3双馈电机的动态数学模型-Read

双馈电机变速恒频发电原理 双馈异步发电机的变速运行是通过励磁变流器在电机转子绕组中施加三相 低频交流电实现的。调节励磁电流的频率，可以确保定子侧输出频率保持恒定； 采用矢量控制技术，调节励磁电流的幅值和相位，可以确保定子侧有功功率及 无功功率的控制互不干扰；通过对风力机转速的控制，可以实现最大功率点跟 踪，尽量多地吸收风能；而调节无功功率可以控制向电网输出的功率因数，也 可提高风电机组及电网系统的动、静态运行稳定性[14]。 当风速变化引起发电机的转速n变化时，应控制转子电流的频率f s 使得定 子输出频率 f 1保持恒定，其关系如下式所示 f 1  2n pm  f s 2-6 其中， m 为转子机械角频率rad/s；n p为双馈发电机极对数； 当发电机的转速n 2 低于定子磁场的同步旋转速度n 1 时，发电机处于亚同步 速运行，此时变流器向发电机的转子提供正序励磁电流，式2-6取正号，其运 行状态如图 2-3 所示。图中，n add 为转子的励磁磁场的旋转速度，因为n 2  n 1 ， 励磁磁场逆时针旋转补偿了转差频率，使定子磁链和转子磁链保持同步转动。 图中转子绕组的“”表示感生电势I r 流入纸面， “”表示I r 流出纸面， 该电流与 气隙磁通作用产生顺时针的制动转矩。在亚同步状态下，电机轴上的机械功 率P M 和转子输入功率P r 都以电磁功率的形式传递到定子侧，再回馈到电网，定 子输出功率为P S 。  n1 Ps s T n 2 PM M Ir r n add P r r 变流器 图 2-3 双馈电机次同步运行状态 当发电机转速高于定子磁场的同步旋转速度n 1 时，发电机处于超同步运行， 式2-6取负号；其运行状态如图 2-4 所示。此时由于n 2  n 1 ，变流器需向发电 机的转子提供反序励磁电流，使励磁磁场顺时针旋转，降低转子磁链转速，仍 然保持定子磁链和转子磁链同步转动。超同步状态下的气隙磁通与转子电流 的方向仍与次同步时保持一致，因此也产生顺时针的制动转矩。但在此状态运 行时，由风力机输入电机的机械功率P M ，一部分转化为转差功率P r 通过变频器 回馈到电网，另一部分转化为电磁功率，有定子回馈到电网上，定子输出功率 为P S 。  n 1 n 2 T Ps s PM M I r r Pr r n add 变流器 图 2-4 双馈电机次超步运行状态 当同步运行时，f s 0，此时的励磁电流为直流。此时直流电的流向由进入 同步运行时刻的交流电流的瞬时方向决定。风力机输入电机的机械功 率P M ， 全部转化为电磁功率，通过定子回馈到电网。转子仅仅提供转子铜耗所需的能 量。 2.12.1 励磁用转子变流器结构设计及性能要求励磁用转子变流器结构设计及性能要求 在基于双馈电机的变速恒频风力发电系统中转子励磁变流器将根据发电机 的运行状态吸收或者馈送能量至电网，其选择和设计将直接影响到风力发的电 能质量。同时它担当电机控制器，调节励磁电流的频率、幅值、相位，控制定 子输出的有功功率和无功功率。高质量的变流器是保证双馈发电机甚至整个风 力发电系统稳定运行的关键所在[50]，因此有如下要求 1.为了追踪风能、实现最大功率点跟踪，需要主动调节双馈发电机的转速。 根据上节分析，当电机运行在次同步状态时，能量从电网流向发电机转子； 当电机运行在超同步状态时，发电机通过转子向电网馈送多余的能量。因 此要求变流器有能量双向流动的能力。 2.双馈电机通常运用在大功率场合，当发电机容量达到数兆瓦以后，虽然变 流器的容量只占总容量的 1/2 至 1/3，但是仍接近或者达到了兆瓦级。因此 转子励磁变流器属于大容量变流装置。 3.作为大容量变流装置，减小其对电网的谐波污染成为一个重要的性能指标。 这就要求变流器有良好的输入特性，确保变流器连接电网端输入电流谐波 少，功率因数高。 4.由于发电机定、转子间存在耦合，转子励磁变流器的性能直接决定了定子 侧输出电能质量的好坏。如果变流器励磁电流富含谐波，那就会在定子侧 感应出谐波电动势。同样为了减小对电网的污染，必须要求变流器电机侧 输出特性优良。 5.由于风能是一个突变性很强的能量源，这就要求整个风力发电系统具有较 短的动态响应时间，能够快速跟踪风速的变化。因此变流器的动态响应能 力成为另一个重要指标。 根据以上要求，目前可选用的变流器有电压型双 PWM 变流器、晶闸管 相控交-交直接变流器、矩阵式变流器、多电平变流器等。晶闸管相控交 -交直 接变流器省去了中间直流环节且功率器件本身价格相对低廉，但存在功率器件 多，功率器件利用率低，控制电路复杂，输入功率因数低，输入输出电流谐波 含量高等问题[52]；矩阵式变流器同样省去了直流环节且工作效率较高，但其电 压传输比低，控制系统复杂，当电网电压波动或者三相不平衡时的运行控制还 没有一个较好的解决方案[53]；多电平变化器适用于大功率场合且谐波含量低， 但其系统控制复杂，中点电位易波动，是今后发展的方向，但现在仍不够成熟 [54-57]。因此本文采用电压型两电平双 PWM 变流器作为双馈电机变速恒频风力 发电的励磁电源，其结构如图 2-5 所示。 三相交流电网 转子励磁变流器 网侧PWM变换器转子侧PWM变换器 P M P W 双馈发电机 V1V3 VD1VD3 V5 VD5 V7 VD7 V9 VD9 V11 VD11 LR LS LT V2 R S U C T V W V8V10 VD8VD10 V12 VD12 V4 VD2VD4 V6 VD6 图 2-5 电压型双 PWM 变流器主回路结构 由于在变速恒频交流调速系统的运行过程中两个 PWM 变流器的工作状态 经常变换， 因此按照他们的位置不同，称之为网侧 PWM 变流器和转子侧 PWM 变流器。转子侧变流器通过向转子提供频率、幅值、相位可调的励磁电流，保 持发电机变速恒频运行；调节双馈发电机的转速，实现最大功率点跟踪，同时 保持定子侧输出有功、无功功率解耦，使发电机能够根据需要单位功率因数发 电或向电网补偿容性无功。而网侧变流器则是转子侧 PWM 变流器稳定正常工 作的前提，它为转子提供直流电源，同时根据需要运行在整流或者逆变状态， 向母线电容注入或从中抽取能量，以保证母线电压稳定。因此它的控制要求是 能保证能量可以双向流动，输入特性良好，功率因数可调，母线电压始终跟随 设定，而且有一定的抗扰动和抗故障运行能力。 电压型双 PWM 变流器用于双馈电机风力发电励磁电源主要优点有它能 实现能量双向流动，功率因数可调，输入输出电流的谐波含量低，并且交 -直- 交结构，使两个变流器实现解耦，可以分别进行独立控制，相互干扰较小。任 意一端出现轻度故障，相对于另一端只是负载扰动，并不影响整体运行状态。 且三相电压型 PWM 变流器运用广泛，控制技术比较成熟。 第三章双馈电机数学模型及柔性并网控制策略 3.13.1 引言引言 双馈发电机Doubly-Fed Induction Generator是转子侧 PWM 变流器的控制 对象，建立它的动静态数学模型，是设计其控制器的理论基础。而并网技术是 风力发