雙饋風機基礎知識學習

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上Introduction“變漿距風力機+雙饋發(fā)電機”作為新型風力發(fā)電機組，是目前研究的熱點，國內對雙饋發(fā)電機的研究主要集中在單機建模、空載并網、柔性并網、并網后有功功率和無功功率的解耦控制、低電壓穿越運行。風電場協(xié)調控制等方面。雙饋異步發(fā)電機其結構與繞線式異步電機類似，定子繞組接電網(或通過變壓器接電網)，交流勵磁電源給轉子繞組提供頻率、相位、幅值都可調節(jié)的勵磁電流，從而實現(xiàn)恒頻輸出。交流勵磁電源只需供給轉差功率，大大減少了容量的需求。由于發(fā)電機的定、轉子均接交流電（雙向饋電），雙饋發(fā)電機由此得名，其本質上是具有同步發(fā)電機特性的交流勵磁異步發(fā)電機，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中轉

2、子側交直交變流單元功率僅需要25一40的風力機額定功率，大大降低了功率變流單元的造價；雙饋異步風力發(fā)電機體積小，運輸安裝方便，發(fā)電機成本較低。但雙饋發(fā)電機由于使用定轉子兩套繞組，增加了發(fā)電機的維護工作量，還降低了發(fā)電機的運行可靠性。轉子繞組承受較高的dvdt，轉子絕緣要求較高。對于有刷電機，當電網電壓突然降低時，電流迅速升高，扭矩迅速增大，需經常更換發(fā)電機碳刷、滑環(huán)等易損耗部件。1 變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)結構1.1 風輪風輪是吸收風能并將其轉化成機械能的部件。風以一定速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產生旋轉力矩而轉動，將風能轉變成機械能。自然界的風速不是恒定的，風力機獲得的機械能是隨風速的變化

3、而不斷變化。由風力機的空氣動力學特性可知，風力機輸出機械功率的為Pwt,產生的氣動轉矩為Twt1。其中，為空氣密度（kg/m3），一般為1.25 kg/m3；R為風力機葉片的半徑（m）；v為風速（m/s）；為葉片旋轉速度；Cp為風力機的功率系數(shù)，也稱風能利用系數(shù)，是評價風力機效率的重要參數(shù)，CT為風力機的轉矩系數(shù)，由貝茲理論可知，一般Cp=1/32/5，其理論極限值為0.593。它與風速、葉片轉速、葉片直徑、漿葉節(jié)距角均有關系，是葉尖速比和漿距角的函數(shù)。對于變槳距型風力發(fā)電機組，Cp特性可近似表示為：其中。在早期的定槳距風力發(fā)電機組中，風輪大多采用三槳葉與輪轂剛性聯(lián)接的結構。隨著風力發(fā)電機組設

4、計水平的不斷提高，在大型風力發(fā)電機組，特別是兆瓦級機組的設計中，采用變槳距風輪。變槳距風輪葉片根部加裝變槳軸承，葉片可以沿自身的軸線旋轉，改變風輪的槳矩角，進而改變攻角。當風速變化時，定槳矩風輪的槳葉迎風角度不能隨之變化，故減速比一定，啟動風速高，限速困難，輸出功率不穩(wěn)定。而變槳矩風輪能夠根據(jù)風速對槳矩角進行調節(jié)，使槳葉受力較小。在低風速時因而盡可能多地吸收風能轉化為電能，同時在高風速能有效控制轉速，保持功率穩(wěn)定輸出。1.2 增速齒輪箱風輪的轉速較低，無法達到發(fā)電機的額定轉速，通常利用增速齒輪箱將轉速提高，使得發(fā)電機有效率地發(fā)電。由于風力發(fā)電機組起停頻繁，風輪又具有很大的轉動慣量，所以通常風輪

5、的轉速都設計在20到30rrain，機組容量越大，轉速越低。增速齒輪箱須滿足不同發(fā)電機、不同容量的機組要求。1.3 雙饋異步電機變速恒頻風力發(fā)電機組采用雙饋異步電機可以在不同轉速下發(fā)出恒頻的電能。通常將定子繞組接入工頻電網，將轉子繞組接入頻率、幅值、相位都可以調節(jié)的交流勵磁電源。通過對交流勵磁電源的控制就可以調節(jié)異步電機的轉速和功率。在低風速時，調節(jié)電機轉速，追蹤與捕獲最大風能。在額定風速以上時，對功率進行限制。1.4交流勵磁電源交流勵磁電源主要由網側PWM變換器和轉子側PWM變換器組成。交流勵磁電源給轉子繞組提供頻率、相位、幅值都可調節(jié)的勵磁電流。通過控制勵磁電流的頻率可調節(jié)發(fā)電機的轉速或有

6、功功率；通過控制勵磁電流的幅值和相位可以調節(jié)發(fā)電機的無功功率。交流勵磁電源傳輸?shù)膬H是轉差功率，十分高效經濟。這樣的結構適合于大、中容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。1.5 變槳矩執(zhí)行機構變槳距執(zhí)行機構可將控制系統(tǒng)的變槳矩指令物理實現(xiàn)。目前變槳距執(zhí)行機構主要有兩種方案：液壓執(zhí)行機構和電機執(zhí)行機構。液壓執(zhí)行機構以其響應頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化等優(yōu)點在目前的變槳距機構中占有主要的地位。電機執(zhí)行機構以其結構簡單，能對槳葉進行單獨控制，適合要求高的場合。1.6 晶閘管軟并網目前國內外采用異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組并網方式主要有直接并網、降壓并網、通過晶閘管軟并網。軟并網是目前風力發(fā)電機組普遍采用的并網方法，

7、其優(yōu)點是可以得到一個平穩(wěn)的并網過渡過程，不會出現(xiàn)沖擊電流。1.7 控制和檢測系統(tǒng)風力發(fā)電機組作為一個智能運行的大系統(tǒng)，必須具備控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是風力發(fā)電機組的大腦，指揮發(fā)電機組的運行和控制電能穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)需完成機組運行流程控制、偏航和槳距角控制、電機轉速控制、電機功率控制、通信、安全鏈等功能。檢測系統(tǒng)主要完成風速風向、各種溫度、發(fā)電機轉速、發(fā)電機功率和各種電壓電流的檢測。2 雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)工作原理22.1 雙饋異步發(fā)電機工作原理根據(jù)電機學原理，同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，它輸出端電壓的頻率與發(fā)電機轉速有著嚴格的關系：式中為發(fā)電機輸出電壓頻率；為發(fā)電機的極對數(shù)；為發(fā)電機旋轉速度。

8、當轉子三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，電機氣隙內將產生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電的頻率有關：式中，為轉子三相繞組通入的三相對稱交流電頻率；為繞線轉子異步電機的極對數(shù)；為轉子三相繞組通入頻率為的三相對稱電流后所產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度。從式中可知，改變頻率，就可以改變。當改變通入轉子的三相電流的相序時，還可以改變轉子旋轉磁場的方向。因此，若設為對應于電網頻率為50時的發(fā)電機的同步轉速，而為電機轉子本身的旋轉速度，則只要維持，則異步電機定子繞組感應電勢的頻率將始終維持為不變。雙饋異步發(fā)電機的滑差率。通入機轉子三相繞組內的電流頻率為： 根據(jù)上式分析可知，在雙饋異步電機

9、轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入滑差頻率（即）的電流，在雙饋異步電機的定子繞組中就能產生恒頻電能，實現(xiàn)了變速恒頻。雙饋異步電機運行時的功率關系：式中，是發(fā)電機輸入功率；是定子輸出功率；是滑差功率。雙饋異步電機轉子在不同轉速下，具有以下三種運行狀態(tài)：（1） 亞同步運行狀態(tài)。（2） 超同步狀態(tài)。（3） 同步運行狀態(tài)。2.2 交流勵磁電源工作原理雙饋異步發(fā)電機有亞同步運行、同步運行和超同步運行三種工作狀態(tài)。因此要求交流勵磁電源能夠提供幅值、頻率和相位可調的轉子勵磁電流。通過交流勵磁電源的控制可調節(jié)發(fā)電機的轉速和功率。交流勵磁電源主要由網側PWM變換 器和轉子側PWM變換器組成。

10、雙PWM變換器(Back-to-Back PWM)變換器技術成熟，應用最為廣泛。很多生產商為這種結構提供了專用的功率模塊。由于變換器傳輸?shù)氖腔罟β剩儞Q器功率一般為發(fā)電機功率的25"-40。圖Back-to-Back PWM變換器雙PWM變換器原理圖如上圖所示。圖中、為三相電網電壓，包括外接電抗器的電感和交流電源內部電感，為包括外接電抗器中的電阻和交流電源的內阻。雙PWM變換器主要由兩個完全相同的電壓型三相橋式PWM變換器構成，他們之間通過直流母線連接。雙PWM變換器是一種交一直一交結構，兩個變換器可以進行獨立控制。雙PWM變換器不僅具有良好的輸出性能，還可以改善輸入性能。它可獲得

11、任意功率因數(shù)的正弦輸入電流，并且具有能量雙向流動的能力。這些特點使它成為了理想的變速恒頻風力發(fā)電機交流勵磁變換器，并被廣泛地應用與實踐。由于雙饋異步發(fā)電機常在不同狀態(tài)下運行，兩個PWM變換器的工作狀態(tài)也隨之變化，所以不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來區(qū)分它們，而是按照它們的位置命名為網側PWM變換器和轉子側PWM變換器。1. 網側PWM變換器網側PWM變換器需要保證交流勵磁電源良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦。理論上網側PWM變換器可獲得任意功率因數(shù)。當雙PWM變換器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時，母線上的直流電壓恒定，網側PWM變換器的三相橋臂被正弦脈寬調制技術驅動。當開關頻率很高時，由PWM原

12、理可變換器的交流側電壓含有正弦基波電壓和一些頻率很高的諧波電壓。由于電感的濾波作用，頻率很高的諧波電壓產生的電流非常小。當調制正弦信號與電網頻率一致時，輸入電流近似于正弦。采用正弦脈寬調制方式對G1、 G2、G3、G4、G5、G6進行觸發(fā)控制，由PWM原理可知，在ab、be、ca端將產生SPWM波。Uab、Ubc、Uca中含有和正弦信號波同頻率且幅值成正比的基波分量，以及一些頻率很高的諧波。由于電感的濾波作用，頻率很高的諧波電壓可以忽略。當調制正弦信號的頻率和電網頻率相同時，iga、igb、igc也為與電源頻率相同的正弦波。電網電壓和頻率一般是恒定的，ia, ib, ic幅值和相位僅由uab、

13、ubc、uca中基波分量的幅值和相位決定。網側PWM變換器工作在整流狀態(tài)時，IGBT和二極管組成多組boost升壓斬波電路。這使直流母線電壓比輸入的線電壓高，并能保持直流母線電壓穩(wěn)定。2轉子側PWM變換器變速恒頻風力發(fā)電機組運行的目標主要有兩個：一是實現(xiàn)最大風能獲?。欢菍Πl(fā)電機的無功功率進行控制。對于雙饋異步發(fā)電機，這兩個目標都是控制DFIG的轉子電流實現(xiàn)。而轉子電流受控于轉子側PWM變換器。三相靜止坐標系下的DFIG數(shù)學模型是一個強耦合的系統(tǒng)，對有功功率和無功功率的解耦控制是很難的。而利用矢量技術便可解決這個問題。轉子電流通過坐標變換實現(xiàn)有功分量與無功分量的解耦。控制DFIG轉子電流有功分

14、量就可以控制DFIG的轉速或者定子側輸出的有功功率?？刂艱FIG轉子電流無功分量就可以控制DFIG定子側輸出的無功功率。轉子電流都是由轉子側PWM變換器提供。采用電壓空間矢量調制(SVPWM)方式對變換器中的開關器件進行控制。SVPWM源于交流調速中為獲得圓形旋轉磁場的磁鏈追蹤，所以SVPWM又稱磁鏈追蹤新PWM法。它是以三相對稱正弦波電壓供電下三相對稱電動機定子理想圓為基準，由三相橋不同開關模式下所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，在追蹤的過程中，橋臂的開關模式作適當?shù)淖儞Q，從而形成PWM波。相比于傳統(tǒng)的SPWM方式，SVPWM方式具有直流母線電壓利用率高，電流波形畸變小和更易于數(shù)字化實現(xiàn)

15、等優(yōu)點。3雙饋發(fā)電機的動態(tài)數(shù)學模型33、1三相靜止坐標下交流勵磁雙饋發(fā)電機的多變量數(shù)學模型在研究雙饋異步電機的多變量非線性數(shù)學模型時，常作如下的假設：1)忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間中互差120電角度，所產生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。2)忽略磁路飽和，認為各繞組的自感和互感都是恒定的。3)忽略鐵心損耗。4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。定子側電壓正方向與電流正方向符合發(fā)電機慣例，正值電流產生負值磁鏈；轉子側電壓正方向與電流正方向符合電動機慣例，正值電流產生正值磁鏈。這時，異步電動機的數(shù)學模型由下述磁鏈方程、電壓方程、運動方程和功率方程組成。311雙饋發(fā)電機的磁鏈方程

16、定、轉子的磁鏈方程可以表達為：31.2 電壓方程定、轉子繞組的電壓方程可以表達為：把轉子電壓，轉子電流，轉子磁鏈，P為微分算子。31.3 運動方程雙饋發(fā)電機內部電磁關系的建立，離不開輸入的機械轉矩和由此產生的電磁轉矩之間的平衡關系。起動時，輸入的機械轉矩Tm使電機轉速上升，感應產生的電磁轉矩Te也隨著增加，忽略電機轉動部件粘性摩擦，當Tm和Te達到平衡時，電機轉速趨于穩(wěn)定。式中，wm為電機轉動的機械角速度，與轉子電氣角速度wr之間有：31.4 功率方程發(fā)電機定子側輸出的瞬時功率表達式為：需要指出的是，瞬時功率的實際意義并不大，通常人們用另外三個功率量來反映正弦電路能量交換的情況，即有功功率P、

17、無功功率Q和視在功率S。電機的功率還可以用復功率來表示，定子側復功率由定子側復數(shù)電流和定子側復數(shù)電壓按下式確定：其中，是的共軛復數(shù)，P1是定子有功功率，Q1是定子無功功率；類似地，可以寫出轉子側功率表達式：根據(jù)上文開始時的正方向規(guī)定，當只P1>0時表示雙饋電機定子向電網輸出電功率；當只P1<0時表示雙饋電機定子由電網吸入電功率；而當只P2>0時表示雙饋電機轉子由電網吸收電功率；當只P2<0時表示雙饋電機轉子向電網輸出電功率。32同步旋轉坐標系下的雙饋異步電機按照前面的正方向規(guī)定，定子側正方向按發(fā)電機慣例，正值電流產生負值磁鏈；轉子側正方向按電動機慣例，正值電流產生正值磁

18、鏈。利用坐標變換，可以得到同步坐標系(即dq坐標系)下的雙饋異步電機數(shù)學模型。按照前面的正方向規(guī)定，定子側正方向按發(fā)電機慣例，正值電流產生負值磁鏈；轉子側正方向按電動機慣例，正值電流產生正值磁鏈。利用坐標變換，可以得到同步坐標系(即dq坐標系)下的雙饋異步電機數(shù)學模型。1) 由空間三相坐標系下的電壓方程和3s2r、2s2r坐標變換，可得到dq坐標系下的電壓方程：式中，w1為同步旋轉速度。2) 類似地，利用變換矩陣可得到dq坐標系下的磁鏈方程：其中，為dq坐標系下等效定轉子繞組間互感；為d-q坐標系下等效定子每相繞組全自感；為d-q坐標系下等效定子每相繞組全自感。3) 運動方程變換到dq坐標系下

19、后，機電運動方程形式沒變，但是電磁轉矩方程有變化：上述各式中u，i，和Te分別為電壓、電流、磁鏈、電磁轉矩；np為電機極對數(shù)；r，L分別為電阻、電感；wl為定子同步電角速度；ws為轉差電角速度，；wr為轉子電角速度，s為轉差率；下標s，r分別表示定子、轉子分量；下標m表示定轉子間的相互作用量；下標d，q分別表示d軸和q軸分量。4 雙饋異步發(fā)電機控制原理4.1 雙饋異步發(fā)電機定子電壓控制原理當定子繞組開路，雙饋發(fā)電機作空載運行時，根據(jù)電機知識，定子繞組開路相電壓的有效值為：式中，f1為定子繞組的電壓頻率；N1和kw1分別為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)；為每極磁通。與轉子電流有關：由上式可知，轉子繞組勵磁電流值決定每極磁通。當定子繞組電壓頻率f1為恒定值時，每極磁通又決定了定子電壓大小。因此在不同轉速下只要保持轉子繞組勵磁電流不變便可使定子繞組端電壓保持不變。并網前需要保持發(fā)電機端電壓與電網電壓基本一致，減小并網電流?？梢酝ㄟ^電流反饋調節(jié)轉子勵磁電流，從而實現(xiàn)轉子勵磁電流恒定控