第 3 章双馈异步风力发电机

第 3 章双馈异步风力发电机 的运行理论 3.1 双馈异步风力发电机的系统结构 随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双 馈 异 步 发 电 机 在 可再生能源的发电方式利用中得到了广泛的应用，特别是在风力发电领域。 由于发电机的定子接电网、转子接交流励磁变换器，定 、转子都参与了馈电， 故 被 称 之 为“双馈”发电机。从运行特性来看，0 0 0 兼有异步发电机和同步一 发电机的双重特性，因为其运行转速可以与由电网频率与电机极对数决定的 同步转速不相同，应当被称为异步发电机；但从性能上看，又具有很多同步 发电机的特点。例如，与同步发电机一样，0 0 0 具有独立的转子励磁绕组， 可对其功率因数进行独立调节，所以有交流励磁同步发电机、同步感应发电 机 、异步化同步发电机之称。实际上，它是具有同步发电机特性的交流励磁 异步发电机，比同步发电机具有更多的优点。 同步发电机采用直流电流励磁，可调量只有幅值，只能用于无功功率的 调节。0110采用交流励磁，可调量有励磁电流的幅值、频率和相位。改变励 磁电流频率可以实现变速恒频运行；改变励磁电流相位可使所建立的转子磁 场在空间上有一个相应的位移，进而改变了发电机电动势矢量与电网电压矢 量之间的相对位置，也即调节了发电机的功率角。所以采取交流励磁方式不 仅具有无功功率调节，还具有有功功率调节功能，控制上更加灵活。若釆用 矢量变换控制技术，就可综合改变转子励磁电流的相位和幅值，实现输出有 功功率和无功功率的解耦控制。因此， 比同步发电机在功率调节上具有 更大的优越性。 0 0 0 具有的变速恒频运行能力，使它在以下几方面比同步发电机具有更 为优良的运行性能： 1.可在原动机变速运行条件下实现高效、优质发电 有很多场合拖动发电机的原动机转速是在时刻变化的，如潮汐电站中水 头的变化导致水轮机转速也变化；风力发电中风速的变化使得风力机转速也 在变化；船舶与航空发电机的转速随着推进器的速度而变化。这些变速驱动 的环境中如采用同步发电机作常规方式运行就无法实现恒频发电，而采用双 馈异步发电机，则可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机 ，52 ^ Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 矩形 Administrator 矩形 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 的变速驱动条件下也可输出恒频电能，特别在风电机组中可实现最大风能追 踪所需的变速恒频运行，有效提高了 0 0 0 的发电运行效率。 2^能参与电力系统的无功功率调节，提高了电网系统的运行稳定性 现代风电系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，输 电线电压等级逐渐提高。此外，电网负荷变化率也越来越剧烈，经常会出现 输电线传输的有功功率高于其自然功率的工况，此时线路会出现过剩的无功 功率，引起工频过电压、损耗增加，危及电力系统的运行安全。由 于0 0 0 可 以调节励磁电流的相位，能快速改变发电机运行功率角，从而使发电机能吸 收更多无功功率，以此抑制电网电压的上升，进而提高电网电能质量、电力 系统运行效率与稳定性。 3 ^可实现发电机安全、快捷的柔性并网 ， 常规同步发电机或异步发电机并网控制较为复杂，往往需要精确的转速 控制和整步、准同步操作。而采用交流励磁的01^ ；则可通过对转子的励磁控 制 ，精确地调节发电机定子输出电压的频率、幅值、相 位 ，使其满足并网要 求 ，理论上可在任何速度下实现安全而快速的“柔性”并网。 可以看出，变速恒频运行 能 力 是 0510非常重要的运行 特性和优势，是用作风力发电 机的重要依据。 0^10风电系统结构和变 速 恒 频 运 行 原 理 可 用 图3 - 1 来说明 01^；定子直接连接电网， 转子通过三相励磁变换器进行 交 流 励 磁 ，电 磁 功 率 通 过 定 子 、转子双通道与电网进行交 换。为了 实 现 变 速 恒 频 运 行 ， 当风速变化、发电机转速作相应变化时，应调节转子励磁电流的频率以保证 定子输出频率恒定。根据电机学的原理，若要实现有效的机电能量转换，发 电机定、转子旋转磁场必须保持相对静止，即要求转子旋转磁场相对于静止 空 间 的 转 速 （即转子转速与转子旋转磁场相对于转子的转速之和或之差）等 于定子旋转磁场的转速。图中/卜 人 分 别 为 定 、转子电流的频率，几' 为 定子磁场的同步转速，几2 为转子磁场相对于转子的转速，\为 转 子 本 身 的 转 速。稳定运行时各转速间有如下关系 ^ 712 ^ ^ 〔3 一 1〉 原动机 图3 ~ 1 系统结构和变速恒频运行原理框图 ^ 53 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 打字机 电网 的频 率来 决定 的 Administrator 打字机 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 打字机 异步电机不是有转差吗？？？ \并网双馈异步风力发电机运行控制 因义二/1-/60及 叉^ ^ 6 0 ^ 其 中 ^ 为发电机极对数，故有 苦^ 二/丨 （“ ) 以此可知，当发电机转速\ 变化时，可通过调节转子励磁电流频率兑来 保持定子输出频率7；恒 定 ，实现变速恒频发电运行。这样，当发电机转速低 于同步速时，0 0 0 处于亚同步运行状态，无 〉0，转子励磁电流产生的旋转磁 场转向与转子转向相同，发电机转子通过励磁变换器从电网输入转差功率； 当发电机转速高于同步速时，0 0 0 处于超同步运行状态，天 〈0，转子励磁电 流建立的旋转磁场方向与转子转向相反，转子绕组通过励磁变换器向电网输 出转差功率；当发电机转速等于同步速时，即 0 0 0 处于同步运行状态，厶二 0，电网与转子绕组之间无功率交换，励磁变换器向转子提供直流励磁。 综上所述，采取交流励磁的01^；风电系统结构形式，确保了变速恒频发 电运行的实现。 3.2 双馈异步风力发电机的数学模型〔115一1191 与一般三相交流电机一样，采用三相相变量述的双馈异步风电系统是 一个高阶、多变量、非线性、强耦合的时变系统，很难据此直接实现运行控 制和进行系统与设计。如前所述，0110的控制主要是针对其功率控制来 进行，为了实现其有功、无 功 功 率 的 有 效 （解耦〕控制，可以把交流调速传 动中的矢量变换控制技术移植到0打0 风电系统的控制之中，即通过坐标变换 将转子电流分解为有功与无功分量，通过控制这两个转子分量电流来实施对 的有功和无功功率的独立控制，从而实现变速恒频发电运行的控制目 标 。矢量变换控制是借助于坐标变换实现的控制技术，因此， 的运行分 析 、控制策略研究等应从建立不同坐标系中0 0 0 的数学模型开始。 3，2’ 1 三 相 静 止 坐 标 系 中 0 ^ 0 的 数 学 模 型 在 讨 论 的 数 学 模 型 时 ，应先选定建立方程的正方向惯例。本'书规定 其定、转子绕组均采用电动机惯例，即电压降的正方向与电流的正方向一歡， 正值电流产生正值磁链〈符合右手螺旋法则〕。 为了便于分析和建模，还常做如下的假设： 〔0 忽略空间谐波。设三相绕组对称，在空间中互差120。电角度，所产 生的磁动势沿气隙作正弦规律分布。 (之）忽略磁路的非线性饱和，认为各绕组的自感和互感与磁路工作点有 关 ，但都是与磁路工作点相关的恒值。 忽略铁心损耗。 ^ 54 ^ Administrator 高亮 Administrator 矩形 Administrator 高亮 Administrator 打字机 park 变换 Administrator 打字机 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 矩形 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 ( ⑴ 不 考 虑 频 率 变 化 和 温 度变化对绕组电阻的影响。 ( ” 转子参数均经折算至 定子侧，折算后的定、转子绕组 匝数相同。 在此假定下，一 台 的 等 效 物 理 模 型 可 表 达 成 如 图 3 - 2 所示 的绕组模型形式。图 中，定 子 绕 组 轴 线 八、 8、 0 在 空间静止、互 差 120。对称分布； 转子绕组轴线3、6、。亦对称分 布 ，但 随 转子以角速度 队在空 间旋转；定 、转子绕组间的空间 位置关系可用转子3相轴线和定 子入相轴线间的空间位置角义来表示。这 样 ，三相坐标系中000；的数学模 型可用如下方程组来描述。 1.电压方程 三相定子电压方程为 3 1 生 10 ^+ 80 丨 乙 8II 50 0 - 3 ^ 三相转子电压方程为 10 10 0 - 4 ^ 式中，〜 ，\8，〜 ，、 ，〜 ，\ 分 别 为 定 、转 子 相 电 压 〈瞬 时 值 〉； 、8’ 匕， I 分别为定、转 子 相 电 流 〈瞬时值〕；中认，也8，中尤, 中访, I ，“。分别为定、转 子 各 相 绕 组 磁 链 〔瞬时值〉；义，圪 分 别 为 定 、转子绕 组电阻。 为了简洁，表 示 折 算 后 量 的 上 标 均 省 略 。 ^ 55 ^ Administrator 高亮 \并网双馈异步风力发电机运行控制 令微分算子9=3/0^，并将电压方程写成矩阵形式，则有 V 二尺I 十帅 ^3 ~ 5 ^ 式 中 ， 厂 ： [ 〜八，以68，以义，、 ，〜 ，〜 ] 1 二 [ 仏 ，[ 厂]丁，" 8 二 0 3八，〜8 ，I^ ] ， ： [〜 ，〜 ，〜 ]； 1 二 [匕， ，^5 0，。。，匕] 二 5 〕，^8 ^ ，^8 0 〕 ，1 二〔 ^ ！1，^!) 一江]； 少 ： [少 4 ，中必，中《，么3，少出，必」 7 : [也 ，也 ]7，也 ： 〔小4 ，中说，小丄〕，也 ： [少四，少出，#扣]； 0 0 0 0 0 0 足 0 0 0 0 0 0 坟 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 尺, 2^ 磁链方程 矩阵形式的磁链方程可表示为 人 [玷 ― 山1 1\ 丄I 0 - 6 ^ [邮 +&15 -士、 -士 [咖 - 士 1 其中， ~ \ 1^ [邮 +&15 -士 [邮 人 ^ -士 [咖 ―~ 2 0,8 1^115十[匕」 ~ 1 十\ 003^ 008^ ^ ~ ^ ^ 0) 005^ ^ 4~ 1200 ^ ~ :^ ^ 008(0^ 4 1200 ^ 0050^ ( ^ ( ^ - 丄之。。） 3^ ^ !) 008^ 0 ^~ 1200 ^ 005(6 ^^ 1200 ^ ⑶吨 ― 式中， ，为与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；[咖为 与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的转子互感值，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相同磁阻的主气隙，故可认 为 1 ^ = 1 ，4 ，\ 分别为定、转子漏电感。 值得 注意 的是 式^ - 了） 中两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置角 ^ 有关，其元素均为变参数，这是系统非线性的表现和根源。为了把变参数 矩阵转换成常参数矩阵，必须进行相应的坐标变换。 将 磁 链 方 程 式 代 人 电 压 方 程 式 ^ - ^ ) ，展开后得 ^56 ^ Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 打字机 定子互感 Administrator 打字机 Administrator 打字机 转子互感 Administrator 打字机 Administrator 打字机 定子自感？ 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 其中，^) ^ ； [(^ //也为感应电动势中的变压器电动势项；叫/ (此/?地 ） 为感应电动势中的旋转电动势项，其大小与转速^ 成正比。 3丨转矩方程 根据机电能量转换原理，发电机的电磁转矩可表达为 ^ 1 ^ 1 (卜 ”8 5 ^ 式中，\ 为电机的极对数。 将 式 0 - 7 〉代 人 式 并 展 开 ，得 \二 - ^ 0 , 3 十 十 1,^0〉 十 ^ I 丄 十 十 1^1^ 〉 X I 3 ― 10〕 ^ ^ 120 。〉十 ^ 十 “I 十 6^ ― 120。〉〕 式 是 在 磁 路 线 性 、磁动势在空间作正弦分布的假定下导出的， 但对定、转子电流随时间变化的规律（波形〉未做规定，即假设电流为瞬时 值。因此，该 转 矩 表 达 完 全 适 用 于 转 子 采 用 ？见从变换器非正弦供电下的 0^10运行分析。 伞运动方程 (卜 11) 式中，4 为风力机提供的驱动转矩；7 为风电机组的转动惯量；心为与转速 成正比的阻转矩阻尼系数；尺为扭转弹性转矩系数。 通常假定0 = 0 ，反二0 ，则有 7 ^ 〈3 - 12〉 综 合 式 （纟 ^ ) 、式 和 式 ^ - 口），再考虑 机 ^ 、 叭 ：瓦 （卜 13) 以此可构成一组三相坐标系中的0耵0 数学模型。这是一个非线性、时 变 、强耦合的多变量系统方程，必须通过坐标变换、特别是旋转坐标变换来 实现变量解耦和简化，才能适应线性控制策略的实施。旋转坐标变换中任意 速旋转扣坐标系是一种可自由定义旋转速度的广义坐标变换系统，可以用来 简化坐标变换的运算。 3^ 1 2 任 意 速 旋 转 坐 标 系 中 0 ^ 0 的 数 学 模 型 任意速扣坐标系是一个以任意角速度⑴在空间旋转的两相坐标系，其 3 轴 与 两 相 静 止 （( ^ ^ 坐 标 系 的 义 轴 、两相转子速旋 转（^ 幻 ，坐标系的义轴 ^ 57 ^ Administrator 矩形 Administrator 线条 Administrator 打字机 全微分 Administrator 打字机 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 矩形 Administrator 打字机 PARK \并网双馈异步风力发电机运行控制 〔3 - 14〉 其中，00、 和 〜 分 别 为 0、义和^ 的初始位置角。1当任意角速度分别设 定 为 ⑴ 0 〉 二⑴丨、叫 和 0 时 ，任意 速扣坐标系将被具体明确为 两 相同 步 速 叫 （叫 二2畎 ，/丨为电网频率） 旋 转 扣 坐 标 系 、两 相 转 子 速 ^ 旋 转 坐标系和两相静止（^ 尽^ 坐标系。 ， 根据交流电机的坐标变换理论，从 三 相 静 止 人 此 坐 标 系 到 两 相 静 止 邠 坐标系的变换称为38/28变换，采 用 幅 值 恒 定 原 则 的 矩 阵 形 式 38/28变换 关系式为 图3 - 3 三相静止7^ 80：坐标系、两相静止 (邠氕坐标系、两相转子速旋转（邮 ）， 坐标系和任意速⑴旋转扣坐标系间 的空间位置关系 间的空间位置关系，以 及 + 轴 与 4 轴 的 空 间 位 置 关 系 如 图3 ~ 3 所 示 ， 即分别有 6 二卜 ⑴ 士十60 ^61 ^ | ' [ & ^ 0 ― 6 ^ ( 0 十 儿 : 卜 ⑴ 办 十 6,0 0 38/28 3 2&/21- 从 两 相 静 止 （(^),坐 标 系 到 两 相 同 步 速 28/21'变换，其变换矩阵为 0030^ 81110！ 一 31110^ 008^ ！ 式中，6 为 ^ 轴 与 \ 轴之间的夹角， + ^ 为初始时刻4 轴与以轴 之间的夹角；叫为同步电角速度。 根 据 式 口 - 丨句〜式。 - ：^) ，可 求 得 三 相 定 子 （静止〉人80：坐标系、 转子叫速旋转必。坐标系至两相任意速⑴旋转扣坐标系间的变换矩阵，分别 为 0 八只08/扣 0030 0 ― 271/3〉 008 ^^ 4~ 271/3 ^ ~ ~ 81110 ~ 6 ~ 271/3 ^ ― 0 十 271/3〉― 0050^ ( ^ ( 乂 - 271/3〉 008 (沒，+27173) ~ 31110^ ~ ~ 271/3 ^ 一 810〈 V 十 271/3〕 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 矩形 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 中 的0710数学模型变换到两相任意速旋转 利用以上两式，可将三相静止坐标系 ^丨 扣坐标系中的数学模型， 如 图3 - 4 所示。 ^ ― ^ ；！ 假定定、转子三相绕组对称且不考虑 1±1广 堂 、 址 么 县 17111而士口/工 舎 ：：击八、古 每 姑 1 ^中 （零 ）轴分量，则两相任意速0 旋 转 扣 ” 坐标系中0 0 0 数学模型可表示为 ~ 1. 磁链方程 少8(1 ^ ^5^6 十尤171。 ^ ^ 01^8(1 十乙1^ (1 图 3 -4图 3 - 4 两相任意速0 旋转扣 坐标系中0 ^ 0 物理模型 二厶；叫十厶又 式中，中』、中叫、中迅、少”分 别 为 定 、转 子 磁 链 的 4、9 轴 分 量 ；。、‘ 、 、分别为定、转 子 电 流 的 心 9 轴分量；、 为 扣 坐 标 系 中 定 、转子同轴等效 绕组间的互感， ⑽；4 为 扣 坐 标 系 中 定 子 等 效 两 相 绕 组 自 感，匕二 匕为扣坐标系中转子等效两相绕组自感，4 = ^ + 4 。 值得注意的是，由于采取两相绕组等效替代三相绕组，定 、转子同轴等 效绕组间的互感、 是原三相绕组中任意两相间最大互感（当轴线重合时） 的 3/2倍 。由 式 。 - ；^) 还可看出，由于互相垂直两轴之间没有耦合，互感磁 链只在同轴绕组间存在。 1.电压方程 运动方程与坐标变换无关，仍 为 式 口 -” ）。 这样，由 式 。- ；^) ~ 式 0 - 2 0 和 式 口 - ” ）完整地构成了任意 速 ⑴旋 转 扣 坐 标 系 中0 0 0 的数学模型。 为了后续章节叙述方便，拟统一采用小写I 1 。表示三相变量，而用 8、I 来区分定、转子电磁量。 〈3 -20〉 式中，、1、 、1、 分别为定、转子电压的4、9 轴分量。 3^ 转矩和运动方程 电磁转矩的表达式为 及 ” 人 （‘ - 仏 ) 0-20 ^ 59 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 3.3 双馈异步风力发电机的功率关系 0^10的运行控制主要是功率控制，特别是在最大风能追踪运行中实施的 就是有功功率的有效控制，而无功功率的控制在确保电网电压稳定和满足系 统无功功率需求时也是十分重要的控制和目标，因 而 必 须 对0510的有 功 、无功功率关系做出细致的分析。 3.3^ 1 同 步 速 叫 旋 转 坐 标 系 中 0 ^ 0 风 电 系 统 的 等 效 电 路 将任意速旋转坐标系的旋转转速设定为〜0 〉 则 由 式 〔3 -1” 和 式 〈3 ~20〉可 得 同 步 速 旋 转 扣 坐 标 系 中 矢 量 形 式 的 电 压 方 程 和 磁 链 方程，分别为 1仏 : 以 十 十 1*^5 ^ ^ 5^3 十[扣夏1 式中，仏 、^ 分别为定、转子端电压矢量，且 有 仏 二 ： 扒“ I 、I 分别为定、转子电流矢量，且 有 I 二。 + 31. 也分别 为定、转子磁链矢量，且 有 火 十池” 也 二 匕 十〗‘ ；⑴咖 ^ 为转差电角速度。 根 据 以 上 两 式 可 得 矢 量 形 式 的 等 效 电 路 ，如 图3 所示。 0 - 11、 〈3 -23〉 十 3^ ， 二 ^ 6 十 ^ 二。 十 ；也 、 4 ― ！― --------口 一丨 7 ^ ^ 7 丨6 风 1册 图3 - 5 同步速叫旋转扣坐标系中 矢量形式0710等效电路 3.3.2 同 步 速 叫 旋 转 扣 坐 标 系 中 0 1 1 0风 电 系 统 的 功 率 表 达 1.有功功率 由图3 - 5 和 式 （^-^】），可 得 0 0 0 向电网输出的总有功功率为〔121】 ^ 60 ^ Administrator 高亮 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 卜 尸 8十匕二 - 只4 舍 叫 一 只 6 [ + 叫 -了 〜 【】⑴1少 又 ]-了 〜 [^511^ X1 :尸1咖 屮 匕 ⑷ 十 尸, 0-24^ 式 中 I 、I― 定 、转子电流矢量I 、I 的共轭矢量； ― 定、转子绕组总铜耗，即八。85二 1夂I2~ \ ^ \ 1 12二尸咖十 ― 磁 场 储 能 变 化 引 起 的 电 磁 功 率 ，有 匕 細 : - 乞 'X 116取 -為]。 系 数 - 1 中负号是因为定、转子绕组均采用电动机惯例来定义功率的流 向，I 是因为坐标变换采用了幅值恒定原则。 4 为 0？10定 、转子输出总电磁功率，且有 匕 : -夺 〜 [ - 池 夂 ] ~ | ~ 1 1 6 : 匕 屮 匕 0 -25〉 式中， [“ 少又] 为定子输出电磁功率；厂汉二 为转子输出电磁功率。将这两部分电磁功率按扣分量展开并代人式口-二〗） 关系，可得 匕 二 ~ ^ 6 : - ' （“ 十池一（ “ - 扛叫) ] 3 0 - 2 6 ^ 〈3 -27〉 ^ 61 \并网双馈异步风力发电机运行控制 从 而 0 0 0 输出总电磁功率为 ^ 6 : 匕 5 十尸枕： - 了仿1 ^ 1 1 ‘ 二 ―― V[讯〈 ― 、 根据以下恒等变换关系 ^ - “ 〉： # 1瓜〔 1 二〒1爪[ 也夂 ] : 则 式 可 改 写 为 ^ 十 2 ⑴5“口【。1〈 4 ^ 8(5 ^1-11^5(1 ^ 3^ 一28〉 〈3 -29〉 3^ 一30〕 稳态运行时定、转子磁场不发生变化，4 ^ = 0 ，于 是 0 0 6 定子输出有 功功率将为 由 式 （弓-之斗）、式 式 0 - 1 1 、和 式 。 -〗。 ，可得口吼；转 子输出有功功率为 尸, 匕 十 匕 广 ― 」 ~ ~ 义 二 一 义 。 ^ 之） 仞1 式中，3 二0^ ! ^ !为运行转差。 以1 设由风力机输 入01^；轴 上 的 机 械 功 率 为 ？。，在忽略机械损耗的条件 下 ，有 - ( 卜 收 口 ^ ? ) (卜34) 这 样 由 式 〜 式 可 得 000；在亚同步速、同步速和超 同^步速运行时的功率流动关系图，如 图3 - 6 所示。从图中可以看出：① 转 子 仅提供转差功率，相对于整个机组的额定容量其值较小；②转子励磁变换器 必须具有能量双向流动的能力。 亚同步速和超同步速下运行时，01^ ；的有功功率流动情况还可以通过图 3 - 7 的电路拓扑作更为直观的图示说明，图中巧为包括励磁变换器在内整个 0^10风电系统的总有功功率输出。 1.无功功率 若不考虑因磁场变化引起的无功功率，则 01^ ；向电网输出的无功功率为 ^ 62 ^ 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 图3 - 6 亚同步、同步、超同步速下运行时0510有功功率流动关系示意图 ( & ) 亚 同 步 速 ( ^ ) 同 步 速 （—(^);卜 ）超同步速（、〈(^) ⑷ ㈨ 图3 - 7 亚同步和超同步速下0710；有功功率流动关系 ( ^ ) 亚同步速“ ：^ ) ; (^)超同步速 二 - 务 匕 [ 厂 义 ]一 备 1 0 池 I」 二 - 务 尺 6[ 仞 池 1」 〈3 一35〉 0？10中仏的控制是通过对转子电流的控制来实现的，故应给出采用转 子电流的显式表达。根 据 定 子 磁 链 表 达 式 有 乙5(扎 - [丄 ) 其共轭矢量关系为 把 式 0 - 3 7 〉代 人 式 。 ^ 巧） 中，可得 仏 二 - + 糾 叫 少 又 ] : -务 只6 卜 池 ^ " ( 士 - 1 上 )] 3^ 一36〉 〈3 - 3 7〕 〈3 -38^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 图 3 - 8 归纳了 0 0 0 定 、转子的功率性质与对应电压、电流矢量相位间 的关系，其中图3-8 ( ^ )表示定子有功功率匕、无功功率仏性质与定子电 压 矢 量6 、电流矢量I 相位的关系；图 3-8 (卜）表示了转子有功功率匕、 无功功率仏性质与转子电压矢量6 、电流矢量I 相位的关系。 定子功率八、仏性质 与定子仏、4相位关系 〉0 〈0 I II 〈0 IV III 转子功率4 、&性质 与转子6 、7湘位关系 〈0 I II 〈0 IV III 图3 - 8 功率性质和电压、电流矢量相位的关系 ( ^ ) 定子功率；（卜）转子功率 〈0 定子功率，如 图3 -: 0 当 总 位 于 I 动机运行。 2〉当 78位 于II 电机运行。 3〉当夂位于 I 4 ^ 当 位 于 III (之）转子功率， 0 当 夂 位 于I 同步运行。 2〉 当夂位 于II 同步运行。 3〉 当 I 位 于 I 、II象限: 句 当 总 位 于 III、IV象限: ( ^ )所示。 、IV象限：匕 〉0，有功功率从电网流入定子，0耵0 作电 、III象限：广 〈0，有功功率从定子流入电网，0 0 0 作发 、II象限： 、IV象限： 如 图3-8 、IV象限： 仏 〉0，0 0 0 定子向电网输出感性无功功率。 仏 〈0， 定子向电网输出容性无功功率。 (^)所 示 。 匕 〉0，有功功率从电网流入转子，0 0 0 作亚 、皿象限：匕 〈0，有功功率从转子流入电网，0 0 0 作超 转子向电网输出感性无功功率。 仏 〈0，0 0 0 转子向电网输出容性无功功率。 3.4 双馈异步风力发电机的并网与运行控制 在风力发电机组的起动阶段，需要对发电机进行并网前的调节以满足并 网条件，即发电机定子电压与电网电压在幅值、频 率 、相位上均需严格相同， 以使发电机实现安全并电网，迅速进人正常的发电运行状态。发电机并网是 风力发电系统正常运行的“起点 ” ，主要要求是限制发电机并网时的瞬变电 流 ，避免对电网造成过大的电流冲击。当电网的容量比发电机容量大很多 ^64 ^ 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 〈25倍以上〉时 ，无需考虑并网时的电流冲击问，但目前风电机组的单机 容量已超过兆瓦级，并网不当对电网及机组本身造成的冲击已不能忽视。不 适当并网造成的巨大电流冲击不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对 风电机组各功能部件造成冲击性损坏。更为严重的是，长时间的并网冲击可 能会造成电力系统的解列，威胁其他所并发电机组的正常运行。因此，并网 技术已成为风力发电技术中必须重视并要认真对待的一个重要内容，需研究 合适的并网方法来实现无冲击安全并网。 根 据 所 用 风 力 发 电 机 的 类 型 不 同 ，一 般 来 说 有 如 下 几 种 并 网 方 式 【86,122- 123；！ 1.同步型风力发电机 同步发电机一般采取传统的恒速恒频发电方式，发电机输出频率完全取 决于原动机的速度，与电网和发电机励磁无关，发电机和电力系统之间的这 种关 系可定义为“刚性连接” 。刚性连接关系的发电机并网前必须经过严格的 整 步 和 （准） 同步，并网后也须严格保持恒定转速运行。如果运行过程中由 于故障而导致发电机失步，以后就较难被牵入同步，必须脱网再次进行整、 同步操作，重新并网。当同步发电机直接用于风力发电时（如永磁和电励磁 同步风力发电机〉，由于风速的随机性使得风力机提供的拖动转矩不稳定，风 力机调速结构产生的速度控制误差难以使发电机运行状态达到并网要求；并 网后如不进行有效的控制，常会发生无功振荡和出现失步。然 而 ，现代风电 技术是基于现代电力电子技术发展起来的，已经在同步发电机与电网之间采 用了大功率变换器作为并网接口装置，构成了全功率变换型的变速恒频风力 发电系统，避免了传统同步发电机并网所需的复杂整步、同步操作要求，并 网问题因而得到了相应的解决。 异步型风力发电机（笼型异步发电机） 异步发电机依靠转差率控制来调整负荷，对转速的调节性能要求不太高， 无需同步设备和整步操作，只要在转速接近同步速时就可实行并网操作，因 此并网控制相对简单，并网后也不会发生振荡和失步问题。但异步发电机的 并网和运行也有自己的特殊问题：如直接并网时易产生过大的冲击电流；发 电机本身不能输出无功功率而需进行无功补偿；当电网电压升高时会造成发 电机磁路饱和、电流增大、功率因数降低等，也需要认真对待。异步风力发 电机主要有以下几种并网方式。 〈0 直接并网。当异步风力发电机转速接近同步速时（约 997。以上同步 速） 即可直接并人电网，操作简单。但要注意并网瞬间存在有三相短路过程， 可使并网时的冲击电流达到4 ~ 5 倍额定 值，会引起电力系统电压的瞬时下 降 ，因而可能导致低电压保护继电动作。这种并网方式只适合用于容量较小 ^65 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 的风电机组与大容量电网相并的场合。 (之）准同期并网。这种并网方式类似于同步发电机准同步并网。其操作 过程是当异步风力发电机转速接近同步速时，通过电容励磁建立额定电压， 然后对已建立的电压进行调节和校正，当与电网电压幅值、频率、相位一致 时即可实现并网。这种并网方式冲击电流很小，对电网电压影响小，但需有 调速器和整步、同期设备，硬件投人较大，调整时间较长，适合于所并电网 容量较小的场合。 (玉）降压并网。采用这种方式并网需在发电机与电网之间串入电抗器， 以此限制并网时产生的瞬间冲击电流，减小电网电压下降的影响，并网后需 切除电抗器，以避免其上的功率消耗。这种方式经济性差，仅适用于小容量 机组的并网。 (” 捕捉式准同步快速并网。这种方式通过在变化的频率中捕捉住同步 点进行准同步快速并网，具有快速可靠、对调速精度要求不高、能实现几乎 无冲击并网的突出优点。但控制复杂，对转速也有一定的要求。 〔5〉软并网方式。软并网技术是近期国外研究较多的先进并网方式，它 是在异步风力发电机与电力系统之间采用双向晶闸管构成并网开关，调整晶 闸管的移相触发角来控制和减小冲击电流。软并网方式并网平稳，不会出现 冲击电流，为目前异步型风力发电机组所普遍采用。但缺点是需使用大功率 半导体开关器件，成本较高，控制也有些复杂。 在以上各种并网方式中，除采用全功率变换的变速恒频风力发电机的并 网方法允许转速变化以外，其他方式都需要控制机组的转速，因此现有的并 网技术大多适用于恒速恒频风力发电机组。 3^ 双馈异步风力发电机 采用交流励磁实现变速恒频运行，转子采用交流励磁后使得 和电网之间构成了 “柔性连接”关系。所 谓 “柔性连接 ” 是指可根据电网电 压 、负载电流和发电机转速，通过控制交流励磁电源的机侧变换器来调节 0 0 0 转子励磁电流，从而精确地控制其定子电压使之满足并网条件。由于可 在亚同步、同步、超同步速度下均能实现无冲击并网，故 称 为 “柔性并网 ” ， 这 是 运 行 控 制 中 的 重 要 特 性 和 优 势 「124】。 根据并网前的运行状态，0110并网有两种控制方式：① 空 载 并 网 ：并网 前 01^；处 于 空 载 状 态 ，调 节 其 定 子 空 载 电 压 满 足 并 网 要 求 后 实 行 并 网 ； ② 负 载 并 网 ：并 网 前01^；接独立负载，调节其定子电压满足并网要求后实 现并网。两种并网方式都属于柔性并网，并网时刻允许机组转速在较大的范 围内变化，并网控制下0 0 0 定子电压瞬时值均能迅速向电网电压收敛，最终 实现极小甚至无电流冲击并网，故适用于变速恒频风力发电系统。 ^ 66 ^ 第 3 章双馈异步风力发电机的运行理论7 电网励 磁 变 换 器 0？10 转子电流| ― 控 制 策 略 空载并网控制。空载 并 网 方 式 控 制 结 构 框 图 如 图 3 - 9 所示。并 网 前 0 ^ 0 空 载 ，定子电流为零。此时提取 电网电压的频率、相 位 、幅值 作为依据，供 1300控制系统 实现励磁调节，确保任何转速 下所建立的定子空载电压与电 网电压在频率、相位和幅值上 图3 - 9 空载并网控制结构图 完全一致，严格满足并网条件实现安全并网。 ⑵ 负载并网控制。负 载 并 网 控 制 结 构 框 图 如 图3 - 10所示。并网前 带 负 载 （如电阻性负载）运行，根据所采集的电网电压和01^ ；定子电 压 、电流信息对其励磁系统进行调节，以满足并网条件并进行并网操作。负 载 并 网 方 式 的 特 点 是 并 网 前 定 子 已 经 有 电 流 ，因而并网控制所需信息不 但取自于电网侧同时还需取自0 0 0 定子侧，此外并网前、后 0打0 均可参与 整个机电系统的能量控制和速度调节，更为灵活，但需要有适当的独立负载。 并 网 控 制 是 运 行 控 制 的 一 个 重 要 环 节 和 内 容 ，与 0打0 的发电运行 控 制 （有功功率、无功功率解耦控制）共同完整了 0 0 0 的控制策略：即并 网之前实行并网控制，并网后实行发电控制，其 切 换 思 想 如 图3 - 11所示 。 实际运行中01^；风电机组采用基于磁场定向矢量控制策略实现并网操作。 独立负载 0？10 并网开关— 电网 图3 - 1 0 负载并网控制结构图 图3 - 1 1 并网时0 ^ 0 控制策略的切换 两种并网方式的比较。两种并网方式的共同点是均采用了磁场定向 矢量控制思想，以期对转子电流矢量实现幅值、相位、频率的完整控制，达 到理想的无电流冲击安全并网要求。两种并网方式的差别在于并网前的运行 方式不同。空载并网因并网前发电机不带负载，不能参与0 0 0 风电系统的能 量和转速调节；为了防止并网前发电机的能量失衡引起的转速失控，只能由 ^67 ^ 电网电压 I 定子电压定子电流 \并网双馈异步风力发电机运行控制 风力机来单独控制机组的转速。负载并网则因并网前0 0 0 巳接有负载，发电 机可以参与整个风电系统的能量控制，一方面可改变负载以调节发电机的能 量输出，另 一 方 面 可 在 负 载 一 定 的 条 件 下 控 制 转 速 以 调 节 能 量 在 内 部 的 分配关系。前一功能实现了发电机能量的“粗调” ，后一功能完成发电机能量 的 “细调”。由此看出空载并网方式需要风力机有足够的速度调节能力，对风 力机的要求比较高；负载并网方式则要求发电机具有一定的能量调节能力， 以此配合风力机实现转速的控制，因而降低了对风力机调速能力的要求，但 控制较为复杂。因为空载并网控制易于实现，0 0 0 大多采用空载并网控制 方式。