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1、 交流励磁发电机变速恒频运行原理1风力机最大风能捕获运行机理风力是一种取之不尽,用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性爆发性不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集高效利用的问题。由空气动力学原理,通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分,可用风能利用系数Cp来描述：CpPm/ w （1）其中：P为风力机吸收且输出的机械功率；P为通过浆叶输入风力机的功率。故系数C反映了风力机吸收利用风能的效率。风力机的风能利用系数Cp与风力机的一个重要运行参数叶尖速比密切相关,如图1所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即R/=R2n/（V) (2)式中R为叶轮的半径,为
2、叶轮旋转的角速度,n为叶轮的转速，为风速。风力机的风能利用系数C与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图所示。 能捕获的关键是控制风力机转速。风力机按浆叶节距的磁链分量分别为：m1=1,t10。忽略发电机定子电阻,发电机感应电动势E1等于定子侧端电压U1。因为落后于0,故和位于t轴的负方向，从而有U1=0,Ut1=-U1关系。忽略定子电阻时发电机电压和磁链方程为9124（1）（2）式中Ls,L r,Lm为发电机定、转子等效自感和互感;r2为转子绕组电阻；I，It1,Im,I2为定、转子电流的、t轴分量；1,s为同步角速度及转差角速度;p为微分算子。从（1）式可看出,不计定子电阻
3、影响时，发电机的定子磁链1为常数,其值为定子电压与同步角速度之比。2.发电机矢量变换控制系统按=，Ut1-U1关系,发电机的功率方程为（3）可以看出,有功功率P无功功率Q分别与定子电流在m、轴上的分量成正比,调节转矩电流分量It1和励磁电流分量Im1可分别独立调节P和Q。（4）由前面发电机的电压和磁链方程可以导出其中是分别与m2It2具有一阶微分关系的电压分量，U2Ut2为电压补偿分量。即（5）（6） 其中:a=-Lm/s,Lr-LmLs。为实现转子电压电流解耦控制的解耦项,m2Ut为消除转子电压电流交叉耦合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后,既简化了控制,又能保证控制的精度和动态
4、响应的快速性。按(1)式（6）式可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统框图,如图2所示。图2 变速恒频风力发电机矢量控制系统框图系统采用双闭环结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。在功率环中,有功功率指令P*按（6）式计算得到，无功功率指令Q可根据电网对无功功率的要求计算,也可从发电机的功率消耗角度来计算2。指令P*Q*与功率反馈值、Q进行比较,差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功分量及有功分量指令*m1和I*t1。I*m1和It1按（2)式计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令I*m和It2，I*m2和*t2和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后
5、输出电压分量Um2Ut2,加上电压补偿分量就可获得转子电压指令m2*Ut2*，旋转变换后得到发电机转子三相电压控制指令Ua*Ub*Uc*。系统所采用的定子磁链观测器为较为实用的u型磁链观测器，其运算关系如图3所示。由于发电机定子磁链矢量超前于定子端电压矢量 90空间角,若电压矢量相角为,则定子磁链矢量的相角s为（7）定子磁链矢量的幅值可根据（）式求出。图3 u-型定子磁链观测器 3变速恒频风力发电系统运行仿真（）仿真参数三相绕线式异步发电机 四极,额定功率2.w额定电压22/额定频率60z定子电阻r1和漏感分别为0435om,2mH转子电阻r2和漏感L2分别为016ohm,mH互感L=69.3
6、1mH转动惯量=0.08 kgm2风力机浆叶半径R=.3额定功率2.2kw最佳风能系数Cpmax和最佳叶尖速比opt分别为0.43和 变速齿轮箱 增速比K=7.46(2）风力机模型风力机模型如图4所示。输入为角速度和风速v,输出为驱动转矩TL。图 4 风力机模型结构设空气密度=1.25k/m3，无功功率参考值Q*=50w。由于风力机与发电机轴间通过一增速比N=78的变速齿轮箱连接,故发电机角速度r和风力机角速度m关系为r=N7.6。对应风速的发电机理论最佳角速度ropt为假定第10秒时风速由4/s升至68ms,按上式得到两风速下发电机的理论最佳转速分别为122.8rad/和208.7rad/s
7、。(3）仿真结果在仿真中采用空载并网方式并网（详情参见第三部分）,并网前，发电机空载运行角速度为16.5ra/s，.5秒时刻并入电网。图5 风速v和发电机角速度r图5 风速变化时发电机转速调节的过程。第一次调节是从并网时刻的17.5ad/开始,5秒后转速达到稳定;第二次调节开始于风速发生阶跃的0秒时刻,在5秒时刻转速趋于平稳,调节后两个最佳角速度分别稳定在122.6ra/s和09rd，与理论计算值非常吻合。图6 发电机的电磁转矩Te和风力机拖动转矩TL图7 发电机输出有功功率P1和风力机输出机械功率Pm图和图7 追踪最大风能过程中发电机和风力机功率和转矩的调节过程。图8 发电机定子电流i1图8
8、 发电机定子电流波形。在最大风能追踪控制下，发电机输出有功功率相应地变化，在电网电压恒定情况下表现为定子电流的幅值相应地变化,整个过程中定子电流频率始终保持恒定（60z)。图9 发电机转子电流i2图 转子电流的变化过程。随着发电机转速的变化,转子电流频率相应地变化,转速过同步点时其频率为零图10 发电机输出有功功率P和无功功率Q。图1 发电机定子侧的输出功率功率。随着风速的变化发电机输出有功功率P相应变化的时候,无功功率不受其影响，保持设定的350Var不变,实现了P和的解耦控制图11 发电机转子侧有功功率P2图1 追踪最大风能过程中发电机转子侧功率P2的流向的变化。当发电机亚同步速运行时，2
9、,表示功率从电网流向发电机；超同步运行时时,0，表示功率从发电机流向电网，采用功率可双向流动的双PW变频器作为发电机转子侧的交流励磁电源,不但改善了电能的质量,而且很好地解决了发电机运行在亚同步和超同步转速下的功率流向问题。三.变速恒频风力发电机并网控制技术 传统的恒速恒频发电方式下发电机和电力系统之间为“刚性连接”,即发电机输出频率完全取决于原动机的速度,与电网和发电机励磁无关。因此,发电机并网之前必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也须严格保持转速恒定。如果发电机运行中由于故障而失步，也就很难被牵入同步,必须脱网再次进行整同步操作,重新并网。 异步发电机并网的方式比较多3,如直接并网，准
10、同期并网和降压并网,但它们都要求在转速接近同步速（10%）时进行并网，对转速有一定的限制。软并网技术是最近国外研究比较多的先进并网方式,它是通过控制发电机与系统之间用作并网开关的双向可控硅的触发角而减小冲击电流。采用交流励磁变速恒频方式运行后，发电机和电力系统之间构成了“柔性连接”。此时只要根据电网电压电流和发电机的转速来调节励磁电流，就可精确地调节发电机输出电压,满足并网要求。1变速恒频风力发电机的并网方式 根据发电机并网前的运行状态,并网控制方式可有两种：并网前发电机空载,调节发电机的空载电压以实现并网称空载并网方式；并网前发电机接独立负载(如电阻)，调节发电机的端电压实现并网称独立负载并
11、网方式。两种并网方式如图1所示。 (a)图1变速恒频发电机并网方式(a) 空载并网方式 (b) 独立负载并网方式 (b).变速恒频风力发电机并网控制策略并网前为调制发电机输出电压满足并网条件，交流励磁变速恒频发电机须采用定子磁链定向矢量变换控制。()并网控制分析用电机数学模型图2为发电机并网分析用参考坐标系示意图5，其中1为定子两相静止坐标系,1轴取定子A相绕组轴线正方向。2为转子两相坐标系,2取转子a相绕组轴线正方向。2-2坐标系相对于转子静止,相对于定子绕组以转子角速度逆时针方向旋转。M-T坐标系是两相旋转坐标系，以同步速逆时针旋转。2轴与1轴的夹角为r，M轴与1轴夹角为。为实现发电机有功无功的解耦和独立调节,控制系统采用了发电机定子磁链定向矢量变换控制,所采用的M-T坐标系的轴与定子磁链矢量的方向重合，并按电动机惯例建立发电机数学模型。忽略定子电阻时发电机端电压矢量应该超前定子磁链矢量0，即位于T轴正方向。图2 坐标变换示意图在-T坐标系中，发电机的电压方程为13：（1）（2） 发电机的磁链方程为124：（3）（4） 式中,R1R2为定子，转子绕组电阻。L1L2Lm分别为定转子等效绕组的自感以及同轴等效绕组间互感。U
