變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組

變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組,變速,恒頻雙饋,風力,發(fā)電,機組 摘要 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組 無功輸出能力研究 摘要 隨著世界上可再生能源的日益發(fā)展，各種可再生能源技術的研究也越來越受到重視。風能己經(jīng)成為受世界各國普遍關注的能源，所以風力發(fā)電技術的研究和應用在這幾年中突飛猛進。風能憑借其多方面的優(yōu)點，在新能源的開發(fā)利用中脫穎而出。在大功率風力發(fā)電領域，雙饋風力發(fā)電機憑著其體積小、重量輕、所需變頻器容量小、供電質量高等特點而成為大型風力發(fā)電機的主力機型。雙饋風力發(fā)電機將由葉片吸收的風能，經(jīng)齒輪箱升速后轉換為電能，雙饋變流器對發(fā)電機發(fā)出的電能變頻、濾波并將其并入電網(wǎng)。 本文的研究工作主要是針對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組無功輸出能力及變頻器而展開的。根據(jù)變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的要求，本文首先對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組網(wǎng)側以及轉子側的變頻器的控制原理進行了詳細深入地比較分析。其次對風力發(fā)電機組變頻器的要求，設計了變頻器，并且使用MATLAB進行了仿真研究，對所設計的變頻器進行實驗，從實驗所得的數(shù)據(jù)驗證理論分析和設計的正確性。同時也說明了雙饋發(fā)電機在保證有功輸出的情況下能夠有效地調節(jié)無功功率，保證變速恒頻風電機組的穩(wěn)定運行。 關鍵詞：變速恒頻風電機組；變頻器；控制策略 II Abstract ANALYSIS ON THE REACTIVE POWER OF VARIABLE SPEED CONSTANT FREQUENCY DOUBLY-FED WIND TURBINE ABSTRACT Wind energy is gaining more and more attention. However, due to the uncontrollable of wind, wind power is difficult to predict, When the wind farm exports bus down to a certain extent， generator will show a different operating with the steady-state even off-grid operation. Therefore, the accurate analysis of the double-fed wind turbine operation on the impact of network security and reliability is essential. First, this paper introduces the structure and principle of double-fed generator and analyses the doubly-fed wind turbine model, the key parameters of the wind turbine were proposed and the sensitivity analysis of these parameters was carried out. The physical meaning of these parameters was analyzed. The double-fed wind power generator transforms the wind energy absorbed blades to electric power after its speed is rising by the gear-box. The converter connects the electric power with the grid after the frequency conversion and filter. So the core technology of the wind turbine is the converter, its efficiency and reliability will directly affect the performance and investment of the system. The difference on the analysis of the doubly-fed wind power generator between this paper and others is that it analyzes the steady-state of the generator on the base of its equipment circuit. And it gives the design of the converter. The paper avoids the complexity when we need to give the generator mathematical modeling and the vector transformation. The paper proposes the work principle and the operation conditions of the generator. Then it analyzes the steady-state on the base of its equipment circuit and uses MATLAB to simulate the steady-state analysis. Keywords: double-fed wind generator；converter ；control strategy; II 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1引言 1 1.1研究背景及意義 1 1.2雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 2 1.2.1風力發(fā)電技術分類 2 1.2.2變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 3 1.3論文主要研究工作 5 2變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組及變頻器工作原理 5 2.1變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的結構與原理 5 2.1.1變速恒頻雙饋風電機組的結構 6 2.1.2變速恒頻雙饋風力發(fā)電機工作原理 6 2.2變頻器工作原理分析 7 2.2.1國內外變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 7 2.2.2變頻器的作用及其實現(xiàn)方案 7 2.2.3PWM整流器基本原理 9 2.2.4PWM逆變器基本原理 11 2.3 本章小結 12 3變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組無功輸出能力與變頻器關系研究 13 3.1 變頻器的數(shù)學模型 13 3.2控制策略分析及控制器設計 14 3.3 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組無功輸出與變頻器的關系 15 4變速恒頻雙饋風電機組并網(wǎng)運行特性及變頻器的仿真 17 4.1風力機與機械傳動部分模型 17 4.2雙饋感應發(fā)電機模型 17 4.3變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的仿真 18 4.4雙PWM三電平變頻器的聯(lián)合仿真 20 5結論與展望 22 5.1結論 22 5.2展望 22 參考文獻 23 致謝 24 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 1引言 1.1研究背景及意義 隨著人類社會進入21世紀，經(jīng)濟迎來飛速發(fā)展的新時期。同時工業(yè)化進程的進一步加快，使得能源消耗逐漸增加;工業(yè)生產(chǎn)過程中有害物質的排放量與日俱增，造成氣候異常、自然災害頻發(fā)和惡性疾病多發(fā)，因此能源與環(huán)境問題已成為當今世界所面臨的兩大重大課題。 長期以來，我國能源利用結構不盡合理。我國的能源利用中煤炭占2/3以上，油氣及核能和水電比例相對較低。這種能源結構不僅造成煤炭資源過分開采和浪費，而且造成大量環(huán)境污染。因煤炭燃燒而排放的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物和煙塵分別占全國相應排放量的87%、71%、67%和60%，這與國家領導人在2009年底哥本哈根世界氣候大會上的許諾“2020年單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%”相比仍有較大差距，這就要求可再生能源的應用成為今后發(fā)展的必然趨勢。同時，我國能源利用技術水平低、能效低，能源加工、轉換、輸送和終端利用的效率為32%，比國際先進水平低10個百分點。此外，我國石油資源有限，現(xiàn)正開采的油田大多數(shù)進入開采的中后期。1993年我國從石油凈出國變?yōu)閮暨M口國，石油進口的依存度逐年上升。隨著我國對石油需求量的逐年增加，石油進口的依賴程度會繼續(xù)大幅攀升，我國能源安全面臨重大挑戰(zhàn)。曾有科學家預計，21世紀最重要的能源是核能、風能、太陽能、地熱能和潮汐能等。風能作為新型可再生能源的一種，有著取之不盡、用之不竭的優(yōu)點。它是太陽能的一種轉化形式，是一種不產(chǎn)生任何污染物排放的可再生自然資源。風能的開發(fā)利用已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風能就曾作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉等。風力發(fā)電具有無污染、投資周期短、占地少等優(yōu)點，因此，風力發(fā)電技術受到世界各國的青睞，也是當今世界能源開發(fā)利用中最成熟、最具商業(yè)化開發(fā)前景的領域之一。 19世紀末，丹麥人首先研制了風力發(fā)電機。1891年，丹麥建成了世界第一座風力發(fā)電站，自那以后，由于經(jīng)濟和技術等方面的原因，風能的開發(fā)走過了漫長的歷程。1973年石油危機發(fā)生以后，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費，動員高科技產(chǎn)業(yè)來研制現(xiàn)代風力發(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時期[1]。一百多年來，風力發(fā)電技術不斷進步，發(fā)展速度加快，風場規(guī)模不斷擴大。與很多年前相比，單個風機的出力達到原來的二百倍，一個現(xiàn)代化風電場的發(fā)電量己經(jīng)與一個常規(guī)電廠的發(fā)電量相當。 2009年全球風電裝機總量達到157.9千兆瓦，較上年增加了37.9千兆瓦，美國繼續(xù)保持世界風電裝機容量第一的地位，入網(wǎng)風電達到35千兆瓦，裝機容量比去年新增39%，接近10千兆瓦。去年年初，曾有專家預計美國風電發(fā)展可能會由于經(jīng)濟危機而萎縮50%，但美國的經(jīng)濟振興計劃扭轉了風電下滑的趨勢。曾經(jīng)是世界風電最大市場的歐洲2009年繼續(xù)保持強勁增長，新增裝機容量達到10.5千兆瓦。我國幅員遼闊，風能資源十分豐富，兩大風能地帶—西北、華北、東北和東南沿海為風能資源豐富區(qū)，跨全國21個省、市、自治區(qū)。到2006年底，我國己建成和在建的共約91個風電場，裝機總容量達2600兆瓦。2007年風電市場增長速度更快，預計到2008年將提前達到5千兆瓦的目標。同時，有關部門正組織編制有關風電前期、建設和運行規(guī)程，風電場管理在逐步走向規(guī)范化。2009年中國(不含臺灣省)新增風電機組10129臺，容量13803.2兆瓦，年同比增長124%;累計安裝風電機組21544臺，容量25805.3兆瓦，年同比增長114%。根據(jù)統(tǒng)計與預測，截至到2009年12月31日，中國有8個市的累計風電機組裝機容量超過1000兆瓦，分別是內蒙古的錫林郭勒盟、烏蘭察布市、赤峰市、巴彥淖爾市和通遼市，河北的張家口市，吉林的白城市，甘肅的酒泉市。在2010年，中國將在23個省份有新增風電裝機，除臺灣省外，其他省份的預計新增裝機容量將達到10295.7兆瓦。其中，內蒙古的新增裝機容量將繼續(xù)保持領先地位，達到2901.1兆瓦;甘肅的新增裝機容量將位居第二位，達到2861.5兆瓦;河北省將以1175.8兆瓦的新增裝機容量位居第三位[2]。隨著風力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，新的挑戰(zhàn)隨之而來，最主要的是風力發(fā)電給電力系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)對電力系統(tǒng)提出了新的要求，主要有:電力系統(tǒng)的配置、風力發(fā)電的裝機容量和風力發(fā)電系統(tǒng)輸出能量的變化。因為風能每時每刻都在發(fā)生變化，這些變化將直接影響風力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的變化。由于風能的變化性，要求我們的電力系統(tǒng)具有很強的適應性。針對風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響，為了大規(guī)模利用風能必須解決以下問題: (1)電網(wǎng)的基礎性設施建設，包括傳輸線路的延長和已有電力線路的加強等問題; (2)電能的充足性問題，電力系統(tǒng)必須有充足的發(fā)電量來滿足用戶負載的變化，同時針對風電的不穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)要有充足的調峰調荷能力; (3)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制需進一步的加強; (4)電力市場的規(guī)劃問題; (5)相應的政策法規(guī)問題。 只有通過現(xiàn)代先進的科學技術手段來規(guī)劃、解決上述問題，才能使我們的風力發(fā)電更加健康的發(fā)展，使風力發(fā)電更好的為人類進步和社會發(fā)展做貢獻。 1.2雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 1.2.1風力發(fā)電技術分類 一百多年來，隨著科學技術的不斷進步，風力發(fā)電技術也取得了迅猛的發(fā)展。風力機主要有垂直軸風力機和水平軸風力機兩種類型，垂直軸風力機可以在任何方向獲得風能，但是其捕獲風能的效率低，因此不被廣泛使用(見下圖1.1);水平軸風力機使用較廣，一般采用三葉片形式(見下圖1.2)。 圖1.1 垂直軸風力機 圖1.2水平軸風力機 風力機在不同風速下有一個最佳運行轉速，在此最佳轉速時對風能的捕獲效率最高，而且風施加給風力機的應力最大，所以應控制風力發(fā)電機組運行在這個最優(yōu)化的轉速下。目前，世界上比較流行的風力發(fā)電技術主要有恒速恒頻風力發(fā)電技術和變速恒頻風力發(fā)電技術兩類。恒速恒頻風力發(fā)電技術一般使用同步發(fā)電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數(shù)值，繼而保證發(fā)電機端輸出電壓、頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風速下捕獲風能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風力發(fā)電技術是從20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型發(fā)電方式，它將電力電子技術、矢量變換控制技術等引入到發(fā)電機的控制之中，獲得了一種全新的、高質量的電能獲取方式。一般采用永磁同步電機或者雙饋異步電機作為發(fā)電機，通過變槳距控制風機使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內按照最佳的效率運行，是目前風力發(fā)電技術的主要發(fā)展方向。 1.2.2變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 由于本文主要研究對象為雙饋風力發(fā)電機與雙饋風力發(fā)電變流器，即雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，故恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的相關內容在這里就不再做相關介紹。根據(jù)采用發(fā)電機類型的不同，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)可以分為直驅變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋變速恒頻力發(fā)電系統(tǒng)。 (l)基于永磁直驅同步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 直驅變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用永磁直驅同步電機作為發(fā)電機，發(fā)電機后直接與全功率變頻器相連，經(jīng)變頻器輸出的電能經(jīng)升壓變壓器升壓后直接并入電網(wǎng)。 該系統(tǒng)的基本拓撲見圖1.3: 圖1.3 采用永磁直驅同步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 三相永磁直驅同步電機主要由轉子和定子組成，在轉子上裝有特殊材料形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場，沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組，接可控的變頻電源。在新型的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)里，采用永磁同步發(fā)電機直接聯(lián)接葉片，能使葉片與發(fā)電機之間取消齒輪箱，成為無齒輪箱的直接驅動型。因為使用全功率變流器，使得系統(tǒng)調速范圍寬，風能利用率高;同時因為是直驅系統(tǒng)，省去了齒輪箱，使傳動效率提高，可靠性提高，成本降低[3]。 采用永磁同步電機的變速恒頻系統(tǒng)也有缺點，如變流器需按100%額定功率計，成本偏高永磁同步電機價格昂貴，體積重量大，運輸、吊裝困難。 (2)基于雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 目前在風力發(fā)電領域廣泛應用的是雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)采用雙饋型感應發(fā)電機，發(fā)電機定子直接接到電網(wǎng)上，轉子通過三相變器實現(xiàn)交流勵磁 該系統(tǒng)的基本拓撲見下圖: 圖1.4采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 采用該系統(tǒng)時，由于雙饋異步感應電機的特性，其定子繞組直接接到電網(wǎng)上，轉子通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接，能夠實現(xiàn)功率的雙向流動。當風速發(fā)生變化時，雙饋風力發(fā)電機轉速發(fā)生變化，通過控制轉子勵磁電流的頻率，可以使定子頻率恒定，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。當雙饋風力發(fā)電機次同步運行時，定子輸出電磁功率，轉子輸入轉差功率;當雙饋風力發(fā)電機超同步運行時，定子輸出電磁功率，轉子輸出轉差功率。 由于這種變速恒頻控制是通過對轉子繞組進行控制實現(xiàn)的，轉子回路流動的功率是由發(fā)電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，因而可以將發(fā)電機的同步轉速設計在整個轉速運行范圍中間。如果系統(tǒng)運行的轉差范圍為士0.3，則最大轉差功率僅為發(fā)電機額定功率的30%左右，因此該系統(tǒng)交流勵磁變流器的容量可僅為發(fā)電機容量的一小部分，可以大大降低成本。雙饋型變速恒頻交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)除了可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變流器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功的解禍控制，可實現(xiàn)電網(wǎng)的要求輸出相應的感性和容性無功，這種無功控制的靈活性對電網(wǎng)非常有利。但是因為輪毅和發(fā)電機之間增加了高增速比齒輪箱，效率和可靠性有一定降低，價格相對較昂貴，且需經(jīng)常維護。但是由于雙饋異步風力發(fā)電機體積小，重量輕、所需變流器容量小、供電質量高等特點，使其依然成為大型風力發(fā)電機的主力機型。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)要求變流器具有雙向能量流動的特性，同時要有良好的輸入和輸出特性，以減少諧波對電網(wǎng)造成的污染。 1.3論文主要研究工作 本文的主要任務是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)分析和變頻器的設計，包括變速恒頻雙饋風力發(fā)電機工作原理的分析，變頻器的設計等。 (1)首先從風力發(fā)電必要性、國內外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和風力發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)三個方面介紹了課題研究背景及意義，隨后提出了雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，并從風力發(fā)電技術分類、雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)等方面進行介紹，最后給出了論文的主要研究工作。 (2)分析變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的結構和基本工作原理，介紹了雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的功率流動關系。 (3)介紹了變速恒頻雙饋風力發(fā)電變頻器的設計。 (4)在實驗條件下用對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機及變頻器進行了仿真，來進行來進行穩(wěn)態(tài)分析的驗證和變頻器設計的校驗。 2變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組及變頻器的工作原理 2.1變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的結構與原理 雙饋型風機的定子側直接與電網(wǎng)連接，轉子由兩個“背靠背”連接的電壓型PWM變換器即轉子側變換器和網(wǎng)側變換器進行勵磁，轉子側變換器完成定子磁鏈定向矢量控制任務，實現(xiàn)最大風能捕獲和定子輸出無功的調節(jié)。網(wǎng)側變換器控制維持直流母線電壓并控制交流側電壓與電流的相位[4]。 2.1.1變速恒頻雙饋風電機組的結構 雙饋風力發(fā)電機主要由雙饋發(fā)電機、風輪、變頻器、勵磁系統(tǒng)幾個部分組成。雙饋風力發(fā)電機的定子側直接接入電網(wǎng)系統(tǒng)，轉子側則通過雙向變頻器接入所需低頻勵磁電流。因此，定子與轉子兩側都可能向電網(wǎng)饋送電量,所以稱為雙饋風力發(fā)電機，變速雙饋風電機組的基本結構如圖2.1所示： 圖2.1變速雙饋風電機組的結構示意圖 變速雙饋風電機組的特性由雙饋感應發(fā)電機、葉片、輪毅、齒輪箱聯(lián)軸器、變頻器和槳距控制系統(tǒng)等單元的工作特性共同作用決定，各個組成部分的具體具體功能如下： （1）風力機與機械傳動部分：捕獲風能和傳遞能量的裝置，它主要包括葉片、輪毅及齒輪箱到發(fā)電機轉子軸之間的機械部分具有較大的轉動慣量。 （2）雙饋感應發(fā)電機：雙饋感應發(fā)電機是目前被廣泛應用于風力發(fā)電的一種變速恒頻發(fā)電機，它可以根據(jù)風速調節(jié)風力機轉速，并能在較寬的風速范圍內實現(xiàn)最大風能捕獲，從而大大提高風能的利用率。此外，由于雙饋發(fā)電機能實現(xiàn)對有功、無功的解耦控制，可以對電網(wǎng)起到無功補償?shù)淖饔谩? （3）變頻器：變頻器是雙饋感應發(fā)電機的交流勵磁電源，它不但能滿足交流勵磁變速恒頻發(fā)電所必需的功率雙向流，其優(yōu)良的輸入、輸出特性同時也確保了生產(chǎn)高質量電能的要求。 （4）電氣控制部分和槳距角控制部分：變速雙饋風電機組的控制主要包含了轉子勵磁電壓的控制和風力機葉片槳距角的控制兩個部分。他們共同的控制目標是使風電機組機械部分與電氣部分配合，提高風能利用效率及改善風電供電質量。當風速低于額定風速時，機組狀態(tài)控制由雙饋感應發(fā)電機轉子勵磁電壓調節(jié)實現(xiàn)，表現(xiàn)為變頻器的控制。而高于額定風速時，機組狀態(tài)控制則由槳距角與變頻器共同控制實現(xiàn)[5]。 2.1.2變速恒頻雙饋風力發(fā)電機工作原理 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組定子側直接接入電網(wǎng)，轉子側則通入頻率、相位、幅值都可調節(jié)的三相低頻交流勵磁電流。發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時，定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場在空間上保持相對靜止，當定子旋轉磁場以的速度旋轉時，則轉子的勵磁電流形成的旋轉磁場的旋轉速度為： （2-1） 式中：——定子磁場旋轉角速度； ——轉子旋轉角速度； ——勵磁電流形成的旋轉磁場的旋轉速度； ——轉差率。 上式說明轉子電流形成的旋轉磁場的角頻率同轉差率成正比，若交流勵磁發(fā)電機的轉子轉速低于同步速，則轉子電流形成的旋轉磁場與轉子旋轉的方向相同，如果轉子轉速高于同步速，則兩者旋轉方向相反。轉子繞組中的勵磁電流的頻率與定子側電流的頻率之間的關系為： （2-2） 式中：——定子電流頻率； ——轉子勵磁電流頻率。 雙饋風力發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)有直接的電氣聯(lián)接，而轉子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相聯(lián)。風速較低時風機運行在低于同步速的狀態(tài)，為維持發(fā)電機機械轉矩與電磁轉矩的平衡，轉子繞組從電網(wǎng)吸收一定數(shù)量的功率，再通過定子繞組送回電網(wǎng)；當風速較高時風機運行在高于同步速的狀態(tài)，在這種情況下一部分功率將直接通過轉子繞組送入電網(wǎng)；當風機運行在同步轉速時，如果忽略損耗，轉子繞組通過的功率為零，風電機組與電網(wǎng)的全部功率交換都通過定子繞組完成。額定狀態(tài)下，通過轉子繞組及變頻器的功率約占全部功率的20%[6]。 2.2變頻器工作原理分析 2．2.1國內外變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 變頻器的分類有多種方法：(1)按中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器；(2)按有無中間低壓回路，可分為高-高變頻器和高-低-高變頻器。在交-直-交變頻器中，按中間直流部分的性質，可分為電流型變頻器和電壓型變頻器。變頻器的技術發(fā)展水平是由電力電子技術，電機控制技術及自動化控制水平三個方面決定的。在低壓變頻器領域，由于電力電子器件的耐壓問題已經(jīng)解決，因此形成了標準的電路拓撲結構。但功率器件滿足不了中、高壓變頻器的需要，為了解決這個問題，研究人員提出了一些電路拓撲結構，如功率單元串聯(lián)多重化、多電平及逆變器件并聯(lián)等。 目前，國內變頻器產(chǎn)品多為通用的電壓等級為AC(Alternating Current)380V的中小功率產(chǎn)品，而在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)所需要的高壓大功率雙向變頻器，成熟產(chǎn)品不多。國內對變速恒頻風力發(fā)電有較深研究的大學有：清華大學、沈陽工業(yè)大學、浙江大學等。目前；哈爾濱九洲電氣股份公司研制出兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電用的變頻器樣品。國外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，起步較早，初步形成了系列化的產(chǎn)品，如ABB公司的ACS．1000系列，Simense公司的SIMOVERT MV系列，AB公司的Power Flex 7000系列等，其控制系統(tǒng)也己實現(xiàn)全數(shù)字化。 2．2.2變頻器在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中的作用及其實現(xiàn)方案 雙向變頻器是變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中關鍵設備之一。目前，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)所用變頻裝置通常有交-交變頻器和交-直-交變頻器.交-交變頻器采用晶閘管，輸出電壓諧波多，輸入側功率因數(shù)低，使用功率元件數(shù)量多，目前已被電壓型交-直-交變頻器所替代。近年來，也有學者對矩陣變頻器進行研究，其優(yōu)點是換流效率高，損耗主要是器件開關損耗，能實現(xiàn)四象限運行和任意功率因數(shù)，所需濾波元件容量小，系統(tǒng)動態(tài)響應快等。但由于其使用的器件數(shù)目較多，器件承受的耐壓高，電壓利用率低，控制相對復雜，且還處于實驗階段，所以還沒有在實際工程中應用。目前，適合應用于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的雙向變頻器有交-交變頻器，矩陣變頻器，交-直-交變頻器。 (1)交-交變頻器 這是一種由反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構成的變頻器。改變兩組相控電路的切換頻率來改變輸出頻率；改變晶閘管的觸發(fā)角來改變輸出電壓的幅值。該變頻器的輸出電壓是由若干電壓波頭拼接而成，因而含有大量的低次諧波，輸入、輸出特性不理想。 (2)矩陣變頻器 矩陣變頻器也屬于交．交變頻器。與傳統(tǒng)的交．交變頻器相比，它具有控制自由度大，輸出頻率理論上可為任意值，輸入功率因數(shù)可以任意調節(jié)，能量可雙向流動，無中間直流環(huán)節(jié)，體積小、效率高等優(yōu)點。目前存在的主要問題是：控制復雜，需要18只功率器件，而且在換流時不允許有重疊與間隙，同時其最大輸出電壓能力不高。目前沒有實際應用的產(chǎn)品。 (3)交-直-交型雙PWM型變頻器 雙PWM型變頻器由PWM整流器和PWM逆變器組成，可實現(xiàn)能量雙向流動。當無刷雙饋電機亞同步運行時，網(wǎng)側變換器工作在整流狀態(tài)，電機側變換器工作在逆變狀態(tài)，能量從電網(wǎng)流向電機。同理，當無刷雙饋電機工作在超同步狀態(tài)，各個狀態(tài)相反。 雙PWM型變頻器按其拓撲結構可分為雙PWM兩電平變頻器與雙PWM多電平變頻器。對于雙PWM兩電平變頻器，其功率器件要承受較大的電壓(直流母線電壓的1/2)，只能輸出兩種電平的相電壓(,)，并且較大，存在較為嚴重的共模電壓問題，輸出諧波較大，需要較高的載波頻率時，功率器件的開關損耗較大。雙PWM多電平結構的變頻器現(xiàn)在應用較多的是三電平結構，它能輸出三種電平的相電壓(,0,)，可以降低共模電壓，減少諧波，在同等開關頻率的情況下可改善輸出波形的質量，在較低頻率進行開關動作，損耗少、效率高，可以使每個功率器件承受較低的電壓，其值減少為兩電平結構中的一半。 本文研究的雙PWM三電平變頻器，其主電路結構見下圖2．2。電機側變換器接無刷雙饋電機定子的控制繞組，完成矢量控制任務，實現(xiàn)最大風能捕獲和無功功率調節(jié)；網(wǎng)側變換器在實現(xiàn)能量雙向流動的情況下，同時控制直流母線電壓的穩(wěn)定，并對網(wǎng)側功率因數(shù)進行調節(jié)。該電路結構是完全鏡面對稱的，一般稱這種結構為“背靠背”(Back-to-back)結構。 圖2．2雙PWM三電平變頻器拓撲結構 相對于傳統(tǒng)的交-直-交變頻器，雙PWM三電平結構變頻器輸入輸出特性更好，電力諧波更低，調速范圍更寬。隨著大功率電力電子器件的出現(xiàn)和控制方法的日益成熟，雙PWM三電平結構變頻器將廣泛應用于兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中。 2.2.3PWM整流器基本原理 雙PWM變頻器系統(tǒng)中，PWM整流器起到重要的作用，本章對二極管箝位三電平PWM整流器的工作原理進行詳細、深入的研究。隨著用電設備諧波標準日益嚴格，采用高功率因素，低諧波的高頻開關模式PWM整流器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管不可控整流和晶閘管相控整流裝置是大勢所趨。和傳統(tǒng)整流器相比，PWM高頻整流器可以產(chǎn)生正弦波形電流，電流畸變較小，功率因數(shù)接近1，且可實現(xiàn)能量雙向流動。此外，與傳統(tǒng)相控整流器相比，PWM高頻整流器體積、重量大大減小，動態(tài)響應速度顯著提高。 隨著技術的進步，出現(xiàn)了多種形式的PWM整流器。按最基本的分類方法，將其分為電壓型和電流型兩大類。現(xiàn)在，電壓型PWM整流器(Voltage sourse Recfiter,簡稱VSR)在實際中應用的較多，其常見的拓撲結構有:單相VSR，三相VSR，三電平VSR及基于軟開關調制型VSR。 與傳統(tǒng)整流器相比，PWM整流器具有以下優(yōu)良性能：(1)網(wǎng)側電流為正弦波(2)網(wǎng)側功率因數(shù)可控制(3)電能雙向傳輸(4)動態(tài)響應快。由于PWM整流器可以實現(xiàn)電能的雙向傳輸，當PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其運行于電流工作狀態(tài)；而當PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當PWM整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側電壓、電流同相位(正阻特性)；當PWM運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側電壓、電流反相位(負阻特性)。進一步研究表明，由于PWM整流器其網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控制，可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)绕渌恍┓钦髌鲬脠龊?。由此可見，PWM整流器實際上是一個交直流側可控，可以在四象限運行的變流裝置。圖3-1為PWM整流器模型電路，該電路由交流回路、功率開關橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢以及網(wǎng)側電感L等，直流回路包括負載電阻及負載電動勢等：功率開關管整流電路可由電壓型或電流型整流電路組成。 圖2.3 PWM整流器電路模型 當不計功率開關損耗時，由交、直流側功率平衡關系得： （2-1） 式中： 為交流側電流、電壓； 為直流側電流、電壓。 通過對模型電路交流側的控制，可以控制其直流側，反之亦然。以下從模型電路交流側入手，來分析PWM整流器的運行狀態(tài)和控制原理。穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側矢量關系如圖2.4所示。 a)純電感特性運行b)正阻特性運行c)純電容特性運行d)負阻特性運行 ——交流電網(wǎng)電動勢矢量，—交流側電壓矢量 —交流側電感電壓矢量，-交流側電流矢量 圖2.4 PWM整流器交流側穩(wěn)態(tài)矢量關系 為簡化分析，對于PWM整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略諧波分量，并且不計交流側電阻。從圖2.4分析可知：當以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量即可實現(xiàn)PWM整理器的四象限運行。若假設不變，因此=也固定不變，在這種情況下，PWM整流器交流電壓矢量端點運動軌跡構成了一個以為半徑的圓。當電壓矢量端點位于軌跡A點時，電流矢量，比電網(wǎng)電動勢矢量E滯后，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)純電感特性，如圖2.4a所示；當電壓矢量運動至圓軌跡B點時，電流矢量與電網(wǎng)電動勢平行且同向，此時PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)正電阻特性，如圖2.4b所示；當電壓矢量端點運動至圓軌跡c點時，電流矢量比電網(wǎng)電動勢超前，此時，PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)純電容特性，如圖2.4c所示。當電壓矢量端點運動至圓軌跡D點時，電流矢量與電網(wǎng)電動勢平行且反向，此時，PWM整流器呈現(xiàn)負電阻特性，如圖2.4d所示。以上八B，C，D四點是PWM整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)，進一步分析可得到PWM整流器四象限運行規(guī)律如下： (1)電壓矢量端點在圓軌跡AB上運動，PWM整流運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器從電網(wǎng)吸收有功功率及感性無功功率，電能通過PWM整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。注意：當PWM整流器運行在B點時，可實現(xiàn)功率因數(shù)為1的整流控制；而在A點運行時，PWM整流器不從電網(wǎng)吸收有功功率，只從電網(wǎng)吸收感性無功功率?！? (2)電壓矢量端點在圓軌跡BC上運動，PWM整流運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器從電網(wǎng)吸收有功功率及容性無功功率，電能將通過PWM整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。注意：當PWM整流器運行在C點時，PWM整流器不從電網(wǎng)吸收有功功率，只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。 (3)電壓矢量端點在圓軌跡CD上運動，PWM整流運行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功功率及容性無功功率，電能從PWM整流器直流側傳輸至電網(wǎng)。注意：當PWM整流器運行在D點時，可實現(xiàn)功率因數(shù)為1的有源逆變。 (4)電壓矢量端點在圓軌跡DA上運動，PWM整流運行于有源逆變狀態(tài)。此時PWM整向電網(wǎng)傳輸有功功率及感性無功功率，電能從PWM整流器直流側傳輸至電網(wǎng)。可以看出，要實現(xiàn)PWM整流器的四象限運行，關鍵在于網(wǎng)側電流的控制。一方面，可以通過控制PWM整流器交流側電壓，間接控制網(wǎng)側電流；另一方面，也可以通過網(wǎng)側電流的閉環(huán)控制，直接控制PWM整流器的網(wǎng)側電流。 2..2.4 PWM逆變器工作原理 NPC三電平PWM逆變器主電路如下圖4．1所示，每相橋臂輸出電壓有三個值，可定義開關變量，，代表各相橋臂的輸出狀態(tài)。 圖2.5二極管三電平PWM逆變器主電路 以輸出相電壓a為例，分析上圖NPC三電平PWM逆變器的工作原理。 (1)當S1和S2同時觸發(fā)導通，S3和S4同時關斷時，如果負載電流的方向為流入方向(相對于負載)，則電流從P點流過主管Sl和S2，同時對電容C1充電，忽略管壓降，該相輸出端電壓為P點電位；如果負載電流為流出方向，電流通過與主管S1和S2并聯(lián)的續(xù)流二極管流進P點，對電容C1充電，該相輸出端仍為P點電位。 (2)當S2和S3同時觸發(fā)導通，S1和S4同時關斷時，如果負載電流方向為流入方向，則電流從中性點O經(jīng)箝位二極管D1和開關管S2達到輸出端，電源對C1充電，此時輸出電位為中性點o處電位；如果負載電流方向為流出方向，電流經(jīng)過主管S3和箝位二極管D2流進o點，對C2充電，此時輸出電位也為O點電位。 (3)當S3和S4同時觸發(fā)導通，Sl和S2同時關斷時，如果負載電流為流入方向，電流從n點經(jīng)過主管S3和s4并聯(lián)的續(xù)流二極管到達輸出端，對C2充電，該相輸出電壓即為n點電位；如果負載電流為流出方向，電流從u分別經(jīng)過主管S3和S4流進N點，對C2充電，該相的電位即為n點電位。 其它兩相的工作原理與a相相同。 2.3 本章小結 本章介紹變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的結構及工作原理和雙向變頻器的國內外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了雙向變頻器在變速恒頻風力發(fā)電中的作用，并提出了在變速恒頻風力發(fā)電中雙向變頻器的3種實現(xiàn)方案，最后確定了本文采用的方案。 3 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組 無功輸出能力與變頻器的關系研究 3.1 變頻器的數(shù)學模型 目前，變頻器模型多采用 PWM 控制的理想交—直—交變頻形式，即忽略開關器件的換相重疊和損耗。它的調控原理是利用發(fā)電機轉差頻率信號自動控制變頻器調制波的頻率，同時控制調制波的幅值和相位，使變頻器輸出電壓（即轉子勵磁電壓）的頻率達到轉差頻率，并通過控制其幅值和相位來實現(xiàn)機組的優(yōu)化運行。考慮到變頻器開關變換過程迅速[7]，一般為零點幾毫秒至幾毫秒，遠遠小于轉差頻率變化的時間，而電容動態(tài)過程取決于發(fā)電機轉子部分有功功率的變化過程，其動態(tài)過程與發(fā)電機機電振蕩過程基本保持一致，一般按秒級考慮，因此轉子部分的變頻器模型只考慮直流電容充放電的動態(tài)過程，而不計調制波頻率變換的動態(tài)過程。變頻器結構簡圖如圖3.1所示。其中，變流器1通過變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)，變流器2直接與雙饋發(fā)電機轉子繞組相連。在定子磁場同步旋轉坐標系[dc;qc;0]下，通過調節(jié)能表征變流器1和變流器2的調制比和相位差的控制參數(shù)m1、、m2、來實現(xiàn)對雙饋電機轉子勵磁電壓相量的控制和直流電容電壓及并網(wǎng)母線電壓的調整[8]。 圖3.1雙饋感應發(fā)電機轉子部分變頻器的結構簡圖 圖3.1中，在[dc;qc;0]坐標系下，變流器交流側采用標幺值，直流側采用有名值，保持變壓器的變比n（標幺值情況下n=1）不變。 系統(tǒng)與變頻器及雙饋電機轉子部分與變頻器聯(lián)系的方程為 (1) （2） （3） 式中為發(fā)電機的并網(wǎng)母線電壓相量；XT為并聯(lián)變壓器的等值阻抗； 為變流器1的輸入電壓相量，V1、分別為幅值和相角；Q1為流入變流器1的無功功率； 為變流器2的輸出電壓即轉子勵磁電壓相量，、分別為幅值和相角；P1為注入變流器1的有功功率；Pr為注入發(fā)電機轉子部分的有功功率。 在變流器開關器件采用PWM時，表征變流器1、變流器2的調制比和相位差的控制參數(shù)m1、、m2、與主電路交直流電壓的關系可表示為 （4） （5） 式中 為并網(wǎng)母線電壓的相位；VB 為電容器的基準電壓。 綜合以上方程即得由標幺值和有名值混合表達的變頻器動態(tài)模型。方程式(1)表達了直流電容器的充放電過程，而其他方程則表示變頻器的控制參數(shù)對雙饋電機并網(wǎng)母線電壓及轉子繞組勵磁電壓的控制調節(jié)作用。 3.2 控制策略分析及控制器設計 在定子磁場旋轉坐標系[dc;qc;0]下，令，，。其中，為了敘述方便將狀態(tài)變量軸分量下標符號簡寫為“d”、“q”；、 、、、、分別為的兩軸分量標幺值，將其重新帶入式（1）（3）整理得到 （6） （7） 由式(6)可知，當保持并網(wǎng)母線電壓不變時，注入變流器1的有功功率P1和無功功率Q1可以通過V1d和V1q實現(xiàn)解耦控制。而P1的調節(jié)過程實質上反映了電容電壓的動態(tài)過程，Q1的調節(jié)過程反映了并網(wǎng)端母線電壓的動態(tài)過程。同時，在[dc;qc;0]坐標系下，令dc軸與雙饋電機定子磁鏈的方向保持一致，并保持機端電壓恒定，發(fā)電機定子側的有功功率和無功功率也可通過調節(jié)轉子勵磁電壓的雙軸分量實現(xiàn)解耦控制[8]。 因此，變頻器在[dc;qc;0]坐標系下的控制作用就表現(xiàn)為：在保證機端電壓及變頻器電容電壓基本恒定的同時調節(jié)轉子勵磁電壓的幅值和相位，以達到調節(jié)發(fā)電機輸出有功（即發(fā)電機轉子轉速）和無功功率的目的。由此，設定變流器1的控制目標為：當發(fā)電機轉子繞組向系統(tǒng)發(fā)出有功功率或從系統(tǒng)吸收有功功率時，均需維持直流電容端電壓和并網(wǎng)側母線電壓的平穩(wěn)[9]；變流器3.2的控制目標為：在承擔變頻任務的同時，使雙饋發(fā)電機定子端的有功輸出能跟蹤有功功率參考值，同時保證定子端輸出的功率因數(shù)保持不變。其變頻器控制部分的設計如圖3.2所示。其中，變流器1的設計如圖3.2中框(a)所示，變流器2的設計采用功率外環(huán)、電流內環(huán)的形式，如圖3.2中框(b)所示，在不計變頻器頻率調節(jié)動態(tài)過程的前提下，PWM控制的調制波的頻率能夠瞬間跟蹤轉差頻率，因此變頻器頻率部分的控制框圖如圖3.2中框(c)所示。其中，Vs為并網(wǎng)端母線電壓的幅值，pu；fr為轉子勵磁電壓的頻率，pu；Vsref為并網(wǎng)端母線電壓的參考值，一般由網(wǎng)絡部分和風電機組的優(yōu)化運行特性共同決定，pu；Vdref為直流電容電壓的參考值，由變頻器的容量和型號決定, V；Ps、Qs為雙饋電機定子端輸出的有功功率和無功功率，pu；Psref、Qsref為定子端輸出的有功功率和無功功率參考值，通常由風電機組的優(yōu)化運行特性和控制目標決定，pu；w r為發(fā)電機轉子轉速，pu；Kw為比例系數(shù)；Ird、Irq、Ird、Irq分別為發(fā)電機轉子電流的dc和qc軸分量及相應的參考值；Ks、Ts、Kd、Td、Kp、Tp、Kp1、Tp1、Kq1、Tq1、Kq、Tq分別為各個控制器PI控制環(huán)節(jié)的控制參數(shù)，它們通常由經(jīng)典控制理論和發(fā)電機的輸出特性決定[10]。 圖3.2 變頻器控制部分的設計 3.3 變速恒頻雙饋風電機組無功輸出與變頻器的關系 通過以上分析可知，調節(jié)網(wǎng)側PWM變換器輸出交流電壓的幅值和相位就能控制變換器交流側輸入電流的大小和它與電網(wǎng)電壓的相位角，從而使該變頻器運行于幾個不同的工作狀態(tài)[11]： (1)單位功率因數(shù)整流運行：此時，交流側電流為正弦并與電網(wǎng)電壓同相位，能量由電網(wǎng)流入變換器，從電網(wǎng)吸收的無功功率為零。 (2)單位功率因數(shù)逆變運行：此時，交流側電流基波保持正弦并與電網(wǎng)電壓反相，能量由變換器流向電網(wǎng)，且電網(wǎng)和變換器之間沒有無功功率的流動。 (3)非單位功率因數(shù)運行狀態(tài)：此時，交流側電流基波與電網(wǎng)電壓具有一定的相位關系。當控制交流側電流為正弦且與電網(wǎng)電壓具有的相位關系時，變換器可作為靜止無功功率發(fā)生器運行。另外，在變換器非單位功率因數(shù)運行時也可控制交流側電流為所需的波形和相位，即作為有源濾波器運行。在各種工作狀態(tài)中，單位功率因數(shù)整流和逆變運行是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側PWM變換器的兩個典型運行狀態(tài)。由于基波功率因數(shù)可以控制為l，所以減小了諧波以及諧波對電網(wǎng)的危害，這一點正是雙PWM變換器較其它變換器所獨具的優(yōu)點，使得它成為變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中的主流變換器。 網(wǎng)側PWM變換器是解決轉子側調速時能量的雙向流動問題，并且滿足雙饋發(fā)電機無功功率的要求。如果把網(wǎng)側的電壓、電流經(jīng)過坐標變換，并且對電壓進行矢量定向，使兩個軸上的電流分量、分別控制網(wǎng)側的有功功率和無功功率，則只需要控制的正負即可實現(xiàn)有功功率的雙向流動，控制可以控制無功功率[12]。 上式中P大于零表示變換器工作于整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收能量；p小于零表示變換器工作于逆變狀態(tài)，能量從直流側返回交流電網(wǎng)。Q大于零表示變換器相對于電網(wǎng)呈感性，吸收滯后無功電流。Q小于零表示變換器相對于電網(wǎng)呈容性，吸收超前無功電流。從上式可以看出，d、q軸電流分量、實際上就是變換器的有功電流、無功電流分量，調節(jié)、 就可以分別控制網(wǎng)側PWM變換器吸收的有功功率和無功功率[13]。 由網(wǎng)側PWM變換器電路拓撲結構可知，當交流輸入功率大于負載消耗功率時，多余的功率會使直流側電容電壓升高；反之，電容電壓會降低。由于變換器的d軸電流和它吸收的有功功率呈正比，因此，可對電容電壓進行控制，用電壓調節(jié)器的輸出作為d軸分量電流(有功電流)的給定值，它反映了變換器輸入有功電流幅值的大小。 4 變速恒頻雙饋風電機組并網(wǎng)運行特性及變頻器的仿真 4.1 風力機與機械傳動部分模型 （1）風力機模型 風力機捕獲的風能與風速的立方成正比，同時還與風力機葉片的轉速有關。根據(jù)風力機的功率特性方程有 (8) 式中 為風力機的機械功率標幺值為風能轉換效率系數(shù)，它是槳距角b 和葉尖速率比l的函數(shù)；R為葉片半徑，m；w為風力機的葉片轉速，rad/s； A 為葉片掃掠面積，m2； 為空氣密度，kg/m3； v 為風速，m/s； 為設定的功率基值，kW。 （2）機械傳動部分模型 從輪轂到發(fā)電機轉子之間的聯(lián)軸器和齒輪箱可以近似用一階慣性環(huán)節(jié)來描述 (9) 式中 Td 為機械傳動部分的時間常數(shù)，s；Tm 為發(fā)電機機械轉矩，pu，TM 為風力機末端軸上的機械轉矩，pu。TM 表示為 (10) 式中 w1 為風力機的角速度，pu。 4.2 雙饋感應發(fā)電機模型 本文采用電動機慣例建立定子磁場旋轉坐標系[dc;qc;0]下標幺值形式的雙饋感應發(fā)電機的動態(tài)模型[10]（qc 軸超前于dc 軸）： （11） 式中 。 （12） （13） 式中為轉子繞組的短路時間常數(shù)；定義為雙饋感應發(fā)電機的兩軸暫態(tài)電勢分量；為發(fā)電機定子端出口的母線電壓分量；為發(fā)電機定子電流分量； 是為使式(13)簡明而引入的發(fā)電機轉子繞組虛擬電壓分量，它與發(fā)電機轉子繞組電壓分量成正比；X為發(fā)電機暫態(tài)電抗；、 ；為定子繞組電阻；為轉子繞組電阻；為激磁電抗；為定子漏抗；為轉子漏抗折合到定子側 的折合值；s為轉差率；p表示微分算子。雙饋感應發(fā)電機的轉子運動方程為 (14) 式中 Tm 為發(fā)電機輸入的機械轉矩，pu；Te 為發(fā)電機的電磁轉矩，pu；D 為阻尼系數(shù)，pu；TJ 為轉子慣性時間常數(shù)，s；s 為轉差率。 4.3 變速恒頻雙饋風電機組的運行特性仿真 取定一單機容量為 1500kW 的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組，它與系統(tǒng)連接的線路圖如圖4.1所示。 圖 4.1 算例線路結構簡圖 所選電機參數(shù)為 Rr=0.0073pu，rs=0.0076pu，xs=0.1248pu，x r=0.0884pu，Xm=1.8365pu，TJ=7.10s；變頻器部分的變壓器阻抗XT=0.105pu，Vd=690V，C=0.1mF，SB=1500kW，VB=690V；風力機部分的參數(shù)為A=3959m2 ， D=0.071pu ， PN=1500kW，Td=2.5s；空氣密度≥1.0kg/m3；機端聯(lián)絡變壓器等值電抗XT1=0.1pu；假定無窮大電網(wǎng)的電壓1∠0并保持不變。 假設風速按圖 4.2(a)所示的漸變風變化，當發(fā)電機定子端的功率因數(shù) 為不同的設定值時，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組狀態(tài)變量的動態(tài)響應如圖4.2（b）~（h） 圖 4.2 漸變風下變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的動態(tài)響應曲線 由圖 4.2 可知： 1）在風速達到12m/s 并穩(wěn)定時，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組輸出的總有功功率（定子部分和轉子部分輸出的有功功率之和）達到并保持為1pu。由此可知，12m/s 是該風電機組的額定風速，在該風速下風電機組輸出的有功功率定義為額定功率。 2）風力發(fā)電機組在穩(wěn)定狀態(tài)下的總有功功率、轉差率不隨功率因數(shù)設定值的變化而發(fā)生變化。這是因為風力發(fā)電機組的總有功功率由該機組的風機功率特性（由風機制造商給出）決定，同時，發(fā)電機的轉差率由風力發(fā)電機組的總有功功率和轉速控制特性決定，與發(fā)電機組的無功功率無關。 3）在發(fā)電機定子側保持恒功率因數(shù)控制時，由圖4.2 (g)、(h)可知，隨著功率因數(shù)設定值的減?。?由-0.98變化至-1，發(fā)電機注入系統(tǒng)的無功功率逐漸增加，無功調節(jié)能力增強，發(fā)電機出口處的電壓調節(jié)能力增強，電壓波動趨緩，從而使風電機組各個電氣部分的動態(tài)過程變好，同時，定子端出口母線電壓逐漸升高，發(fā)電機組從向系統(tǒng)吸收無功功率（數(shù)值為正）逐漸變成向系統(tǒng)發(fā)出無功功率（數(shù)值為負），即發(fā)電機轉子部分通過變頻器向系統(tǒng)發(fā)出無功功率。 4）變頻器直流部分的電壓和發(fā)電機出口的母線電壓都能保持平穩(wěn)，發(fā)電機的有功功率和無功功率都能按控制目標進行調整，由此說明了本文關于變頻器模型及控制器設計的有效性。同時，由仿真結果可知，雙饋發(fā)電機可有效靈活地調節(jié)發(fā)電機的無功功率，以保證風電機組并網(wǎng)后的穩(wěn)定運行。 4.4雙PWM三電平變頻器的聯(lián)合仿真 將前面所建立的NPC三電平PWM整流器和NPC三電平PWM逆變器聯(lián)合起來，采用SVPWM算法控制。整流器SVPWM算法要實現(xiàn)的功能有：保持直流電容電壓的恒定及功率因數(shù)為1；保持電容中點電壓的平衡。逆變器SVPWM算法要實現(xiàn)的功能有：根據(jù)負載所需電壓，生成所需的PWM波形。設定仿真條件為：直流給定電壓500V，三相負載為R=10,L=0．002H，仿真時間0．5s，可得到下面波形 圖4.3變頻器整流側得到的直流電壓() 圖4.4 變頻器的輸入電網(wǎng)電壓()與電流()波形 5 結論與展望 5.1結論 風力發(fā)電是一種新型的可再生清潔能源，有著非常廣闊的大規(guī)模開發(fā)利用前景。目前，許多國家為了填補自身能源缺口，已制定出風力發(fā)電發(fā)展規(guī)劃和激勵政策，以加快技術改進、技術工程化和市場開拓。目前并網(wǎng)型風力發(fā)電形式是大規(guī)模利用風能最為經(jīng)濟的方式。隨著高新技術不斷對風電事業(yè)的滲透、環(huán)保壓力的進一步增強、能源危機的加劇和國家政策支持力度的加大，風力發(fā)電將變?yōu)閷砟茉吹闹饕M成部分[14]。能源是一個國家或一個地區(qū)發(fā)展的關鍵因素，因此風力發(fā)電的技術研究和產(chǎn)業(yè)化刻不容緩。本文是圍繞雙饋型風力發(fā)電機的工作原理展開理論研究，對其穩(wěn)態(tài)運行特性進行分析和仿真，并在此基礎上設計雙饋風力發(fā)電變頻器，最后通過實驗來驗證理論分析和設計。目前，課題已經(jīng)完成，得到的主要結論及完成的工作有： （1）對于風力發(fā)電機組的主要分類作了總結。并且對于常用的變速恒頻雙饋發(fā)電機組進行了詳細的介紹。 （2）對于變頻器進行了研究。建立了數(shù)學模型，給出了一種變頻器的控制方法，并進行了仿真研究 （3）對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的無功輸出能力進行了研究。研究了變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組變頻器與無功輸出的關系，通過調節(jié)變頻器可以改變變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的無功輸出的流動方向問題。 5.2展望 在世界各國風力發(fā)電發(fā)展勢頭迅猛的今天，風力發(fā)電技術改善和創(chuàng)新是非常必要的。目前在風力發(fā)電領域，值得研究的課題是很多的，但是就像風電還沒有很好地被重視一樣這些課題的研究還處在停止狀態(tài)或根本沒啟動，如在并網(wǎng)型風電研究中，由于風能的波動性和隨機性，產(chǎn)生電能質量問題(電壓波動與閃變、諧波污染);大型風電場并網(wǎng)可能會改變系統(tǒng)原有的潮流、網(wǎng)損分布;電網(wǎng)的規(guī)劃也需要調整;對系統(tǒng)的功角、頻率、電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響等等。還有到現(xiàn)在為止還沒有公認的用于風電并網(wǎng)分析專業(yè)程序，通常的做法是用一些具有用戶接口功能的電力系統(tǒng)分析軟件。而更為細節(jié)的問題就不知其數(shù)了。 我國的風力發(fā)電事業(yè)自從1993年電力部決定加快風力發(fā)電商業(yè)化進程以后發(fā)生了比較大的發(fā)展，2006年1月1日開始施行的《新能源法》更促進了風力發(fā)電的快速發(fā)展，如達坂城、內蒙古古輝騰錫勒、廣東南澳等地區(qū)已有、新建或準備擴建的風電場已經(jīng)是較大的了[15]。另外目前我國還有一系列風電場項目正在建設中或已列入計劃。由于時間和各方面條件的限制，對雙饋電機穩(wěn)態(tài)分析的仿真和對雙