题目
课程考核（论文）
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]:
np?f2?f1 (1) 60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f2，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：
d?sa?u?ri??sassadt?d?sb?u?ri? (2) ?sbssbdt?d?sc?u?ri??scsscdt?转子方程为：
d?ra?u?ri??rarradt?d?rb?u?ri? (3) ?rbrrbdt?d?rc?u?ri??rcrrcdt?1.2 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[3][4]： 定子绕组电压：
?usd??rsisd?p?sd???1sq (4) ?u??ri?p????ssqsq1sd?sq转子绕组电压：
?urd?rrird?p?rd??s?rq (5) ?u?ri?p????rqsrd?rqrrq式中ω1为同步角速度，ωs为转差角速度。
(2) 双馈电机磁链方程 定子磁链方程:
??sd?Lsisd?Lmird (6) ???Li?Lissqmrq?sq转子磁链方程:
??rd?Lrird?Lmisd (7) ???Li?Lirrqmsq?rq(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
?1LsLmp??1Lm??isd??usd???rs?Lsp?u????i??L?r?Lp?LLp1sss1mm?sq??????sq? (8) ?urd???Lmp?sLmrr?Lrp??sLr??ird???????u??L?Lp?Lr?Lp?smmsrrr???rq????irq??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
[5,6]
时，可以简化控制。 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[7][8]。 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
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
?didL??rid??Liq?ud?udr??dt (9) ?di?Lq??ri??Li?u?uqdqqr??dt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udr、uqr
交叉藕合项ωLiq、﹣ωLid和电网电压ud、uq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
'??udr??udr??Liq?ud (10) ?'u??u??Li?u?qrdq?qr2.3 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[13][14]。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ψs的方向。ψs在d、q轴上的分量分别表示为沙ψs=ψ，(其中ψ表示ψs的幅值)、ψsq=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es在忽略定子电阻不计的情况下是完全等于定子电压矢量us。从图中可看出us在相位上落后于ψs90°，故us位于q轴的负方向，从而有usq=-us，usd=0。=0。根据上面