表示為：（4-20）式中：Ea、Eb、E

41、c為交流系統(tǒng)電壓，ia、ib、ic為逆變器相電流，uAO.1、uBO.1、uCO.1為變流器輸出三相基波電壓。為了分析方便，將上述方程變換到電網(wǎng)電壓空間矢量定向下的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，則經(jīng)過坐標(biāo)變換后的變流器模型為：（4-21）式中：Ed、Eq為電網(wǎng)電壓空間矢量的d、q軸分量；ud、uq為變流器交流側(cè)電壓空間矢量的d、q軸分量；id、iq為電網(wǎng)電流空間矢量的d、q軸分量；E為電網(wǎng)電壓空間矢量的幅值。因L、R相對較小，故變流器與交流系統(tǒng)間交換的有功功率P和無功功率Q分別近似等于交流系統(tǒng)發(fā)出的有功、無功，即：（4-22）當(dāng)P>0時，表示變流器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收能量；P<0時表示

42、變流器工作在逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)返回交流電網(wǎng)；Q>0表示變流器從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率；Q<0表示變流器從電網(wǎng)吸收超前的無功功率。由上式可知，通過分別控制電網(wǎng)電流空間矢量的d、q軸分量，即可實現(xiàn)變流器與電網(wǎng)之間的有功、無功交換的解耦控制。而由兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變流器電壓方程可知，電壓源型變流器電壓方程中含有與d、q軸電流相關(guān)的交叉耦合項，故需要解耦技術(shù)才能實現(xiàn)d、q軸電流（有功、無功）的獨立控制。4.4.3 背靠背四象限電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運行特性背靠背電壓源型變流器的電路原理結(jié)構(gòu)如圖4-11所示，是由兩個結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器（VSC1和VSC2）以“背靠背”方式、通過中間

43、的直流環(huán)節(jié)耦合而成。兩側(cè)變流器與交流系統(tǒng)之間可以進行獨立的無功功率交換，但是進行有功功率傳輸時，兩者需要協(xié)調(diào)控制，以保證直流側(cè)電容電壓的恒定。圖4-11 背靠背電壓源型變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖1. 背靠背電壓型變流器聯(lián)網(wǎng)運行電壓方程參考圖4-11所示正方向，背靠背電壓源型變流器在靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程可表示為：（4-23）（4-24）（4-25）式中：ux1、ux2分別為VSC1、VSC2交流側(cè)輸出相電壓的基波分量（x=a,b,c）。同理，將上述狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)電壓空間矢量定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下，則背靠背四象限變流器狀態(tài)方程為：（4-26）（4-27）（4-28）式中：md1u

44、d1/udc，mq1uq1/udc，md2ud2/udc，mq2uq2/udc。w1、w2分別為VSC1、VSC2所聯(lián)交流電網(wǎng)角頻率。由上式可知，背靠背四象限變流器為5階模型，狀態(tài)量為id1,iq1,id2,iq2,udc；控制量為ud1,uq1,ud2,uq2；當(dāng)狀態(tài)量初始值已知時，則給定一組控制量（因電網(wǎng)電壓空間矢量幅值E1、E2已知），即可求解出一組狀態(tài)量。2. 背靠背電壓型變流器與交流電網(wǎng)間的功率交換特性忽略連接電感、電阻上的損耗，則流入VSC1、流出VSC2的有功功率、無功功率分別為：（4-29）（4-30）由于E1、E2均為常數(shù)，因此對有功功率和無功功率的控制可轉(zhuǎn)化為對有功電流id

45、1（id2）和無功電流iq1（iq2）的控制。忽略變流器開關(guān)損耗，則輸入VSC1的有功功率應(yīng)等于直流側(cè)輸出功率，變流器VSC2直流側(cè)注入功率應(yīng)等于其交流側(cè)的輸出功率，即：（4-31）（4-32）由電容電壓狀態(tài)方程可知，為維持直流側(cè)電容電壓udc恒定，需使i01=i02，即要求背靠背變流器與兩端交流系統(tǒng)間的有功功率交換需保持平衡。3. 背靠背電壓型變流器并網(wǎng)操作為了防止背靠背電壓型變流器接入交流電網(wǎng)時造成電流沖擊，要求遵循一定的操作步驟，以實現(xiàn)無沖擊聯(lián)網(wǎng)。圖4-12 背靠背電壓源型變流器并網(wǎng)操作示意圖VSC1、VSC2分別通過斷路器與交流電網(wǎng)相聯(lián)。1） 合KM1，使VSC1經(jīng)充電電阻對直流側(cè)電容

46、充電；2） 合KM2，旁路充電電阻，使VSC1直接進入不控直接整流；3） 給定直流側(cè)參考電壓控制指令，控制VSC1產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，使VSC1運行于直流側(cè)電容電壓控制模式；4） 根據(jù)KM3斷口系統(tǒng)側(cè)電壓，控制VSC2產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，使VSC2交流輸出電壓基波分量與KM3斷口系統(tǒng)側(cè)電壓相等，此時合上開關(guān)KM3，實現(xiàn)VSC2無沖擊并網(wǎng)；5） VSC2接受指定有功功率、無功功率參考指令，實現(xiàn)指定功率交換控制。4.5定速型風(fēng)電機組的運行特性定速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的顯著特點是風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速變化范圍非常小甚至不變，其典型機型是鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組，主要由定速定槳風(fēng)力機、增速齒輪箱和鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機等構(gòu)成。本

47、節(jié)主要研究鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機的運行原理、運行狀態(tài)及運行操作等內(nèi)容。4.5.1鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的運行原理1. 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)模型根據(jù)三相交流異步電機電磁理論，忽略定、轉(zhuǎn)子繞組動態(tài)過程，則鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為：（4-33）式中：Usd、Usq、Urd、Urq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；Isd、Isq、Ird、Irq分別為定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子的電阻；w1、ws分別為鼠籠感應(yīng)發(fā)電機組的同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度；ysd、ysq、yrd、yrq分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量，其表達式為：（4-34）將磁鏈表達式代入電機電壓方程，并整

48、理成矢量形式可得：（4-35）式中：xs=w1*Lsl，xr=w1*Lrl，xm=w1*Lm，Ls、Lr、Lm分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的自感及定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感。據(jù)此可得如圖4-13所示的鼠籠感應(yīng)電機等效電路圖，圖中?m=-?s+?r。當(dāng)電機處于發(fā)電運行狀態(tài)時S<0，即Rr/S<0，Rr/S相當(dāng)于一個電源向定子側(cè)發(fā)送功率。由于勵磁電抗比定、轉(zhuǎn)子漏抗大得多，因此可以得到更為實用的G型等效電路，即將勵磁支路移到定子側(cè)，圖4-14為鼠籠式感應(yīng)電機的G型等效電路。圖4-13 鼠籠式感應(yīng)電機T型等效電路圖圖4-14 鼠籠式感應(yīng)電機G型等效電路圖2. 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組的功率與轉(zhuǎn)矩由鼠籠式感應(yīng)電機

49、的G型等效電路圖，可得到定子電流為：（4-36）故鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組定子發(fā)出功率為：（4-37）由此可知，電機發(fā)出的有功功率Ps等于原動機傳輸給電機轉(zhuǎn)軸上的機械功率Pm減去定、轉(zhuǎn)子繞組的銅耗功率Ps.Cu和Pr.Cu，即：（4-38）其中：（4-39）（4-40）（4-41）由于鼠籠式感應(yīng)電機運行于發(fā)電狀態(tài)時，S<0，故Pm>0。發(fā)電機組發(fā)出的無功功率為：（4-42）即無論是運行于電動狀態(tài)（S>0），還是發(fā)電狀態(tài)（S<0），鼠籠式電機發(fā)出的無功功率都小于零，即需要外部電源提供無功，其中上式右端第一項表示定、轉(zhuǎn)子漏抗消耗的無功功率，且隨電機輸出有功功率的增加而增加，第二項

50、表示勵磁電抗消耗的無功功率即激磁無功功率，僅與電機端電壓有關(guān)。由式（4-38）可知，鼠籠式感應(yīng)電機運行于發(fā)電狀態(tài)（S<0）時，電機發(fā)出有功功率、吸收無功功率，若發(fā)電機的機端電壓不變時，則其發(fā)出的有功功率與吸收的無功功率僅僅是轉(zhuǎn)差S的函數(shù)。根據(jù)機械功率Pm可求得的電機電磁轉(zhuǎn)矩為：（4-43）式中：Us為電機端相電壓幅值（V），¦1為定子所接入的電網(wǎng)頻率（Hz），Rs為定子繞組每相電阻值（W），xs為定子漏抗（W），Rr為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻（W），xr為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗（W），Te為電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）。圖4-15 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線由式（4-43）可

51、知，當(dāng)電網(wǎng)電壓Us和頻率¦1恒定時，并假定電機的電阻和漏抗值基本不變，則電磁轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)差S有關(guān)，據(jù)此可得如圖4-15所示的鼠籠式感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性。由圖可知，鼠籠式感應(yīng)電機穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速范圍非常窄，并且電磁力矩Te在0最大值范圍內(nèi)變化時，轉(zhuǎn)速變化很小，近似恒定。4.5.2 鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的風(fēng)速-功率特性鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的風(fēng)速-功率特性是指在發(fā)電機定子電壓、頻率和電機參數(shù)固定的條件下，風(fēng)速與風(fēng)電機組輸出功率之間的關(guān)系。由于風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，因此，鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的風(fēng)速-功率特性是由風(fēng)力機的風(fēng)速-機械功率特性和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速-電功率特性

52、共同決定。鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組中的風(fēng)力機通常為定槳距，在給定風(fēng)速注入下，風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率僅與風(fēng)力機運行轉(zhuǎn)速有關(guān)。而受鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組運行穩(wěn)定限制，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速只能在很小范圍內(nèi)變化，近似恒定。因此，鼠籠感應(yīng)式風(fēng)電機組只能在較窄的風(fēng)速范圍內(nèi)具有較高的風(fēng)能捕獲效率。圖4-16為某750kw鼠籠感應(yīng)式恒速恒頻風(fēng)電機組的風(fēng)速-功率曲線，切入風(fēng)速為4m/s，額定風(fēng)速為15m/s，切出風(fēng)速為25m/s。圖4-16 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機有功風(fēng)速曲線由圖4-16可知，風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，風(fēng)電機組輸出功率等于0；隨著風(fēng)速的逐漸增大，風(fēng)電機組輸出功率也隨之增大，直到風(fēng)速達到額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組輸出功率也達到額定值；當(dāng)

53、注入風(fēng)速進一步增加、超過額定風(fēng)速時，定槳距風(fēng)力機葉片的氣動特性開始發(fā)生變化而失速，導(dǎo)致風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲效率降低，限制葉片吸收過大的風(fēng)能，風(fēng)力機所捕獲的風(fēng)功率維持在額定值附近，達到限制功率的目的，從而使發(fā)電機組的輸出功率也維持在額定值附近。圖4-17 鼠籠感應(yīng)發(fā)電機有功-無功曲線（Qm為激磁無功，Qs為與運行狀態(tài)相關(guān)的無功，Qtotal為總無功功率）圖4-17可知，隨著風(fēng)電機組出力的增加，發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。因此，多臺鼠籠式風(fēng)電機組聯(lián)網(wǎng)運行需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，而容易導(dǎo)致風(fēng)電機組接入點電壓下降。故通常需要在發(fā)電機定子側(cè)安裝一定容量的電容器以進行無功功率補償，改善風(fēng)電機組

54、的聯(lián)網(wǎng)運行性能。4.5.3鼠式籠感應(yīng)風(fēng)電機組的運行控制鼠籠式感應(yīng)風(fēng)電機組的運行控制主要包括機組起動控制、待機檢測并網(wǎng)控制、發(fā)電狀態(tài)時的電容器投切控制、定槳距失速控制和停機控制10。1. 機組起動控制當(dāng)風(fēng)速達到切入風(fēng)速（一般為3m/s4m/s）以上，并連續(xù)維持達510min時，控制系統(tǒng)發(fā)出啟動信號，風(fēng)電機組開始起動。風(fēng)電機組的起動是指機組由靜止?fàn)顟B(tài)起動到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速的過程，主要有兩種起動方式：電動機起動、風(fēng)力機自起動。1) 電動機起動電動機起動是指風(fēng)力發(fā)電機組在靜止?fàn)顟B(tài)時，把發(fā)電機用作電動機將機組起動到額定轉(zhuǎn)速。早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機組不具有自起動能力，風(fēng)輪的起動是在發(fā)電機的協(xié)助下完成的，這時發(fā)

55、電機作電動機運行，通常稱為電動機起動（Motor start）。直到現(xiàn)在，絕大多數(shù)定槳距風(fēng)力機仍具備Motor start的功能。電動機起動目前在大型風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計中不再進入自動控制程序，一般只在調(diào)試期間無風(fēng)時或某些特殊的情況下使用。發(fā)電機作電動機起動瞬間，存在較大的沖擊電流（甚至超過額定電流的10倍），并持續(xù)一段時間（由靜止至同步轉(zhuǎn)速之前），因而電動機起動時需采用軟起動技術(shù)，控制起動電流（起動電流小于發(fā)電機額定電流的3倍），以減小對電網(wǎng)沖擊和機組的機械振動。2) 風(fēng)力機自起動風(fēng)力機起動是指風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)速超過切入風(fēng)速時，由風(fēng)力機將機組起動到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速附近）。由于槳葉氣動性能

56、的不斷改進，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪具有良好的自起動性能。一般在風(fēng)速v>4m/s的條件下，即可自起動到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速。2. 待機檢測并網(wǎng)控制當(dāng)風(fēng)速V大于切入風(fēng)速（一般為3m/s）時，風(fēng)輪開始逐漸起動，但不足以將風(fēng)力發(fā)電機組拖動到切入轉(zhuǎn)速；或者風(fēng)力發(fā)電機組從小功率狀態(tài)切出，沒有重新并入電網(wǎng)，這時的風(fēng)力機處于自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，稱為待機狀態(tài)。待機狀態(tài)除了發(fā)電機沒有并入電網(wǎng)，機組實際上已處于工作狀態(tài)。這時控制系統(tǒng)已做好并入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備（如機械剎車已松開，風(fēng)力機葉輪的葉尖阻尼板已收回，風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)況、電網(wǎng)和機組的所有狀態(tài)參數(shù)均在控制系統(tǒng)檢測之中等），一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機即可并入電網(wǎng)。由于異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，是靠轉(zhuǎn)差來調(diào)整負(fù)荷的，其輸出功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系，因此對機組的調(diào)速要求，不像同步發(fā)電機那么嚴(yán)格精確，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可以并網(wǎng)。鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)方法主要有以下三種。1) 直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動的鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可自動并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡單。但這種并網(wǎng)方式在并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降。這種沖擊電