2021双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制.docx

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1、双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制目录前言第 1 章绪论11. 1 国内外风力发电的研究现状及发展趋势11. 1. 1 国外风力发电概况11. 1. 2 国内风力发电概况31. 2 变速恒频风力发电技术51. 2. 1 异步发电机变速恒频风力发电系统61. 2. 2 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统71. 2. 3 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统71. 2. 4 永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统81. 2. 5 开关磁阻发电机变速恒频风力发电系统91. 3 双馈发电机转子励磁电路拓扑及其控制91. 3. 1 转子励磁变换器主电路拓扑结构分析91. 3. 2 双馈发电机的控制

2、策略1. 4 风力发电对电力系统的影响 12 161. 4. 1 风电并网静态电压稳定性研究1. 4. 2 风电并网暂态电压稳定性研究1. 4. 3 风电并网电网频率稳定性研究 17 17 181. 5 风力发电系统低电压穿越 （ LVRT） 技术191. 5. 1 LVRT 技术研究的必要性191. 5. 2 现有的低电压穿越技术20第 2 章风力发电系统中双馈发电机动态数学模型252. 1 三相静止坐标系下交流励磁双馈发电机的多变量数学模型262. 2 交流电机理论中常用的坐标变换342. 2. 1 功率不变约束条件下的变换矩阵342. 2. 2 绕组匝数不变约束条件下的坐标变换与变换矩阵

3、402. 3 两相同步旋转坐标系下双馈发电机动态数学模型 （ Kron 方程）412. 3. 1 两相同步旋转坐标系下双馈发电机按电动机惯例的数学模型2. 3. 2 两相同步旋转坐标系下双馈发电机按发电机惯例的数学模型 41 44第 3 章风电场选址技术及实例分析473. 1 风电场选址技术概述473. 1. 1 风电场选址需考虑的基本要素47目录3. 1. 2 风电场选址步骤493. 2 风电场所在地风能资源评估503. 2. 1 数据处理与分析503. 2. 2 风资源评估软件工具介绍533. 3 风电场宏观选址573. 3. 1 风电场宏观选址的基本原则3. 3. 2 风电场宏观选址的方

4、法步骤 57 573. 3. 3 场 址 比选583. 4 风电场微观选址583. 4. 1 风电场微观选址的基本原则3. 4. 2 风电场微观选址的方法步骤 58 593. 4. 3 机 型 比选593. 5 风电场年上网电量及容量选择和排列布置593. 5. 1 风电场年上网电量的计算3. 5. 2 风力发电机组的容量选择3. 5. 3 风力发电机组的排列布置 60 61 613. 6 江苏盐城市某风电场风资源评估和微观选址实例623. 6. 1 风电场风资源评估633. 6. 2 风电机组选型及布置68第 4 章DFIG 转子侧变换器及其控制策略764. 1 转子侧变换器 PI 调节器设

5、计764. 1. 1 电流环 PI 调节器设计774. 1. 2 转速环 PI 调节器设计784. 2 转子侧变换器内模控制器设计4. 2. 1 内模控制在电流环的应用4. 2. 2 内模控制在转速环的应用4. 3 转子侧变换器模糊控制器设计 79 79 81 824. 4 转子侧变换器基于以上控制策略的仿真分析854. 5 转子侧变换器直接功率控制874. 5. 1 直接功率控制原理4. 5. 2 直接功率控制系统 87 904. 5. 3 小功率系统仿真分析94第 5 章DFIG 网侧变换器及其控制策略975. 1 网侧 PWM 变换器的数学模型975. 2 控 制 策略1005. 2.

6、1 电网电压定向矢量控制1005. 2. 2 虚拟电网磁链定向矢量控制1025. 3 空间电压矢量脉宽调制 （ SVPWM） 原理106双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制5. 4 SVPWM 控制的仿真实现1105. 4. 1 基于 MATLAB 的仿真模型1105. 4. 2 基于 PSCAD 的仿真模型1135. 5 网侧变换器控制系统仿真117第 6 章双馈式风力发电柔性并网系统仿真建模研究1206. 1 双馈式风力发电系统并网方式概述1206. 1. 1 空 载 并网1206. 1. 2 带独立负载并网1216. 1. 3 孤 岛 并网1226. 2 空载运行控制策略1236. 3

7、发电运行控制策略1256. 4 双馈式风力发电系统并网仿真1306. 4. 1 基于 MATLAB 的双馈式风力发电系统建模1306. 4. 2 仿真结果分析1336. 4. 3 基于 PSCAD 的双馈式风力发电系统建模1396. 4. 4 兆瓦级双馈式风力发电柔性并网仿真结果分析144第 7 章双馈发电机风电场并网仿真研究1487. 1 风电场接入系统的稳定性分析1487. 1. 1 风力发电系统的频率稳定性1497. 1. 2 风力发电系统的电压稳定性1507. 2 双馈发电机的标幺值方程1517. 3 风电场并网算例介绍1547. 4 风电场并网仿真研究1557. 4. 1 风速突升时

8、风电场并网仿真结果1567. 4. 2 电网电压跌落时风电场并网仿真结果1597. 4. 3 单相接地故障时风电场并网仿真结果1617. 4. 4 三相短路故障时风电场并网仿真结果163第 8 章风电场电能质量测试和评估1658. 1 电 能 质量1658. 1. 1 供电电压偏差1668. 1. 2 电力系统频率偏差1678. 1. 3 电力系统谐波1678. 1. 4 电压波动和闪变1698. 1. 5 三相电压允许不平衡度1718. 1. 6 暂时过电压和瞬态过电压1718. 2 并网型风力发电系统电能质量测试和评估1738. 2. 1 测 量 程序1738. 2. 2 测 量 条件17

9、3目录8. 2. 3 电能质量评估1748. 3 风电场电能质量测试实例1768. 3. 1 双馈式风力发电机组风电场电能质量测试1778. 3. 2 直驱式风力发电机组风电场电能质量测试1798. 4 附录 电能质量测试数据及录波图1828. 4. 1 附录 1 华能包头茂明风电场电能质量测试数据及录波图1828. 4. 2 附录 2 中广核杜尔伯特风电场 （ 一期） 电能质量测试数据及录波图 189第 9 章基于 RTDS 的双馈式风力发电机组仿真建模研究1979. 1 电力系统主要仿真工具简介1979. 1. 1 EMTPE1989. 1. 2 NETOMAC1989. 1. 3 PSC

10、AD / EMTDC1999. 1. 4 BPA2019. 1. 5 PSASP2029. 1. 6 MATLAB2039. 2 RTDS 仿真系统介绍2049. 2. 1 RTDS 在国内外的应用动态2059. 2. 2 RTDS 系统硬件9. 2. 3 RTDS 系统软件 205 2089. 2. 4 RTDS 实时数字仿真系统的主要功能2139. 3 基于 RTDS 的双馈式风力发电系统仿真建模研究2149. 3. 1 RTDS 系 统 简介2149. 3. 2 基于 RTDS 的双馈式风力发电系统建模2159. 3. 3 基于 RTDS 的双馈式风力发电系统在线仿真分析215参考文献2

11、19第 1 章绪论从可持续发展的观点看， 化石能源终将耗竭， 充分开发和利用可替代清洁能源是解决能源和环境问题的必然选择。 风能作为一种取之不尽、 用之不竭、 环境友好的清洁可替代能源， 使得风力发电成为目前新能源发电技术中最成熟、 开发规模最大、 商业化发展最好的发电方式。 风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源。 其中， 并网型双馈式风力发电机组成为工业应用最广泛的变速恒频风力发电机型。1. 1国内外风力发电的研究现状及发展趋势风能的动力应用已有数千年的悠久历史， 但风力发电的研发始于 19 世纪末期， 直至 20 世纪 70 80 年代， 并网型风电场才进入现代电

12、力系统。1. 1. 1国外风力发电概况随着现代科学技术的飞速发展， 特别是空气动力学、 尖端航天材料和大功率电力电子技术应用于新型风力发电系统的开发研制， 风力发电在近 20 年里有了飞速发展。 欧美国家在风能的开发利用方面已取得了巨大成就， 以丹麦、 德国、西班牙、 美国为主形成了一个规模巨大的产业链条从风力机的制造到机组的销售， 从基础科学研究到工程实际应用， 风力发电已成为当今电力系统最为活跃的研究领域之一。风能在世界各国呈快速增长趋势， 风力发电已经不再是补充能源， 而是最具有商业化发展前景的新兴能源。 截止到 2010 年， 世界风电总装机容量达194400MW， 其中 2009 年

13、增量为 37466MW， 风电增长率为 30% ， 2010 年增量为35800MW， 风电增长率约为 23% ， 增速有所下降。 2009 年世界所有安装的风力机发电量约为3400 亿kWh， 相当于世界第八大经济国意大利全年的用电需求，占全球电力消耗总量的 2% 。 就风电总装机容量而言， 中国超过美国跃居世界第一； 就风电新增装机容量而言， 中国和印度新增装机容量占世界增量的 56. 4% ， 成为了名副其实的风电大国。 世界风电十强之外的国家风电装机容量也开始上升， 这说明世界上许多国家都认识到了风电的重要性， 其中拉丁美洲显示了令人鼓舞的增长， 新增装机容量超过一倍， 这主要归功于巴

14、西和墨西哥风力发电的迅猛发展。9第 1 章 绪论2010 年世界风力发电总装机容量与新增装机容量见表 1-1。欧洲各国是风力发电技术传统强国， 其中利用风能最成功的国家是德国、 西班牙和丹麦， 欧洲新增的电力装机容量中大约有二分之一将由风力发电提供， 美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。 为促进风力发电的发展， 世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策， 主要包括： 投资补贴、 低利率贷款、 规定新能源必须在电源中占有一定比例、 从电费中征收附加基金用于发展风电、 减排CO2 奖励等。 欧洲的德国、 丹麦、 荷兰等采用政府财政扶持、 直接补贴的措施发展本国的风力发电事业； 美国通过金融支

15、持， 由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业； 印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电； 日本采取的措施则是优先采购风电。表 1-1 2010 年世界风力发电总装机容量和新增容量总装容量/ MW百分比（% ）新增容量/ MW百分比（% ）中国4473323. 01中国1892752. 86美国4018020. 67美国502114. 03德国2721514. 00西班牙15274. 27西班牙2067612. 13德国14384. 02印度1306510. 64印度12583. 51意大利57973. 00英国11113. 10法国56602. 91法国10863. 03英国

16、52032. 68意大利9472. 65加拿大40082. 06加拿大6891. 92丹麦37341. 92丹麦2690. 75其他2412912. 41其他35319. 86前十总计17027187. 59前十总计3226990. 13全球总计194400100全球总计35800100随着风力发电并网功率和风电场在电力系统中穿透功率的快速增长， 围绕并网的电压波动、 闪变、 谐波、 稳定性等成为重要的研究课题。 由于风天然的随机性， 风电并网和其他常规发电并网有很大区别， 大型风电并入电力系统运行对整个电力系统构成新的挑战， 高风电穿透水平要求重新考虑电力系统运行方式。 在恒速恒频风力发电占

17、主导地位时， 软并网技术是研究热点， 软并网技术是指通过控制发电机与电力系统之间用作并网开关的双向晶闸管的触发延迟角来控制并网 冲击电流， 从而达到平滑并网的目的， 但该技术的适用条件受到发电方式的限制。 近年来全球风力发电技术经历了快速发展， 在欧洲， 双馈发电机从 2002 年开始成为主导技术， 市场占有率超过 50% 。 采用双馈发电机和通过电力电子接口并网成为现代风力发电的主要趋势， 大型风电场及其并网已经成为当代电力系统一个重要的研究领域。 国外对双馈发电机的数学建模、 控制策略、 并网引起的电能质量等问题进行了深入研究并给出了各自的结论。 随着交流励磁变速恒频双馈式风力发电机组单机

18、容量和风电场规模的扩大， 风电场对地区电网的稳定性造成的影响不可忽视， 大型风电低电压穿越技术开始受到关注， 双馈发电机采用Crowbar 电路实现低电压穿越运行技术也成了研究热点。1. 1. 2国内风力发电概况10m我国幅员辽阔， 海岸线长， 风能资源比较丰富。 根据气象部门的资料， 我国高度陆地风能理论储量为 32. 26 亿 kW， 估计 10% 可供开发， 再考虑到实际风轮扫掠面积为圆形与正方形的差别系数为 0. 785， 则陆地风能实际可开发量约为 2. 53 亿 kW， 近海风能资源大约为 7. 5 亿 kW， 仅次于美国和俄罗斯， 居世界第三位。我国从 20 世纪 70 年代就将

19、风能的开发利用列入 “ 六五” 国家科技攻关计划， 但以离网型风电为主， 主要解决常规电网覆盖不了的边远农牧民、 岛屿居民的生产生活用电。 在 “ 七五”、 “ 八五” 和 “ 九五” 期间， 国家计划委员会和国家科学技术委员会分别组织了综合性风能科技攻关， 内容涉及风能资源、 风力机空气动力学、 结构动力学、 电机、 控制和材料等。 我国的大型风力发电从 20 世纪 80 年代中后期开始真正起步， 先引进了定桨距恒速风力发电机组； 90 年代， 引进了变桨距恒速风电机组； 近年来又引进了变速恒频风电机组。我国风力发电呈现出良好的发展势头， 表 1-2 列出了 2002 年以来风电装机容量的增

20、长情况。 展望未来， 我国 2020 年全国风电装机容量有望突破2 亿kW， 我国风力发电在大规模非水可再生能源发电中的先行地位已经明确。表 1-2 2002 年以来中国历年总装机容量（ 单位： MW）年份2002 前20032004200520062007200820092010当年新增容量66. 398. 3196. 8506. 91287. 63311. 36153. 713803. 218927. 9累计容量465. 1563. 4760. 21267. 12554. 75867. 412019. 625805. 344733. 3截至 2010 年年底， 全国电力装机容量 9. 62

21、 亿 kW， 全国风电装机容量 4473 万 kW， 全国风电并网装机容量 3107 万 kW， 占全部电力装机容量的 3. 2% ， 同比增长 82% 。 2010 年， 全国全口径发电量 4. 23 万亿 kWh， 同比增长 18% ，其中风电 501 亿 kWh， 同比增长 74% ， 占全部发电量的 1. 2% 。 整个内蒙古风电总装机容量达到了 1385. 8 万 kW， 风电装机量占全国总量的 31% ； 并网容量为 870 万 kW， 风力发电 177. 2 亿 kWh， 增长率为 72% ， 占全国风力发电量的 35. 4% 。内蒙古电力 “风火并举” 战略为电力系统注入了 “

22、绿色能源” 的新鲜血液， 但这是一柄 “双刃剑”， 同时也给内蒙古电网运行带来一定压力， 并随之产生风电汇集、 输送、 电压稳定性、 动态无功潮流、 配套的输变电工程等许多新的研究课题。此外， 海上风力发电由于资源富集、 风速稳定、 不占用土地、 不受地形地貌影响、 单机容量大等优点成为当今国际上风电发展的一个新趋势。 目前， 海上风电技术日趋成熟， 并开始进入规模化开发阶段， 丹麦、 德国、 西班牙、 瑞典等国家均在建设大型海上风电场， 还有许多国家也在制订近海风电发展计划。 我国江苏响水 20 万 kW 风电场是国家第三批风电特许权项目， 由中国长江三峡集团公司所属长江新能源开发有限公司负

23、责开发， 风电场首批23 台1. 5MW 的风力机于2010 年 5 月 18 日并网运行， 项目计划于 2011 年上半年实现全部 134 台风力机并网发电； 江苏盐城中电大丰风力发电有限公司规划了二期风电场工程， 总容量为20 万 kW； 浙江慈溪也在一、 二期 10 万 kW 风电场的基础上， 又规划近海风电场装机容量 10 万 kW； 国家海上风电示范项目、 上海市重大工程东海大桥 10 万 kW 海上风电场 34 台 3MW 风力机于 2010 年 7 月 6 日完成全部安装和调试， 并投入并网运营。由于风电的强随机性， 风电穿透功率水平增大后， 会对电能质量和电力系统的正常运行产生

24、严重影响， 国内对此进行了较深入的研究。 有的文献对风力发电机组的无功功率极限及其控制和风电穿透功率极限进行了理论研究， 并得出了我国电网目前可接受的风电穿透功率不能超过 8% 的理论结论， 而丹麦并网运行风力发电穿透功率水平早已高于 20% ， 这就产生一个问题： 如何采用新技术进一步提高我国风电穿透功率水平？并网运行的风力发电场由于可以得到大电网的补偿和支撑， 成为国内风力发电的主流。 有些科研机构已经对恒速恒频风力发电机组的软并网 （ 通过控制发电机与电力系统之间作并网开关的双向晶闸管的触发延迟角来控制和减小冲击电 流） 控制系统进行了研究。 魏晓云等提出了一种基于电压源换流器的交、 直

25、流混合风力发电场并网技术， 具有一定新意， 并给出了基于 PSCAD （ 电力系统计算机辅助设计） 的仿真分析结果。“ 变桨距风力机 + 双馈发电机” 作为新型风力发电机组， 是目前研究的热点。 国内对双馈发电机的研究主要集中在单机建模、 空载并网、 柔性并网、 并网后有功功率和无功功率的解耦控制、 低电压穿越运行、 风电场协调控制等方面。针对大型风力发电还存在一些重要科学问题尚未解决， 如改善接入电网的电能质量、 风电穿透功率极限、 对接入电网电压稳定性的分析与控制等， 变速恒频风力发电相关科学研究工作仍需加强， 对其柔性并网运行与控制的关键技术有待进一步充实。同时， 国内也在积极开展兆瓦级

26、变速恒频风力发电机组的研发工作， 兆瓦级变速恒频风电机组是国家 “863” 计划重大课题， 1MW 变速恒频发电机组已于2005 年 8 月并网运行。 中国科学院电工研究所在承担国家 “863” 科技攻关计划的基础上开发研制了 1. 5MW 双馈式变速恒频风电机组控制系统及励磁变换器。兰州电机厂与清华大学及沈阳工业大学合作， 2005 年 4 月自主研发了国内首台1. 5MW 变速恒频双馈异步发电机， 并成功并网发电。 现在国内兆瓦级风力发电机除了新疆金风科技股份有限公司和哈尔滨大电机研究所研制的是永磁同步发电 系统外， 华锐风电科技 （ 集团） 股份有限公司、 中国东方电气集团有限公司等生产

27、的都是双馈式风电系统。此外， 我国对开关磁阻发电机、 爪极发电机应用于大型变速恒频风力发电展开了探索性应用基础研究。以严陆光院士为代表的科学家认为我国近期风力发电的工作重点如下： 1） 大力加强大容量风电机组的研制， 加快风电设备制造国产化步伐。2） 解决好大规模风力发电进入电网的有关问题， 使风电成为我国电力发展的重要组成部分。3） 大力组织全国风能资源调查， 建立数据库， 为风电发展提供坚实的科学基础。4） 开展海上风电场的科学、 安全、 合理开发的前期研究。5） 采取有力措施， 积极贯彻实施可再生能源法， 以形成良好的发展环境。1. 2 变速恒频风力发电技术风力发电系统按照发电机运行方式

28、可分为恒速恒频 （ Constant Speed Constant Frequency， CSCF） 风力发电系统和变速恒频 （ Variable Speed Constant Frequency， VSCF） 风力发电系统两大类。恒速恒频方式保持发电机的转速不变， 从而得到恒频的电能。 恒速风力发电机的一个显著的缺点就是风速变化时， 风能利用系数不可能一直保持在最佳值， 不能最大限度地捕获风能， 风能利用率不高。 此外， 对恒速风力机来说， 当风速跃升时风能将通过风力机传递给主轴、 齿轮箱和发电机等部件， 在这些部件上产生很大的机械应力， 如果上述过程频繁出现， 会引起这些部件的疲劳损坏，

29、因此设计时不得不加大安全系数， 从而导致机组重量加大， 制造成本增加。而当风力发电机采取变速运行时， 风速跃升所产生的风能， 其中部分被加速旋转的风轮所吸收， 并以动能的形式存储于高速运转的风轮中， 通过对发电机的转速控制， 使风力机运行中保持最佳叶尖速度比， 实现最大风能追踪控制， 减小柔性风能系统传动链上的疲劳负载， 提高了传动链的柔性， 从而避免主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。 当风速下降后， 在相关电力电子装置调控下， 将高速风轮所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网， 通过风轮的加速、 减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用， 使风力发电机组内部能量传输部件应力变化相对平稳，

30、防止破坏性机械应力产生， 从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。变速恒频风力发电是 20 世纪 70 年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术， 其主要优点在于发电机以变速运行。 由于工业控制领域交流电动机的调速技术在很多设备中已经得到了成熟的应用， 通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位， 从而实现转速的调节， 可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速度比， 进而实现追求风能最大转换效率； 同时又可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、 无功功率， 抑制谐波， 减少损耗， 提高系统效率。 将调速系统和变桨距调节技术结合起来， 就构成了变速恒频风力发电系统。 尽管变速系统与恒速系统

31、相比， 风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵， 但其成本在大型风力发电机组中所占比例并不大， 因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。变速恒频风力发电机组采用不同类型的发电机， 并辅之相关的电力电子变流装置， 配合发电机进行功率控制， 就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。下面将对其进行简要的叙述。1. 2. 1异步发电机变速恒频风力发电系统在笼型异步发电机恒速恒频风力发电的基础上， 在定子侧配备变频装置， 即可构成笼型异步发电机变速恒频风力发电系统， 其系统结构示意如图 1-1 所示。由于风速的不断变化， 风力机以及转子的转速也随之变化， 所以发电机发出的电能的频率也是变

32、化的。 因此， 在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节， 先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。 这种方案实现了变速恒频， 具有变速运行范围宽的优点， 适用于风速变化较大的环境， 而且维护简便。 但是由于变频器在发电机定子侧， 变频器的容量必须与发电机的容量相等， 属于全功率变换， 导致变频器体积大、 重量大， 系统成本较高。图 1-1 异步发电机变速恒频风力发电系统1. 2. 2交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统交流励磁双馈发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种 新型发电机， 其结构类似绕线转子异步电动机， 具有定、 转子两套绕组， 其

33、转子一般由接到电网上的电力电子变换器进行交流励磁， 由于发电机的定、 转子均接交流电 （ 双向馈电）， “ 双馈发电机” 由此得名， 其本质上是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机。 双馈发电机 （ Doubly Fed Induction Generator， DFIG） 的变速恒频控制方案是在转子电路实现的， 其系统结构示意如图 1-2 所示。图 1-2 交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统类似于绕线转子异步电动机串级调速， 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

34、量也仅为发电机容量的 30% 左右， 属于转差功率变换， 这就大大降低了变频器的体积、 重量和成本。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， 机电系统之间的刚性连接变为柔性连接。 基于上述诸多优点， 由双馈发电机构成的并网型变速恒频风力发电系统已经成为目前风力发电方面的研究热点和发展趋势。1. 2. 3无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统如图 1-3 所示， 其定子有两套极数不同的绕组， 一套称为功率绕组， 直接接电网； 另一套

35、称为控制绕组， 通过双向变换器接电网。 无刷双馈发电机转子为特殊设计的笼型或磁阻式结构， 取消了电刷和集电环， 转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和。 无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于标准型双馈发电机的定子绕组和转子绕 组。 无刷双馈变速恒频控制方案是在定子电路实现的， 但流过定子控制绕组的功率仅为发电机总功率的一小部分， 因此控制绕组外接变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分， 从而大大降低了变频器的体积和重量。 尽管标准型的双馈发电机和无刷双馈发电机的运行机制有着本质的区别， 但却可以通过完全相同的控制策略实现变速恒频控制。图 1-3 无刷双馈发电机变速恒频风力发电

36、系统上节提到的双馈发电机， 在结构上通常可以将它作为绕线转子异步电动机考虑， 因而有集电环、 电刷等装置存在， 这种摩擦接触式结构增加了运行维护工作量。 无刷双馈发电机的出现理论上弥补了传统标准型双馈发电机的不足， 但是兆瓦级无刷双馈发电机由于定子设计、 制造工艺的制约还没有实现产业化， 所以影响了其在大型风力发电系统中的应用。1. 2. 4永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统在常规火力发电系统中， 同步发电机使用最为普遍。 同步发电机在运行时既能输出有功功率， 又能提供无功功率， 且频率稳定， 被电力系统广泛接受。 在同步发电机中， 发电机的极对数、 转速及频率之间有着严格不变的固定关系

37、， 以便维持发电机的频率与电网的频率相同， 否则发电机将与电网解列。 永磁同步发电机变速恒频风力发电系统如图 1-4 所示， 该系统所采用的发电机为永磁同步发电机， 转子为永磁式结构， 无需外部提供励磁电源， 提高了效率。 该系统的变速恒频控制也是在定子电路实现的， 把永磁发电机发出的频率变化的交流电通过交- 直- 交并网变频器转变为与电网同频的交流电， 因此变频器的容量与系统的额定容量相同。 采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合， 省去齿轮箱， 即为直接驱动式结构， 这样可大大减小系统运行噪声， 提高可靠性。 由于直驱型永磁发电机的转速很低， 致使发电机体积增大、 成本增加， 但由其

38、构成的风电系统图 1-4 永磁同步发电机变速恒频风力发电系统不使用价格昂贵的齿轮箱， 所以系统的总成本有所降低。1. 2. 5开关磁阻发电机变速恒频风力发电系统开关磁阻式风力发电系统以开关磁阻发电机为机电能量转换核心， 其系统结构示意如图 1-5 所示。 开关磁阻发电机为双凸极发电机， 定子、 转子均为凸极齿槽结构， 定子上设有集中绕组， 转子上既无绕组也无永磁体， 故机械结构简单、坚固， 可靠性高。 此外， 由于风力机的功率特性有其自身的特点， 为了使风能捕获的效果最佳， 就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好地配合， 通过对发电系统的控制， 使风力机工作在最佳功率特性曲线上。图 1-5 开

39、关磁阻发电机变速恒频风力发电系统开关磁阻发电机本身具有可控参数多、 非线性、 较难建立精确数学模型的特点， 且没有独立的励磁绕组， 而是与集中嵌放的定子电枢合二为一， 并通过控制器分时控制实现励磁与发电， 因而简化了控制系统结构， 提高了可靠性。 同时， 因为发电机相绕组间无电磁耦合， 容错能力大为增强， 组合起动与发电容易， 适合高温、 高速环境运行， 具有大容量、 高效率及高功率密度运行等优点。 综上所述， 开关磁阻发电机是未来变速恒频风力发电系统优选发电机型之一。1. 3双馈发电机转子励磁电路拓扑及其控制1. 3. 1转子励磁变换器主电路拓扑结构分析双馈发电机转子交流励磁变换器主电路拓扑

40、结构必须保证双馈发电机在转速 运行范围内， 转差功率可双向流动。 同时交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器应是一种 “ 绿色” 变换器： 谐波污染小， 输入、 输出特性好， 甚至还要具备在不吸收电网无功功率的情况下产生无功功率的能力。目前广泛应用的 DFIG 转子励磁变换器有如下几种：23第 1 章 绪论1. 交- 交变换器这是一种由反并联的晶闸管相控整流电路构成的交- 交直接变换式的变换器。改变两组整流器的切换频率， 就可以改变输出频率， 改变晶闸管的触发延迟角， 就可以改变输出交流电压的幅值。 这种变换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

41、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- 交变换器输入功率因数低， 输出电压中低次谐波含量大， 对发电机和电网均造成严重的谐波污染和负面效应； 采用 72 管结构的 12 脉波变换器虽然降低了谐波含量， 但结构和控制复杂， 不适合用作 DFIG 的励磁电源， 因此不宜在双馈式风力发电系统中作转子励磁变换器应用。2. 矩阵式交- 交变换器矩阵式变换器自 1976 年被提出以来， 欧美和日本的许多大学和公司对其进行了大量深入的研究。 矩阵式交- 交变换器是一种交- 交直接变换电路， 所用的开关器件为全控型， 主电路拓扑结构简单， 可在功率因数接近于 1

42、 的工况下运行， 能量也可以双向流动， 但目前无商品化大功率双向开关器件。 日本富士电机公司在 2003 年开发出了适用于矩阵式变换器的逆阻式 IGBT （ Reverse Blocking IGBT， RB- IGBT） 模块； 日本安川电机公司于 2004 年研制成功 22kW 矩阵式变换器产品样机； 英国 Nottingham 大学也于 2004 年成功开发了一台用于军用装甲车传动的 150kW 矩阵式变换器- 异步电机调速系统。 理论上讲， 采用矢量控制的矩阵式交- 交变换器是一种输入、 输出特性好， 无电力谐波， 无需电容等无源器件， 用作风力发电系统励磁电源时， 功率可双向流动，

43、是一种绿色变换器， 是兆瓦级变速恒频风力发电未来的最优化选择之一， 但这方面还缺乏深入的理论研究和大功率工程应用， 其故障保护也存在问题， 离兆瓦级大功率实用化尚有一定距离。3. 双 PWM 变换器通用变频器采用二极管整流- IGBT 逆变的电路拓扑方案， 可以使输出电压正弦化， 改善了输出特性， 但这种变流方式不具备能量双向流动的能力， 不能用作风力发电系统中 DFIG 的励磁电源。随着 PWM 技术和高速自关断型功率器件的发展， PWM 变换器已不是一般传统意义上的 AC / DC 变换器， 当 PWM 变换器从电网吸收电能时， 它运行于整流工作状态； 当 PWM 变换器向电网输出电能时，

44、 它运行于有源逆变工作状态。PWM 变换器实际上是一个交、 直流侧均可控的四象限运行变换器， 既可工作于整流状态， 又可工作于逆变状态， 其网侧电流和功率因数都是可控的， 其更科学的称谓为 PWM 变换器。 采用两个背靠背 （ Back- to- Back） 的 PWM 变换器组成的双 PWM 型变换器可作为 DFIG 转子交流励磁变换器， 在变速恒频风力发电系统中的应用原理如图 1-6 所示。 图中靠近 DFIG 转子的变换器称为转子侧变换器， 靠近电网的变换器称为网侧变换器。图 1-6 双 PWM 变换器主电路结构图通过调节网侧变换器输出交流电压的幅值和相位， 就能控制电感电流与电网电压的相位角， 从而使该变换器运行于几个不同的工作状态：1） 单位功率因