雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制變頻器綜述

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1、課程考核（論文）題目雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制變頻器綜述學(xué)院專業(yè)年級班別學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2013雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制變頻器綜述摘要：近年可再生能源的開發(fā)利用越發(fā)受到重視，而風(fēng)力發(fā)電是其中最廉價、最有希望的綠色能源。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可分為兩種系統(tǒng)：恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。由于后者具有風(fēng)能利用率高，有功、無功可獨立調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用交流勵磁等優(yōu)點，成為了當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用交流勵磁的雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)。交流勵磁通過變頻器控制，其性能直接影響發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的運(yùn)行。所以，本文以成熟的雙PWM變換器勵磁系統(tǒng)，和處于理論階段

2、的矩陣變換器勵磁系統(tǒng)為討論對象，闡述了兩種勵磁方式的原理，總結(jié)了各自優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，變速恒頻，交流勵磁，雙PWM，矩陣變換器1雙饋型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的基本原理雙饋型異步發(fā)電機(jī)具有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組兩套繞組，它們分別接到不同的兩個獨立三相對稱交流電源，其轉(zhuǎn)子側(cè)可以根據(jù)情況輸入交流電流勵磁(在亞同步或超同步運(yùn)行時)，也可以輸入直流電流來勵磁(在同步速運(yùn)行時)，可以向電網(wǎng)回饋電能。當(dāng)采用交流勵磁時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流的頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得雙饋發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系既不同于異步發(fā)電機(jī)又不同于同步發(fā)電機(jī)。從電機(jī)學(xué)可知，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢

3、是跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁勢同步運(yùn)行的[1]，是相對靜止的，雙饋異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系式可表示為[2]:(1)式(1)中：f1表示定子繞組電流頻率；f2表示轉(zhuǎn)子繞組電流頻率；p表示電機(jī)的極對數(shù)；n表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。其中，正號表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場旋轉(zhuǎn)速度，系統(tǒng)亞同步運(yùn)行，負(fù)號表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)超同步運(yùn)行，此時轉(zhuǎn)子繞組的相序必須和定子的相序相反。從以上關(guān)系式可以看出，當(dāng)風(fēng)速變化引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時，只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率f2，就可以使系統(tǒng)并網(wǎng)時定子輸出頻率保持為工頻。1.1三相靜止坐標(biāo)abe下的雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下物理模

4、型如圖1所示。首先假設(shè)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子都是星形連接，下面列出雙饋電機(jī)的運(yùn)動方程、電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程[3]。圖1雙饋電機(jī)物理模型簡圖定子方程為：(2)轉(zhuǎn)子方程為：(3)1.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型(1)雙饋電機(jī)電壓方程由于d、q坐標(biāo)軸相互垂直，其在兩相繞組之間沒有磁的耦合，如果將上述在三相靜止坐標(biāo)系下的雙饋機(jī)模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下。那么雙饋電機(jī)的模型將會大大簡化。其具體方程如下[3][4]：定子繞組電壓：(4)轉(zhuǎn)子繞組電壓：(5)式中ω1為同步角速度，ωs為轉(zhuǎn)差角速度。(2)雙饋電機(jī)磁鏈方程定子磁鏈方程:(6)轉(zhuǎn)子磁鏈方程:(7)(3)電壓

5、電流間的關(guān)系結(jié)合電壓方程與磁鏈方程可得到電壓與電流之間的關(guān)系為(8)1.3定子磁鏈定向矢量控制從動態(tài)數(shù)學(xué)模型分析中，對雙饋電機(jī)進(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時，只規(guī)定了d、q兩軸的相互垂直關(guān)系及與定子頻率同步的旋轉(zhuǎn)速度，并沒有規(guī)定兩軸與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的相對位置。如果選擇d軸沿著定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，q軸垂直于定子磁鏈?zhǔn)噶糠较?，這樣將發(fā)電機(jī)慣例變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q坐標(biāo)系下按定子磁鏈定向時，此時由于兩相繞組之間沒有磁的耦合，電機(jī)模型將得到很大的簡化，所以當(dāng)三相靜止的發(fā)電機(jī)模型變換至定子磁鏈定向的以同步速旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系時，可以簡化控制[5,6]。1.4小結(jié)給出了交流勵磁雙饋發(fā)

6、電機(jī)的在不同參考坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，說明了定子磁鏈定向的矢量變換控制策略簡化了雙饋電機(jī)的控制方法。以下將闡述基于雙PWM交流勵磁和基于矩陣變換器交流勵磁的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。2基于雙PWM雙饋風(fēng)力發(fā)電勵磁系統(tǒng)在交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)定子側(cè)電能的恒頻輸出，必須在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率的大小，根據(jù)機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率，從而實現(xiàn)變速恒頻輸出；通過控制轉(zhuǎn)子電流的d，q軸分量，實現(xiàn)DFIG的有功功率和無功功率的解耦控制和最大風(fēng)能追蹤運(yùn)行。在實際應(yīng)用中，交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求勵磁變換器首先應(yīng)是一種“綠色”變換器：諧波污染小，輸入、輸出特性

7、好；其次應(yīng)具有功率雙向流動的功能；最后還要能在不吸收電網(wǎng)無功功率的情況下具備產(chǎn)生調(diào)節(jié)無功功率的能力。從變換器實現(xiàn)的功能上來看，具有良好的輸入輸出性能，功率因數(shù)任意可調(diào)和具有能量雙向流動的傳統(tǒng)的交直交雙PWM變換器完全可以滿足這種要求[7][8]。2.1雙PWM電路結(jié)構(gòu)雙PWM變換器主電路如圖所示，是由兩個電壓型三相PWM變換器通過背靠背的方式組成，其中包括整流器和逆變器，但具體的功能是變化的，所以一般按位置分為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器[9]。圖2電壓型雙PWM電路拓?fù)潆p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制部分都是通過控制這個雙PWM變換器來實現(xiàn)的，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場轉(zhuǎn)速