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1、华中科技大学 博士学位论文 变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究 姓名：邹旭东 申请学位级别：博士 专业：电气工程 指导教师：康勇 20050312 I 摘摘 要要 常规能源、电力紧缺及供电环境问题日益突出，利用可再生能源如风能，作为未 来最重要的清洁替代能源之一，对于缓解能源匮乏具有非同寻常的意义。和常规风力 发电系统相比，由于变速恒频交流励磁双馈风力发电系统配置的变频器在转子回路， 仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变频器体积小、重量轻、成本低的特点，而且 实现了机电系统的柔性连接。本文围绕变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其相关 控制技术展开研究。 本文揭示了双馈发电机与普通
2、异步电机和同步电机的区别和联系。建立了双馈发 电机的等值电路模型，详细分析了双馈发电机中功率、转矩等关键物理量之间的相互 关系。在此基础上，定性分析了双馈发电机运行特性、功率流动关系、稳态运行性能、 静态稳定等问题。分析认为，在双馈发电机功率控制方式下各控制量之间的相互关系 是复杂的、耦合是严重的。 首次提出了三种适合双馈发电机分析和控制的复矢量模型，分析了三种复矢量模 型之间的相互关系和适用场合。建立了双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模 型，揭示了双馈发电机并网运行和独立运行在定子磁场定向控制策略下的内在统一和 区别。重点研究了并网运行双馈发电机的控制目标、控制方式、运行特性和系统功率
3、 流动等关键技术及其实现方法，并依据内模原理，运用复矢量模型首次分析了系统耦 合量的不同处理方式。研究表明，采用矢量控制可实现并网运行双馈发电系统定子端 口有功和无功功率的解耦控制。 分析了风力机捕获最大风能的运行原理，解释了传统的恒速恒频发电方式风能利 用率低的根本原因。建立了风力机的数学模型，对基于背靠背电压源变换器，带风力 机模型的并网型双馈发电系统进行了详细研究，指出采用最大风能捕获控制可实现系 统有功功率、无功功率和转速的独立控制。并就实验室如何采用他励直流电动机模拟 风力机输出特性曲线，分析了实现原理，建立了相关的数学模型，给出了相应的控制 策略。 常规待并发电机的端电压和电网电压
4、存在差别时并网，对电网冲击的影响以及待 并发电机如何获得同期条件进行了详细的研究。建立了双馈发电机空载并网系统的数 学模型，研究了间接定子磁场定向控制策略。并针对常规并网方式中的先励磁后并网 再切换控制策略的顺序，首次提出了双馈发电机直接并网方法，将常规的并网顺序改 变为先并网后励磁， 从而系统可直接工作在正常的发电模式， 而无需控制算法的切换。 降低了系统成本，大大简化了系统控制的复杂程度。 本文研究了位置辨识与转速辨识之间的相互关系以及它们对控制系统性能的影 响。通过辨识，只要知道转子位置就一定可以知道转速。换个思路，本文首次提出将 II 基于转子磁链进行转速辨识的模型参考自适应法应用于位
5、置辨识系统中，并就其设计 思路、稳定性以及改进办法进行了详细分析。研究表明，辨识转速和辨识位置都能最 终跟上实际值，并具有一定的抗扰动能力，但仍然受转子初始位置的影响。同时为需 要转子位置信号的这类系统的研究提供了一种新的思路，即可以通过辨识转速得到辨 识位置，而并非要直接辨识转子位置。 本文对系统实验中几个主要环节进行了一定研究。在使用格雷码绝对式光电编码 器检测转子位置的过程中，提出了一种格雷码数据对照表方法，极大地简化了程序设 计；在转子初始定位过程中，首次提出了一种适合工程上使用的初始定位方法，该方 法不用考虑定转子绕组的连接形式，而且实现简单；详细推导了转子侧变换器外接大 电感后至转
6、子端口在同步旋转坐标系下的数学模型，从而实现了在电机转子侧发电压 空间矢量的功能；由控制系统采用电流控制模式或者速度控制模式原理，详细分析了 控制系统构成极其简化条件；就定子磁通角工程上的实现方法，提出了数字锁相环法 和实时计算法，分析了各自的工作原理和实现方法，并就实时计算法的适用情况进行 了分析；建立了小信号模型，对双馈发电机系统进行了稳定性分析，指出了转子位置 与电流环带宽对系统稳定性的影响。实验中，就双馈发电机系统次同步并网运行只有 电流环工作、采用电流控制模式、速度控制模式这三种控制方案以及独立运行时，在 不同工况下进行了详细的实验研究。实验分析表明与理论分析结果基本上一致，取得 了
7、预期的效果。 关键词：关键词：变速恒频 风力发电 双馈感应发电机 复矢量模型 磁场定向控制 并网运行 独立运行 模型参考自适应控制 III Abstract With the lack of general energy source、electric power and the worsening of power supply circumstance problems increasingly，it is provided with very important meanings to partially solve energy lack by using renewable ener
8、gy source such as wind energy as the one of the most important clear substituted energy source in the future. Comparison with the general wind energy generation system，because of equipped transducer of VSCF AC excitation doubly fed wind energy generation system located at rotor loop，it not only poss
9、esses the characteristics of small cubage、light weight and low cost but also realizes flexible connection of mechanical-electric system，which only deals with slip power in double direction. VSCF AC excitation doubly fed wind energy generation system and its control technology is studied in this pape
10、r. In this thesis，the difference and relation between the general asynchronous and synchronous motor and DFIG is opened out. The equivalent-circuit model of DFIG is established ， and the interrelations of key physical parameters such as power 、 electromagnetic torque are discussed. For this basis ，
11、issues about operational characteristics、power floating、static operation performance and static state stability are qualitative analyzed. It concludes that the interrelations of control parameters under power control mode of DFIG are complicated，and the coupling is serious. Three kinds of complex-ve
12、ctor models suited for DFIG to analyze and control are proposed for the first time，and the interrelations and applications situation of it are analyzed. Mathematics model of DFIG in the synchronous rotary coordinate is established， and the internal unification and difference between grid-connected a
13、nd stand-alone DFIG controlled with stator-flux-oriented scheme is analyzed. The key techniques and realization methods of control target、control mode、operational characteristic and system power floating of grid-connected DFIG are mainly studied，and the different disposals of system coupling variabl
14、es by applying complex-vector model based on Internal Model Control (IMC) theory are also analyzed. It concludes that the essential reason is by using vector-control to realize high performance and obtain decoupling control of active power and reactive power at stator port of DFIG. Operational theor
15、y based on maximum wind energy capture of wind turbine is analyzed，and the essential reason for low utilization-ratio of wind energy by using the traditional CSCF generation mode is explained. Mathematics model of wind turbine is established，and grid-connected doubly fed generation system by using b
16、ack-to-back IV voltage-source converter with wind turbine model is mainly studied. At the same time，to realize independent control of system active power、reactive power and rotor speed by adopting maximum wind energy capture control is pointed out. Then，how to use separate-excitation DC motor to simulate output characteristic curve of wind turbine in the laboratory condition is supplied. Realization theory、mathematics model and relative control scheme is also given. The influence on impact
