級聯(lián)式無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)分析

河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文級聯(lián)式無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)研究級聯(lián)式無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)研究PAGEPAGE59PAGEPAGE10第一章 緒論§1-1世界風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)形勢愈發(fā)明顯，緩解能源危機(jī)、開發(fā)可再生能源實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措風(fēng)能作為可再生能源的重要類別在地球上是最古老最重要的能源之一全球范圍內(nèi)的巨大蘊(yùn)藏量可再生分布廣無污染的特性，使風(fēng)能發(fā)電成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電不依賴礦物能源，沒有燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電成本穩(wěn)定也沒有包括碳排放等環(huán)境成本此外可利用的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最具商業(yè)化規(guī)模開發(fā)條件的新能源，同時(shí)隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)國產(chǎn)化程度的提高，風(fēng)力成本還可大幅度下降，而火電與核電成本下降的空間十分有限或幾乎沒有。正是因?yàn)橛羞@些獨(dú)特的優(yōu)勢，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分發(fā)展及其迅速當(dāng)前世界風(fēng)電的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下趨勢：1-1-1世界風(fēng)電裝機(jī)容量發(fā)展迅猛根據(jù)全球風(fēng)能理事會的統(tǒng)計(jì)全球的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正以驚人的速度增長過去0年平均年增長率達(dá)到008年年底全球裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到了0萬千瓦每年新增0萬千瓦意味著每年在該領(lǐng)域的投資額達(dá)到了0億歐元0發(fā)電量的12%2040年達(dá)到23%界風(fēng)能的幾大強(qiáng)國德國西班牙美國丹麥印度已將風(fēng)能視為與化石能源，核能源具有相同地位的能源種類。截至2008年底，洲發(fā)展最快，特別是德國風(fēng)電總裝機(jī)22MW在德國能發(fā)電比重已超過30%發(fā)電量達(dá)到250kWh次超過了水電的210kWh。而北歐小國丹麥，年風(fēng)能產(chǎn)量已占全國電力需求的20%，且計(jì)劃2030年達(dá)到全國總需求的1/3強(qiáng)。雖然我國可開發(fā)利用約10億kW然至今為止風(fēng)電比重還不到1%我們的鄰國印度盡管可開發(fā)風(fēng)能資源不到我國1/5但截至2008年底，風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到9645MW位居全球第五。截至008年底，歐年度風(fēng)電新增總裝機(jī)容量達(dá)8.662GW，占世界風(fēng)電新增裝機(jī)總?cè)萘康?3.15%；累積裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)57.136GW，占世累積裝機(jī)總?cè)萘康?0.71%。歐洲在洲與中東、亞洲、歐洲、南美和加勒比海、北美、太平洋等6大世界主要風(fēng)電發(fā)展區(qū)域中處于首位，而世界風(fēng)電累積裝機(jī)容量前10名的國中，歐洲占據(jù)了德國、西班牙、丹麥、意大利、英國、葡萄牙、法國7個(gè)主要風(fēng)發(fā)展國家因此歐洲已經(jīng)成為世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為活躍規(guī)模最大的區(qū)域代表了世界風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)。99-08總40002000

10730000

9323量（量（W）600040002000

6006001000

1300

1400

2900

310

941

720

991

452

96-08總量0196997998990020120220320400500600708圖1-1196-08全球總機(jī)容量圖Fig1-1Tehstogramoftheorldsttlnstaldapitybten96nd20808國中國12%國5%麥3%國3%國3%利4%

印度9%本國3%

牙6%圖1-228主要國家風(fēng)機(jī)容量Fig1-2Teeofwindturinecpaityftheajorcuntres1-1-2風(fēng)電已成為世界主要替代能源之一步入1世紀(jì)，在《歐洲風(fēng)能發(fā)展計(jì)劃》的引領(lǐng)下，世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展。極大地提升了風(fēng)電可再生能源在國家一次能源中所占的比例。歐盟7個(gè)主要風(fēng)電國家，06年風(fēng)電裝機(jī)容量與發(fā)電量占?xì)W盟5國總裝機(jī)容量與發(fā)電量的比例分別達(dá)到%和%中丹麥風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量占該國總發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的比例分別為%和%德國為%和%西班牙為%和%。6年，在歐盟新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電的增長量超過核電、水電和煤電等，僅次于天然氣發(fā)電，占全部新增發(fā)電裝機(jī)容量的%；7年，歐盟新增風(fēng)電裝機(jī)容量所占的比例將進(jìn)一步提升。7年初根據(jù)風(fēng)電技術(shù)及能源發(fā)展的需要?dú)W洲又進(jìn)一步修訂了風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃和目標(biāo)到年歐洲風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到W，較7年提出的發(fā)展目標(biāo)翻了一番；到0年歐洲風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到，發(fā)電量達(dá)到0億千瓦時(shí)，分別占?xì)W洲發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的%和%；0年風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到0W，發(fā)電量要達(dá)到20億千瓦時(shí)，屆時(shí)分別占?xì)W盟發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的%和%。因此，在不太遙遠(yuǎn)的未來，風(fēng)電將成為歐洲以至于世界的主要替代能源之一[1]入1再生能源的發(fā)展而風(fēng)電最為可再生能源中最具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的行業(yè)也將會得到更快的發(fā)展而風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)也將會成為一種新型的產(chǎn)業(yè)?！?-2中國的風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀我國具有豐富的風(fēng)力資源，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有良好的資源基礎(chǔ)。據(jù)估計(jì)，內(nèi)地及近海風(fēng)資源可開發(fā)量約為0億k，主要分布在東南沿海及附近島嶼，內(nèi)蒙古、新疆和甘肅河西走廊，以及華北和青藏高原的部分地區(qū)中國政府將風(fēng)力發(fā)電作為改善能源結(jié)構(gòu)應(yīng)對氣候變化和能源安全問題的主要替代能源技術(shù)之一給予風(fēng)電發(fā)展有力的扶持確定了0年和00年風(fēng)電裝機(jī)容量分別達(dá)到0萬kW和0萬k的目標(biāo)，制定了風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化相關(guān)政策，并輔以風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)等措施，推動技術(shù)創(chuàng)新市場培育和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展到7年底中國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到4萬k過去0年的年平均增長速度達(dá)到中國在風(fēng)電裝機(jī)容量的世界排名中4年居第0位7年躍居第5位并有望成為世界最大的風(fēng)電市場風(fēng)電已經(jīng)在節(jié)約能源緩解中國電力供應(yīng)緊張的形勢降低長期發(fā)電成本、減少能源利用造成的大氣污染和溫室氣體減排等方面做出貢獻(xiàn)。中國風(fēng)電市場的擴(kuò)大，直接促進(jìn)了國產(chǎn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，8年底，中國風(fēng)電制造及相關(guān)零部件企業(yè)0多家，在8年風(fēng)電的新增市場份額中，國內(nèi)產(chǎn)品占，比年提高了0個(gè)百分點(diǎn)國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組裝備制造能力得到大幅提高在風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方面中國已經(jīng)建成了0多個(gè)風(fēng)電場，掌握了風(fēng)電場運(yùn)行管理的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)和鍛煉了一批風(fēng)電設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)人才為風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定了良好的基礎(chǔ)經(jīng)過多年努力當(dāng)前中國并網(wǎng)風(fēng)電已經(jīng)開始步入規(guī)?；l(fā)展的新階段可見有了國家的重視和政府的支持作為主要可再生能源的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)也必將有廣闊的發(fā)展前景。中國自1986年建設(shè)山東榮城第一個(gè)示范風(fēng)電場之后，經(jīng)過20年的努力風(fēng)電場裝機(jī)容量規(guī)模不至6成8組20到萬kW，國風(fēng)電機(jī)組所占市場份額已超30%技術(shù)性能相當(dāng)于國際上20世紀(jì)90代中期水平。我國的兆瓦級風(fēng)電機(jī)組從2004年開始步并進(jìn)入了較快的發(fā)展階段。分析國內(nèi)主流廠商如華銳和東方等企業(yè)的發(fā)展過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，其發(fā)展經(jīng)歷均經(jīng)過以下幾個(gè)階段[1]1-2-1引進(jìn)技術(shù)消化吸收階段風(fēng)電技術(shù)作為一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)涉及空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)材料學(xué)聲學(xué)機(jī)械力，電氣控制氣象學(xué)環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科和多種領(lǐng)域的相互交叉由于我國兆瓦級風(fēng)電起步較晚技術(shù)水平落后為適應(yīng)快速發(fā)展的風(fēng)電市場的要求實(shí)現(xiàn)風(fēng)電發(fā)展高起步的初衷引進(jìn)技術(shù)消化吸無疑收成為當(dāng)時(shí)最好的選擇具有當(dāng)代水平的兆瓦級風(fēng)機(jī)技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用使我們在起步階段就站在了一個(gè)較高的起點(diǎn)彌補(bǔ)了我國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展較晚這一缺憾最大限度的縮短了與世界先進(jìn)水平的差距的同產(chǎn)市品電輪司從24國短48了0近0通過引進(jìn)技術(shù),消化吸的過程我們培養(yǎng)出一批風(fēng)電方面的專業(yè)人才,以后的自主創(chuàng)新自主開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。1-2-2國產(chǎn)階段為推進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，國家推出了多項(xiàng)措施，對風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化起到了極大的推動作用。國內(nèi)涌現(xiàn)出一大批風(fēng)機(jī)部件制造商，為風(fēng)機(jī)部件的國產(chǎn)化做出了極大的貢.獻(xiàn)。風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化已經(jīng)取得了階段性成果。中國可再生能源規(guī)?；l(fā)展項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)顯示，2003年，國外風(fēng)電機(jī)組在國內(nèi)市場占66.54%，到2008，國外機(jī)組僅占24.4%份額，內(nèi)資公司生產(chǎn)的份額超過70%。到目前為止，兆瓦級以上機(jī)組占國內(nèi)全部裝機(jī)容量逾50%，中80%是由資生產(chǎn)的，預(yù)計(jì)隨著項(xiàng)目的進(jìn)展和技術(shù)的提升內(nèi)資廠商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)比例將進(jìn)一步提升但是加上我國風(fēng)機(jī)部件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善導(dǎo)致在國產(chǎn)化過程中我們遇到了不少問題。1-2-3變形設(shè)計(jì)階段國外的風(fēng)機(jī)均是以本國的環(huán)境要求為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而，環(huán)境在引進(jìn)風(fēng)機(jī)方面有著至關(guān)重要的參考作用中國地域?qū)拸V氣候條件差異較大從國外引進(jìn)的原設(shè)計(jì)機(jī)型不一定能適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜的氣象條件。只能通過國內(nèi)綜合實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)對原機(jī)型進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，以適應(yīng)我國的氣象條件。如2006年北重公司引進(jìn)了世界上具有多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的常溫型2ＭＷ風(fēng)機(jī)組該風(fēng)機(jī)具有高效低噪運(yùn)行操作靈活以及安全、可靠的特點(diǎn)。通過對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，使設(shè)計(jì)出來的風(fēng)機(jī)真正適應(yīng)我國的環(huán)境特點(diǎn)。1-2-4自主開發(fā)階段經(jīng)過以上幾個(gè)階段的錘煉，國內(nèi)已有少數(shù)幾個(gè)綜合實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)具備了自主開發(fā)新型風(fēng)機(jī)的能力并已開始實(shí)施如東方電氣東方汽輪機(jī)有限公司目前正在國內(nèi)自主研發(fā)1兆瓦機(jī)中國可再生能源規(guī)?；l(fā)展項(xiàng)目（CRESP）辦公室副主任羅志宏表示金風(fēng)科技、浙江運(yùn)達(dá)、華銳風(fēng)電、上海電氣、東方汽輪機(jī)等5家企業(yè)已成了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件研發(fā)采購工作生產(chǎn)或即將生產(chǎn)出樣機(jī)風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化項(xiàng)目實(shí)施已取得重要階段性成果但要突破國外公司的技術(shù)壁壘促進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的健康發(fā)展，自主研發(fā)是唯一選擇?？偟膩碚f在國家政策的大力扶持下我國的風(fēng)電裝機(jī)容量得到了迅速的增加按照目前的發(fā)展速0到0業(yè)的迅速發(fā)展成為我國的又一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)中國的新能源產(chǎn)相對于發(fā)達(dá)國具有成本優(yōu)勢，相對于發(fā)展中國具有技術(shù)優(yōu)新能源振興規(guī)劃的出除了解決能源以及氣候變化的問有利于培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[2.但是我國的風(fēng)電發(fā)展也出現(xiàn)一些問題核心技術(shù)主要依賴于進(jìn)口自主創(chuàng)新有待進(jìn)一步提高風(fēng)電行業(yè)出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的趨勢風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有待進(jìn)一步整合電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力還有限，以至于一部分風(fēng)電不能及時(shí)輸送出去；這些，都得需要政府的引導(dǎo)和大力支持?！?-3當(dāng)前主流風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前世界流行的風(fēng)電技術(shù)大體上可分為恒速恒頻和變速恒頻兩大類恒速恒頻系統(tǒng)采用同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)不論風(fēng)速如何變化系統(tǒng)通過一定的調(diào)節(jié)保持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電頻率的恒定這樣葉尖速比不可能總保持在最佳值也就不能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率也就不高隨著電力電子器件和控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展特別是在矢量控制直接轉(zhuǎn)距控制等高性能控制理論出現(xiàn)以后變速恒頻發(fā)電技術(shù)應(yīng)用成為可能它將電力電子技術(shù)矢量變換技術(shù)和微機(jī)技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)控制之中獲得了一種全新的高質(zhì)量的電能獲取方式變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要分為鼠籠異步發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)和低速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)三大類但是由于由于鼠籠異步發(fā)電系統(tǒng)所需變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相當(dāng)，且本身不能產(chǎn)生無功，需要電網(wǎng)給其提供無功電流去勵(lì)磁，功率因數(shù)不可調(diào)其變頻器直接和電網(wǎng)相連接不可避免的對電網(wǎng)造成一些諧波污染所以鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻系統(tǒng)中應(yīng)用有很大的局限性已經(jīng)逐步被淘汰目前雙饋發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。圖1-3 直式同步發(fā)電機(jī)模型圖Fig1-3 irctiesnonuseertorodeliaram直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)(如圖1-3所示)由于定子極數(shù)很多所以同步轉(zhuǎn)速較低徑向尺寸較大軸向尺寸較小可工作在起動力矩大頻繁起動及換向的場合并且可以與專門的變頻器相連實(shí)現(xiàn)變速操作。另外由于其同步轉(zhuǎn)速比較低風(fēng)輪可以直接驅(qū)動同步機(jī)的多磁極轉(zhuǎn)子而電機(jī)的定子則通過逆變器同電網(wǎng)相連接所以該系統(tǒng)不需要增速傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速低械損失小功率因數(shù)比較高便于維護(hù)在低風(fēng)速下也可以高效率發(fā)電因此比較適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子有無外部勵(lì)磁有可分為電勵(lì)磁式和永磁式兩種但是和鼠籠異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一樣永磁同步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所需變頻器容量為發(fā)電機(jī)容量的全部，不易在大功率機(jī)組中應(yīng)用，且電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要依靠漿距角的調(diào)整，速度控制相對復(fù)雜另外由于額定轉(zhuǎn)速比較低其定子尺寸相當(dāng)大運(yùn)行時(shí)噪聲大且安裝運(yùn)輸不方圖4雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型圖ig14obdindgneraorodeldigram雙饋異步發(fā)電機(jī)是由傳統(tǒng)的異步繞線式電機(jī)發(fā)展而來的。其定子繞組直接接到電網(wǎng)上，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和功率變換器相連接如圖4所示由轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁所以變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，其容量可以比電機(jī)容量小很多降低了系統(tǒng)成本雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到電機(jī)軸或者電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的另外通過控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率幅值相位和相序該電機(jī)可以工作在亞同步同步超同步三種狀態(tài)轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行調(diào)整從而讓電機(jī)工作在最佳的轉(zhuǎn)速狀態(tài)而定子輸出的電壓和頻率保持不變既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。但是雙饋異步電機(jī)也存在電刷和滑環(huán)需要經(jīng)常維護(hù)這在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性所以雖然目前交流調(diào)速技術(shù)在不斷地改進(jìn)但是電機(jī)本身所固有的缺陷并未得到克服如何使交流電機(jī)無刷化并具備雙饋運(yùn)行功能使交流傳動系統(tǒng)具有高效率高功率因數(shù)高可靠性低成本已成為電機(jī)制造工業(yè)和交流傳動系統(tǒng)亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)難題[3]近年來為了解決這個(gè)問題國內(nèi)外許多學(xué)者都將目光投向無刷雙饋電機(jī)由于這種電機(jī)勵(lì)磁電流有勵(lì)磁繞組提供實(shí)現(xiàn)了無刷雙饋且具有繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)和同步電機(jī)的優(yōu)良特性既可作為交流調(diào)速電機(jī)，又可作為變速恒頻發(fā)電機(jī)。因此作為一種性能優(yōu)良的新型電機(jī)，越來越受到研究者的關(guān)注?！?-4無刷雙饋電機(jī)的相關(guān)內(nèi)容介紹關(guān)于無刷雙饋電機(jī)的研究其模型可分為兩種形式采用單電機(jī)結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)和級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)初的unt和后來allce等在級聯(lián)式雙饋拖動電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出在單一鐵心中安放兩套定子繞組的無刷雙饋電機(jī)模型。其中功率繞組的極對數(shù)為p，直接連接電網(wǎng)，頻率為f；控制繞組的極對數(shù)為c，由變頻電源供電，頻率為f。由于定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用了合理的設(shè)計(jì)，使得兩套定子繞組產(chǎn)生的磁場只能通過轉(zhuǎn)子間接耦合電機(jī)在雙饋運(yùn)行時(shí)定子磁路中同時(shí)存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)它們的基波并不交鏈分別在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩共同維持電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)與其他調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1通過變頻器的功率僅占電動機(jī)總功率的一小部分，可以大大降低變頻器的容量，從而降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本；(2功率因數(shù)可調(diào)，能夠向電網(wǎng)中提供無功，可以提高調(diào)速系統(tǒng)的力能指標(biāo)和電網(wǎng)的穩(wěn)定；(3與有刷雙饋和串調(diào)系統(tǒng)相比，取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；(4即使在變頻器發(fā)生故障的情況下，電動機(jī)仍然可以運(yùn)行于感應(yīng)電動機(jī)狀態(tài)下；(5電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速僅與功率繞組和控制繞組的頻率及其相序有關(guān)，而與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，因此電機(jī)具有硬的機(jī)械特性。因此這種電機(jī)可以在無刷的情況下實(shí)現(xiàn)雙饋在運(yùn)行時(shí)所要求的變頻器容量小降低了系統(tǒng)的成本作為發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電特別適合于風(fēng)力發(fā)電變落差水利發(fā)電潮汐發(fā)電無刷雙饋電機(jī)。但是由于功率繞組和控制繞組公用一個(gè)磁路雖說在設(shè)計(jì)上可以避免基波不交鏈但是對于高次諧波的干擾卻不能避免因此造成無刷雙饋電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)比同容量的普通感應(yīng)電機(jī)低為了提高無刷雙饋電機(jī)的額定效率和功率因數(shù)需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)減少其中的高次諧波但是目前該類型的電機(jī)尚處在試驗(yàn)階段，還沒有真正投入使用。級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在早期被稱為串級感應(yīng)電機(jī)即將兩臺繞線式異步電機(jī)同軸串級連接這種調(diào)速方法首先在1893年美國SteinmetZ和德國Gorges所發(fā)，其早期的結(jié)構(gòu)是兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相互連接第一臺電機(jī)的定子繞組接至工頻電網(wǎng)第二臺電機(jī)的定子繞組通過外接電阻短接這樣就省去了滑環(huán)通過改變外接電阻的大小可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速這種級聯(lián)系統(tǒng)從第一臺電機(jī)的定子方輸入電功率，通過轉(zhuǎn)子傳遞給第二臺電機(jī)的原邊(即第臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組)，后在第二臺電機(jī)的副邊(即第二臺電機(jī)的定子繞組)接外接電阻消耗掉。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展交流變頻調(diào)速已被較多的采用有人用變頻器替代了第二臺電機(jī)的外接變阻器通過變頻器來改變第二臺電機(jī)副邊的電流頻率來調(diào)速這樣既可實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)又可實(shí)現(xiàn)能量的傳遞以提高系統(tǒng)的效率。這就是級聯(lián)式無刷雙饋感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。將兩臺極對數(shù)分別為Pp、Pc的繞線式異步電機(jī)同軸相聯(lián),兩轉(zhuǎn)子組不用滑環(huán)電刷而直接相連,極對為Pp的電定子繞組當(dāng)電機(jī)功率繞組使用而極對數(shù)為c的電機(jī)子繞組當(dāng)勵(lì)磁控制繞組用該電機(jī)模型和無刷雙饋電機(jī)屬于同種類,其基本理是相同的，在本此設(shè)計(jì)中，將對級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析?；诩壜?lián)式無刷雙饋電機(jī)的特點(diǎn)其勵(lì)磁方式必須采用交流勵(lì)磁通過改變勵(lì)磁電流頻率可風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速這樣在負(fù)荷突然變化時(shí)迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速保證功率繞組輸出電流頻率恒定另外還可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值和相位可達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化應(yīng)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整依靠轉(zhuǎn)子動能的變化吸收或釋放功率減少對電網(wǎng)的擾動。既提高了機(jī)組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。為了能夠使勵(lì)磁電流的頻率相位和幅值隨著風(fēng)速的變化而相應(yīng)改變其變流器必須采取先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)目前在交流調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用最廣的為矢量控制技術(shù)矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別獨(dú)立加以控制采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩.級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行特性類似極對數(shù)為Pc+Pp的繞式電機(jī)從控制角度來看幾乎所有用于感應(yīng)電機(jī)的控制策略如標(biāo)量控制磁場定向矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制等都可以用于級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的控制但是由于該類型電機(jī)是具有兩套不同極數(shù)的定子繞組的電機(jī)串接而成而且只能去控制控制繞組對功率繞組將不能直接對其進(jìn)行控制這種復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對其的控制也較復(fù)雜因此不能將異步電動機(jī)的控制技術(shù)直接移植到該電機(jī)中，有必要對級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的控制方法進(jìn)行研究?！?-5本文研究內(nèi)容介紹在世界能源危機(jī)和節(jié)能減排措施的推動下風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國重視我國政府也加大對風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)投入力爭使我國的風(fēng)電自主技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平本課題正是的這樣一種背景下提出的其目的就是對該類新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析研究其在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)上的優(yōu)勢。本文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1)分析了級聯(lián)式無刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，建立了改電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Q上的數(shù)學(xué)模型，為下一步的矢量控制奠定了理論基礎(chǔ)2分析了級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性及其對應(yīng)的有功功率流動情況分析研究該類型電機(jī)基于V/F標(biāo)量控制的控制模型，可以通過改變勵(lì)磁電壓幅值和頻率去改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)。3分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不通風(fēng)速下的控制策略提出參考有功功率和參考無功功率的計(jì)算方式在此基礎(chǔ)上建立了級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)基于功率電機(jī)定子磁鏈定向的矢量變換控制策略實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，提高電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)。4基于以上的理論分析，設(shè)計(jì)并利用C搭建了基于V/F標(biāo)量控制的級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)試驗(yàn)控制平臺，進(jìn)行該電機(jī)的空載和并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該電機(jī)的變速恒頻特性。5最后提目前風(fēng)力發(fā)電場所面臨的低電壓穿越問題以及常用的解決方案通過對該類型電機(jī)的運(yùn)行分析，指出該類型電機(jī)在低電壓穿越上的優(yōu)勢。第二章級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)原理分析級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)作為一種類型的無刷電機(jī)由其真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無刷化它可以根據(jù)工作環(huán)境的需要工作在亞同步同步超同步三種工作狀態(tài)兼具同步機(jī)和異步機(jī)的優(yōu)點(diǎn)其轉(zhuǎn)速僅僅與勵(lì)磁繞組和功率繞組的電流頻率有關(guān)具有很強(qiáng)的速度硬特性很適合應(yīng)用于機(jī)械轉(zhuǎn)速經(jīng)常變化的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域并且由于其勵(lì)磁機(jī)功率遠(yuǎn)小于功率機(jī)功率也很適合用于中高壓變頻調(diào)速電動機(jī)領(lǐng)域。級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成是由兩個(gè)不同極對數(shù)的繞線式電機(jī)級聯(lián)而成但是該類型不僅僅是兩個(gè)繞線式電機(jī)的簡單疊加其電機(jī)運(yùn)行特性將會呈現(xiàn)出與一般繞線電機(jī)不同的特性因此有必要對級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的研究?！?-1級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)在電氣連接上，級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)是由兩臺極對數(shù)分別為Pp(功率機(jī))和c(磁電機(jī))的線式異步同軸電機(jī)轉(zhuǎn)子串接而成的。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1級式無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型圖Fig2-1CasaeBFModeligram其中率機(jī)定子直接和電網(wǎng)相連從電網(wǎng)吸收功（電動狀態(tài)或者向電網(wǎng)輸送功率(發(fā)電狀),而勵(lì)磁機(jī)定子和交流變頻器相連通過控制勵(lì)磁機(jī)定子電流的頻率幅度和相位進(jìn)而可以控制整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有功功率和無功功率兩電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心是同軸相連可以隨軸一起轉(zhuǎn)動其不同極對數(shù)的轉(zhuǎn)子繞組通過特殊連接方式級聯(lián)起來為了使兩臺電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩同方向我們都選擇轉(zhuǎn)子繞組反相序連接，以下對該電機(jī)的討論也都是在轉(zhuǎn)子反向序連接的前提下進(jìn)行的。通過以上分析我們不難看出，整個(gè)電機(jī)取消了滑環(huán)，真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)無刷化，使電機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠通過控制變頻器的輸出電流在電動運(yùn)行時(shí)可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和在發(fā)電運(yùn)行時(shí)控制功率機(jī)定子端的輸出電流頻率可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電機(jī)的硬連接大大降低了運(yùn)行成本和提升電網(wǎng)的可靠性又因?yàn)楹碗p饋電機(jī)一樣其勵(lì)磁頻率僅僅略大于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率這樣可以減小變頻器的容量因此級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)在交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，有著很廣闊的前景?！?-2級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)工作原理當(dāng)電定子繞組通入三相交流電流時(shí)其基波電流會在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場由磁勢平衡原理可知定轉(zhuǎn)子磁動勢相對靜止是一切電機(jī)能夠正常運(yùn)行的必要條件因?yàn)橹挥羞@樣才能產(chǎn)生恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)才能工作在穩(wěn)定狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻發(fā)電在于其勵(lì)磁電流能根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化而變化保持兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與功率電機(jī)定子磁場的相對轉(zhuǎn)速恒定[22，下面就具體發(fā)電原理進(jìn)行分析。一般的級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)是由一臺極對數(shù)為p的繞線式電機(jī)和一臺極對數(shù)為c的繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子通過反向序級聯(lián)起來假定轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较蚬β孰姍C(jī)定子形成的旋轉(zhuǎn)磁場方向以逆時(shí)針為正方向，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在亞同步狀態(tài)時(shí)，控制電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場順時(shí)針方向?yàn)檎?，?dāng)通入頻率為fc的勵(lì)磁電流后，在該繞組會產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，和電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，其轉(zhuǎn)速為:c=

fc*60c

2-1）假設(shè)此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為r,逆時(shí)針為正方向。則會在轉(zhuǎn)子感應(yīng)出頻率為fc的感應(yīng)電流，其形成的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：rc=c+r

2-2）則轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流頻率：f =rc*c（2-3）

rc 60由于功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直接反向序連接兩繞組中的電流幅值頻率相同即功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的電流頻率為:frp=

frc

（2-4）則其形成的旋轉(zhuǎn)磁場相對與功率電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：rp=

frp*60pp

（2-）由于和勵(lì)磁電機(jī)定子是反向序連接，所以其轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針方向。有磁勢平衡原理可知：功率電機(jī)定子的感應(yīng)電流同步轉(zhuǎn)速為：np=r?rp （26）功率電機(jī)定子感應(yīng)電流頻率為：n*pf= p p

27）p 60綜上所述可以得到級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)勵(lì)磁電流頻率fc率p0*(f?f)rn= p crpp+c

（2-8）同理可以推出當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在超同步狀態(tài)的時(shí)候勵(lì)磁電流頻率fc功電機(jī)頻率fp和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：0*(f+f)rn= p crpp+c

2-9）這樣我們就可以得出級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的總的勵(lì)磁電流頻率fc率電機(jī)頻率fp和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：0*(f±f)rn= p crpp+c

（10）即： f=f

?r*(pp±c) （21）c p 60當(dāng)處于亞同步狀態(tài)的時(shí)候取“，處于超同步的時(shí)候取“+”不難看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速r，控制繞組頻率fc和功率繞組頻率fp呈線性關(guān)系，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)候我們只需要控制fc做相應(yīng)的改變就可以保證fp不會發(fā)生改變從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻這也該類型電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性它兼具同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速硬特性和異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差特性很適合應(yīng)用于變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域?！?-3級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在電氣結(jié)構(gòu)上是由兩臺極對數(shù)不同的繞線式電機(jī)級聯(lián)而成的，所以其基本原理和交流電機(jī)的原理相同，我們可以利用交流電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型的方法去建立該類型電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。從電機(jī)學(xué)的理論可以知道電機(jī)基于靜止坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量高階非線性強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)分析研究這些系統(tǒng)和求解這些方程是相當(dāng)復(fù)雜的即使繪制結(jié)構(gòu)控制圖也并非容易為了使級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)具有可控性可觀性我們必須對其進(jìn)行等效簡化解耦使其成為一個(gè)線性解耦的系統(tǒng)在這里最為簡化使用的有效方法就是矢量坐標(biāo)變化方法下面就針對電機(jī)的矢量變化方法進(jìn)行介紹.2-3-1三相靜止-兩相靜止（3s/2s）變換（Clarke變換）按照矢量坐標(biāo)變換控制的基本原理將異步電機(jī)控制按照直流電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流那樣可以進(jìn)行獨(dú)立控制將定子電流中的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分（對于發(fā)電機(jī)而言是有功分量和無功分量解耦出來進(jìn)行獨(dú)立控制，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，使電機(jī)更加可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。在這里，必須經(jīng)過兩步坐標(biāo)變換：第一步是先將對稱A、B、C三相靜止坐標(biāo)系表示的異步電機(jī)矢量變換到固定在定子上的α-β平面直角坐標(biāo)系上其中α軸與軸重合但是其表示的物理量仍是時(shí)變量列出的數(shù)學(xué)方程仍比較復(fù)雜不能實(shí)現(xiàn)解耦第二步從固定的α-β直角坐標(biāo)系變換到按定子磁通方向?yàn)榇艌龆ㄏ虿⒁酝剿俣刃D(zhuǎn)的M-T直角坐標(biāo)系上，這個(gè)時(shí)候用新的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示的物理量是時(shí)不變量實(shí)現(xiàn)了完全解耦因此解決空間矢量如何進(jìn)行坐標(biāo)變換的問題是異步電機(jī)矢量變換控制的一個(gè)關(guān)鍵性問題[30。三相e圖2-2所示。α軸β軸B軸vvβ vCvB

AvAvθαA A軸vα vθαθA參考軸C軸圖2-2 Clarke坐標(biāo)變換Fig2-2Carkecoodiatetrnsforation對應(yīng)于三相A，B，C坐標(biāo)系：A矢量V=vA

+αvB

C+α2vC

ejθA

（212）對應(yīng)于α-β直角坐標(biāo)系：矢量V=(α

+jvβ

)ejθα

213）比較式（212和式（-3由復(fù)相等的原則則有(α

+jvβ

)ejθα

=(vA

+αvB

+α2v

)ejθA，C即：C2α+jvβ2

=(vA+αvB+α

2vC)e2

jθαθA)

=(vA+αvB+α

2vC)e2

jθA

214）式ejθαA

=cosθαA+jsinθαA

則有：

α+jvβ

=(vA+αvB+α

vC)(cosθA?sinθαA)利用oα=ej120o

=cos120o+jsin120o，α2=ej240

=e?j120o

=cos120o?jsin120o和三角中的和、差公o式，則可以得到：oα

o=cosθαA+cosθαA?120o

o)vB+cosθαA+120o

)vCvβ=?sinθAvA?sinθαA?120)vB?sinθA+120)vCo o將其寫成矩陣形式，即：?vA?ooo?α? ?cosθαAooov=v

cosθαA?120)

cosθαA+120

)??v?? ??β?

???sinθαA

sinθαA?120)

sinθαA+120

)????v

B?C?

（2-15）o由式（2-15可知，空間矢量由三相A，B，C坐標(biāo)系變換到α-β直角坐標(biāo)系，其變換矩陣為：oCA,B,Cα,β

?cosθ=? αA

cosθαA

?120o)

cosθαA

+120o)??

（2-16）??sinθαA

sinθαA

?120o)

sinθαA

+120o)?由于（2-兩個(gè)方程不能唯一的確定vA，vB，vC2-6變換陣為非方陣所以是不可逆的。式（2-16）為三相兩相的坐標(biāo)變換公式，考慮α軸與A軸重合時(shí)的夾角θαA為零，此時(shí)三相-兩相坐標(biāo)變換的矩陣表達(dá)式為：?i?

?cos0o

cos(?120o)

cos120o

?iA? ? 11??? 2?1??

1??i??α? ?= ?α

?i?= ?

2 2??i?

（21）iβ?

??sin0o

?sin(?120o)

?sin120o??B? 3? 3

3??B?? AiC? A2

?0

2 ?2?iC?式中，3

是從三相的標(biāo)幺量變換到兩相的標(biāo)幺量的折算因數(shù)。則不難看出式（2-17）即為為三相-兩相的變換公式。2-3-2兩相靜止-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系2s/2r）變換（Park變換）由矢量的等效原理可以知道一個(gè)在靜止坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)的矢量可以等效用一個(gè)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系靜止的矢量其效果是相同的基于此思想我們可以將在靜止坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)的矢量用在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下靜止的矢量表示，便于問題的研究。表示兩相兩相空間矢量的坐標(biāo)變換如圖2-3所。圖2-3Pak坐標(biāo)變換Fig2-3Parkoorintetrasforation圖中，α-β直角坐標(biāo)系的α軸與參考軸的夾角為θα，M-T直角坐標(biāo)系的M軸與參考軸的夾角為θM，M軸與α軸之間的夾角為θα對應(yīng)于M-T直角坐標(biāo)系：

=θM

?θα。矢量V=(vM對應(yīng)于α-β直角坐標(biāo)系：

+jvT

)eθM

（-8）矢量V=(α

+jvβ

)ejθα

（-9）比較式（2-1）和式（2-1，則有：(vM

+jT)e

jθM

=(α+jvβ)e

jθα

，即：vM+jT

=(α+jvβ)e

jθMθα)

=(α+jvβ)e

jθα

（2-20）利用公式ejθMα

=cosθ

α+jsinθ

α，則有：vM+jvT

=(cosθMαα+sinθαvβ)+j(?sinθαα+cosθMαvβ)，因此：vM=cosθMαα+sinθαvβvT=?sinθMαα+cosθMαvβ寫成矩陣形式，即：?vM?

?cosθα

sinθα??α?? ?=?

?? ?

（2-21）?T?

??sinθα

cosθα??vβ?由式（2-21可知，空間矢量由α-β直角坐標(biāo)系變換到M-T直角坐標(biāo)系，其變換矩陣為：?cosθα

sinθα??Cα,β→MT?

=??sinθα

cosθ

?α?

-2）同理，空間矢量由M-T直角坐標(biāo)系變換到α-β直角坐標(biāo)系，其變換矩陣為：?α?cosθ?α

sinθα?CMTα,β

=?sinθ

cosθα?

-3）?由式（2-2）和式（2-3）可見，正交變換的變換陣Cα,β→MT與逆變矩陣CMTα,β的乘積是單位陣，因此，兩相兩相變換是可逆的。?兩相兩相變換將交流量由兩相固定坐標(biāo)系變換成以轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流量如圖2-4所示α-β坐標(biāo)系是一個(gè)固定的平面直角坐標(biāo)系，M-T坐標(biāo)系是一個(gè)以同步角速度1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的平面直角坐標(biāo)系。M軸與α軸之間的空間角度為θ。β軸T軸iiβ M軸TiθiMα軸圖2-4aβ坐標(biāo)系和M-T坐標(biāo)系的矢量變換Fig2-4Tectortransforatonofα-βCordnaeoM-Tcoorintes根據(jù)兩相兩相坐標(biāo)變換公式（2-2，可寫出下列矩陣表達(dá)式：iM?

?cosθ

sinθ?α?? ?=?

?? ?

24）?T?

??sinθ

cosθ?iβ?uM?

?cosθ

sinθ?uα?? ?=?

?? ?

（2-）?uT?ψM?

??sinθ?cosθ

cosθ?uβ?sinθ?ψα?? ?=?

?? ?

2-26）ψT?

??sinθ

cosθ?ψβ?逆變換的矩陣表達(dá)式為：α?

?cosθ

sinθ?iM?? ?=?

?? ?

2-27）iβ?

?sinθ

cosθ

??T?uα?

?cosθ

sinθ??uT?? ?=?

?? ?

（2-8）uβ?

?sinθ

cosθ

?uM?ψα?

?cosθ

sinθ?ψM?? ?=?

?? ?

2-29）ψβ?

?sinθ

cosθ

?ψT?其中，α、iβ

、α、uβψαψβ為定子固定坐標(biāo)系的交流量經(jīng)過M-T坐標(biāo)系變換以后，iM、T、uM、T、ψMψT則為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流量。2-3-3從相靜止系到任轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換從前面兩節(jié)我們分別得出了三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化在這一節(jié)我們利用矩陣論的一些知識可以推導(dǎo)出進(jìn)行從三相靜止坐標(biāo)系C到任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的坐標(biāo)變換矩陣為：?osθ

osθ?2π) osθ+2π)?? 3 3 ?? ?C =C

*C =

2*??sinθ

?sinθ?2π)

?sinθ+2π)?

（2-0）3s/2r .BCα,β α,β→Μ,Τ

3? 3 3 ?? 1 1 1 ?? ?? 2 2 2 ?? ?則從任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q到三相靜止坐標(biāo)系C的變換陣：? sθ

?inθ 1?? 2?? ?C =C1

= 2*?θ?2π)

?iθ?2π) 1?

（23）2r/3s

3s/2r 3?

3 3 2?? ??sθ+2π)

?siθ+2π) 1?? 3 3 2?? ?其中在靜坐標(biāo)系中α軸和A軸式重合的θ為旋轉(zhuǎn)角度即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸與靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸的夾角。2-3-4級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型將三相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型中的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩變換到基于定子電壓旋轉(zhuǎn)矢量d-q坐標(biāo)系可得到兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的的數(shù)學(xué)模型由于d-q坐標(biāo)軸相垂直兩相繞組之間沒有磁的耦合，這使的數(shù)學(xué)模型得到很大的簡化[20。為了研究問題的方便，我們做如下的假設(shè)：1．功率電和勵(lì)磁電機(jī)沒有阻尼繞組。2設(shè)三相組對（在空間上互差120°的電度所產(chǎn)的磁勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。3．忽略磁的飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。4．忽略鐵損耗的影響。5．不考慮率和溫度對繞組電阻的影響。這樣按照電機(jī)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論在對稱且忽略零序分量的前提下將定轉(zhuǎn)子的多相電流電壓及磁鏈等參量轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子速d-q兩系統(tǒng)的統(tǒng)一變換矩陣為：? cospθr?β)

sinpθr?β) ?2?2scr= ?sm??

cospθr

β?ψ)M

sinpθr

β?ψ) ??M ???

（-2）?cospθr?β?(m?ψ)

sinpθr?β?(m?ψ)?其中P為極對數(shù)m為定轉(zhuǎn)子相數(shù)ψ代表定子或轉(zhuǎn)子相鄰兩相間軸線的機(jī)械夾角，θr為轉(zhuǎn)子起始相繞組軸線與坐標(biāo)q軸的空間位置機(jī)械角，β為定子A或A'相繞軸線與q的空間位置角。由于級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)功率電機(jī)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)子式同軸旋轉(zhuǎn)，為了將兩個(gè)電機(jī)統(tǒng)一起來進(jìn)行研究有必要將所有電量：up,ip,upr,ipr,uc,c,ur,cr全都等效到基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速m的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上找出基于該坐標(biāo)系下各個(gè)變量之間的關(guān)系建立起基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的數(shù)模型假定轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)dq的q率A制a轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子軸上的d-q兩相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣中的參數(shù)分別為：功率繞組定子的轉(zhuǎn)換矩陣：?(pΩt) (pΩt?2π) (pΩt+2π)?? pm pm 3

pm 3 ?? ?2? 2 2 ?Csp=3?(ppmt) (ppmt?3π) (ppmt+3π)?

（2-3）? 1 1 1 ?? ?? 2 2 2 ?功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)換矩陣in0 sin(?332π3) in2π3111? ?in0 sin(?332π3) in2π3111? ?? ??C=2?s?pr 3?

? （2-3）? ?? ?? 2 2 2 ???(pΩt)? cm(pΩt?2π)(pΩt+2π)???cm 3

cm 3 ?Csc

=2?i(pΩt) (pΩt?2π) (pΩt+2π)?

2-3）3? cm cm 3

cm 3 ?? 1 1 1 ?? ?? 2 2 2 ?控制電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)換矩陣：?s0 (?2π) s2π?? 3 3 ?? ?2? 2 2 ?Crc=3?sin0 sin(?3π) in3π? （2-6）? 1 1 1 ?? ?? 2 2 2 ?式2-33到-36是級聯(lián)無刷雙饋電機(jī)電量（電壓，電流，磁鏈）由三相靜止坐標(biāo)系先基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換的變換矩陣。這樣我們可以根據(jù)選定得坐標(biāo)系統(tǒng)、變換矩陣及電感參數(shù)矩陣，可以獲得d-q坐標(biāo)系中級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。功率繞組電壓、磁鏈方程:? ri

pωψ dψu(yù)qp=?

pqp+

prdp+dt qpd

ψqp=spiqp+Mpriqrpu =ri

?pωψ + ψ ??dp????

pdp pu =ri

rqp dt dp+dψ

ψdp=spidp+Mpridrp?ψqrp=riqrp+Mpriqp?

（-7）qrp?

rqrp

dt qrpd

ψdrp=ridrp+Mpridp? udrp=ridrp+dtψdrp控制繞組電壓、磁鏈方程:? ri

pωψ dψu(yù)qc=?

cqc+

crdc+dt qcd

ψqc=sciqc+Mcriqrcu =ri

?pωψ + ψ ??dc????

cdc cu =ri

rqc dt dc+dψ

ψdc=cpidc+Mcridrc?ψqrc=riqrc+Mcriqc

23qrc? u

rqrcri

dt qrcdψ

ψdrc=ridrc+Mcridc? drc=

rdrc+dt

drc由于級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)其功率電機(jī)和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是反相級聯(lián)而成，將滿足電量關(guān)系：uqrp+uqrc=uqr=0和udrp?udrc=udr=0

qrp+iqrc=iqrdrp?idrc=idr這樣可得級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在基于轉(zhuǎn)子速d-q坐標(biāo)系下以定轉(zhuǎn)子繞組的電流作為狀態(tài)變量的電壓矩陣方程為：qp?

?p+psp

prsp o

o ppr

prMpr?

qp?u?

?pωL

r+pL

pM ?i??dp? ?

prsp p sp

pr pr

pr?

?dp???u? ? o??

pωM

?i?qc? ?=?qc

c sc

crsc

cr cr

cr qc??

-9)oo?pωMroo?pωMr+pLpωL?pM

?rsc

c+psc

rcr

pcr

?dc??0?

?pM

?pM

r+pL

?i?? ? ? pr

cr r r

??qr??0? ? o

ppr

pcr

r+pr?

dr?式中：pp、rp、Lsp、Mpr為功率繞組的極對數(shù)電阻自感和功率繞組與轉(zhuǎn)子的互感；pc、c、Lsc、Mcr為控制繞組的極對數(shù)、電阻、自感和控制繞組與轉(zhuǎn)子的互感；r、r、ωr、為轉(zhuǎn)子電、自感和電機(jī)的機(jī)械角速度；uqp、udp、uqc、udc、uqr、udr、iqp、idp、iqc、idc、iqr、idr壓電流的瞬態(tài)值下標(biāo)p表示功率組c表示控制繞組s表示定子側(cè)r表示轉(zhuǎn)子側(cè)qd表示-q坐標(biāo)下qd軸分量；p示對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩方程式如下：e=ep+ec=ppMpriqpidr?idpiqr)?pcMcr(iqcidr+idscidr)

（-0）機(jī)械運(yùn)動方程如下：ωr

dt=1Je?l?Kdωr)

21）上述兩式中、Kd為轉(zhuǎn)子機(jī)械慣量、轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)；、e、ec分別為總轉(zhuǎn)矩、功率繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和控制繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，l

負(fù)載轉(zhuǎn)矩。式2-39為級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的數(shù)學(xué)型該數(shù)學(xué)模型為我們下一步進(jìn)行矢量控制對有功分量和無功分量的解耦控制奠定了理論基礎(chǔ)。§2-4本章小結(jié)本章細(xì)介紹了級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型和電氣連接情況。從電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁勢平衡的角度論述了該電機(jī)控制繞組頻率c功率繞組頻率p和電機(jī)轉(zhuǎn)速三者之間的約束關(guān)系可以得出該電機(jī)具備變速恒頻的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于風(fēng)速變化的風(fēng)力發(fā)電場合。接下來簡要介紹了坐標(biāo)變換和k坐標(biāo)變化的基本思想進(jìn)而按照通用異步電機(jī)的分析方法建立了基于靜止坐標(biāo)（C的電機(jī)數(shù)學(xué)方程和基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）的級聯(lián)無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)方程，從中得到了電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程，為下一節(jié)進(jìn)行級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析和電機(jī)的矢量控制奠定理論的基礎(chǔ)。第三章級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)控制特性分析當(dāng)前主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有三種類型定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不同的功率曲線變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，具有在額定風(fēng)速以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)當(dāng)功率在額定功率以下時(shí)葉片槳距角不作變化在零度附近調(diào)整轉(zhuǎn)速讓其工作在最佳葉尖速比狀態(tài)以最大程度的捕獲風(fēng)能等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的功率會根據(jù)葉片的氣動性能隨風(fēng)速的變化而變化當(dāng)功率超過額定功率時(shí)變槳距機(jī)構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片節(jié)距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定功率附近[46。從中我們不難看出，為了保證最大的風(fēng)能利用率，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要根據(jù)風(fēng)速的變化而相應(yīng)的變化而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電流頻率不能變化這就需要變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由前面的討論可以知道電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)候只要交流勵(lì)磁電流頻率也做相應(yīng)的變化就可以保證功率電機(jī)輸出頻率固定不變非常適合于在風(fēng)力發(fā)電場合因此就有必要對級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)情況進(jìn)行分析?！?-1級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析在第二節(jié)中，已經(jīng)介紹了級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行時(shí)速度和頻率的約束關(guān)系。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流頻率雖然是相同的，但由于兩臺電機(jī)的極對數(shù)不同（功率電機(jī)為pp，控制電機(jī)為c它們的同步速不同同一轉(zhuǎn)速下的滑差率也不相同根據(jù)異步電機(jī)滑差的定義有必要重新寫出各轉(zhuǎn)差率，表達(dá)式如下:功率電機(jī)轉(zhuǎn)子相對于功率電機(jī)定子繞組磁場的轉(zhuǎn)差率為（fp逆時(shí)針為正：s=f

n?n= p r

60*f?p*n= p p r

（3-）p f n

60*fp p p控制電機(jī)定子繞組磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率為（fc順時(shí)針為正：s=fc= c =

60*fc

3-2）c f n

nr

60*f

+p*nr c c c r雖然分別知道功率電機(jī)和勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)差，對于我們來說，有必要通過轉(zhuǎn)子電流相等這一特性將級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)由兩臺電機(jī)等效成一臺雙饋異步電機(jī)得出該電機(jī)總的等效轉(zhuǎn)差即控制繞組磁場相對于功率繞組磁場的轉(zhuǎn)差率稱為總轉(zhuǎn)差率為：f *f fs=s*s=

pr c= c

（3-）p c f

p*fr fp由以上式子，我們可以得出三者的關(guān)系為：1?s 1s=1?( p)c N

3-4）pp在式子中，N為功率電機(jī)與勵(lì)磁電機(jī)的極對數(shù)之比：c所以：

s=1+1)s?1N p N

（3-5）s= cN+1?N*c

3-6）式（3-5表示總的轉(zhuǎn)差率s與功率電機(jī)sp之間的關(guān)系式（3-6表示總轉(zhuǎn)差率s和控制電機(jī)c的關(guān)系，在這里我們以功率電機(jī)為基準(zhǔn)，僅僅討論功率電機(jī)轉(zhuǎn)差和總轉(zhuǎn)差的關(guān)系，不難看出，他們之間為線性關(guān)系對于次設(shè)計(jì)而言我們?nèi)」β孰姍C(jī)極對數(shù)為6勵(lì)磁機(jī)極對數(shù)為所以/3,則他們之間的關(guān)系如圖1所示：s1s0.5sp-0.5 -0.25

0 0.5 0.5 0.5 1-0.5-1圖3-1總差率s和功率電機(jī)轉(zhuǎn)差sp的關(guān)系Fig3-1Tereatonhipbeenhettalslipsndperotorslipsp從該圖3-1不難看出一下sp和s有以下特點(diǎn)該特點(diǎn)在我們以后分析電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候有很重要的意義：（）sp=1時(shí)，s

=1； 電機(jī)轉(zhuǎn)速為0（）sp=k

=1／+1時(shí)，s=0； 電機(jī)工等效同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁頻率為0（）k<sp<1時(shí)，s>0； 機(jī)工作在等效亞同步狀態(tài)（）0<sp<k時(shí)，s<0; 機(jī)工作在等效超同步狀態(tài)在這里，pp=6，c=2功率繞組接入50Z弦交流電：fp=50Z控制繞組接入頻率可變的電流fc，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在等效同步狀態(tài)時(shí)：s=0?sp=則等效同步轉(zhuǎn)速為：

1N+1

=0.25 （37）1=

60*fppp

*1?s)=500*0.75=375

（38）則我們可以得出：當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在35轉(zhuǎn)/以下亞同步狀態(tài)的時(shí)候，cn=60(fp?fc)=60(50?fc)=375?7.5f（其中f反相序?yàn)檎?39）cp+p 8 cc p當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在35轉(zhuǎn)/以上超同步狀態(tài)的時(shí)候cn=60(fp+fc)=6050+fc)=375+7.5f（其中f同相序?yàn)檎?（3-0）cp+p 8 cc p下面，就該電機(jī)在不同狀態(tài)的運(yùn)行情況分開進(jìn)行分析。為了分析方便,假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為n;功率繞組流相序(網(wǎng)電流相序)為正相序A-B-)時(shí)針，功率電機(jī)轉(zhuǎn)子和控制電機(jī)轉(zhuǎn)子反相級聯(lián)功率電機(jī)極對數(shù)為6對控制電機(jī)極對數(shù)為2對功率電機(jī)的1同步轉(zhuǎn)速n'1

=500。1. 工作在亞同步狀態(tài)（n<75）nnr=375?7.5fc3528

c=25*fcAfc01.5

50(z)圖3-2電轉(zhuǎn)速r與控制電機(jī)同步轉(zhuǎn)速c的關(guān)系圖Fig3-2Teagramofotorspedadontolotorsnchrnusseedrltin1對于功率電機(jī)而言于n<n'所以作在亞同步狀態(tài)此電機(jī)要穩(wěn)定運(yùn)行功電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場相對轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)方向必為逆時(shí)針方向(相應(yīng)地可知轉(zhuǎn)子電流的相序正相序),1n+npr=1'

（31）此時(shí)轉(zhuǎn)子電流fr=

pp*n

（3-2）再看控制電機(jī):由于其轉(zhuǎn)子繞組與功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為反相序連接,則其轉(zhuǎn)子電流為負(fù)相序,所以其轉(zhuǎn)子繞組的磁場相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向轉(zhuǎn)子電流頻率相等所以此時(shí)該電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場方向?yàn)轫槙r(shí)針，其中：n=0*fr

=pp*n

=n

（3-3）r r c c此時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)速為：n' =n +n

3-14）r r rpr r 由于是亞同步狀態(tài)，n <n,所以n'pr r p*n p

*n'此時(shí)控制繞組勵(lì)磁頻率：f=

c c=

c c，勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)方向和功率繞組旋轉(zhuǎn)磁場方向相反。c 從以上分析不難看出，當(dāng)工作小于375轉(zhuǎn)速時(shí)，對于功率電機(jī)而言，它工作在亞同步狀態(tài)，p=e+r能量由軸上機(jī)械能加上轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能量最終轉(zhuǎn)換為功率繞組的電能輸送到電網(wǎng)由圖3-2控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與其同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以看出來對于控制電機(jī)而言它的勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場方向和電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反在轉(zhuǎn)速小于88轉(zhuǎn)／分時(shí)候控制電機(jī)同步轉(zhuǎn)速大于電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)工作在第四象限在轉(zhuǎn)速大于28轉(zhuǎn)／分的候控制電機(jī)同步轉(zhuǎn)速小于電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)工作在第三象限在此區(qū)間控制電機(jī)處于反相電動狀態(tài)（倒拉反轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)P

=P+P'，軸上的機(jī)械功率P'加上勵(lì)磁繞組勵(lì)磁功r c e e率c最終轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子電率r，此功通過級聯(lián)子繞組輸?shù)焦β孰姟Ｔ谠撨\(yùn)狀態(tài)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流會變得很大。能量流動如圖3-3所示：電網(wǎng)p c

功率電機(jī) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)子功率

圖3-3亞步狀態(tài)功率電機(jī)和控制電機(jī)有功功率流向圖Fig3-3TheotoracieerflowdaraminSub-snchooustae2. 工作超同步狀態(tài)（n>7）1對于功率機(jī)而言：于電機(jī)轉(zhuǎn)速n<n'，所以功電機(jī)仍工在亞同步態(tài)，此時(shí)機(jī)要穩(wěn)定運(yùn)行功率電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場相對轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)方向必為逆時(shí)針方向,且其相對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速1滿足:n+npr=1'

（3-1）此時(shí)子電流fr=

npr*pp

(n'?n)*p1 p=1 p60 60再看控制電機(jī):由于其轉(zhuǎn)子繞組與功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為反相序連接,則其轉(zhuǎn)子電流為負(fù)相序,所以其轉(zhuǎn)子繞組的磁場相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向轉(zhuǎn)子電流頻率相等所以此時(shí)該電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場方向?yàn)轫槙r(shí)針，其中：n=0*fr

=pp*n

=n

（3-6）r r c c此時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)速為：n' =n +n

3-17）r r r由于是超同步狀態(tài),所以n'

0，由磁勢衡定理可知：p*n p*n'此時(shí)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁頻率：f=

c c=

c r

，勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)方向和功率繞組旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。c 從以上分析不難看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于375，對于功率電機(jī)而言，它仍工作在亞同步狀態(tài)，此時(shí)p=e+r能量由軸上機(jī)械能加上轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能量最終轉(zhuǎn)換為功率繞組的電能輸送到電網(wǎng)對于控制電機(jī)而言它的勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場方向和電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同電機(jī)工作在第二象限處于發(fā)電狀態(tài)此時(shí)：P'=P+P軸上機(jī)械功率P'轉(zhuǎn)換為勵(lì)磁繞組勵(lì)磁功率P和轉(zhuǎn)子電功率P勵(lì)磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子同e r c e c r時(shí)向外界輸送功率，其中轉(zhuǎn)子功率輸送到功率電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，勵(lì)磁電機(jī)定子繞組功率返回給變流器。電網(wǎng)p c

功率電機(jī) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)子功率

圖3-4超步狀態(tài)功率電機(jī)和控制電機(jī)有功功率流向圖Fig3-4TheotoracieerflowdaraminSupersnchrooustate3. 工作同步狀態(tài)（n=75）當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為35/時(shí)（s=0，勵(lì)頻率為0Z控制電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流生成的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為-375轉(zhuǎn)/即為順時(shí)針方向功率電機(jī)轉(zhuǎn)子電流繞組生成旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為373=2為順時(shí)針方向。c=n+r=0

（3-18）此時(shí)勵(lì)磁電機(jī)工作在同步運(yùn)行狀態(tài)，勵(lì)磁電機(jī)勵(lì)磁繞組僅僅提供無功，并沒有消耗有功，e=r，既軸上機(jī)械功率全部轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子電功率，通過級聯(lián)輸送到功率電機(jī)。對于率機(jī)而，仍工在同步態(tài)，p=e+r，能量由軸上機(jī)械能加上轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能量，最終轉(zhuǎn)換為功率繞組的電能輸送到電網(wǎng)。電網(wǎng)p c=0

功率電機(jī) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)子功率

圖3-5同狀態(tài)功率電機(jī)和控制電機(jī)有功功率流向圖Fig3-5Theotoracieerflowdaraminsnchooussate4. 電機(jī)轉(zhuǎn)速大于50轉(zhuǎn)/時(shí)候（n>0：n c=25*fc55

nr=375+7.5fcB35fc0214

50(z)圖3-6轉(zhuǎn)大于50轉(zhuǎn)時(shí)，控制電機(jī)同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig3-6Teagramofconrolotorsnchroouspedadotorspeedaoe00n/m1對于功率機(jī)而言：于電機(jī)轉(zhuǎn)速n>n'，所以功電機(jī)仍工在超同步態(tài)，此時(shí)機(jī)要穩(wěn)定1運(yùn)行率電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場相對轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)方向必為順時(shí)針方向,且其相對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速滿足:

nr=n?1'

（3-1）pp*n此時(shí)子電流fr= 再看控制電機(jī):由于其轉(zhuǎn)子繞組與功率電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為反相序連接,則其轉(zhuǎn)子電流為負(fù)相序,所以其轉(zhuǎn)子繞組的磁場相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向轉(zhuǎn)子電流頻率相等所以此時(shí)該電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場方向?yàn)轫槙r(shí)針，其中：n=0*fr

=pp*n

=n

3-20）r r c c此時(shí)勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)速為：r r rn' =r r r

（3-21）e r 由于是超同步狀態(tài)，P=P,所以n'e r p*n p

*n'此時(shí)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁頻率：fc=

c c=

c c，勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)方向和功率繞組旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。0 從以上分析不難看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于500，對于功率電機(jī)而言，它工作在超同步狀態(tài)，此時(shí)e=p

+r能量由軸上機(jī)械能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能量和功率繞組的電能輸送到電網(wǎng)對于控制電機(jī)而e c言，的磁旋磁場方向電轉(zhuǎn)速向同，于電狀，時(shí)：P'+e c

=r，軸上的機(jī)械功率P'加上轉(zhuǎn)子電功率P等于勵(lì)磁繞組勵(lì)磁功率P勵(lì)磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子同時(shí)向外界輸送功率其中轉(zhuǎn)子功e r c率輸送到功率電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，勵(lì)磁電機(jī)定子繞組功率返回給變流器能量流動如圖3-7所示）電網(wǎng)p c

功率電機(jī)

轉(zhuǎn)子功率

控制電機(jī)

圖3-7轉(zhuǎn)大于50／分時(shí)功率電機(jī)和控制電機(jī)有功功率流向圖Fig3-7Theotoracieerflowdaramabove0n/m但是由（3-6我不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于55轉(zhuǎn)分的時(shí)候控制機(jī)的同步轉(zhuǎn)速開始大于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電機(jī)由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訝顟B(tài)既電機(jī)工作由第二象限過渡到第一象限此時(shí)對于e c控制電機(jī)而言吸收轉(zhuǎn)子功率和勵(lì)磁功率最終轉(zhuǎn)變成機(jī)械功率即：P'+e c

=r在這種工作狀態(tài)下，對于轉(zhuǎn)子軸而言功率電機(jī)做負(fù)功而控制電機(jī)做正功又由于兩個(gè)電機(jī)是級聯(lián)在一塊的他所有電磁轉(zhuǎn)矩的方向正好相反，電機(jī)運(yùn)行將會不穩(wěn)定，一般情況下是不允許電機(jī)工作在該情況下的。電網(wǎng)p c

功率電機(jī)

轉(zhuǎn)子功率

控制電機(jī)

圖3-8轉(zhuǎn)大于55分／轉(zhuǎn)時(shí)功率電機(jī)和控制電機(jī)有功功率流向圖Fig3-8Theotoracieerflowdaramabove5/m§3-2無刷雙饋電機(jī)v/f控制在標(biāo)量控制中變壓變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用的作為廣泛由電機(jī)學(xué)原理可以知道異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=0fs1?s)p

3-22）因此，改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。但是，*在實(shí)際應(yīng)用中考慮到電機(jī)的磁飽和情況不能僅僅靠調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速Ie*

去改變電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時(shí)，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。在基頻以下調(diào)速時(shí)希望保持電機(jī)中磁通為恒定不至于出現(xiàn)磁飽和情況這樣電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn)，不會出現(xiàn)鐵芯過熱。有公式：EEs=4fsNsKsΦm? sE

f=.4NsKsΦmfs

（3-3）為了保證Φm=C（恒定當(dāng)頻率fs在基頻以下調(diào)節(jié)的時(shí)候必須要同時(shí)降低Es以保證Φm恒定，此速過程為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制。在基頻以上調(diào)速時(shí)既當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的時(shí)候其定子的供電頻率大于基頻果維持Φm=C不變的話其定子電壓過高會損壞電動機(jī)的絕緣特性這是不允許的因此當(dāng)fs在基頻以上的時(shí)候往把定子的電壓限定在額定電壓值并保持變由（323以道磁通Φm與fs成反比例下降，相當(dāng)于直流電動機(jī)的弱磁升速的情況，此調(diào)速過程為恒功率調(diào)速控[1。對于級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)而言它的的理想工作方式是雙饋同步運(yùn)行方式在這種運(yùn)行方式下可以通過改變控制繞組激勵(lì)的幅值以及頻率fc，即可實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)性能(效率、功率因數(shù)等)的制。這就是標(biāo)量控制的思想。1.電機(jī)轉(zhuǎn)控制對于所給定的速度，由定的電機(jī)轉(zhuǎn)速r和勵(lì)磁頻率fc換算關(guān)系式60*(f±f)n= p c

3-4）r p+pc p就可以得到控制繞組的電壓頻率，即變頻器的供電頻率：fc=fp

n*(p+p)±r p c

3-2）在這里，取fp=50（即電頻率為50，pp=6，c=2這樣就可以得出f?f?c?f?f?c

=5?r=r?

(

（3-6）其中式3-26（1）式為同步狀態(tài)速與勵(lì)磁率的關(guān)系（2）為超同狀態(tài)轉(zhuǎn)速勵(lì)磁頻率關(guān)系2.電機(jī)功因數(shù)控制在實(shí)際運(yùn)行的過程中我們不但要對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整更重要的是要對發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功和有功功率進(jìn)行調(diào)整使風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在合適的功率因數(shù)狀態(tài)下根據(jù)級聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以知道功率繞組的功率因數(shù)控制可以通過控制變頻器的輸出電壓或電流的幅值和相位來控制功率電機(jī)的功率因數(shù)功率繞組的電流電壓的有效值可以被檢測出來其功率因數(shù)也可以通過有功無功測量模塊測圖0來[13。圖3-9級式無刷雙饋電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路Fig3-9Casaebruhlessdubl-fedotrsteadstteeqialntcicut由于變頻器一般運(yùn)行于電流控制模式因此控制繞組電流的給定值需要計(jì)算出來由穩(wěn)態(tài)等效電路的轉(zhuǎn)子電路可得：0=?X

prIp

pcosΦ?p

Xcr

Icr

+rsr

Irr

+XrIrr

（32）0=?X

prIp

psinΦ?p

Xcr

Icr

+rsr

Irr

XrIrr

3-2）其中Xr=Xrl+Xrm

， Sr=

ωp?ωc) 。ωpIcr、Irr分別為控制繞組電流實(shí)軸和虛軸分量。由方程（3-27圖0?XprIpI =

spcosφ?+rspr

In+Xr

Irr

3-2）XcrXcrIcr=

XprIp

sinφ??rsprspXcr

In+X

rIrr

3-0）合成電流的幅值為：2 2Ic=

Icr+Irr

3-31）在實(shí)際應(yīng)用中要求的功率因數(shù)可能為一常數(shù)對于風(fēng)機(jī)而言一般在0.9以這樣使控制繞組圖0圖3-10速和功率因數(shù)雙閉環(huán)標(biāo)量控制框圖Fig3-0heoble-opsalardigramofspedndperfactorctrol標(biāo)量控制利用反饋采用簡單PI調(diào)器來實(shí)現(xiàn)給定增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制算法用穩(wěn)態(tài)等電*路控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)是具有一個(gè)同步回路在快要失去同步時(shí)控制繞組頻率計(jì)算值fc與給定值fc**的差別較大如果這種差別沒有減小的趨勢那么標(biāo)量控制算法控制器會指示將fc調(diào)整以接近fcc調(diào)節(jié)PI參，這樣就保證了同步運(yùn)行并最終建立所需的速度[55。對于功率因數(shù)的控制也是采用PI控，利用測得實(shí)際功率因數(shù)和參考功率因數(shù)比較，通過PI控制計(jì)算出期望勵(lì)磁電流I*，并和實(shí)際測得的勵(lì)c磁電流I比較，得到需要的勵(lì)磁電流I*

，送入到變流器進(jìn)行控制。c e標(biāo)量控制采用算法比較簡單容易在較低價(jià)格的微處理器上實(shí)現(xiàn)可以在一定程度上提高無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電性能適用于對動態(tài)性能要求不高的場合如風(fēng)機(jī)水泵等但是對于對動態(tài)特性要求較高的風(fēng)力發(fā)電場合由于其不能實(shí)現(xiàn)功率電機(jī)定子側(cè)有功功率和無功功率的解耦不能分別對其進(jìn)行獨(dú)立控制，所以效果不是很理想。下面，應(yīng)結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的功率特性對其矢量控制進(jìn)行分析研究?！?-3級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)功率控制策略目前的變漿距變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)都應(yīng)能夠在低風(fēng)速時(shí)能跟上風(fēng)速的變化在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能;在高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。PB C額定功率啟動A功率04 12 32

風(fēng)速(/s)圖3-1變距變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率特征曲線Fig31ariblepthFdobl-fedindgnerarpoerharcterisiccure根據(jù)不同的風(fēng)況和功率曲線，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行一般可分為三個(gè)不同的階段（如圖3-1所示。第一階段是起動階段當(dāng)作用在風(fēng)輪機(jī)上的風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)打開剎車系統(tǒng)釋放葉片開始帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到切入速度時(shí)，發(fā)電機(jī)開始并網(wǎng)發(fā)電，如圖3-1中的點(diǎn)。第二階段是風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域此階段對應(yīng)圖3-1中的B段曲線其中B點(diǎn)對應(yīng)額定風(fēng)速勵(lì)磁控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其工作在最大葉尖速比的速度下以最大限度地獲取風(fēng)能。第三階段是當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入恒功率控制狀態(tài),如圖中BC段。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢風(fēng)速快速變化產(chǎn)生的機(jī)械能的波動通過迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來平衡[54。所，高于額定風(fēng)速時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)的恒功率控制是由變槳距控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制系統(tǒng)共同完成的。在實(shí)際發(fā)電運(yùn)行中，除了要控制的輸出有功功率以外，還需控制的輸出無功功率，對電網(wǎng)進(jìn)行一定無功支持，這些綜合稱之為的功率控制。功率控制的優(yōu)劣直接影響最大風(fēng)能追蹤的效果以及電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性要實(shí)現(xiàn)功率控制首先需要根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速和電網(wǎng)的運(yùn)行情況計(jì)算參考功（參考有功功率和參考無功功率下面主要介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的參考功率的計(jì)算方法。3-3-1低于額定風(fēng)速時(shí)的功率控制策略1．考有功率的計(jì)算由貝茲理論可以得知，風(fēng)機(jī)從風(fēng)能機(jī)吸收的能量為：P=1CAρv3w 2 p式子中，Cp為風(fēng)機(jī)功率系數(shù)，為葉片掃略面積，ρ為空氣密度，v為風(fēng)速。則當(dāng)風(fēng)機(jī)工作在最大葉尖速比的時(shí)候：3w=wx=v3在式子中

k=1C Aρ(R)3

（其中λ為最大葉尖速比，R為風(fēng)輪半徑）2 pax λ一般在低于同步速運(yùn)行的時(shí)候我們都要求風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大葉尖速比狀態(tài)下這樣風(fēng)輪捕獲的風(fēng)功率為最大即P=P

=v3顧及到P

=P+P（P

為發(fā)電機(jī)損耗此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的考w w

w 1 u1

u11 1有功功率P值就是發(fā)電機(jī)的參考有功功率1 1P?=

1(P

?P)?P （3-3）1 1?s把 3 2

ax

s u1ax=kωw、u1=3I11代入（3-32）得? 1 3 2P= (kω?P)?3I1 1?s ww s 11? ?

3-）設(shè)功率機(jī)定子電壓Up=Up為基準(zhǔn)相量則定子電流相量可寫為Ip=Ir+jIpi，Up和Ip分別為定子電壓和電流的有效值。則有?? ????p=R3UpIp)=UpIpr?

4）? ?p m pp ppiQ=I3UIp m pp ppi進(jìn)而有

??I?I??

=pUpI?I???

Q= pUp1

（.5）?I (I2

(P+Q)+I2)2= p p

=Sp1?p= pr pi

2 22U U? p p式中：S=

P2+Q2為輸出視在功率。p p p將（3-33代入上式可得1 1 1

(P?)2+BP?+C=0

（3-6）??A=??

11U21?B=1?C=

1(kω3?P)+

11Q1

3-37）? s?1

ww s

U2 11方程（3-36）關(guān)于P?有實(shí)數(shù)解的條件為1B2?4AC≥0

3-3）方程的解為

1P?=1

1(?B+2A

B2?4C)

（33）1 w所以在條件滿足方（3-36有的情況下，P?的計(jì)算需要參數(shù)電網(wǎng)參數(shù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 w（或異步發(fā)電機(jī)角速度ωr=nωm=nNωw，是齒輪箱增速比、有無功功率1，下圖中圖3-12? [22]的計(jì)算模型是在最大風(fēng)能捕獲基礎(chǔ)上的1的計(jì)算模型 。12．參考無功率Q?的計(jì)算輸出無功功率的極限范圍通過求解（3-38）可得到如下1U2

U2(P?P)Q≤ 1+ 1 0

3-4）11 4R21

1?s)1111依據(jù)性能評價(jià)函數(shù)的不同選取Q?有兩種不同的計(jì)算方法：一種為性能評估函數(shù)從FIG側(cè)選取，G自身損耗可以降低，G的運(yùn)行狀況可以優(yōu)化；另一種為性能評價(jià)函數(shù)從電力系統(tǒng)側(cè)選取，電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況被優(yōu)化電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性有所提高也就是說確定的參考功率Q?需根據(jù)電力系統(tǒng)的需求所以以說參考無功功率的求取即是在允許G運(yùn)行范圍內(nèi)尋求某一特定的無功功率Q?使某種性能評價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)[23。1111本論文采用性能評估函數(shù)從側(cè)選取的方案來選取Q?目的是為了提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率最1大程度地降低自身損耗。G各種損耗i之和為評價(jià)函數(shù)，即f=∑i

3-41）定子銅耗與轉(zhuǎn)子銅耗是與1有關(guān)的主要的損耗功率，所以上式也可表示為f=u1+u2

3-42）控制繞組的定子電流計(jì)算公式如下：I= 1

1??(R2+X2(P2+Q2)+6PRU2+QRU2+U4?2?

3-4）c3XUpc

p p p p pp p pp p p?2 2（3-43）入定、轉(zhuǎn)子銅耗u1=3I11、u2=3I22（3-42）式可示為f=aQ2+bQ+c

（3-4）1 1其中a、b、c系數(shù)分別為?a=

1 (RX2+R2R

+X2R)? 3X2U2 1m

12 12? m1?b=

6XRU21213X121

（3-5）? m1? 1c=

?(RX2+R2R

+X2R)P2+6RRU2P+9RU4?? 3X2U2? 1m

12 12 1 1211 21?? m11取Q?1

=?b/2a，f有最小值。fn=

4c?b24a

（46）1將a、b、c代入Q?1

=?b/2a可得1