1、 课程考核（论文）题目 双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述学 院 专 业 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 2013 双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述摘要：近年可再生能源的开发利用越发受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源。风力发电技术可分为两种系统：恒速恒频和变速恒频风力发电系统。由于后者具有风能利用率高，有功、无功可独立调节，系统采用交流励磁等优点，成为了当今风力发电技术的发展方向。在变速恒频风力发电系统中，多采用交流励磁的双馈型变速恒频风力发电机。交流励磁通过变频器控制，其性能直接影响发电机与电网的运行。所以，本文以成熟的双 PWM 变换器励磁系统，和处于理论阶段
2、的矩阵变换器励磁系统为讨论对象，阐述了两种励磁方式的原理，总结了各自优缺点。关键词：风力发电，变速恒频，交流励磁，双 PWM，矩阵变换器1 双馈型异步发电机变速恒频运行的基本原理双馈型异步发电机具有定子绕组和转子绕组两套绕组，它们分别接到不同的两个独立三相对称交流电源，其转子侧可以根据情况输入交流电流励磁(在亚同步或超同步运行时)，也可以输入直流电流来励磁(在同步速运行时)，可以向电网回馈电能。当采用交流励磁时，通过调节转子侧励磁电流的频率可以控制电机的转速，从而使得双馈发电机内部的电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机。从电机学可知，电机稳定运行时，转子旋转磁势是跟随定子旋转磁势同步运
3、行的 1，是相对静止的，双馈异步电机的转速和频率的关系式可表示为 2:(1)2160npf式(1)中：f1表示定子绕组电流频率；f2表示转子绕组电流频率；p表示电机的极对数；n表示转子旋转的转速。其中，正号表示转子转速低于定子磁场旋转速度，系统亚同步运行，负号表示转子转速大于定子旋转磁场转速，系统超同步运行，此时转子绕组的相序必须和定子的相序相反。从以上关系式可以看出，当风速变化引起转子转速变化时，只要调节转子励磁电流的频率f 2，就可以使系统并网时定子输出频率保持为工频。1.1 三相静止坐标abe下的双馈电机数学模型双馈风力发电机在三相静止坐标系下物理模型如图1所示。首先假设发电机定子、转子
4、都是星形连接，下面列出双馈电机的运动方程、电压方程、磁链方程和转矩方程 3。 图1 双馈电机物理模型简图定子方程为：(2)sasassbsbsscscsduritdurit转子方程为：(3)rararrbrbrrcrcridtuidt1.2 两相旋转坐标系dq下的双馈电机数学模型(1) 双馈电机电压方程由于d、q坐标轴相互垂直，其在两相绕组之间没有磁的耦合，如果将上述在三相静止坐标系下的双馈机模型转换到两相旋转坐标下。那么双馈电机的模型将会大大简化。其具体方程如下 34：定子绕组电压：(4)1sdsdssqqqdurip转子绕组电压：(5)rdrrdsrqqqiup式中 1为同步角速度， s为
5、转差角速度。(2) 双馈电机磁链方程定子磁链方程:(6)sdsmrdqqLi转子磁链方程:(7)rdrmsdqqiL(3) 电压电流间的关系结合电压方程与磁链方程可得到电压与电流之间的关系为(8)1111sd sdssmmq qr rmsrssmsru iLpLpri 1.3 定子磁链定向矢量控制从动态数学模型分析中，对双馈电机进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d、q两轴的相互垂直关系及与定子频率同步的旋转速度，并没有规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。如果选择d轴沿着定子磁链矢量的方向，q轴垂直于定子磁链矢量方向，这样将发电机惯例变换至两相旋转坐标d-q坐标系下按定子磁链定向时，此时由于两相
6、绕组之间没有磁的耦合，电机模型将得到很大的简化，所以当三相静止的发电机模型变换至定子磁链定向的以同步速旋转的两相坐标系时，可以简化控制 5,6。1.4 小结给出了交流励磁双馈发电机的在不同参考坐标系下的数学模型，说明了定子磁链定向的矢量变换控制策略简化了双馈电机的控制方法。以下将阐述基于双PWM交流励磁和基于矩阵变换器交流励磁的风力发电系统。2 基于双PWM双馈风力发电励磁系统在交流励磁变速恒频风力发电系统中，为了实现定子侧电能的恒频输出，必须在双馈电机的转子侧调节转子电流频率的大小，根据机组的转速调节转子电流的频率，从而实现变速恒频输出；通过控制转子电流的d，q轴分量，实现DFIG的有功功率
7、和无功功率的解耦控制和最大风能追踪运行。在实际应用中，交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器首先应是一种“绿色”变换器：谐波污染小，输入、输出特性好；其次应具有功率双向流动的功能；最后还要能在不吸收电网无功功率的情况下具备产生调节无功功率的能力。从变换器实现的功能上来看，具有良好的输入输出性能，功率因数任意可调和具有能量双向流动的传统的交直交双PWM变换器完全可以满足这种要求 78。2.1 双PWM电路结构双PWM变换器主电路如图所示，是由两个电压型三相PWM变换器通过背靠背的方式组成，其中包括整流器和逆变器，但具体的功能是变化的，所以一般按位置分为转子侧变换器和电网侧变换器 9。电网负荷
8、图2 电压型双PWM电路拓扑双馈风力发电系统电气控制部分都是通过控制这个双PWM变换器来实现的，当转子转速低于定子磁场转速时，系统在亚同步状态运行，此时能量从电网流向转子，网侧PWM变换器即是整流器，转子侧PWM变换器即是逆变器；当转子转速高于定子磁场转速时系统在超同步状态运行，能量从转子侧流向电网，此时网侧PWM变换器即在逆变状态，转子侧PWM变换器则工作在整流器状态：当转子转速低于定子磁场转速时，系统在同步状态下运行，双PWM变换器相当于斩波器，电网向转子馈入直流励磁电流。2.2 网侧变换器控制策略网侧变换器是工作在整流状态还是逆变状态主要取决于作为直流母线电压信号的控制信号。作为双馈电机
9、转子励磁系统的一部分，网侧变换器必须要具有以下功能 l0,11:能够保持有稳定输出的直流电压，并且应该具快速的动态响应能力；能让能量能够双向流动；确保交流侧输入的电流波形为正弦，功率因数保持在1的附近，以减少谐波对电网的污染。网侧变换器控制策略的关键部分在于能够对其输入电流进行有效的控制。可以这么说，由于大电网电压在很大范围内是保持不变的，所以有效的控制变换器的输入电流就可以对能量的流动进行有效的控制。这样就可以得出单位功率因数整流的控制策略。网侧输入电流关系为(9)dqdrqqriLrLiut从上式中可以看出在两相同步旋转坐标系d，q轴中，输入电流受控制量u dr、u qr交叉藕合项Li q
10、、Li d和电网电压u d、u q的共同作用，任何其中一个发生变化，则输入电流值会发生相应的变化，因此必须找到一种方法，使输入电流只受控制量的控制，而解除d,q轴间电流耦合对输入电流的影响，并且解除电网电压扰动对输入电流的影响。这时可以设(10)drrqdquLiu2.3 转子侧变换器控制策略由于双馈风力发电系统具有高阶、非线性、多变量、强耦合的特点，一般的方法控制效果很差 12。由上一章可知为了实现对双馈发电机的有功和无功功率的独立调节，二者必须解耦。为实现定子侧输出有功功率和无功功率的单独控制，实现双馈感应电机的最大风能追踪控制，最大限度提高风能的利用效率，因此在转子侧控制策略上采用定子磁
11、链定向矢量控制方法，这种方案特点是鲁棒性较好，快速动态响应能力，实用价值较高，但也具有对电机参数依赖性高，控制结构较为复杂等缺点。转子侧变流器在结构上与网侧变流器完全一致 1314。转子侧变流器的主要功能为调节转子电流以及定子侧输出的有功功率和无功功率。由图3所示，将同步旋转坐标系下d轴定位于定子磁链矢量 s的方向。 s在d、q轴上的分量分别表示为沙 s=，(其中表示 s的幅值)、 sq=0。因为发电机定子是接入电网的，在工频条件下双馈电机的定子绕组电阻相对于定子绕组电抗的来说是非常之小的，完全可将双馈电机的定子电阻忽略不计，所以有双馈电机的感应电动势矢量e s在忽略定子电阻不计的情况下是完全
12、等于定子电压矢量u s。从图中可看出u s在相位上落后于 s90，故u s位于q轴的负方向，从而有u sq=-us，u sd=0。=0。根据上面推导的情况下，双馈电机的电压方程可表示为(11)10srdrrdsrqqqpui图3 子磁链定向坐标变换示意图从式(11)中可以看出，定子侧输出的有功功率P和无功功率Q分别与定子电流在d、q轴上的分量成正比，因此只需要分别调节定子电流的有功分量和无功分量可分别独立地调节P和Q，从而实现定子侧输出功率的解耦控制。2.4 小结在双馈电机变速恒频发电系统的基础上，介绍了了传统的双PWM变频器励磁方法。介绍了其基本的拓扑结构和工作原理，并分别对网侧变换控制策略
13、和转子侧变换控制策略做了较详细的说明。3 基于矩阵变换器的双馈风力电机励磁系转子励磁系统是双馈电机能够实现系统变速恒频运行的关键部位，是双馈风力发电系统中是一个不可或缺的环节。双馈电机转子侧的交流励磁系统要满足励磁电流幅值、相位和频率的独立调节以及功率的双向流动的要求。然传统的交-直-交变频器和交交周波变换器虽然能够满足上述要求，但却都有一个很大的缺陷，即：无功功率和谐波污染对电网的波动有很大的负面影响，因此必须添加相应的无功补偿和有源滤波装置，但这些途径都只是“治标不治本“，并没有从根源上解决谐波污染问题，因此开发“绿色“电力电子变换器，提高电网的功率因数，从根本上解决谐波污染就变的尤为重要
14、，而矩阵变换器则是目前比较理想的选择。本章将通过对交流励磁机的几种变频器进行比较，然后着重介绍矩阵变换器的原理和调制算法。3.1 矩阵变换器简介矩阵式交交变换器在原理上完全可以满足交流励磁发电系统的转子侧交流励磁的能量双向流动的要求，并且从性能上说，其具有十分理想的电气性能，不会产生高次谐波对电网产生污染，具有接近于l的高输入功率因数，要优于目前常用的相控式交-交变频器和交-直-交变频器。但是由于矩阵变换器的关键部件具有双向电压阻断能力和自关断能力双向开关目前在市场上还没有成熟产品，所以限制了矩阵式变换器的实用化，现在市场上是用的由单向开关组合而成的双向开关。由于尚未成熟的双向开关器件，所以矩
15、阵变换器至今仍处于研制阶段 15。3.2 MC等效数学模型图 4 为 MC 运行的主电路拓扑结构简图。由三相对称电源，输入、输出滤波器，九个双向开关 Sij（i=A,B,C,j=a,b,c），三相变压器及负载组成。图 4 中虚线框内的 MC 可等效为图 5 所示的整流器和逆变器的虚拟连接。AaSbAcSBBcCaSbCcSACBcba AuBCuLCifiLfiCuuoLZ图 4 矩阵变换器主电路拓扑结构apSbpcpSanncn pASpBpCSnnnACBcbapn+-UPi图5 矩阵变换器等效电路图由上两图可知，其等效拓扑结构与 AC-DC-AC 变换器相比，少了中间连接电容。因此，可采
16、用双空间矢量调制方法分别对虚拟整流器和逆变器进行调制。在理想电源情况下，虚拟整流器实行开环控制。由此，可借鉴三相逆变器的建模方式对矩阵变换器输出端进行建模。对 MC 虚拟逆变器输出端建立数学模型如式(12)所示。式中，r 为输出滤波器电感电阻。j=(A,B,C) (12)2srjjjjLjjCouuii(13)sn(23)sin(23)2csco3tttT 经过变换矩阵 T 后，可得到 MC 输出端在 dq 坐标系下的数学模型模型为：(14) 21sdquLCr如果要设计精确的 MC 控制器，需要得到 MC 模型的线性化表达式。在一些文献中，直接将其等效为一阶惯性环节 16，或忽略 MC 调制
17、延时 17，使得等效模型不够精确。通过检测输出滤波器电容电压过零点相位与参考电压相应过零点相位相减，并考虑滤波器和负载引起的相位滞后，可得到 MC 调制延时 tdMC。(15)tdMCvoreflt式(3)中各项依次表示 MC 延时，输出电压，参考电压过零点所对应时间，在低频段，纯阻性负载情况下滤波器引起的延时 tfl=0。根据(14)(15)式可得到MC 及输出端的开环传递函数模型 GMC(s)为(16)t21()srdMCCseL3.3 脉宽调制策略根据空间矢量调制原理，可定义 MC 输出线电压空间矢量为：(17)1201202(e)3jjOLABCCAUU输出电压空间矢量 UOL由两个相
18、邻开关矢量 U、U （从 u1-u6中选择）和一个零开关矢量（从 u0-u7中选择）合成而得到。0(,)up7nR eI m3(,)6(,)upn2(,)pn1(,)u4(,)5(,)nABUCAUBC扇区oLsvddU图 6 电压合成原理根据 SVPWM 原理和正弦定理计算得到开关矢量的占空比为(18)0d/sin(0)/1dsvsvvsTm。同理可得到虚拟整流器的调制占空比为(19)cv0d/in(60)s/1dcssc vTm。将虚拟整流器与虚拟逆变器二者的调制过程结合起来，可得到 5 个开关状态的占空比为(20)cvv0 vd/sin(60)si()/iis()d1dS svSsscT
19、m。 。以上各式中 Ts为采样时间，m 为调制系数 0m1。双空间矢量PWM调制策略即可保证输出线电压的良好正弦性，又能保证输入相电流的良好正弦性，实现了在矩阵变换器控制策略上运用空间矢量调制的目的，并使矩阵变换器具有优于双PWM变换器的效果。3.4 小结本章主要研究了矩阵变换器的几项关键技术：基本拓扑结构、安全换流策略和控制策略。首先介绍了矩阵式变换器的拓扑结构和基本原理，通过其拓扑结构得出矩阵变换器的丌关传递函数。最后介绍了几种比较常见的控制策略，并且对这几种控制策略进行了性能的比较，并着重阐述了双空间矢量PWM调制策略的基本原理。4 总结在交-交变频器中因为晶闸管的自然换相必然产生丰富的
20、谐波，而全控型器件的出现和成功应用为新型变频器的开发提供了工具。由GTO和IGBT组成的具有中间直流环节的交-直-交变频器，以直流环节为界，交-直-交变频器在功能上是由整流器和逆变器所组成的，这种结构的变换器与由SCR构成的交交变频器相比，具有谐波小、功率因数较高等优势，但由于在中间加入了直流环节，使得变频器的体积增大，而且中间直流环节的储能过程是能量的两次转换过程，因此加大了能量的损失，影响了能量的传递效率，并仍有无法解决的谐波问题。矩阵式变频结合了交-交变频器和交-直-交变频器的优点，它采用无直流环节的直接变频电路，其采用全控型开关器件，并利用高速微处理器，可以更好地进行电压、电流波形的优
21、化重组。相对于传统变频器，矩阵式变换器具有以下优势:(1)输出频率不受输入频率的限制；(2)可获得正弦波输入电流和输出电压；(3)能够实现能量的双向流动：(4)具有接近于1的高输入功率因数，可满足四象限运行；(5)没有中问直流储能环节，具有结构紧凑，体积小的优点。5 参考文献1 李永东交流电机数字控制系统M.北京：机械工业出版社，2002：54-602 陈伯时电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，1992：25273 胡崇岳现代交流调速技术M北京：机械工业出版社，1998：33364 苏彦民交流调速系统的控制策略M北京：机械工业出版社，1998：20-225 姜卫东，王群京一种完全基于
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