双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述.doc

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题目双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述

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2013

双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述

摘要：近年可再生能源的开发利用越发受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源。风力发电技术可分为两种系统：恒速恒频和变速恒频风力发电系统。由于后者具有风能利用率高，有功、无功可独立调节，系统采用交流励磁等优点，成为了当今风力发电技术的发展方向。在变速恒频风力发电系统中，多采用交流励磁的双馈型变速恒频风力发电机。交流励磁通过变频器控制，其性能直接影响发电机与电网的运行。所以，本文以成熟的双PWM变换器励磁系统，和处于理论阶段的矩阵变换器励磁系统为讨论对象，阐述了两种励磁方式的原理，总结了各自优缺点。
关键词：风力发电，变速恒频，交流励磁，双PWM，矩阵变换器

1双馈型异步发电机变速恒频运行的基本原理
双馈型异步发电机具有定子绕组和转子绕组两套绕组，它们分别接到不同的两个独立三相对称交流电源，其转子侧可以根据情况输入交流电流励磁(在亚同步或超同步运行时)，也可以输入直流电流来励磁(在同步速运行时)，可以向电网回馈电能。当采用交流励磁时，通过调节转子侧励磁电流的频率可以控制电机的转速，从而使得双馈发电机内部的电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机。
从电机学可知，电机稳定运行时，转子旋转磁势是跟随定子旋转磁势同步运行的[1]，是相对静止的，双馈异步电机的转速和频率的关系式可表示为[2]:
(1)
式(1)中：
f1表示定子绕组电流频率；
f2表示转子绕组电流频率；
p表示电机的极对数；
n表示转子旋转的转速。
其中，正号表示转子转速低于定子磁场旋转速度，系统亚同步运行，负号表示转子转速大于定子旋转磁场转速，系统超同步运行，此时转子绕组的相序必须和定子的相序相反。从以上关系式可以看出，当风速变化引起转子转速变化时，只要调节转子励磁电流的频率f2，就可以使系统并网时定子输出频率保持为工频。
1.1三相静止坐标abe下的双馈电机数学模型
双馈风力发电机在三相静止坐标系下物理模型如图1所示。首先假设发电机定子、转子都是星形连接，下面列出双馈电机的运动方程、电压方程、磁链方程和转矩方程[3]。图1双馈电机物理模型简图
定子方程为：
(2)
转子方程为：
(3)
两相旋转坐标系dq下的双馈电机数学模型
(1)双馈电机电压方程
由于d、q坐标轴相互垂直，其在两相绕组之间没有磁的耦合，如果将上述在三相静止坐标系下的双馈机模型转换到两相旋转坐标下。那么双馈电机的模型将会大大简化。其具体方程如下[3][4]：
定子绕组电压：
(4)
转子绕组电压：
(5)
式中ω1为同步角速度，ωs为转差角速度。
(2)双馈电机磁链方程
定子磁链方程:
(6)
转子磁链方程:
(7)
(3)电压电流间的关系
结合电压方程与磁链方程可得到电压与电流之间的关系为
(8)
1.3定子磁链定向矢量控制
从动态数学模型分析中，对双馈电机进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d、q两轴的相互垂直关系及与定子频率同步的旋转速度，并没有规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。如果选择d轴沿着定子磁链矢量的方向，q轴垂直于定子磁链矢量方向，这样将发电机惯例变换至两相旋转坐标d-q坐标系下按定子磁链定向时，此时由于两相绕组之间没有磁的耦合，电机模型将得到很大的简化，所以当三相静止的发电机模型变换至定子磁链定向的以同步速旋转的两相坐标系时，可以简化控制[5,6]。
1.4小结
给出了交流励磁双馈发电机的在不同参考坐标系下的数学模型，说明了定子磁链定向的矢量变换控制策略简化了双馈电机的控制方法。以下将阐述基于双PWM交流励磁和基于矩阵变换器交流励磁的风力发电系统。

2基于双PWM双馈风力发电励磁系统
在交流励磁变速恒频风力发电系统中，为了实现定子侧电能的恒频输出，必须在双馈电机的转子侧调节转子电流频率的大小，根据机组的转速调节转子电流的频率，从而实现变速恒频输出；通过控制转子电流的d，q轴分量，实现DFIG的有功功率和无功功率的解耦控制和最大风能追踪运行。
在实际应用中，交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器首先应是一种“绿色”变换器：谐波污染小，输入、输出特性好；其次应具有功率双向流动的功能；最后还要能在不吸收电网无功功率的情况下具备产生调节无功功率的能力。从变换器实现的功能上来看，具有良好的输入输出性能，功率因数任意可调和具有能量双向流动的传统的交直交双PWM变换器完全可以满足这种要求[7][8]。
2.1双PWM电路结构
双PWM变换器主电路如图所示，是由两个电压型三相PWM变换器通过背靠背的方式组成，其中包括整流器和逆变器，但具体的功能是变化的，所以一般按位置分为转子侧变换器和电网侧变换器[9