风力发电及双馈电机控制系统.docx

风力发电及双馈电机掌握系统摘要：文章首先指出了风力发电技术的巨大潜能。然后分析了风力发电的进呈现状和趋势，由分析可知风力发电在将 来具有宽阔的前景，但是同样存在较大的技术挑战。接着依据风力发电系统技术向变速恒频进展的趋势比较了现有的鼠笼 型感应电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、双馈感应电机和无刷双馈电机几种变速恒频风力发电机组，从比较中总结 了双馈发电机的优势。之后将重点放在目前应用较广的双馈感应电机主要掌握问题讨论现状分析。对双馈风力发电机组的 最大风能跟踪问题、同步并网掌握问题、转矩和功率掌握问题以及低电压穿越问题讨论状况进行了具体分析。最终分析了 比双馈感应电机更加牢靠但是目前技术尚未成熟的无刷双馈电机的掌握方法的国内外讨论现状。关键词：风力发电；变速恒频；双馈感应电机；无刷双馈电机0引言全球的可采用的风能约为2xI（Tmw,比地球上可开发的水能总量大10倍，相当于100010000座100 万瓦量级的原子能发电站。我们我国的风能资源比较丰富，全国可采用的风能资源为2.53亿kW,风能丰 富地区的风能密度为200300W/m2,有效风力消失时间概率为70%左右，风速大于3.5而s的全年累计时数 在50007000hl。风能作为一种清洁的新能源，已经成为了具有宽阔应用前景的发电方式之一。与其它 一些新能源相比，风能的投资建设回报周期相对较短。与核能相比风能更加平安，与水力发电相比风力 发电具有更大的开发潜能，与光伏发电相比风力发电的成本更低。经过多年的进展随着风力发电技术的 进步产业化水平的提高风力发电产业已经渐渐成熟，使得风力发电技术有了大规模和商业化进展的巨大 潜能2。1风力发电的进呈现状和趋势持续增长的能源需求和化石能源消耗对环境的恶劣影响引起了全球范围内风能发电快速增长。据全 球风能理事会（GWEC）统计数据显示世界累计安装的风电机组容量从2001年的24GW增加到2022年的 370GW,到2022年估量会正增长到596GW。亚洲连续17年成为全球最大的风电市场，2022年新增容量 26GWo其中中国始终引领亚洲的进展，2022年新增容量23GW,累计安装容量达到114GW,风电装机 容量为世界之最2。但是由于风能来源于空气的流淌，空气密度小，导致风能量密度较低，另一方面气流变化频繁，风 的脉动、日变化、季节变化等都特别明显，波动很大，具有季节性、随机性等特点存在，仍有待讨论先 进的风力发电机技术使得将来的风力发电系统比需要目前的技术更有效率，更健壮且成本更低3。为提高风力发电效率、降低成本、改善电能质量、削减噪声、实现稳定牢靠运行，风电技术正朝着 大容量、低成本、高效率、长寿命、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向进展。风电 系统的主要进展趋势为：风电机组由定桨矩失速型向变桨矩和变速恒频型进展；电机馈型由单馈型 向双馈型进展；传动技术由有齿轮箱向无齿轮箱（直驱型、半直驱型）进展；电机电刷由有刷型向无刷 型进展；励磁方式由电励磁向永磁方向进展；新型电机在风电系统中的应用由少品种向多品种进展； 单机容量由小向大进展；（8）电机品种由单一型向大、中、小型风机系统并列进展；运行方式由独立 运行向并网大型化与离网分散化互补运行进展；风电成本由高向低进展；QI）电机掌握算法由传统掌握 握具有不依靠系统结构和参数、整个设计过程思路清楚、易于实现等特点，在风力发电系统中已有胜利 应用53 o但是目前针对BDFM滑模变结构掌握的理论分析和仿真讨论还不够深化，且相关试验验证 尚未见报道。此外，滑模变结构掌握策略本身也有掌握律中存在不利抖振、匹配条件局限等缺点8。 因此，对BDFM的滑模变结构掌握开展更深化的理论分析、仿真讨论和试验验证，以及如何更好地弥补 上述缺点，是值得进一步深化讨论的问题。5结论文章首先分析了风力发电的进呈现状和趋势，由分析可知风力发电在将来具有宽阔的前景，但是同 样存在较大的技术挑战。然后依据风力发电系统技术向变速恒频进展的趋势比较了现有的几种变速恒频 风力发电机组，从比较中总结了双馈发电机的优势。接着分析了目前应用较广的双馈感应电机主要掌握 问题讨论现状，经过各国讨论者做出的很多努力这些掌握问题在理论上和实践中都已经部分得到解决， 但是仍旧存在很大的讨论进展空间。最终分析了比双馈感应电机更加牢靠但是目前技术尚未成熟的无刷 双馈电机的掌握方法的国内外讨论现状，虽然有很多的学者针对无刷双馈电机的提出了一些先进的非线 性掌握算法，并且进行了仿真验证，但是对这些掌握算法的理论讨论还不够深化，将这些应用于实际工 程当中还需要更进一步的讨论。参考文献1叶昌林，风力发电的前景研讨,东方电气评论,11(3),1997,(9):181 - 1852J Chen L, Ponta F L, Lago L I. 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变换器。由于大功率电力电子器件的价格较为昂贵，全功率变换器增加了风力发电机组的成本。止匕外， 为了实现低速的风力机与高速的发电机的机械联接，需要使用增速齿轮箱。齿轮箱的存在也增加了风力 发电机组的成本，并且降低了牢靠性与机械传动效率。图1基于笼型感应电机的变速恒频风力发电机组2.2 基于电励磁的同步发电机组电励磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统如图2所示，电压源型逆变器的直流侧供应电机转子绕 组的励磁电流，发电机发出的是电压和频率都在变化的沟通电，经整流逆变后变成恒压恒频的电能输网。 通过调整逆变装置的掌握信号可以转变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在 变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。图2电励磁同步发电机直驱风力发电系统实行直驱方式，发电机运行在低速状态，其电磁转矩相对较大，同时发电机极对数较多，意味着发 电机的体积也较大。但由于省去了齿轮箱，系统的效率和牢靠性都得到了提高。变换器为全功率变换器， 在整个调速范围能使并网电流平滑，具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。该系统主要缺 点是系统成本较高，功率变换器损耗较大。2.3 基于永磁同步电机的风力发电机组永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统结构如图3所示，它采纳的电机是永磁发电机，无需外加 励磁装置，削减了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。在定 子侧采纳全功率变换器，实现变速恒频掌握。系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高 效率和牢靠性，降低维护成本。所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大， 成本较高，但其运行维护成本却得到了降低。采纳直接驱动永磁发电机具有传动系统简洁、效率高以及 掌握鲁棒性好等优点，因此具有越来越大的吸引力。目前已有多家公司可以供应商业化的多极永磁风力 发电机系统，如Enercon, WinWind等公司。该系统的主要缺点是永磁材料价格较高，且在高温下易被去 磁，功率变换器容量与发电机容量相同，变换器成本较高。图3永磁同步发电机直驱风力发电系统2.4 基于双馈感应电机的风力发电机组由双馈异步发电机(Doubly fed induction gener-ator, DFIG)构成的变速恒频掌握方案是在转子电路实 现的，如图4所示。流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所打算的转差功率，该转差功率仅 为定子额定功率的一小部分。一般来说，转差率为同步速四周30%左右，因此，与转子绕组相连的励磁 变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右，这大大降低了变换器的体积和重量。采纳双馈发电方式， 突破了机电系统必需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。图4双馈式变速恒频风力发电机系统相对于绕线式发电机，双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是可以通过变换器在发电机转子与 电网之间双向流通。变换器可以供应无功补偿，平滑并网电流。正是DFIG具有上述优点，目前大多数大 可变速风力发电系统都采纳这种方式，例如Vestas, Gamesa, GE, Nordex等公司都有此类产品。但其 掌握系统也相对简单，尤其是双向变换器的DFIG励磁掌握技术和双向并网发电掌握技术，对于DFIG系统 而言，是至关重要的难点之一。双馈发电机系统具有的缺点：存在多级齿轮箱及滑环、电刷，不行避开地带来摩擦损耗，增大了维 护量及噪声等10。2.5 基于无刷双馈电机的风力发电机组上述双馈感应电机实际上是一种沟通励磁的绕线式感应电机，其转子绕组需通过电刷和滑环与功率 变换器连接，为了解决电刷和滑环的磨损问题，国内外学者开头致力于无刷双馈电机的讨论。基于无刷 双馈电机的变速恒频风力发电机组在整体框架上与基于双馈感应电机的变速恒频风力发电机组特别相像, 其区分主要在于发电机本身的结构。无刷双馈电机的定子上有极对数不同且正交的两套绕组，分别称为 功率绕组和掌握绕组，转子采纳特别设计的类鼠笼型结构或磁阻结构。无刷双馈电机的功率绕组直接接 入电网，用于传递大部分功率，具作用相当于双馈感应电机的定子绕组，掌握绕组由功率变换器励磁， 只传递滑差功率，其作用相当于双馈感应电机的转子绕组。与双馈感应电机不同的是，无刷双馈电机的 功率绕组和掌握绕组在理论上没有直接的电磁联系，它们需通过转子实现耦合。无刷双馈电机具有双馈感应电机的全部优点，而且消退了滑环和电刷，牢靠性更高，在理论上具有 更好的应用前景。然而，为了在定子上同时嵌套两套绕组且相互间不能有直接的电磁耦合，使电机设计 和加工制作的难度大大增加。止匕外，由于掌握绕组、功率绕组和转子绕组的电流频率各不相同，因而存 在效率与谐波等问题。由于无刷双馈电机目前尚处于试验室讨论阶段，功率等级较低，且未实现产品化 和规模化生产，目前的主流大功率变速恒频风力发电机组主要使用双馈感应电机。3双馈感应风力发电机组主要掌握问题讨论现状基于双馈电机的变速恒频风力发电机组，具有以下优点：可独立调整电磁转矩和无功功率、可实现 最大风能捕获、传动链机械应力小、输出电能质量高、能向电网供应必要的电压和频率支撑。与其他变 速恒频风力发电机组相比，其功率变换器只需传递滑差功率，从而降低了风力发电机组的成本。因此， 双馈电机在风力发电领域得到了广泛的应用11。国内外很多学者对双馈感应风力发电机组的掌握进行了多方面的深化讨论，主要包括：最大风能捕 获掌握；额定风速以上的恒功率掌握；同步并网掌握；功率解耦、直接转矩和直接功率掌握；低电压穿 越掌握；电网电压不平衡工况下的掌握等。3.1最大风能捕获与恒功率掌握由于风能的能量密度低，是否能最大程度地将风能转换为电能的问题也就是系统是否能实现对风力 发电机组的最大功率点进行跟踪掌握的问题是我们需要重点讨论的问题。如图5所示变速恒频风力发电机组在正常运行时依据风速的不同有三种典型的运行状态，即恒功率系 数、恒转速和恒功率12。当风速高于切入风速时，风力发电机组开头启动，首先进入恒功率系数运行状 态，即图5中的区域I。风力机的转速跟随风速变化，以维持运行于最佳功率系数，从而实现最大风能捕获。 在这个区域内，风力机的转速与风速呈线性关系，其输出功率随风速的增大而增大。图5风力发电机组的三个运行状态由于机械结构的强度限制，风力发电机组存在转速极限。当风速增加到肯定程度时，风力机的转速 达到极限，便进入恒转速运行状态，即图5所示的区域n。在这个区域内，由于风力机的转速恒定，其功 率系数随风速的增大而减小，但风力发电机组的输出功率仍旧随风速的增大而增大。由于电气负荷的容 量限制，风力发电机组存在功率极限。当风速超过额定风速时，风力机输出功率达到极限，进入恒功率 运行状态，即图5中的区域III。在这个区域内，通过调整桨距角或者转子速度，以限制风力机捕获的风能， 使其输出功率维持在额定值。如图6所示，在不同的风速下风力机捕获最大功率时所对应的转速不同。因此，在区域I中风力发电机 组的掌握目标是依据风速调整风力机转速，使风力机始终运行于图6中由不同风速下的最大功率点连成的 虚线上，以实现最大风能捕获13, 14。图6不同风速下风力机捕获功率与转子速度的关系为了提高风力发电机组的运行效率，国内外学者对最大风能捕获掌握进行了深化的讨论，提出了多 种掌握方法。文献15, 16采纳基于叶尖速比的掌握方法，依据当前测量的风速调整风力机的转速，使其 维持在最佳叶尖速比。在实际的风力发电机组中，测风仪不是安装在风力机叶片的旋转平面上，而是安 装在旋转平面后面的机舱上，因此无法精确的测得流过叶片旋转平面的风速，影响了最大风能捕获掌握的效果。文献17 19将爬山法应用于最大风能捕获掌握。爬山法是基于实时测量的风力机转速和输出功率进 行掌握的。掌握器对风力机转速掌握指令施加某一方向的转速扰动，观测风力机输出功率的变化趋势， 若输出功率增加，则维持转速扰动的方向不变，反之，若输出功率减小，则转变转速扰动的方向，从而 自动查找到最大功率点。爬山法的优点是不需测量风速，但是其所施加的转速扰动会导致风力机转速产 生较大的波动，此外，在风速快速变化时，掌握步长的选择会对跟踪精度产生影响。文献2022提出基于最佳功率给定的最大风能捕获掌握方法。假定当前风速为10米/秒，风力机初 始转速等于图6中B点的转速，掌握器依据风力机最佳功率曲线和转速，计算动身电机输出电功率的参考 值等于B点的功率，此时风力机实际捕获的机械功率等于C点的功率。由于风力机捕获的机械功率高于发 电机输出的电功率，风力机旋转速度增加，在风力机的转速转变后，掌握器依据最佳功率曲线和当前转 速计算出新的输出电功率参考值。依据上面分析，风力机输出的电功率将沿着图6中的虚线BA变化，而 捕获的机械功率将沿着曲线CA变化，最终电功率和机械功率将在A点处取得平衡，风力机的转速不再转 变，运行于最大功率输出点A,从而实现最大风能捕获。同理也可分析风速为8米/秒，初始状态处于A点 时，从A点到B点的逆调整过程。基于最佳功率给定的最大风能捕获掌握方法只需测量风力机转速，无需测量风速，而且在稳态和动 态下都可以很好的实现风力机的最大风能跟踪。由于风力发电机组机械结构的强度限制，当风速增加到肯定程度时，风力机的运行状态将进入图5中 区域n的恒转速运行。文献23对其进行了特地的讨论。文献23指出当风力机运行在恒速阶段时，叶片 划过非匀称的风场会造成传动链转矩振荡，因此掌握器必需能够消退传动链转矩振荡并减小传动链的动 态负载和闪变，以减小发电成本和提高电能质量，并在此基础上设计了双馈感应风力发电机组的双环鲁 棒掌握算法，其中内环用于掌握电磁转矩，外环采纳离散极点配置和灵敏度修正函数的方法，在将旋转 速度维持在额定值的同时减小电磁转矩振荡。由于风力发电机组电气负荷的容量限制，当风速高于额定风速时，风力机的运行状态将进入图5中区 域ni的恒功率运行。在区域ni中，通过变桨距或失速效应削减风力机所捕获的风能，主要有三种气动功 率调整方式：定桨距失速、变桨距和主动失速。定桨距失速掌握是指风轮的桨叶与轮毅刚性联接，通过 翼型自身的失速效应限制风能捕获；变桨距掌握是指依据风速转变风轮叶片的桨距角，通过增大桨距角 的方式削减风能捕获；主动失速是前两种功率调整方式的组合，风速增大时通过减小桨距角使叶片失速 程度深入以削减风能捕获。风力发电机组恒功率掌握所面对的是一个大范围扰动的强非线性对象，其工作点随风速的变化而大 范围变化，一般的线性掌握器不能满足要求，需要非线性掌握方法。文献24依据恒速变桨距主动失速型 风力机仿射非线性模型，基于微分几何理论设计了恒速风力机的全局精确线性化掌握器，在额定功率以 上调整桨距角，将输出功率维持在额定值。文献25从空气动力学角度动身，分析了通过降低风力机转速 以实现变速定桨距风力机额定风速以上恒功率掌握的原理，通过微分几何反馈线性化变换，将风力机的 非线性模型全局精确线性化，并在此基础上设计了恒功率掌握器。为了改进恒功率运行区域内的掌握效 果，文献26基于自抗扰掌握理论设计了变速变桨距风力机的变桨距掌握器，通过扩张状态观测器观测外 部扰动并加以前馈补偿以提高系统的鲁棒性，同时配置了非线性状态误差反馈掌握率以提高系统的响应 速度和改善动态性能。3.2 同步并网掌握风电场并网是大规模开发采用风能的最经济有效的方式之一，一般由几十台至上千台机组构成，容 量可达几兆瓦到几百兆瓦。风电场容量的增加及风电的不确定性和易变性的特点，使得风电接入电网后 对电网的供电质量，如电压、谐波与闪变、频率及稳定性都会产生影响。因此，风电并网技术越来越受 到关注和重视。实现风力发电机组的无冲击并网，不仅能有效的爱护发电机、功率变换器和传动机构等 部件，而且对于电力系统的平安稳定运行也具有至关重要的作用。无冲击并网的掌握目标是调整并网前 发电机定子电压跟踪电网电压，使其具有相同的幅值、频率和相位，从而避开并网时刻的电流冲击。目 前双馈感应电机的并网掌握主要包括空载并网、负载并网和孤岛并网三种方式。空载并网方式中，发电机定子在并网前不带负载，因此发电机无法参加能量与转速的掌握，转子速 度仅仅由风力机打算，这种并网方式的优点是系统结构简洁。负载并网方式中，发电机定子并网前带独 立电阻负载，通过转变负载的大小，可以调整发电机的输出能量，使其与风力机协作实现对能量与转速 的掌握，这种并网方式降低了对风力机调速力量的要求，但是增加了系统的简单性。孤岛并网方式分为 三个阶段：第一阶段为励磁阶段，电网通过预充电回路向交直交变换器的直流电容充电，充电完成后转 子侧变换器向双馈感应电机输出励磁电流，使定子电压达到额