【图文】双馈电机控制_百度文库
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双馈电机控制
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重新安装浏览器，或使用别的浏览器双馈风力发电系统的PWM变流技术研究
&&&&◎谢己工工誓大孥硕士学位论文论文题目：塑堡凰力蕉皇丕筮的￡型ｍ变速撞查堑窒作者４９．ｇ盔查叠 堕国室蕉蕉 垂绫王墨指导教师 学科专业 所在学院焦垒墨堡芏睦提交日期：ｑｑ！生！旦<&&&&br />浙江工业大学硕士学位论文双馈风力发电系统的ｐｗｍ变流技术研究摘要在能源紧缺和环境问题日益严重的今天，迫使人们考虑新能源和清洁能源的开发利用问题。在众多清洁能源中，风能有着突出的优点，从而使风力发电技术越来越受到各国学者的关注。其中，发电机的励磁问题是技术的关键，成了研究的热点。 本文介绍了国内外风力发电技术的发展情况，比较了双馈风力发电用几种励磁变流 器，讨论了转子侧ｐｗｍ变流器的功能和控制方法，在分析双馈发电机的工作原理和数学 模型的基础上，构建了基于定子磁链矢量控制的双闭环控制系统，研究了电压空间矢量脉 宽调制（ｓｖｐｗｍ）原理和实现方法，利用逻辑函数的卡诺图化简法来判断扇区。推导了 网侧ｐｗｍ变流器在不同坐标系下的数学模型，研究了其基于电网电压定向的双闭环控制 方法，同时对变流器的稳态功率特性进行分析，设计了三相电压ｐｗｍ变流器双闭环控制 系统中的电流环控制器与电压环控制器。 在ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了双馈发电系统仿真模型，对发电机的启动、三 个运行状态以及变流器母线充电时不同的特性，分别进行了仿真。仿真结果表明本文采用 的双馈风力发电机控制方案的合理有效的；网侧ｐｗｍ变流器具有功率因数高、能量可双 向流动等优点。 最后，设计了基于ｄｓｐ（ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）的双馈风力发电实验系统。硬件部分包括主电路、电压电流信号检测电路、编码脉冲信号处理电路、保护电路以及通讯接 口电路等外围电路，软件部分包括控制主程序的流程、各模块流程。关键词：双馈风力发电机，双ｐｗｍ变流器，变速恒频，定子磁链定向，电压空间矢量， 仿真，ｄｓｐ浙江工业大学硕士学位论文ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎｐｗｍｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ．ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍａｂｓｔｒａｃｔｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｅｍｐｏｉｓｏｎ ｂｅｉｎｇａｎｄｓｅｒｉｏｕｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｆｏｒｃｅ ｐｅｏｐｌｅ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｎｅｗ ａｎｄ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｄｒａｗｎ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ｆｒｏｍｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｓｃｈｏｌａｒｓ．ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈａｓ ｂｅｃａｍｅ ｔｈｅ ｈｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ． ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｓｅｖｅｒａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍａｌ ｅｃｏｍｐａｒｅｄ．ｔｈｅｒｏｔｏｒ－ｓｉｄｅｐｗｍｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌａｂｏｕｔ ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ｄｆｉｇ），ｔｈｅｄｕａｌ—ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓｃｒｅａｔｅｄ．ｔｈｅｓｔａｔｏｒｆｌｕｘ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒ０１．ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｐｕｌｓｅａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ｓｖｐｗｍ）ｉｓｉｓ ｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｉｅｄ．ｔｈｅ ｋａｒｎａｕｇｈ ｍａｐ ｌｏｇｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｅｃｔｏｒ．ｓｅｖｅｒａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓａｒｅｏｆ嘶ｄｓｉｄｅ ｐｗｍｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ 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ｍｏｄｕｌｅｓ．ｋｅｙｗｏｒｄ：ｄｆｉｇ，ｄｕａｌ－ｐｗｍｃｏｎｖｅｉｒｔｅｌ ｖｓｃｆ，ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘｏｒｉｅｎｔｅｄ，ｓｖｐｗｍ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｓｐ浙江工业大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：编狮日期：冲箩月哆日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 ｌ、保密口，在 年解密后适用本授权书。２、不保密电少／（请在以上相应方框内打“、／”）日期：研年箩月衫日怍导彰彬签签 名名鳓ｐ肇玢筐曰１引１蜘浙江工业大学硕士学位论文第１章绪论１．１课题背景与意义风能是一种干净的，储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一 种取之不尽，用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注， 认为大规模利用风力发电是减少空气污染、较少有害气体排放量的有效措施之一ｆ１】【２】【３】。 从２０世纪７０年代开始，并网型风力发电已经逐渐开始商业化，风力发电的技术也日益成熟，单机容量越来越大，风电成本已低到可以和常规能源相比较了。我国的风能资源 十分丰富，目前已经探明韵风能储量约为３２２６ｇｗ，其中可利用风能约为２５３ｇｗ，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿１４１。根据有关资料，自从 国家计委的“乘风计划＂实施以来，截止到２０００年底，我国总发电装机容量为３１９．３２６ｗ， 和我国可利用风能大致相当，而２０００年我国并网风力发电的装机容量为３４４ｍｗ，占总发 电装机容量的１．０８％０。根据计划在“十五”期间新增并网风电装机容量１．１９２ｇｗ，在２０１０ 年时装机４．９ｇｗ，要实现这一目标，在提高国内风力发电设备制造能力，加速风力发电设 备国产化进程的同时，加强对风力发电技术的研究开发也是十分必要的１５ｊ。１．２国内外风力发电的发展１．２．１世界风力发电的发展 １９世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到２０世７０年代以前，只有小型充电用风力机达到实用阶段。２０世纪３０年代，美国在许多电网未通达的地 区使用了小型风电机组，单机容量的范围在ｏ．５～３ｋｗ。１９４１年１０月，当时最大的１２５０ｋｗ 的机组在美国佛蒙特州作为常规电站并入电网。１９５７年，对后来风电技术发展产生过重要浙江工业大学硕士学位论文影响的丹麦ｇｅｄｓｅｒ ２００ｋｗ风电机组开始投入运行，平均年发电量为４５ｋｗ，设计者采用异 步发电机、定桨距风轮和叶片顶端有制动翼片，这种结构方式后来成为丹麦风机组的主流， 在市场上获得巨大成功。１９７３年石油危机以后，美国、茜欧等发达国家利用计算机、空气 动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的 新时期。２０世纪７０到８０年代中期，美国、英国和德国等国政府都投入巨资开发单机容量１０００ｋｗ以上的风电机组，由于种种原因没有发展成商业机组。丹麦则是通过对购买风电机组用户给予补贴，以及对风电的收购电价的补贴的措施培育了稳固的风电市场。同时，丹麦政府在国家实验室建立了风电机组试验站。这样，丹麦的风电机组制造商得到科研机构的支持又有稳固的市场，不断对产品进行完善，经历过３０、５０、１００、４００、６００、７５０ｋｗ直到１０００ｋｗ以上的兆瓦级机组，在２０００年世界前十风电制造上的市场份额中占到了９０％。 特别是近２０年，发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就。通过产业技术进步，风电的成本也持续下降。目前，在各种可再生能源之中，风电的成本虽低。国内 的风电平均成本为０．５０元／（ｋｗｍ，总成本费用已经接近新投资的水电和火电【ｌ】【６】【刀【８】。最近，世界风能理事会对进一步降低风电成本问题进行了分析研究后，认为风电成本下降，６０％依赖于规模化发展，４０％依赖于技术进步。过去的风电成本下降更多的是依据技术进步，以后风电成本进一步下降则更多的是依赖于规模化、系列化和标准化。世界风能理事会估计到２０２０年，陆上风机的总体造价还可以下降２０％．２５％，海上风机的造价可 以降低４０％以上，发电成本可以同幅下降。 风力发电在可再生能源中是技术相对成熟、成本相对较低的一种，受到各国的普遍重 视，装机容量快速增长。从１９９６年起，全球累计风电装机连续１２年增速超过２０％，平均 增速达到２８．３３％。 据全球风能理事会（ｇｗｅｃ）公布的最新数据，２００７年全球新增风电装机容量为 ２０，０７３ｍｗ，增长３２．１％。美国（５，２４４ｍｗ）、西班牙（３，５２２ｍｗ）及中国（３，４４９ｍｗ）位居前三 名，２００７年全球累计风电装机容量为９４，１１２ｍｗ，增长２６．８％，超出ｇｗｅｃ之前预估的 ２２．６％。其中中国０７年累计的风电装置容量己达６，０５０ｍｗ，挤下丹麦成为世界第五位风力 发电国。 以地区来看，欧洲仍是风电最普及的区域，０７年占比仍高达６１％。但是，亚洲及美国 则是未来三年风电市场增长动能主要来源。另外，北非及中东地区的风电新增装置容量也 迅速增长。图１．１，显示２００６／２００７年世界主要国家风电装机容量。浙江工业大学硕士学位论文囡图１－ｌ２００６１０７年世界主要风电国家装机容量情况（单位：ｍｗ）２．２国内风力发电的发展我国陆地可以安装１４亿千瓦的风力发电装备，如果考虑海上，总资源量将达到２０亿千瓦以上。我国的风力资源主要分布在两大风带：一是“三北地区”（东北、华北和西北地区）： 二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆地区还有…些局部风能资源丰富区恍。 “三北”（东北、华北、西北）地区风能丰富带包括东北３省和河北、内蒙古、甘肃、 青海、西藏、新疆等省区近２００千米宽的地带，可开发利用的风能储量约２亿千瓦，约占全国可利用储量的７９％。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模地开发风电场。 东部沿海地区风能丰富。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿， 是我国风能最佳丰富区，年有效风功率密度在２００ｗ／ｍ２以上。如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等，可利用小时数约在７０００至８０００小时。这地区特别是东南沿海，由海岸向内陆丘陵连绵．风能丰富地区仅在距海岸５０千米之内。 内陆局部风能丰富地区是在两个风能丰富带之外．风功率密度一般在ｌｏｏｗ／ｍ２以下， 可利用小时数３０００小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富。另外，我国海上ｍ能资源丰富，１０米高度可利用的风能资源约７亿多千瓦＝海上风速浙江工业大学硕士学位论文高，很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。一般估计海上风速比平原沿岸高２０％， 发电量增加７０％。在陆上设计寿命２０年的风电机组在海上可达２５年到３０年，且距离电 力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，海上风电将来必然会成为重要的可持 续能源【９】【１０ｌ。 我国的风电发展大体可分为三个阶段。 第一阶段：１９８６．１９９０年是我国并网风电项目的探索和示范阶段，其特点是项目规模小，单机容量小，在此期间共建立了４个风电场，安装风电机组３２台，最大单机容量为２００ｋｗ，总装机容量为４．２１５万千瓦。平均年新增装机容量仅为０．８４３万千瓦； 第二阶段：１９９１—１９９５年为示范项目取得成效并逐步推广阶段，共建立了５个风电场，安装风电机组１３１台，装机容量为３３．２８５万千瓦，平均年新增装机容量为６．０９７万千瓦，最大单机容量为５００ｋｗ： 第三阶段：１９９６年后为扩大建设规模阶段，其特点是项目规模和装机容量较大，发展 速度较快，平均年新增装机容量为６０．１３万千瓦，最大单机容量为１５００ｋｗ。截至到２００６年底，我国大陆共建成风电场９１个，安装风电机组３，３１１台，总装机容量为２，５９６ｍｗ，排在世界第５位，亚洲第２位。这在一定程度上表明我国作为一个风力资 源丰富的国家，风能的开发利用水平并不高。０５、０６和０７年我国的风电装置容量增长速度分别为６４．５３％、１０７．１６％和１３２．３３％。尤其是０７年累计的风电装置容量已达６０５０ｍｗ，较０６年增长１３３％，增速居世界之冠。 ２００７年绝对增长量位３４４９ｍｗ，位于世界第三名。１．３风力发电技术方式的分类根据发电机的运行特征和控制技术开以把风力发电技术分为恒速恒频风力发电技术 （ｃｏｎｓｔａｎｔｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，简称ｃｓｃｆ）和变速恒频风力发电技术（ｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，简称ｖｓｃｆ）１１１１。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，不论风速如何变化，系统通过一定的调 节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率的恒定。这样，叶尖速比不可能总保持在最 佳值，也就不能实现最大风能捕获，风能转换效率也就不高。除此之外，恒速恒频系统是 一种刚性机电耦合系统，当风速发生突变时，风力机的叶片将承受较大的扭应力和风力摩 擦。为了保持机械转速恒定，巨大的风能还将通过叶片在风力机主轴、齿轮箱和电机等部 件上产生很大的机械应力，增加了这些部件的疲劳损坏程度，缩短了使用寿命。并网运行４浙江工业大学硕士学位论文时还会潜在地影响到电力系统的稳定运行。变速恒频发电是从２０世纪７０年代发展起来的 一种新型发电方式，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电 机控制之中，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机采用变速运行，即风力 机叶轮跟随风速的变化改变其旋转速度，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最 大。相对于恒速运行方式，变速运行具有如下优剧１２】：（１）风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高２０％以上。变速 运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高；（２）变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接。当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转动脉 动，延长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮的能量便释放出来变为电能送给电 网； （３）通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接， 并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步； （４）交流励磁方式的变速恒频系统中电力电子装置容量相对较小，降低了系统设备成 本。由于转子侧与系统交换的能量只是总能量的滑差部分，即滑差功率，因此，励磁电源 的容量只取决于设计转速调节范围的大小； （５）可使变桨距调节简单化，变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求，在低风速 时，桨距角固定，高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。 另外，变速运行还可以减少运行噪声等其它一些优点。总之，由于这些优点，风电机 组正朝着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展。 变速恒频技术风力发电系统有许多形式：交．直．交系统、交流励磁发电机系统、开关磁阻发电机系统、磁场调制发电机系统、异步化同步发电机变速恒频发电机系统等１１３】１１４】。 其中双馈发电系统最具有优势㈣１１６】１１７】【１８】：通过双馈发电机励磁电流的调节，使定子输出电压频率恒定；还可以参与电网的无功调节；在并网过程里面实现安全、快速地柔性并网操 作。 本文研究的方案中采用交流励磁的绕线式双馈感应发电机，为追求最佳功率因数，励浙江工业大学硕士学位论文磁电源采用电压型双ｐｗｍ变换器，整个风力发电系统的基本构成如图１．２所示。图１．２变速恒频双馈风力发电系统基本构成转子由两个“背靠背（ｂａｃｋ－ｔｏ．ｂａｃｋ）＂连接的电压型ｐｗｍ变流器进行励磁，分别记作转子侧变流器和网侧变流器，总称为双ｐｗｍ变流器。２个ｐｗｍ交流器的功能各不相 同：网侧ｐｗｍ变流器的作用是保证变频电源良好的输人特性和确保直流母线电压稳定，以构成２个ｐｗｍ变流器解耦工作条件。转子侧ｐｗｍ变换器主要实现对ｄｆｉｇ的有功、 无功功率独立调节，以利于发电机侧实施最大风能追踪所需的机组转速控制。这又是通过 转子侧ｐｗｍ变换器对ｄｆｉｇ实施定子磁链或定子电压定向矢量控制来实现的１１９１。 该变流器用做ｄｆｉｇ交流励磁电源的优势是【２０】：＞电路简单、对称，性能口ｊ靠，是三相变换器中最常用的一种，研究最充分，技术最成 熟，有现成控制方案可供借鉴；＞现有功率半导体器件ｉｇｂｔ容量水平已能构造出ｍｗ级变速恒频ｄｆｉｇ用励磁变频电 源，有工程现实性；≯由于采用交一直一交结构，直流母线电容使两变换器实现了解耦，可相对独立地分别 控制而不会相互干扰。这样，如果电网侧出现故障，只要通过网侧ｐｗｍ变换器的有效控制以保持直流母线电压稳定，就可切断电网故障对转子侧ｐｗｍ变换器进而对 ｄｆｉｇ风电机组的影响，再配合对ｄｆｉｇ有效的控制策略，可以维持电网故障下的风电 机组的不间断运行。所以，这种交．直．交型结构变换器对电网故障有较强的适应能力；＞由于网侧ｐｗｍ变流器为ｂｏｏｓｔ（升压）电路，直流母线电压高低设计自由度大，若转子 侧ｐｗｍ变流器采用空间矢量脉宽调制（ｓｖｐｗｍ），直流母线电压利用率高，对ｄｆｉｇ 转子电压的控制能力强，从而为电网故障下对ｄｆｉｇ实施有效控制提供了有利条件。 总之，相对于传统的循环变流器，双ｐｗｍ变流器输入输出特性更好，电力谐波更低，调速调频范围更宽。而且，随着大功率电力电子器件如ｉｇｂｔ等和控制方法的日趋成熟， 双ｐｗｍ变流器将会更多的取代循环变流器应用于兆瓦级的大型变速恒频风力发电系统６浙江工业大学硕十学位论文中。１．４选题依据与本文的主要研究内容中国经济持续发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题 日益突出，综合考虑资源、技术、经济、环保各因素，利用可再生能源如风能，作为未来最重要的替代能源之一，可望缓解我国能源和电力短缺问题。目前，单机容量６００千瓦左右的风电机组已达到商业化生产水平，成为当前世界风力发电的主力机型。风电机组中所采用的发电机主要为同步发电机和异步发电机，其工作方式主要为恒速恒频，一个显著的缺点就是对风能的利用率不高，而且风力机主轴、齿轮箱和发电机等部件上会 产生很大的机械应力，即使采用变速恒频工作方式，可解决恒速恒频运行方式中存在的 问题，但由于变频器在发电机定子侧，因此变频器的容量必须与发电机的容量相等，这将导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵等新问题的出现。为解决上述常规风力发电系统中存在的问题，一种由交流励磁的双馈发电机构成的变 速恒频风力发电系统被提出。系统控制方案的实施是在发电机转子回路实现的，流过转子 回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功 率的一小部分，而且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的励磁变频器的容量也仅为发 电机容量的一小部分，这大大降低了变频器的体积和重量，并提高了系统效率。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出 频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接，从而一举解决了常规风力发电系统中存在的 诸多问题。基于上述优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统己经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。 本文正是在目前全球常规能源紧张和国内电力不足的大环境下提出的，并以双馈风力发电机为研究对象，对由其构成的风力发电系统及其相关的ｐｗｍ变流控制技术进行研究。论文的主要内容如下： （１）转子侧ｐｗｍ变流器对双馈风力发电机的控制 介绍双馈风力发电用励磁变流器的要求和几种适用的励磁变流器；分析了转子侧 ｐｗｍ变流器的功能；分析双馈发电机的工作原理，给出数学模型，并建立了基于定子磁 链矢量控制的双闭环控制系统；同时还研究了电压空间矢量脉宽调制（ｓｖｐｗｍ）的原理 和实现方法，在空间欠量扇区的判断中利用了逻辑函数的卡诺图化简的方法。浙江工业大学硕士学位论文（２）网侧ｐｗｍ变流器原理分析与矢量控制策略研究 分析了双ｐｗｍ变流器的工作原理；根据基尔霍夫原理推导了网侧ｐｗｍ变流器在不同坐标系下的数学模型；研究了网侧ｐｗｍ变流器的基于电网电压的电压定向矢量控 制，实现了网侧功率因数调节与直流母线电压控制；同时，还分析了网侧ｐｗｍ变流器 的稳态功率特性；设计了三相电压ｐｗｍ变流器双闭环控制时电流环控制器、电压环控制器的参数。 （３）双馈风力发电系统建模与仿真根据系统运行和控制对象的特点，在ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了双馈发电系 统仿真模型，包括双馈发电机、双ｐｗｍ变流器及其相应控制模块，模拟了系统在不同状态下的运行，仿真结果表明控制系统具有良好的动、静态特性，调速性能优良；双ｐｗｍ 变换器具有功率因数高、能量可双向流动等优点。 （４）双馈发电实验系统的实现 设计了基于ｄｓｐ的变速恒频双馈风力发电实验系统，包括了硬件系统和软件系统的 设计，给出了整个系统的结构以及系统控制系统的结构；在硬件方面设计了主电路、电 压电流信号检测电路、编码脉冲信号处理电路、ｉｐｍ驱动电路、硬件保护电路以及通讯 接口电路；在软件设计方面，设计了转子侧和网测ｐｗｍ变流器的控制主程序以及各中 断程序的流程。浙江工业大学硕士学位论文第二章转子侧ｐｗｍ变流器对双馈发电机的控制２．１双馈发电机的励磁变流器分析双馈发电机与同步发电机的根本区别在于它们转子结构完全不相同，即前者为三相分 布式交流绕组，而后者为单相直流绕组。因此，其励磁系统的组成和控制方式也不相同， 对于同步发电机励磁系统而言，其功率输出一般由三相全控整流桥来完成，控制单元则根据指令或工况自动调整整流桥的直流输出。而对于双馈发电机励磁系统而言，其功率输出 则由三相输出的变流器来完成，控制单元根据指令或工况自动调节变流器输出电流的幅值、频率和相位，其控制系统及功率输出单元的结构及原理要比同步发电机励磁系统复杂得多。２．１．１励磁变流器的要求 根据在变速恒频双馈风力发电的运行原理，以及双馈风力发电机能量必须双向流动的要求，用于双馈风力的励磁变流器应具有如下要求要求ｆ２ｌ】：（１）为了追踪最大风能并最大限度的减少励磁变频器容量，需要发电机在选定的同步 速上下运行，发电机的励磁绕组的能量将双向流动，为此变换器的功率具备双向流动的能 力；．（２）为确保发电机输出电能质量符合电网要求，励磁用变频器要有优良的输出特性， 即输出电压基波成份大，谐波成份小，且谐波频率高，为此变换器输出励磁电压应具有 ｓｐｗｍ（正弦脉宽调制）波形； （３）为了防止作为非线性负载的变频器对电网的谐波电流污染，要求变频器有良好的 输入特性，即输入电流正弦，接近１的单位功率因数； （４）随着风电机组单机容量的增大和在电网中所占比重及重要性的增加，电力系统常 要求电网故障下风电机组不应随意从电网中解列，即具有不问断运行能力，这就要求交流 励磁电源具有对电网故障的适应能力和隔离电网故障对发电机影响的功能；（５）开关损耗小，以提高风电机组本身的运行效率。浙江：【业大学硕士学位论文２．１．２几种励磁变流器 １．交．交变流器ｆ２ｌ】【２２】这是一种由反并联的晶闸管相控整流电路构成交．交直接变流型式的变流器。改变两组 整流器的切换频率，就可以改变输出频率：改变晶闸管的触发控制角，就可以改变输出交 流电压的幅值。这种变流器的输出电压是由若干段电网电压拼接而成，因而含有大量的低 次谐波，其输入、输出特性一般不理想，但功率可双向流动。通常由３６管６脉波三相桥式电路构成的交．交变流器输入功率因数低，输出电压中低次谐波含量大，不适合用作ｄｆｉｇ的励磁电源。７２管结构的１２脉波变流器虽然降低了谐波含量，但结构和控制复杂。交一交 变流电路主要用于大功率的变速恒频水力发电中，并不适合于风力发电的应用。同时，由 于交一交变流器输入输出之间是直接耦合，会降低风电在电网故障情况下不间断持续运行能力，这在大容量现代风电机组运行中是一个必须考虑的因素。 ２．矩阵式变流器【２３】矩阵式变流器是近些年ａｃ／ａｃ变流器研究的热点问题，与传统的交．交变流器及交一 直一交变频器相比，矩阵式交．交变流器具有以下几个显著特点：控制自由度大，输出电压可调，输出频率既可比输入频率高，也可以比其低，理论上可为任意值（以功率开关为理 想开关和控制器处理速度够快为前提）；输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，也 可调至１；由于采用四象限开关，能量可双向流动，尤其适合于电机的四象限运行；无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高。但目前存在的主要问题是：（１）目前尚无商品 化的双向功率开关器件，只能由现有单相开关器件进行组合，需对组合器件中各元件的换流过程进行特殊的硬、软件安排，致使成本提高、控制复杂、性能不理想；（２）电压传输比低虽不影响矩阵式变流器输出电压与ｄｆｉｇ转子电压的匹配，但会因对输出电压控制能力不足而影响故障下ｄｆｉｇ的运行控制能，此外与同容量双ｐｗｍ变流器相比励磁电流将 有所增大，会使矩阵式变流器的通导损耗和ｄｆｉｇ转子损耗相应增加：（３）矩阵式变流器无直流储能环节，输人、输出直接耦合、电网电压的不平衡、干扰会直接反映到输出端， 其自身对电网故障很差的适应能力将会影响整个风电机组在电网故障时的不间断运行能 力，最终对电力系统供电质量和电网稳定性都会不利；（４）矩阵式变流器故障下的保护仍 存在问题，会影响它在风力发电中的可靠应用。 ３．两电平电压型双ｐｗｍ变流器 双ｐｗｍ型变流器由网侧和机侧两个ｐｗｍ变流器背靠背组成，各自功能相对独立，浙江工业大学硕士学位论文如图２．１所示。网侧变流器的主要功能是实现交流侧输入单位功率因数控制和在各种状 态下保持直流环节电压稳定，确保机侧变流器乃至整个ｄｆｉｇ励磁系统可靠工作。转子 侧变流器的主要功能是在转子侧实现ｄｆｉｇ的矢量变流控制，确保ｄｆｉｇ输出解耦的有 功功率和无功功率。两个变流器通过相对独立的控制系统完成各自的功能。电同图２．１双馈发电机双ｐｗｍ变流器双ｐｗｍ型变流器的两个变流器的运行状态可控，均可以在整流／逆变（或逆变整流）状 态间实现可逆运行，以此实现变流器能量的双向流动。当ｄｆｉｇ亚同步运行时，网侧变流 器运行在整流状态，机侧变流器运行在逆变状态，能量从电网流向ｄｆｉｇ转子；当ｄｆｉｇ超同步运行时，网侧变流器运行在逆变状态，机侧变流器运行在整流状态，能流从ｄｆｉｇ 转子流向电网。在磁场定向矢量控制（机侧变流器）和电压定向矢量控制（网侧变流器）的共 同作用下，两个变流器的工作状态随着ｄｆｉｇ工作区域的改变而自动切换。 由于双ｐｗｍ型变流器采用高频自关断器件和空间矢量ｐｗｍ（ｓｖｐｗｍ）调制方法，开 关频率高达１０ｋｈｚ～２０ｋｈｚ，消除了低次谐波，输入输出特性好，对电网和ｄｆｉｇ造成的影 响比较小，在谐波特性上能满足ｄｆｉｇ的励磁要求【２４１。 双ｐｗｍ型变流器具有较强的无功功率控制能力。由于ｄｆｉｇ是异步发电机，空载时 转子需要吸收一部分无功功率进行励磁；而当定子输出感性无功功率时，转子需要吸收更 多的无功功率。这就需要转子变流器具有产生一定无功功率的能力。双ｐｗｍ型变流器的 直流环节配置有电容，可以发出一定大小的无功功率。 ４．其他变流器 除了上述３种常用的变流器，还有交．直．交型电流源和电压源并联变流器、多电平变浙江工业大学硕士学位论文流器、普通钳位谐振变流器。其中多电平变流器可解决两电平电压型ｐｗｍ变流器输出电 压变化较大的问题，其输人、输出（谐波）特性好，效率也较同容量两电平双ｐｗｍ变流 器高。尽管存在直流母线电容均压问题，但对三电平变流器而言并不严重，解决方便，故三电平变流器很适用于ｄｆｉｇ的交流励磁电源。普通钳位谐振变流器可以解决常规变流器 的硬开关问题，有效减少变流器开关损耗，提高变流器运行效率。因此，多电平与软开关相结合的变流器应是今后交流励磁变流器的发展方向【２０ｌ。 总之，从变频电源的成本、主电路和控制系统复杂程度、电压传输比、动态响应速度 及对电网故障的适应能力看，两电平电压型双ｐｗｍ变换器结构与控制简单、成熟可靠， 成本低，控制性能好，是目前商品化变速恒频双馈风力发电机组交流励磁电源的优选方案。２．２转子侧ｐｗ－ｍ变流器的功篚和控制概述双ｐｗｍ变流器的拓扑如图２．１所示，由图可见，电机转子侧ｐｗｍ变流器是连接 网侧ｐｗｍ变流器和双馈发电机的最主要的部件。双馈发电机及整个风力发电系统的控 制都是通过转子侧ｐｗｍ变流器来实现的。因此转子侧ｐｗｍ变流器的控制有效与否直接决定了整个双馈风力发电系统的性制２５】。转子侧ｐｗｍ变流器的主要功能是在转子侧实现双馈发电机的矢量控制，确保有功和无功功率的独立调节，根据风速的变化，实现最大风能捕获运行。在这个过程中，双馈发电机是控制对象，转子侧ｐｗｍ变流器是控制指令的执行者。为了有效地实现对双馈发电机及整个风力发电系统的控制，转子侧ｐｗｍ变流器的控制方案应以控制对象双馈发电机的运行特性来制定。双馈风力发电系统是一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统，用一般的控制方法很难实现有效的控制。为了实现对 双馈发电机的有功和无功功率的有效控制，二者必须解耦，即通过坐标变换的方法来简化双馈发电机的数学模型，使转子电流的有功分量和无功分量实现解耦，控制转子电流 的有功分量和无功分量就可以实现双馈发电机的有功和无功功率的有效解耦控制，从而 使双馈发电机运行在风力机的最佳功率曲线上，实现最大风能捕获运行。 根据以上分析，转子侧ｐｗｍ变流器的控制是以双馈发电机为基础的，下面将对双馈发电机的运行特性和数学模型进行讨论【２酬。浙江工业大学硕士学位论文２．３双馈异步发电机的原理及其功率特性２．３１发电机的原理双馈发电机是在异步发电机和同步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机．其定 子结构与异步电机相同，转子结构类似于绕线转子异步电机，带有滑环和电刷的转子三相 绕组结构．可以输入电能，也可以输出电能。根据发电机转速的变化，向转子绕组馈入相 应频率的励磁电流，双馈发电机就可以变速恒频运行。从而实现机电系统的柔性连接，提 高了系统运行的稳定性。双馈发电机内部的电磁关系既不同于同步发电机又不同于异步发 电机，但它却具有异步发电机的某些特点，同时又具有同步发电机的某些特点。双馈异步 发电机机组结构如图２－２所示。系统控制＊囝２｛双馈风力发电机机组结构图双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位和幅值的三相 电源提供励磁，一般采用交．直．交变换器供以低频电流。双馈发电机可以在不同的风速下 运行，其转速可以随风速的变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高 了风能的利用率。同时，通过控制馈八转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电 压和频率不变，还可以调节电阀的功率因数，提高系统的稳定性。根据电机运行理论，电机在稳巷运行时，定、转子电流产生的旋转磁场在空间上必定１３浙江工业大学硕士学位论文相对静止，可得：０３１＝∞，±国２（２—１）其中，ｑ是定子旋转磁场在空间的角速度即定子电流角频率，国，是转子旋转电角速度， 幻是转子旋转磁场相对转子的电角速度，即转子电流角频率。 用频率表示时：石＝嚣±厶（２－２）其中，彳是定子绕组电流频率，厶是转子绕组电流频率，刀是转子旋转的转速，ｐ是 电机的极对数。 由式（２—２）知，当发电机转速ｎ变化时，若控制转子供电频率厶相应变化，可使石保持恒定不变，与电网频率保持～致，从而实现了变速恒频控制，这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。 当发电机的转速门小于定子旋转磁场的同步转速行。时，处于亚同步运行状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，定子向电网馈送电能，式（２—２）中五取“＋＂号；当刀＞行， 时，处于超同步运行状态，此时发电机定子和转子同时馈送电能给电网，变频器的能量逆向流动，式（２－２）中办取“一”号；当＂＝ｒ时，处于同步运行状态，五＝０，变频器向转子提供直流励磁，此时发电机作为同步电机运行。 从磁场角度而言，根据公式（２．１），当风速变化时转速ｑ随之变化，在哆变化的同时， 相应改变转子电流的频率和旋转磁场的转速ｃ０２，以补偿电机转速∞的变化，这样就达到变速恒频的目的。当当双馈发电机空载时，其气隙旋转磁场的形成类似于同步发电机。它仅决定于转子侧励磁电流，但是当发电机并网带负载后，由定子电流引起的电枢反映将影响 气隙磁场，并且由于电机转子的旋转速度不等于同步速度，使得描述电机行为特性的数学 模型就变为～组多变量、时变系数的微分方程组。要对双馈发电机进行控制，必须分析其 数学模型，从而找出比较适合的励磁控制方法和策略ｆ２７１【２８】。２．３．２功率特性 双馈电机分为四种工作状况即超同步转速发电、亚同步转速发电、超同步转速电动、 亚同步转速电动。不同工况下的双馈调速的能量关系如图２—３所示。浙江工业大学硕士学位论文图２．３双馈发电机不同工况下的功率传递关系当ｓ＜０时，如图２－３（ａ）所示，发电机处于超同步转速发电状态，即发电机的实际转速高于其同步转速，此时转子侧提供的转差功率北＜ｏ，电机通过转轴吸收的机械能通过定 子和转子端分别馈入电网；当ｓ＞０时，如图２－３（ｃ）所示，电机处于亚同步转速发电运行状态，即电机的实际转速低于其同步转速，此时转子侧提供的转差功率ｓ只＞０，电机通过转轴吸收的机械以及转子上的转差功率都以电磁功率的形式馈入电网；当ｓ＜０时，如图２．３（ｂ）所示，电机处于超同步速电动状态，即电机的实际转速高于其 同步转速，此时转子侧提供的滑差功率只＞０，电机通过转子侧励磁变频器从电网吸收与滑差功率等额的电能； 当ｓ＞０时，如图２－３（ｄ）所示，电机处于亚同步速电动运行状态，即电机的实际转速低 于其同步转速，此时转子侧提供的滑差功率只＜０，电机将通过转子侧励磁变频器向电网 回馈与滑差功率等额的电能。 当双馈电机处于稳定发电状态时，电机定子侧向电网馈送电能，将机械能量转化成电能送给电网。在整个能量变换的过程中，一大部分能量交换发生在发电机定子侧，向电网输送电能；另一部分能量交换发生在电机转子侧，通过转子侧励磁变频器吸收或产生电能， 并通过转予轴由原动机拖动旋转。通过改变转予侧励磁变频器交流电压的频率、幅值和相ｉ气浙江工业大学硕士学位论文位来调节发电机的输出电压的频率‘２９］［３０】｜３１ｌ【３２１。上述几种运行工况下，输出电能与输入机械能均保持平衡，与普通绕线式异步发电机的区别在于，此时发电机的转子变流器参与了能量转换，发电机通过定、转子两条通道进 行能量的转换。２．４数学模型双馈发电机有两套绕组：定子三相绕组和转子三相绕组。转子绕组如果施以三相对称电源时，转子电流就会在空间产生旋转磁场，磁场切割定子绕组产生三相电动势。同 时，定子电流也会在空间产生旋转磁场，对转子电流也会产生影响。由此可见，双馈发电机的数学模型和控制比感应电机复杂得多【３引。为了便于分析问题，对双馈发电机作如下 假设：（１）忽略空间谐波。设三相绕组对称（在空间角度上互差１２０度电角度），所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；（２）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（３）忽略铁芯损耗；（４）不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响；（５）将转子折算到定子侧，折算后的定转子每相匝数都相等。如果双馈发电机定、转子绕组都接成星型，其物理 模型结构如图２．４所示。‘时、、ｐｘｚ＼ｓｂｓ６ｂ、遁 蕊≥～＼＼ ｆ么 ＼ ＼＼厅 要ｆ…／／糙 ｙ／ｌｚｓ口ｌ一』， ％甜ｓ影／ｃ＼＼＼’ｃ图２．４双馈发电机物理模型浙江工业大学硕士学位论文２．４．１三相静止坐标系下的数学模型根据所规定的正方向可得双馈发电机在三相静止坐标系下的电压方程、磁链方程和 转矩方程。 １．电压平衡方程 三相定子绕组的电压平衡方程为：ｕｓ｝＝艮 ．ｋ ．凡 尼．‰ ｏｕ曲＝ｕ站｜ｉ．ｋ帆了帆了帆了 ‰一西‰一班‰一出相应的三相转子绕组则算到定子侧的电压平衡方程为：ｕｂ ．ｋ ｂ ．‰ ｂ ．ｋ＋ｕ＋ｕ十帆了帆了帆了 ‰一出‰一西‰一研其中，叱，ｕ曲，‰，乙，如，ｔ，缈。，ｙ站，少。为定子的三相电压、电流瞬时值与绕组磁链，ｒ，为定子绕组等效电阻，ｕ，口，ｕ而，ｕ阼，屯，如，ｔ，缈，口，ｙ，６，ｙ。为转子的三相电压、电流瞬时值与绕组磁链，尺，为转子绕组等效电阻。记：ｕ＝陟。，ｕ曲，ｕ。，ｕ，口，ｕｒ６，ｕ比ｒ 汪ｐ。，ｆ加ｆ刚ｆ，口，如，ｆ。ｒｒ １７’ｙ２妙；。，ｙ曲，ｙ，。，ｙ。，少ｒ６，∥，ｃ ｊｒ ０ ｏ—０ ｒ ０ ０ ０ ｏ—ｏ ０ ｒ ０ ０ ００ ０ ｏ０ ０ ｏ０ ０ ｏ ０ ０ｒ＝ ０ ０ ０ｂ０ ００砖０ｂ则定、转子电压方程可以写成矩阵的形式：ｕ＝ｒｉ＋ｄ ｕ， （２—５）浙江工业大学硕士学位论文２．磁链方程 双馈异步发电机的磁链方程可表示为：盼雕二］［；：］（２—６）其中，杪，＝陟。，沙如，ｙ，。ｊｒ，∥，＝眵。，｛ｆ，，６，沙。ｒ‘＝【ｆ。，ｌ‘ｓｂ，ｔｒ，ｉｒ＝［ｉ，口，ｉ咕，ｉ陀ｒ妒瞄轰二￡ⅳ扛 扛 一三三眦一丢三拼三。，＋厶“ ￡ｋ＂～驴●一．２厶 舯ｒ１， 一ｉｌ。，ｚ己盯＝一●一２ｋ ＋ 三，嘶ｒ１， 一ｉｌ。，ｚ一吉三。，一ｊ１三。，ｌｍｒ＋三一ｃｏｓｏ，ｃｏｓ（ｏ，一１２０。）ｃｏｓｏ，ｃｏｓ（ｐ，＋１２０。１ ｃｏｓ（ｏ。一１２０。）ｃｏｓｏ，ｋ＝砭＝ｋｃｏｓ（ｐ，＋１２０。） ｃｏｓ（０，一１２０。）（２７）ｃｏｓ（ｏ，＋１２０。）三。是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感；￡。是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感，由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可以认为ｌ。，＝ｌ。，；ｌｂ，ｋ分别为定、转子漏电感；ｏｒ为转子的位置角，对ｐ取微分得到转子电角速度国，：国，：丝３．转矩方程 由机电能量转换原理，可得电机转矩方程：（２．８）ｔ＝知ｊ参ｐ誓等ｆ，】其中，ｉ为电机的电磁转矩，胛。为电机的极对数。 ４．运动方程１８（２—９）浙江工业大学硕士学位论文ｔ一疋：』车＋旦ｑ＋竺酿ｎｐ（２．１０）ａｌｒｌｐｒｌｐ其中，正为风力机提供的拖动转矩，助机组的转动惯量，ｄ为与转速成正比的阻转矩阻尼系数，ｋ为扭转弹性转矩系数。 式（２．３）至（２．１０）是双馈发电机在三相静止坐标系下的数学模型。可以看出具有非线性、 时变性、强耦合的特点，分析和求解都很困难。为了简化分析和应用于矢量控制，应通过 坐标变换的方法简化双馈电机的数学模型。２．４．２坐标变换坐标变换的思路是将图２．５所示的交流电机物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，然后再模仿直流电机去进行控制，问题就可以大为简化。在这里，不同电机模型彼此 等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相同。ｂｐ。∥ｌ ｉ久ｆｉ—寸／，／、，、，、＾ｑ／口ｄ、 ７ｊ‘ 占ｃａ）（ａ）三相的直流绕组ｂ）（ｂ）两相的直流绕组ｃ）（ｃ）旋转的直流绕组图２．５等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型交流电机的三相对称的静止绕组ａ、ｂ、ｃ，通过三相平衡的正弦电流ｉ。，ｉｂ，ｆｃ时，所 产生的合成磁动势是旋转磁动势ｆ，它在空间呈正弦分布，并以同步转速劬沿着ａ．ｂ．ｃ相序 旋转，物理模型如图２．５（ａ）所示。 然而，产生旋转磁动势不一定非要三相不可，除单相以外，两相、三相…等任意多相 对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。图２—５（ｂ）ｑｕ 的两相静止绕组ｄ和∥，它们在空ｉｈｊ乖ｎ差９０。，通过时问上相差９００的两相平衡交流电流，１９浙江工业大学硕士学位论文也产生旋转磁动势ｆ。当图２—５（ａ）和（ｂ）中的两个旋转磁动势大小和转速都相等的时候，就认 为图２．５（ｂ）ｑｕ的两相绕组和图２．５（ａ）中的三相绕组等效。再看图２—５（ｃ）中的两个匝数相等且相 互垂直的绕组ｄ和ｑ，其中分别通直流电流ｆ和产生合成磁动势ｆ，其位置相对于绕组来说是 固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速劬旋转，则磁动势ｆ也随之旋转 起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速控制成与图２．５（ａ）和图２．５（ｂ）ｅｅ的 磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组就和前面两套固定的交流绕组都等效了。当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，ｄ和ｑ是两个通以直流电流而相互垂直的静止 绕组，如果控制磁通痧的位置在ｄ轴上，就与直流电机模型没有本质上的区别了。这时，绕组ｄ相当于励磁绕组，绕组ｑ相当于伪静止的电枢绕组【３４】。 １．３ｓ／２ｓ变换（ｃｌ ａｒｋｅ变换）在三相静止坐标系ａｂｃ到两相静止坐标系筇的变换简称３ｓ／２ｓ变换。选择ａ轴和ａ轴重合，在保持磁势相同并保持功率不变的约束条件下，可求得三相／两相变换矩阵ｃ３ｍ，及其反变换矩阵为ｃ：啪，：１ ２ １ ２矗２５２（２一１１）（了：， ， ： 『：ｊ１≥．！ｉ≥２．２ｓ／２ｒ坐标变换（ｐａｒｋ变换） ０随时间而变化，变换矩阵ｃ：。协及其反变换矩阵ｃ：ｍ。为：（２－１２）由两相静止坐标系筇到两相旋转坐标系ｄｑ的变换简称２ｓ／２ｒ变换，口轴与ｄ轴的夹角ｃ：ｍ，＝怯ｓ１ｎ麓ｃｏｓ纠ｉ一∥协㈨∥ｌ％协＝瞄瑚３．３ｓ／２ｒ坐标变换 从三柏静止唑标系到两相旋转坐标系的变换矩阵ｃｍ，及反变换矩阵ｃ：∞。为：协…浙江工业大学硕士学位论文ｃ３ｓ１２ｒ一－吼２ｃ＂拈１“ｃｏｓｎｏ秒二掣翟ｓ一ｓｉｎ（ａ＋１２００）ｉｎｃｏｓ（目＋１２０。）ｌ（２－１５）０＝团怄ｃｏ一ｏ一 ｓ 一 ｓ一（２．１６）１● ● ● ●，＿］—． 。． ．。 ．ｌ ｃ０双文啷弘¨ ９挖他 ｏ｝一呱呱 虹秒矽＋ｐ坦他 ｏ２．４．３两相同步旋转坐标系下的数学模型 利用上述的坐标变换关系，将三相静止坐标系下双馈异步发电机数学模型中的电压、电流、磁链和转矩变换到由坐标系下，可得到两相同步旋转坐标系下的双馈异步发电机的数学模型如下： １．定、转子电压方程”必ｉｉ＝＋ ｐｙ 耐 一 ＋甜婶 ＝ｐ ｙ孵 ｐ ｙ耐 ｐ ｙｗ＋厶一甜耐足风ｂ ｂ ：彬：细一啊：切＋甜川＝＋一笏鬻 ‰‰％‰其中ｕ坩、‰、ｕ耐、ｕ唧分别为定、转子电压的ｄ、ｇ轴分量；ｉ耐、ｋ、ｉ耐、ｉｗ分别为定、转子电流的ｄ、ｇ轴分量，彩，＝ｑ－－（ｏｒ为转差角速度。 ２．磁链方程 定、转子磁链方程：妒酿＝ｌ ｓｉ谢＋ｌｍｉ一∥蹿＝ｌｓ＆ｑ＋三ｍ０ｔｌ，一＝ｌｍｉ证＋ｌ ｒｉ喇（２．１８）ｌ沙唧＝三。‘＋ｌｒｉ一其中，缈订，ｙ鹎，ｙ ｒｄ，沙田分别为定、转子磁链的矗、ｇ轴分量，￡。为定子与转子同轴等效绕组间的互感，ｋ＝吾￡。。，上；为定子等效两相绕组的自感，上。＝ｋ＋三ｋ，ｔ为转子等效两相绕组的自感，三，＝ｌ。＋三ｈ。 ３．电磁转矩方程丁。＝，７ｐｌ。（ｆ。ｑ，ｒｄ—ｉ５ｄｉ ｒｑ）（２—１９）浙江工业大学硕士学位论文运动方程与原坐标系下一致，则式（２．１０）、式（２．１７）至（２．１９）构成双馈异步发电机在同 步旋转而坐标系下的数学模型。２．ｓ定子磁链定向矢量控制策略本文选择的是基于定子磁链定向的矢量控制方式【３５】【３６１。按照通常矢量控制惯例，定子磁链方向和同步旋转坐标系的ｄ轴重合，则定子电压矢 量将落在超前ｄ轴９０。的ｑ轴负半轴上，同时磁链在ｄ、ｑ上的分量∥鲋＝织，妙田＝０，参 考坐标系如图２．６所示。ｄｑａ 图２．６双馈发电机定子磁链矢量图则由图２—６所不矢量关系得：髋黧０【ｙ凹５ 则由由坐标系下的电机电压方程式可得：协２０，由于定子电阻上的压降相对于电网电压而言很小，因此可以忽略不计，维持沙，不变，卜：”（２－２１）【ｕｓｑ ５叫ｍ其中ｕ。为定子电压矢量幅值，此时定子磁链方程为：｛荔：三乏芝二乏＇三ｙ５《、一２，／ｊ【ｙ凹２厶ｚ凹＋上ｍ０ ｑｒｌ／２一／２ｃ５将磁链方程（２．１ ８）代入电压方程（２．１ ７），并简化，得：浙江工业大学硕士学位论文０一班ｍ 扰耐甜ｒｇ足＋ｌ。ｐ ｑｔｌｍｐ 一∞ｓｌｍｏ上。ｐ足一∞ｓｌｍ ｌｍｐｑ厶足＋ｔｐ一国ｓｌｒ一雄０８ｉ。一致‘８如 尽＋ ｌｒｐ ｌ ｔ（２．２３）田氏【ｚ。２３）弟一仃口ｊ胼出：。一等代入（２—２２）第一行可解出：如＝警虬其中，．ｔ＝去为定子励磁时间常数。又岛龟ｗ的关系从（２－２２）第二彳亍可以｛｜导知． 铲专ｋ２凹２—１：二７珥■一。（２－２４）ｌｚ。ｚｑ，将上述三式代入转矩方程，得： ｚ＝一ｎｐ 且定子功率表达式可以简化为：（２－２５）ｌ三ｍ。一ｆｗ妙，』只＝甜妇ｏ＋‰ｏ ２虬岛（２－２６）【ｑ＝ｕｓｑ岛一“ｓｄｌ’ｓｑ＝ｕｓｉｓａ从式（２．２６）可以看出，发电机定子有功功率只、无功功率ｑ分别与定子电流的转矩分 量ｋ和励磁分量如成正比，通过调节岛和■可以分别独立地调节有功功率￡、无功功率 ｑ。根据上述求得的ｉ小ｉ耐以及～ｉ与ｉ。的关系，代入转子磁链方程，简化为：肾扣半如 ‰：华羊如同理，代入转子电压方程，整理后可得：弦２７，————————————————————————————————————————————————————————————一一＿２浙江工业大学硕士学位论文材，ｄｒｒｉ耐以 吐织．％ （２．２８）１，／ｒｑ＝ｒｒｉ唧盟出生出织丑皇． 帆 ＋观，如）其中，仃为电机漏磁系数，仃：ｌ一旦。三，三，定义由反电动势引起的交叉耦合项为：ｆ甜腔一ｑ砚＾１甜掣：织争虬＋织砚，乙 ｆ甜掣。织≠虬＋织砚，乙ｌ山ｊｑ乏”…～式（２－２５）、（２—２７）、（２－２８）－与（２－２９）构成了双馈异步发电机定子磁链定向矢量控制的基本 方程。根据公式分析，可得双馈异步发电机基于定子磁链定向矢量控制系统的双闭环结构， 如图２．７所示。●●ｌ『ｄ●∞ｆ图２—７双馈异步发电机基于定子磁链定向矢量控制系统的结构框图由图２－７可以看出，整个控制系统为双闭环结构，内环为转子电流控制环，外环为转速 控制环，两个环都是通过ｐｉ调节后给出控制输出。其中，无功电流‰的给定可以根据电网 对风电系统的无功要求计算得出，实际中风力发电系统的整体无功功率由网侧变流器来调 节。一般情况下，最好将无功电流，，可给定设置为０，可以减少双ｐｗｍ变流器的损耗。浙江工业大学硕士学位论文２．６转子侧ｐｗｍ变流器对双馈发电机的控制通过上面２．４节对双馈发电机定子磁链定向矢量控制的分析，结合图２．７，可以知道，转子侧变流器对双馈发电机的控制是通过电压空间矢量脉宽调制（ｓｖｐｗｍ）实现的。系统通过检测定子三相电压获得定子磁通角，检测转子转速获得转子位置角度，再利用检测到的三相电流获得砌转子电流的反馈值通过电流调节器获得用于发电机的转子电压矢量的指令值。通过这个指令值和检测到的直流母线电压就可以确定逆变器三相桥臂的 开关时间，产生相应的ｐｗｍ控制脉冲，使输出想要的转子励磁电压波形【３７】。２．６．１ｓｖｐｗｍ基本原理 不论是转子侧ｐｗｍ变流器还是网侧ｐｗｍ变流器，均可以用一个统一模型表示，如图２－８所示。图２－８变流器模型图２．８中变流器有６个开关元件桥臂的上下开关元件在任何时刻不能同时导通。在不考 虑死区的情况下，上下桥臂的开关状态总是互逆，也就是说只有一开一闭的情形，因此逆 变器总共有８种不同的开关模式。设以儿矽为变换器输出的三相电压，以图中０点为参考点， 可知输出电压有两个电平，以ａ相电压为例： 当上桥臂开通、下桥臂关断时，即ｓ。＝１时，”。＝ｕ出／２； 当上桥臂关断、下桥臂开通时，即ｓ。＝０时，甜。＝一ｕ出／２。 变换器的８种开关模式对应有８种电压空间矢量。将三相电压通过３ｓ／２ｓ变换（ｃｌａｒｋｅ变换）浙江：ｒ业大学硕士学位论文ｙｃｓ。ｓ。ｓ。，＝信ｃ＋口＋口２，ｆ三；］＝信ｃ甜。＋“。口＋甜。口２，其中：口＝ｐ口州３＝一吾＋孚－『，开关（＆＆足）的形式：（。。。）、（００１）…（１１１）。１ ｖ３（ｏｌｏ）。ｃ２—３。）把开关模式代入式（２３０），可以得到相应的ｖｏ（ｏｏｏ）ｖ，（ｏｏｏ…ｖ７（１１１），这样就可以画出图ｉｌｌ＼ｉ｛嘭｛ｖ４（一０１１）ｖ７（１ｌｌ》＼历ｇ图２．９电压空间矢量分布图由图２—９可以看出，８种开关状态形成有８个电压矢量，其中ｖｏ（ｏｏｏ）和巧（１１１）称为零矢量，其余６个矢量称为基本矢量。当ｖ（ｓ。ｓ。ｓ。）为零矢量％（０００）与／１７（１１ １）时，电压空间矢 斤量的幅值为ｏ；当ｙ（＆＆墨）为基本矢量时，电压空间矢量的幅值、／；ｕ出，相邻的基本矢量的夹角为６００。 通过不同的矢量组合可以合成新矢量，常通过两个相邻的基本矢量和零矢量合成新矢 量，其中零矢量起等待作用。如图２．１０表示在区间ｉ中使用基本电压ｋ、巧矢量合成新的电压矢量‰的过程。浙江工业大学硕士学位论文ｖｏｖｌ王２ｖｌ ｔ图２．１０三段逼近均分零矢量ｓｖｐｗｍ原理示意图图中，ｖｌ、ｖ２是６个有效电压空间矢量中区间ｉ相邻的两个，ｖ喇＝ⅵ＋ｊｖ口是参 考电压矢量，ｔ为一个ｐｗｍ周期，ｔｌ，ｔ２，ｔｏ分别为ｖｌ、ｖ２、零矢量在一个ｐｗｍ周期的作用时间。 ｓｖｐｗｍ的实现 由图２．８可知，ｓｖｐｗｍ的实现主要分两个部分：一是各矢量区间的切换，即扇区的确 定；二是各矢量作用时间的计算与分配。 １．扇区的确定２．６．２通常情况下，我们根据公式ｔａｎｙ＝圪／％，计算得到角度丫，由角度丫确定扇区。由于反三角函数的计算比较复杂，所以本文通过逻辑判断来确定扇区。 设：彳＝忙ｓｓｉｇ劬ｎ（‘ｖ。三１，占＝ｋ誊嬲三１， ｉｏ，ｊ劬（％）＝一。【ｏ，）＝一ｃ：ｊ １，％／圪ｓ√圣咖（圪）ｓ咖（％’【ｏ，％／圪＞４３ｓｉｇｎ（ｖ。）ｓｉｇｎ（ｖｐ）由图２－７，根据电压ｖ在分布图中的８种情况，得到真值表，见表格２．１。浙江工业大学硕士学位论文表格２－１真值表由表２—１中真值表，可以通过如图２－１１的卡诺图逻辑简化法得到ｙｌ’２，ｏ的逻辑表达 式（２—３１）。ｙ２ ｙ１ ｙｏ ０ １ ｉ １ ｌ ；ｌ １ ｏ １｛ ｏ １；汰ｏｏ ｏ １ １１ １ ｏ汰ｏ０ ｏ １ １１ １ ｏ０ ｏ ｌ ０ ｌｌ ｏ ０ １ ０图２－１１卡诺图简化法ｅ＝雪誓＝ｃ＋ａｂ＋ａｂｙｏ＝ａ ｂｃ＋ａｂｃ＋ａ ｂｃ（２－３１）２．开关矢量作用时间的确定 对于所有扇区的参考电压空间矢量，可以通过公式（２．３２）计算得到开关矢量的作用时 间【３引。。¨％＝盟丝等（２－３２）浙江工业大学硕士学位论文式中％’＝压－／－３ｖａｃ，瓦和瓦＋，分别为参考电压空间矢量所在扇区的前后相邻的两个７控制状态的作用时间，疗＝ｏ，ｌ…．，５分别对应于扇区ｉ，ｉｉ，ｉｉｉ，ⅳ，ｖ，ⅵ。由式（２—３２）得到瓦、瓦＋，和瓦的表达式如ｆ： ｌ。ｓｉｎ—（ｎ＋－ｌｐｒ一％ｃ。ｓ霉当（２—３３）瓦＝————２———————ｌ一丁ｓｉｎ要屹ｔ砭＋ｌ＝——ｊ｝－＿——￡ｔｖ。ｓｉｎ竿一％ｃｏｓ竿ｓｉｎ－笔－ｖ．’－，（２—３４）ｔｏ＝ｔ一瓦一瓦＋ｌ（２—３５）这里，对于扇区ｉ、ｉｌｉ和ｖ，ｚ＝瓦，瓦＝瓦“对于扇区ｉｉ、ｉｖ和ｖｉ，正＝瓦一，正＝疋。表格２－２各扇区对应开关控制时序扇区ｉ １１ １１１ ｉｖ ｖ ｖ１１０４０００ ０００ ０００ ０００ ０００ ０００ｔｌ／２ １００ ０１０ ０１０ ００１ ００１ １００ｔ２／２１１０ １１０ ０１１ ０１１ １０ｌ １０１ｔ以１１１ １１１ １１ｌ １１ｌ １１１ １１１ｔ２／２１１０ １１０ ０１１ ０１１ ｌｏｌ １０１ｔ１／２ １００ ０１０ ０１０ ｏｏｌ ００１ １００飞ｄ４０００ ０００ ０００ ０００ ０００ ０００得到瓦／４、正／２、疋／２和疋／２后，通过输入计数器便可产生与ａ、ｂ、ｃ三相分别协调的ｐｗｍ波，对应每扇区的控制时序见表２．２。这里采用最为常用的是三段逼近式均 分零矢量ｓｖｐｗｍ，因为在相同的开关频率下，ｓｖｐｗｍ方法的开关损耗和输出电压的 谐波分量少。 下面以扇区ｉ举例说明ｓｖｐｗｍ的实现。这个时候，有效的电压空间矢量为ｖ。（１００）和ｖ ｚ（１１０）。各矢量的作用时问及切换的示意图如图２．１２所示。由图２．１２可知，比较器ｃｍｐｒｌ，ｃｍｐｒ２和ｃｍｐｒ３与双向计数器的比较结果决定着开关函数ｓ。、＆和ｓ。的取浙江工业大学硕士学位论文值，比较结果改变的时刻也就是电压空间矢量切换的时刻。双向定时计数器计数值乃２ｃⅳ伊ｒ３ｃｍｐｒ２ｃｍ咿ｒ１墨＆＆图２．１２第１扇区ｓｖｐｗｍ开关函数及其状态切换示意图２．７本章小结本章首先分析了双馈风力发电用励磁变流器的要求和几种适用的励磁变流器；其次分 析了转子侧ｐｗｍ变流器的功能；再次为实现转子变流器对双馈发电的控制，介绍了双馈发 电机的工作原理，分析了数学模型，并在此基础上建立了基于定子磁链矢量控制的双闭环 控制系统；最后研究了电压空间矢量脉宽调制（ｓｖｐｗｍ）的原理和实现，在空间矢量扇 区的判断中利用了逻辑函数的卡诺图化简的方法。浙江工业大学硕士学位论文第３章网侧ｐｗｍ变流器及其矢量控制策略３．１电压型双ｐｗｍ变流器的原理与数学模型３．１．１变流器的原理 交流变频双馈风力发电系统用的电压型双ｐｗｍ变流器结构见图３．１。该变流器由两个 三相电压源型ｐｗｍ半桥变流器采用直流链连接，靠中间的滤波电容ｃ稳定直流母线电压。转子侧变流器向双馈感应发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流，完成其矢量控制任务， 实现最大风能捕获和定子无功功率的调节。网侧变流器在实现能量双向流动的同时，控制着直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节。如果将双馈电机的转子等效为转子绕组电阻、电感和反电势串联，则该电路结构是完全镜面对称的。图中甜。、甜。、甜。为三相电网电压，ｅ：。、ｅ曲、ｅ：。为转子三相反电势，ｌ、ｒ分别为交流进线电抗器或降压变 压器的等效电感和电阻，￡：。、ｒ２分别为转子绕组相漏感和电阻。‘ ｉｏ｜ｄ图３—１电压型双ｐｗｍ变流器主电路结构图变频器中两个结构完全对称的ｐｗｍ变流器，在转子不同的能量流向状态下，可交替 实现整流和逆变的功能。当发电机亚同步运行时，网侧变流器工作在ｐｗｍ整流状态、转 子侧变流器工作在ｐｗｍ逆变状态，使功率从电网经变频器输入转子绕组；当发电机超同 步运行时，转子侧变流器工作在ｐｗｍ整流状态，网侧变流器工作在ｐｗｍ变状态，使功 率从发电机转子绕组经变频器返回电网，实现定转子双馈发电。 ｐｗｍ变流器的脉宽调制采用电压空间矢量控制技术，而整流或逆变工作状态是通过浙江工业大学硕士学位论文调整变流器内桥臂交流电流、电压的幅值和相位来实现的。以网侧变流器为例，稳态工作 时直流母线电压ｕ出恒定，变流器三个桥臂的开关元件按正弦脉宽调制规律通断。当开关频率很高时，由于交流进线电抗器的滤波作用，ｓｖｐｗｍ中的高频谐波电压产生的谐波电流很小，形成近似正弦的输入电流。础‘图３－２ａ相等效向量图如果只计电压、电流的基波，可以得到图３—２所示的ａ相向量图，其中ｕ。为变流器 ａ相桥臂中点交流电压向量。只要控制ｕ。的幅值和相位，通过阻抗三角形的关系就能调 节输入电流ｆ。的大小和与电网电压ｕ。间的相位角妒从而使变流器工作在不同状态【３９１：（１） 单位功率因数整流运行。输入电流正弦，与电网电压同相位，这时够＝００，能量从电网流入变流器直流侧。（２）单位功率因数逆变运行。输入电流正弦，与电网电压反相位，缈＝１ ８００， 能量从变流器直流侧流向电网。（３）非单位功率因数运行状态：电源电流的基波与电源电压具有一定的相位关系。当控制电源电流为正弦波形，且与电源电压具有９０度的相位差时，整流器可作为静止无功发生器运行。另外，在整流器非单位功率因数运行时，也可控 制其电源电流为所需的波形和相位，即作为有源滤波器运行。３．１．２数学模型 根据电压型双ｐｗｍ变流器主电路结构，见图３．１，虽然转子侧变流器和网侧变流器控 制思路有所不同，但是两个变流都有整流、逆变两个状态，两个主电路对称，所以在这里就针对网侧变流器建立数学模型４０１１４１１。假设：（１）电网电动势为三相对称理想电压源；（２）网侧滤波器电感ｌ是线性的且三 相相等，且不考虑饱和；（３）功率开关的管损耗与交流电感以及电网电阻以电阻值ｒ等效 表示；（４）直流侧负载用电阻用尺，表示，假设直流侧无电源，系统运行于整流状态。 匿ｊ（ｎｐｗｍ变流器主电路如图３３所示。其中掰。、／，ｄ。、甜。分别为三相电网的相电压；‘、 ｉｂ、ｉ。分别为网侧ｐｗｍ变流器的三相输入电流；甜。。为直流母线电压；ｉｌｏａ。为直流侧的负载１’浙江工业大学硕士学位论文电流，在双ｐｗｍ变流器中，负载即为转－－：／（１４｜ｉｐｗｍ变流器；￡为每相进线电抗器的电感：ｒ 为包括电抗器电阻在内的每相电阻；ｃ为直流母线电容。ｎ．图３－３网侧ｐｗｍ变流器主电路结构图定义单极性二值逻辑函数ｓ＝｛≥辜姜喜茎盖其中ｋ＝ａ，ｂ，ｃ。 根据基尔霍夫电压定律，由图３—３可以得到其数学模型如下：（３．－，驴忡哮＋蹁。‰。驴计三鲁坪ｄｃ＋‰ ｃ訾＝氐‘＋瓯凡＋瓯㈡砌中，三相电流之和等于零，三相电压之和等于零，公式表示为：铲ｆｂｎ三》城‰埔。俘２， 一根据前面的假设（１）电网电动势为三相对称理想电压源，即在三相无中线的电路系统ｉ甜口＋“６＋甜ｃ＝０ 【‘＋‘＋‘＝０则由式（３－２）前面三项相加，可得： ｔｓｏ＋ｓｂ＋ｓ ｃ、）＂ｄｃ＋３ｕｎｏ＝０即浙江工业大学硕士学位论文ｉ／ｎｏ ５一半ｉｆｕｄｃ（３—３）当开关频率远大于电网频率时，口－ｆｆｊ－，二桥臂在一个开关周期内导通时间的占空以比替代瓯，其中ｋ＝ａ，ｂ，ｃ，将式（３－３）代入式（３—２）得到半 ｉ／＇／ｄｃ］ 警＝一分圭卜卜 半警＝一争扣 堕＝一扣ｉｌｄｔ一＝一一ｌ十一●ｈ —ｉ 出 上４ 三‘４ｄａ—，．］材ｄｃ】 ／ ］材出１ ）（３．４）二＝一一ｚ，＋一ｉ”，一ｉ 三。 三‘‘卜卜ｄ。一。ｄａ＋ｄｂ＋ｄｃ【ｃ訾＝吐ｉ。＋ｄｂｆｂ＋ｄｃ㈡。训写成矩阵形式，其状态空间数学模型：●ｚｘ＝ａｘ七ｕ（３５）其中０ ｚ＝ ０ ｏ ｏ￡ｏ ｏ ０￡０ ｏ ￡ｏ ｏ ｏｇｒ乞ｘ：卜ｌｉ。ｌ１．，ｕ＝ｋｕｄｃ一ｒ ０ ０一如钆如．∥ ｒ＿● ● ● ｊ以 以，ｌ，ｌ，ｌ一＋一＋ｄ。ａ＝０一ｒ０一一＋一＋ｄ。０ｏ一尺 ｄ。一以一鼍等等＋一＋ｄｆ以了以ｌｎ以｜ｎｄ。ｄｂｏ若记：３４浙江工业大学硕士学位论文ｖ。＝（ｄ。一 １，ｂ＝（ｄｂ一 １，。＝（ｄ。一 则式（３—４）可化简为：ｄ。＋＋一砍一 皿 出 攻如血 咖如（３．６）ｄ。＋＋ｄ。＋＋ｄ。以｜ｎ氏ｌｎ“了驴她＋三鲁＋ｖａ‰“ｉｂ＋ｌｄｄｉｆｂ＋ｖｂ（３．７）圹ｒｌ。ｃ＋嗤ｑ ｃ訾吐ｆａ＋“ｍ卜ｋ对式（３．７）进行３ｓ／２ｓ变换（ｃｌａｒｋｅ变换），可以得到两相静止筇坐标系下网侧ｐｗｍ变流器的数学模型：如ｒ ．ｋｕ＋三＋ｋ绑足．ｋｐ＋￡噍百咄百｝‰（３．８）ｃ百ｄｕｄｅ＝（ｄ。ｆ。＋嘶）一ｋ其中，甜。、甜ｂ分别为电网电压口、∥的分量；‘、咕分别为输入电流的口、∥分量；％、咋分别为变流器中三相全桥处直流输出电压的ａ、∥分量；ｄ。、略分别为开关函数的口分量和∥分量。 对式（３．２）进行２ｓ／２ｒ坐标变换（ｐａｒｋ变换），可以得到两相静止由坐标系下网侧ｐｗｍ 变流器的数学模型：加ｒ ．ｋ＋三一缈 ｌ．～＋ｖ比ｃｒ．ｋ＋三毗百哦百＋缈 ｌ ．ｂ ＋ ｖ（３－９）ｄｄｕ，ｄｃ一＝（ｄｄｉｄ＋ｄｑｆｑ）一ｆｌ。ａｄ浙江工业大学硕士学位论文其中，甜。、２ｆ。分别为电网电压的ｄ轴、ｇ轴分量；ｉｄ、ｉｑ分别是输入电流的ｄ轴、９轴 分量；ｖｄ、’，。分别是三相全桥直流侧输出电压的ｄ轴、ｇ轴分量；ｄ。、ｄ。分别是开关函数 的ｄ轴、ｑ轴分量；ｑ为电网电压的角速度。３．２电压矢量控制策略网侧ｐｗｍ变流器的控制目标是：（１）输出直流电压恒定且有良好的动态响应能力；（２） 确保网侧输入电流正弦，功率因数接近１。这里我们采用了常见的电压矢量控制方案，即 直接电流控制方法【２６１。 整理公式（３．９），取前面两项，得到：郴‘＋喙） 郴‘＋喙）由公式（３１０），得到：￡＝ 一冗＋拂肪 幼砌＋”ｄ／一，，ｊ －０＼，一＋甜叮．０＋ｑ 三 ．～ ％ 三 ．０＋甜一屹 （３．１１） ％三奶百生西ｉｉ 一 ｒ．～一＋甜一分析式（３—１１），可以看到电网输入电流的ｄ轴ｆｄ、９轴分量‘，不仅受到控制量直流输出电压ｄ轴、ｇ轴分量ｖｄ、’，。的影响外，还受到电网电压的ｄ轴、ｇ轴分量‰、“。以及耦合项 缈。三屯、ｑｌｉ。的影响。需要找到一种可以ｄ轴、ｑ轴分量进行解耦以及消去电网扰动的方法。令ｌｌ％ｒ ．０ 尺＋￡ ３ ２％ｉｉ．０＋￡堕衍噍百（３—１３）ｉ ａｖｄ＝缈ｌｌｉｇ【ａｖｇｒ２０）１ｌｉｄ把式（３—１２）、（３—１ ３）代入式（３．１０），得到改写后的公式：，气ｌ ｖｄ＝一１，ｄ＋ａｖｃ，＋甜‘，，（３．１４）【ｖ９２一ｖｖ一△ｖｑ＋甜ｑ浙江工业大学硕士学位论文上面公式中，１，ｄ、ｙ。分别是跟‘、‘具有一阶微分关系的电压分量，称为解耦项。ａｖｄ、ａｖ。分别为ｄ、ｑ轴电压耦合补偿项。在解耦的同时，引入电网扰动电压“ａ、ｕｑ进行前馈 补偿。不但实现了ｄ、ｑ轴电流的解耦控制，而且系统的动态性能也获得了很大的提高。根据上述分析，基于电网电压定向，这时电网的ｑ轴分量ｚｆ。为０，得到经过解耦的三相电压型ｐｗｍ变流器的电压矢量控制原理图，如图３．４所示。图３－４三相电压型ｐｗｍ变流器的电压矢量控制原理图由图３．４，可以得到简洁的三相电压型ｐｗｍ变流器的电压电流双闭环控制框图，如 图３．５所示。网侧电流，图３－５三相电压型ｐｗｍ变流器的双闭环控制框图３．３稳态功率特性分析根据前面的假设电网是理想的三相电压源，为了便于分析，这罩定义电网电压的矢量浙江工业大学硕士学位论文方向和同步旋转坐标的ｄ轴重合，即表现为电网电压ｇ轴分量甜。＝０。又由于是稳态情况下，所以各个状态量是恒定的，表现为电压，电流的一次分量都为零。把这些结果代入两相静止由坐标系下网侧ｐｗｍ变流器的数学模型式（３．９），可以得到变流器的稳态方程：站ｄ＝灭乇＋ｏ—ｃｏ，ｌｉｑ＋ｖｄ０＝ｒｉｑ＋ｏ＋０３１ｌｉｄ＋ｖｑ（３１５）ｋ＝吼屯＋ｄｑ／．由式（３－１５），画出的矢量图如下：ｇｚ叮０给图３＿６网侧ｐｗｍ交流器稳态电压空间矢量图考虑变流器运行在单位功率因数整流的情况，这时‘＝ｏ，由图３－６可以得到相应的电压空间矢量关系如图３．７所示。ｏ～“．。ｉ＝乃ｌｌｄｊ９０１ｌｉｄ。图３—７单位功率因数整流时的稳态电压空间矢量图浙江工业大学硕士学位论文若忽略线路阻抗，即ｒ＝０，则提出武（３．１５）ｆ约前两项，可得：ｂ州ｆｑ＝居。ｗ‘ｉ％２一（ｏ］ｌｉｄ其中甜。是电网电压幅值。 由式（３－１６）有：＠㈣（３．１７）即：甜ｄｃ。（３．１８）根据电压空间矢量调制原理，在没有过调制的情况下，同时变流功率恒定时有：厣霹≤击由式（３．１８）矛ｉ式（３－１９）得：＠∽‰≥√临ｇ＋画三ｆｑ户＋２（ｑ￡屯）２压只有满足式（３．２０），才能使变流器正常工作。 网侧ｐｗｍ变流器从电网吸收的有功功率和无功功率分别为：（３．２０）上式给出了直流母线电压与电网相电压幅值、电感及负载电流间的关系，直流母线电』名刮ｄｆｄ＋ｕｑｉｑ（３－２１）【ｑｇ２／＇／ｑ／ｄ—ｕｄｉ４电网电压的矢量方向和同步旋转坐标的ｄ轴重合时，蚴＝０有：ｊ名＝ｕａｉｄ（３－２２）＜【ｑｇ２一甜ｄｆ４其中，当ｐｇ＞ｏ时，网侧变流器工作于整流状态，从电网吸收能量；反之，当ｔ＜ｏ时，能量从直流侧回馈到电网，网侧变流器处于逆变状态；当ｑｇ＞ｏ时，网侧ｐｗｍ变流器呈 容性，从电网吸收超前的无功；ｑ。＜ｏ时，网侧ｐｗｍ变流器呈感性，从电网吸收滞后的 无功。浙江工业大学硕士学位论文在忽略各种损耗后，可以得到变流器的输入侧与输出侧的功率平衡关系：名＝ｕａｉａ＝ｕａ：ｉｋ，ｗ（３２３）当交流侧输入的功率大于转子侧消耗的功率时，多余的功率会使直流母线电压升高； 反之，会使电压降低。只要能快速地控制交流侧输入的有功电流分量，就可以控制有功功 率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定。３．４电流、电压环控制器的设计电流环控制器的设计 由公式（３－１１）得到电流环解耦控制框图，见图３－８。３．４．１：ｐｗｍ变流器ｌ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：图３－８电流环解耦控制框图设计控制参数时，考虑到ｐｗｍ控制的小惯性特性（ｅ－ｏ．ｓｒ，５）以及电流环采样信号 的延时（ｅ一耻），同时忽略电压前馈扰动。这里的电流采样信号和ｐｗｍ开关周期ｔ相同，将小时间常数瓦、０．５ｔ合并。从图３－８得到解耦以后的电流环控制框图，ｉｄｔ．－＋ｏ 又略卜＿１１ ｋｐ，（１＋１／。ｓ）ｒｊ，，，．，，，、ｌ、ｋｐ晰坷ｊ１ｆ、１＋７＝１ ｒ＋豇图３－９解耦以后的电流环控制框图４０浙江工业大学硕士学位论文图３－９中，ｋ｜ｐ删为桥路ｐｗｍ等效增益，ｐｉ调节器是零点形式，ｋ妒是电流的微分 增益，ｋ。，是微分增益。 下面讨论按典型ｉ、１ｉ型系统设计的电流调节器： １．按典型ｉ型系统设计按按典型ｉ型系统设计调节器时，重点是考虑系统跟随性能，为了使控制对象传递函数的极点被ｐｉ调节器的零点抵消，取ｒ，＝ｌ／ｒ，根据图３－８得到电流开环传递函数为：哺）＝志（３－２４）—１．５ｔｓｓｋ—，ｐｋｅｗｍ：０．５（３－２５）ｒｒ，按照典型ｉ型系统整定关系，取系统阻尼系数ｆ＝０．７０７，得：求得电流控制环ｐｉ参数：如＝环ｒｉｔｉ（３２６）ｋ∥ｉｋｉｐ：而ｒ（３－２７）３１ｆｉｓｓｋｐ州根据图３－９，代入式（３—２６）、（３．２７），得到电流控制环的闭环传递函数：（３２８）当开关频率高时，忽略ｓ２项，得到等效简化闭环函数：ｄ，（ｓ）２南（３－２９）由式（３．２９），可以看出按照典型ｉ型系统进行设计时，电流环可以近似为一阶惯性环 节，具有良好的动态响应和跟随性ｆ４２１。 ２．按照典型１ｉ型系统设计 考虑电网电压前馈扰动“。的影响时，典型１型系统的设计的电流环抗干扰能力相对 差，所以采用典型ｉｉ犁系统设计的方法。浙江工业大学硕士学位论文定义零点对应的时间常数ｔ与开关传递函数机电对应的时间常数１．５ｉ的比值为中 频宽曩，ｈｉ＝ｆ，／１．５ｔ。当缈。ｌ＞＞ｒ时（缈。为电流环截至频率），可以忽略ｒ，可以得到这时的控制结构框 图。图３．１０忽略ｒ时电流环控制结构框图根据图３－１０得刽电流蚧升蚧传远幽毅：帅，＝警蒜赤（３－３０）５１２程２２取ｈ，＝ｔ／１．５ｔ＝５，按照典型ｉｉ型系统参数整定得到—ｇｌｐｇ—ｐｌ，ｖｍ：娑（３－３１）ｔｌｌｊｈ：由此，电流环的微分、积分比例如下：舻筹＝而２ｌ（３－３２）ｋ，，一ｋ‘ｉｐ＝菇承２ｌ＝（３－３３）｛ｌ ｊｉ．）ｌｓｋｐｗｍ按照典型ｉｉ型系统设计时，中频宽屈越大系统的跟随性、动态响应越好，但是抗干 扰能力就越差。通常，不管是典型ｉ、ｉｉ型系统设计方法还是其他设计方法得到的ｐｉ 参数，都是根据理论计算得出的参数结合实际进行反复调试，以期获得最匹配当前条件 的参数。３．４．１电压环控制器的设计电压外环控制器的设计在不考虑直流电压补偿的情况下，根据由图３．１１所示，采用浙江工业大学硕：ｔ学位论文ｐｌ调节后，得到无直流电压补偿的系统开环传递函数为：既（ｓ）：ｋ仲坠业ｑ（ｓ）ｇ，（ｓ）。（３—３４）ｆ。ｓ其中ｐ（ｓ）表示电流控制内环的传递函数，可以由式（３３３）根据对电压环动态、静态性 能要求设计控制ｋ叩，ｋ。。图３．１１无直流电压补偿的系统控制宽图采用的矢量控制时，电压控制环输出与给定控制电流之间的关系，表示为传递函数ｇ，（ｓ）。ｇ小，＝岩＝叁ｚ。ｔ刚ｓ乙（３．３５）其中ｋ＝３ｕ。２ｕ出，可以近似看作常数。取式（３—２９）作为电流闭环传递函数，同时考虑 直流电压采样延时ｐ一酗，得到矢量控制的电压开环传递函数：帅，＝ｋ，ｐｋ揣（３－３６）ｋ甲＝面３ｃ（３－３７）ｋ。＝丽３ｃ可（３－３８）电压环控制主要是考虑负载的抗干扰能力，所以这里按照典型１ｉ型系统设计，２ｅ程上取 中频宽ｈ。＝ｆ，／４ｔ，＝５，得到控制ｐｉ参数：浙江工业大学硕士学位论文３．５本章小结本章首先介绍了双ｐｗｍ变流器的工作原理；其次根据基尔霍夫原理建立了网侧ｐｗｍ变流器在不同坐标系下的数学模型；再次研究了网侧ｐｗｍ变流器的基于电网电压的电压定向矢量控制，实现了网侧功率因数调节与直流母线电压控制；同时，还分析 了网侧ｐｗｍ变流器的稳态功率特性；最后，设计了三相电压ｐｗｍ变流器双闭环控制 系统的电流环控制器和电压环控制器。浙江工业大学硕士学位论文第４章双馈风力发电控制系统的建模与仿真在第二、三章对双馈发电机的转子侧ｐｗｍ变流器分析以及对网侧ｐｗｍ变流器数学模型及其控制理论分析的基础上，本章利用ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌ矾ｋ软件仿真平台，建 立了双馈风力发电系统控制的仿真模型，结合变速恒频风力发电系统中负载的特性，对 双馈发电机的网侧与转子侧的ｐｗｍ变流器的控制进行仿真研究【４２】【４３１１４４１。仿真系统包含：ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱已有的电网模型、双馈异步发电机模型、ｐｗｍ变换流模型、构建的双ｐｗｍ变流器仿真模块、电压空间矢量的实现模块等。仿真结果 分为转子侧和网侧ｐｗｍ变流器两个方面。４．１仿真模块４．１．１网侧变流器仿真模型根据图３－４的系统框图，在ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台中建立网侧变换器的仿真模型如图三震上图４—１网ｆ９１１ｌ变流器控制系统仿真结构图浙江工业大学硕士学位论文４．１所示。主电路由电网、变压器、滤波电感及三相全控桥组成。４．１．２转子侧变流器仿真模型转子侧变流器仿真模型如图４．２所示，是根据图２．５双馈发电机基于定子磁链定向的矢量控制系统原理图搭建的。主电路由三相全控桥，ｌｃ滤波器，双馈电机，在双馈定子侧的三相电网，三相变压器。图４－２双馈风力发电系统转子侧控制系统仿真图４．１．３电压空间矢量（ｓｖｐｗｍ）仿真模型根据２．６节对ｓｖｐｗｍ的原理和实现的分析研究，在平台上搭建了ｓｖｐｗｍ的仿真模 型，分为三个方面：扇区的确定（如图４．３所示）、开关量作用时间的计算（如图４—４所示） 和ｐｗｍ控制脉冲的产生（如图４．５所示）。浙江工业大学硕士学位论文图４．３判断参考电压矢量ｙｒｃｆ所在扇区ⅳ图４－４ｐｗｍ控制脉冲的产生模块４．２仿真结果和分析网侧变换器参数设置： 交流侧电感ｌｓ＝７．７ｍｈ，内阻ｒｓ＝０．０８ ｑ； 直流母线电容２４００ｕｆ； 电网线电压有效值为５０ｖ： 直流母线电压设定值２００ｖ。４７浙江工业大学硕士学位论文双馈电机参数设置： 电机额定功率１ ５ ｋｗ，极对数为２，额定电压３８０ｖ／５０ｈｚ； 定子绕组电阻０．４１９ｆ２，定子绕组漏感２ｍｈ； 转子绕组电阻０．８１２ｆ２，转子绕组漏感２ｍｈ； 激磁电抗６８．４２ｍｈ； 转动惯量０．０８９堙．ｍ２； 电机的额定转速１ ５００ｒｐｍ。 整个仿真系统是由图４．１和图４—２两个模块构成。在变速恒频双馈风力发电系统的实际运行情况中，有同步，亚同步，超同步三种运行情况。为了使仿真更加接近系统实际的运行，仿真共分为５个阶段：ｏｓ到ｏ．５ｓ，给直流母线充电；ｏ．５ｓ到１．５ｓ，双馈发电机启动和亚同步运行阶段；１．５ｓ到２．０ｓ，系统进入同步运行阶段；２．０ ｓ到２．５ ｓ，为超同步运行状态；２．５ ｓ到３．０ ｓ，系统由超同步进入亚同步状态。下面分别是各个阶段仿真数 据波形，包括了直流母线电压，电机转速，网侧ｐｗｍ变流器的输入电压电流和转子电 流电压。同时为了更好的说明ｐｗｍ变流器的调压能力，增加了网侧ｐｗｍ变流器负载 不变、给定电压变化时的仿真。 １．充电时以及其他４个状态的直流母线电压波形ｉ，＾＼＿－●ｉ｛ ｌ／一，＼ｊｔ（ｓ）图４．５ 双ｐｗｍ变流器直流母线电压波形双ｐｗｍ变流器直流母线电压波形，如图４．５所示。在０．５ｓ前，网侧变流器运行在空载， 这时给母线电容充电，建立起２００ｖ的直流母线电压。在０．５ｓ后，开始把转子侧变流接入直４８浙江工业大学硕士学位论文流母线，网侧变流器开始正常工作。分析波形，看出由空载到接入负载时，电压波动较大，后面在发电机不同运行状态切换时的电压波动小，而且电压能快速的回复２００ｖ，即电压的 超调比较小和调节时间短。当发电机处在启动，亚同步和同步运行状态时，由网侧的ｐｗｍ 变流器提供直流电压给母线。当电机运行在超同步状态时，由转子侧ｐｗｍ变流器提供直流 电压。 ２．电机启动时转速和转子电流厂．，＼｜’．／ｔ（ｓ）图４－６ 电机启动时的转速波形．１ｌ！．飘％ 剿 ∞煞麓ｘ三 ｒｘ“孓＞ 麓气７…、 ｙ燃… 认／。、√ ◇、 ，／、√ ≮火一｝豢ｌ’ｉ．驯ｆ浅ｔ（ｓ）图４—７电机启动时的转子电流波形浙江工业大学硕士学位论文当到ｏ．５ｓ时，双馈发电机启动，启动时转速和转子电流波形，分别如图４—６和图４．７所示。由转速波形图４－６可以看出，电机经过０．２８ｓ，当时间到０．７８ｓ左右，电机启动完毕，开始正常工作。分析转子电流波形图４．７，转子电流也是经过０．２８ｓ后稳定。综合两 个图，说明转子侧ｐｗｍ变流器满足了电机的启动控制时要求，提供了启动所需的转子 励磁电流。３．电机三个运行状态时转速和双ｐｗｍ变流器转子侧电流、电压波形（１）电机转速ｒ／／－ ｛，’、ｌ－ｅｑ 、√■ｃｔ（ｓ）图４．８双馈发电机运行状态变化时转速波形双馈发电机启动后，电机运行状态从亚同步到同步再到超同步转变时，转速的波形变化， 如图４—８所示。从１ｓ开始，风机的转速为１３００ｒｐｍ，电机处在亚同步运行。当１．５ｓ时，风速 变大，刚好使风机转速和发电机的额定转速一致，到达１５００ｒｐｍ，这时经过０．１ｓ时间，电机转 速调节至１ ５００ｒｐｍ，电机进入同步运行状态。当到２．０ｓ时，风速又变大，风机转速到达１８５０ｒｐｍ，经过很短时间，发电机转速也到１８５０ｒｐｍ，进入超同步运行状态。当到２．５秒时，风速又下降， 对应的转速为１３００ ｒｐｍ，到３．０ｓ时整个仿真过程结束。分析波形，可以得到，电机调速时调 节速度较快，超调量小，电机能够很好的达到预期稳定速度。 （２）变流器转子侧电流５０浙江工业大学硕士学位论文ｔ（ｓ） 图４－９双馈发电机转子变速运行时点流波形电机运行状态从亚同步到同步再到超同步转变时，转子电流的波形变化，如图４－９所示。 根据图４－９可以看出：电机在亚同步运行状态时，转子侧ｐｍｗ变流器处在逆变状态，输出转 于电流的频率接近１３赫兹；在同步运行状态时，转子侧ｐｗｌｖｌ变流器给转子提供直流电：当 处在超同步运行状态时，转子侧变流器在整流状态，由电机转子输入交流电给变流器，这时转 子电流的频率比亚同步时小。（３）变流器转子侧电压图４－１０ⅱｎ步状态时转子删变流器输出电｝ｈ被形浙江工业大学硕士学位论文㈣㈣㈣勰《 ㈣ｉ㈣㈣㈣ ㈣《 ㈣ｉ》ｔ（ｓ）圈４－１１亚同步状态时转子侧变流器局部输出电压波形当电能从电网由变流器输送给电机的时候，即风机转速小于电机额定转速，这时转子 侧ｐｗｍ变流器向转子馈送电能。发电机亚同步状态时转子侧变流器输出电压波形如图 ４．１０所示。从图中的波形可以看出，ａ相输出电压等效波形接近正弦。为了更好的看出波 形中的脉宽，这里给出了局部的输出电压波形，如图４．１１所示。”１５—育ｊ一。——ｉ。——志ｉ——ｉ枣＿ｊｊｉ——ｊ捕ｉ。图４－】２同步运行状态时转子侧变流器输出电压波彤浙江工业大学硕士学位论文；；１００｛ｌ；；｛；｛‘可｛黼…ｌ蕊蕊必凝．１ ： 晰 ⅱ ’柑 瑚删｛ｉ 。盯㈧xii麟黼 黼硒 ｉ～ 。ⅱ～．江．ｕ 。划．ｔ（ｓ）ｌ ｌ ｌ ｜｜图４．１ ３同步运行状态时转子侧变流器局部输出电压波形电机同步运行状态时，不同于亚同步运行状态，这时电网只供给双馈电机直流励磁， 不再输送电能给转子。转子侧变流器输出的是直流电压，如图４．１２所示。同时这里也