变速恒频风力发电关键技术研究
风力发电中的变速恒频技术综述
风力发电中的变速恒频技术综述1引言风力发电技术是一种利用风能驱动风机浆叶。
进而带动发电机组发电的能源技术。
由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力物力财力来发展风力发电技术。
第一次世界大战后，丹麦首开先河，制造了仿螺旋桨高速风力发电机组。
随后美国、法国、前西德等国先后制造出了风力发电机组并投入运行。
前西德在风机桨叶制造上首次使用了质地轻、强度高的复合材料。
到20世纪60年代，由于石油廉价和内燃机的广泛运用，风力发电成本高的问题显得突出，和以内燃机为动力的发电技术相比失去竞争力，发展几近停止。
但1973年全世界的石油危机以及燃料发电带来的环境污染问题，使得风力发电技术重新受到重视。
风力发电又进入迅速发展阶段。
先后有美国研制的1000kW大型风力发电机、前西德的3000kW大型风力发电机、英国加拿大的3800kW大型风力发电机投入运行，自动控制技术日益成熟，并形成了能并网运行的风力发电机群(见图1)。
2002年，世界各国风电装机总量达到近40000MW，并且每年增长率达20％，发展势头强劲。
我国现代风力发电技术始于20世纪70年代。
2002年底，我国风力发电装机容量达473MW，遍布新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江等地[1]。
图1风力发电机群最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点：（1）风力发电机单机容量稳步变大。
现在单机容量已达到兆瓦级；（2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。
目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术；（3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效；（4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。
这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高[2]。
2 风力发电机的气动功率调节方式气动功率调节是风力发电的关键技术之一。
风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。
变速恒频双馈风力发电转子侧控制技术的研究
ｔ ｎｎｏ ｅ ｏ ｅｓ ｓｅ ａ ｄ ｄ ｅ ｅ ｉ ｌ ｉ ｔ ｔ ｂ Ｓ ｌ ｋ ｔ ｅｓ ｌ ｉ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔａ ，ｔｅｆａｉｉ ｔ ｆ ｉ ｌｄ ｌ ｆ ｈ ｙ ｔｍ ｎ ｏ ｓ ｈ ｍｕ ａ ｏ ｗｉ Ｍａｌ ／ ｉ ｉ ， ｈ ｉ ａ ｏ ｒ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ｈ ｓ ｌｙｏ ｏ ｔ ｔ ｓ ｔｎ ｈ ａ ｍｕ ｎ ｍｕ ｔ ｎ ｅ ｓ ｈ ｅ ｂｉ
的框 架结构， 进而对背靠背 Ｐ ＷＭ 变流 器的控制 策略进 行 了研 究。建立 了转子侧 变流 器控 制模型 ， 设计 了基于定子 电压
定 向 （ Ｖ ）矢量 控 制 的 变速 恒 频 双 馈 风 力发 电 系统 方 案 ， 用 Ｍａｌｂ Ｓｍｕｉｋ构 建 系统 模 型 并进 行 了仿 真 ， 真 结 果 表 Ｓ （） 利 ｔ ／ｉ ｌ ａ ｎ 仿
明控制策略 和技 术的可行性 ， 系统 实现 了有功功率、 无功功率的解耦控 制和 最大风能跟踪控制 。最后 ， 构建 了一 台 １ Ｗ １ｋ
实验机 组 ， 并进 行 了 系统 稳 态 实验 研 究 ， 证 了方 案 的 可 行 性 。 验
关 键 词 ：变速 恒 频 ； 双馈 感应 电机 ； 靠 背 Ｐ 背 ＷＭ 变 流 器 ； 矢量 控 制 中 图 分 类 号 ： Ｍ９ Ｔ １ 文 献标 识 码 ：Ａ
ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｔ ａ ｅ ｙ ａ ｄ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｈ ｙ ｔ ｍ ｅ ｌ ｅ ｈ ｃ ｉｅ ｐ ｗｅ ，ｒ ａ ｔ ｅ ｐ ｗｅ ｈ ｏ ｔｏ ｒ ｔｇ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ，ｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｒ ａｉ ｓ ｔ ｅ ａ ｔｖ ｏ ｒ ｅ ｃ ｉ ｏ ｒ＆ ｃ ｕ ｌ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ｘｍ ｕ ｓ ｚ ｖ ｏ ｐ ｉ ｏ ｔｏ ｄ ｍａ ｉ ｍ ｎ ａ ｗｉ ｄ ｐ ｗｅ ｒ ｃ ｉ ｇ ｃ ｎ ｒ １ ｉ ａ ｌ ｎ ｏ ｒｔａ ｋ ｎ ｏ ｔｏ ．Ｆ ｎ ｌ ｙ，ａ ｋ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｅ ｓｂ ｉ ，ｏ ｉｈ ｔ ｅ ｓ ｅ ｄ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｏ — ｎ １ Ｗ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｔｉ ｕ ｌ １ ｍ ｓ ｔ ｎ ｗｈ ｃ ｈ ｔ ａ ｙ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｓ ａ ｃ ｃ ｎ ｍ ｒ ｓ ｄ ｃｅ ｕ ｔ ｄ。ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｉ ｔ ｆｔ ｅ ｓ ｈ ｍｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｈ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ｏ ｈ ｃ ｅ ｐ ｏ ｅ ． ｉ Ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ＶＳ ＣＦ；ＤＦ Ｇ ；ｂ ｃ －ｏ ｂ ｃ Ｗ Ｍ ｏ ｖ ｒｅ ；ｖ ｃ ｏ ｏ ｔ ｏ Ｉ ａｋ ｔ－ ａ ｋ Ｐ ｃ ｎ ｅｔｒ ｅ ｔｒｃ ｎ ｒｌ
变速恒频双馈风力发电系统应用研究
统。其优点如下 。
Ｉ
ｆ± ｍ ｘ厂
Ｉ
系统 、开关磁 阻发 电机系统等 ，这些 变速恒频发 电系统 有 的是发电机 与电力 电子 装置相结 合实现构而实现变速恒 频的。这
些系统都有 自己的特点 ， 适用 于不同的场合 。下面对 这
较 高。 ２ ）输 出波形 中谐波分量小 而且频率高 ，容易滤去 ，
可以得到很好的正弦波形 。
量和系统 的容 量 相 同。有 高频 电流 谐 波注 入 电 网。 目
前 ，永磁发电机 系统 是研 究 的 热点 之 一 ，而且 发 展很 快 ，国外 已经出现了兆 瓦级永磁风力发 电机 系统 。
风速下 ，风轮机吸收的功率不超过最大值。 （）提高了系统的风能利用率 ３
围内变化，通过对最佳叶尖速 比的跟 踪 ， 风力发 电机 使
组在可发 电风速下均可获得最佳 的功率输 出。风力发 电 机组的控制技术从 机组 的定桨距恒速运行 发展 到变速运 行 ，已经基本实现了风力发 电机组从能够 向电网提供 电 力到理想地 向电网提供 电力 的目的。
２ ）电动机为无刷结构 ，易维护。 ３ ）易调节 。通过 励磁调节 可 以很方 便地控 制它 的 输 出特性 ，使风力机实现最佳叶尖速 比运行。 该系统缺点为 ：交交变频控制电路复杂 。可 以考虑
— —
式中 ｒ ｎ ——功率绕组 电流频率 ，与电网频率相 同； 控制绕组 电流频率；
靠。
该系统缺点 为：电力电子变换 装置容量较大 。仅仅 适用于中小型风 电系统 ，研究较少。
３ 无刷爪极式发电机 系统… ．
无刷爪极式 自 励发 电机 ， 子铁心及 电枢绕 组与 同 定 步电动 机相 同 ，区 别仅 在于 它 的励 磁部 分 ，如 图 ２所
变速恒频双馈风力发电机系统的研究
收稿日期22基金项目甘肃省自然科学基金“智能控制的多模态集成融合方法研究”(3ZS 2B 5235)变速恒频双馈风力发电机系统的研究贾石峰(兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州 730070)摘 要: 分析了变速恒频双馈风力发电机系统的结构及工作原理,给出了变速恒频技术在发电机组中实现变速运行的不同方式.通过比较变速工作时的定转子状态,采用控制发电机转子电流的大小来实现双馈异步发电机输出端电压稳定.根据运行数据,总结了变速恒频双馈风力发电机系统的若干优势.关键词: 变速恒频;双馈;发电机中图分类号: TM315 文献标识码: A 文章编号:100420366(2008)0420094203Research on the System for V ar ia ble 2Speed Constant 2Fr equencyDoubly 2Fed Wind Pow er G enera torJ IA Shi 2feng(College of A utomation and Elect rica l E ngi nee ring ,L a nz hou J ia otong U niversity ,L anzhou 730070,China )Abstract : The st ruct ure and f undament al pri nciple of variabl e 2speed co nst ant 2f requency doubly 2fe d wi nd power generator system i s a nalyzed.Different met hods about power generator varia ble 2speed run are real 2ized based on varia ble 2speed consta nt 2f reque ncy technology.By t he compa ri son of vari able 2speed work stat e of st ator and rotator of va riabl e 2spee d constant 2f requency power generat or ,t he generator rot ator cur 2rent cont rol met hod i s adopt ed t o i mpl ement outp ut vol tage st abilit y of doubly 2fed asynchronization power generator.According to t he operat ing data ,some adva nt ages of t he generator syste m are sum marized.K ey w or ds : VSCF ;doubly 2f ed ;power generator 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题,对可再生能源的开发利用,特别是对风能的开发利用,已受到世界各国的高度重视,现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采用风力机变速运行的方式[1],这种运行方式可以实现优化风力发电机组内部件的机械负载及系统内的电网质量.风力机变速运行时,与其连接的发电机也作变速运行,因此必须采用在变速运转时能发出的恒频恒压电能的发电机,才能实现与电网的并网连接[2].将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用最新电力电子技术的IG B T 变频器及PWM 控制技术结合起来,就能实现这一目的,也就是变速恒频发电系统.1 变速恒频双馈发电机系统采用双馈发电机是风力发电技术的一种主流技术,双馈发电机的结构类似绕线型感应电机,其定子绕组直接接入电网,转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源供给三相低频励磁电流.1.1 VSCF 风力发电机结构双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量,由于转子侧是通过变频器接入的,低频电流起到了励磁作用,因此又称为交流励磁发电机,还有些文献称之为可变速发电机、变速恒频发电机或异步化同步发电机.第20卷 第4期2008年12月 甘肃科学学报Jo urnal of G ans u Sci ences Vol.20 No.4Dec.2008:20080229:04220双馈异步发电机主机结构特点:定子与一般三相交流发电机定子一样,转子采用三相交流绕组.正常工作时,定子绕组并入工频电网,转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的不同类型的循环变流器作为三相变频电源供电,转子励磁系统通常采用交2交/交2直2交变频电源供电.双馈异步发电机组成的变速恒频发电系统如图1所示.双馈风力发电机的原动机为风轮和风轮传动系统.由于风速的特殊性(随机性、时变性等),使得双馈风力发电机区别于一般的双馈电机控制.基于变速恒频控制技术的交流励磁风力发电机系统主要由风轮、增速器、交流励磁发电机、励磁、控制检测等系统组成[3～4].图1 变速恒频双馈异步发电机系统结构1.2 VSCF 风力发电机原理双馈异步发电机在稳态运行时,根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的关系,其数学表达式如下n 1=n ±n 2,(1)f 1=p n/60±f 2,(2)s =n 1-n n 1=±n 2n 1,(3)式中n 1、n 、n 2分别为定子电流磁场旋转速度、转子旋转速度和转子电流磁场相对于转子的旋转速度,f 1、f 2分别为定、转子电流频率,p 为发电机极对数,s 为发电机的转差率[5].由式(1)可知,当发电机转子转速n 发生变化时,调节转子电流频率f 2,可使f 1保持恒定不变,实现双馈异步发电机的变速恒频控制.当n <n 1时,电机处于亚同步速运行状态,转子磁场旋转方向与转子旋转方向相同,励磁电源向转子提供交流励磁电流,定子向电网馈出电能,式(1)、式(2)、式(3)均取正号;当>时,电机处于超同步速运行状态,转子磁场旋转方向与转子旋转方向相反,此时定、转子均向电网馈出电能,式()、式()、式(3)均取负号;当n =n 1时,f 2=0,励磁电源向转子提供直流励磁,此时电机作为普通隐极式同步发电机运行.当风速变化时,V SCF 系统工作过程有:(1)当风速降低时,风力机转速降低,异步发电机转子转速也降低,转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速n s ,定子绕组感应电动势的频率f 低于f 1(50Hz ),与此同时转速测量装置立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路,使转子电流的频率增高,则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速n s ,这样定子绕组感应电势的频率f 又恢复到额定频率f 1(50Hz ).(2)当风速增高时,风力机及异步电机转子转速升高,异步发电机定子绕组的感应电动势的频率将高于同步转速所对应的频率f 1(50Hz ),测速装置会立即将转速和频率升高的信息反馈到控制转子电流频率的电路,使转子电流的频率降低,从而使转子旋转磁场的转速回降至同步转速n s ,定子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率f 1(50Hz ).必须注意,当超同步运行时,转子旋转磁场的转向应与转子自身的转向相反,因此当超同步运行时,转子绕组应能自动变换相序,以使转子旋转磁场的旋转方向倒向.(3)当异步电机转子转速达到同步转速时,此时转子电流的频率应为0,即转子电流为直流电流,这与普通同步发电机转子励磁绕组内通入直流电是相同的.实际上,在这种情况下双馈异步发电机已经和普通同步发电机一样了.双馈异步发电机输出端电压的控制是靠控制发电机转子电流的大小来实现,当发电机的负载增加时,发电机输出端电压降低,此信息由电压检测获得,并反馈到控制转子电流大小的电路,也即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角,使导通角增大,从而使发电机转子电流增加,定子绕组的感应电动势增高,发电机输出端电压恢复到额定电压.反之,当发电机负载减小时,发电机输出端电压升高,通过电压检测后获得的反馈信息将使半控或全控整流桥的晶闸管的导通角减小,从而使转子电流减小,定子绕组输出端电压降回至额定电压[6].1.3 VSCF 风力发电机运行数据采用VSCF 技术,1.5MW ,4极(同步转速1500r/mi n )双馈异步发电机实验样机功率/转数运行关系如图所示由图可见,风力发电机不论在亚同步运行、超同步运行,还是过负荷运行过程,VS F 系统都要起59第20卷 贾石峰:变速恒频双馈风力发电机系统的研究 n n 1122.2C图2 1.5MW4极双馈异步发电机功率/转数运行关系到功率调节的作用.由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求,发电机转速在不断变化,而且经常在同步转速上下波动[7],这就要求转子交流励磁电源有良好的变频输入输出特性,具有能量的双向流动能力,采用IG B T 器件构成的PWM 整流2PWM 逆变形式的交2直2交静止变频器作为其励磁电源.2 VSCF 风力发电机系统的优越性通过对VSCF 双馈异步发电机实验样机的实际运行效果分析,V SC F 风力发电机系统较传统失速型风力发电机系统具有下列优势:(1)VSC F 发电系统有能力控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化,因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节;(2)由于风力机是变速运行,其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值,使风力机的功率系数C p 值得到优化,从而获得较高的系统效率[8];(3)可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出,达到优化系统内的电网质量,同时减小发电机温度变化;(4)可以降低机组剧烈的转矩起伏和噪声水平,从而能够减小所有部件的机械应力;(5)可独立运行,也可并网运行,并可实现功率因数的调节.3 结束语研究了V SC F 风力发电机系统结构、工作原理、运行数据和系统优势.建立在VSCF 发电技术基础上的双馈异步发电机确保发电机输出功率恒频、恒压,保证了功率输出的平稳性和传动系统的柔性,实现风能-电能安全可靠转换,VSCF 是大型并网风力发电机组的主流机型的关键技术.风电是一种新能源,风能是有大规模开发利用前景的可再生能源,随着人们对环保意识日益增强,传统能源日渐枯竭,风力发电将成为工业化能源的重要组成部分.参考文献:[1] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M ].北京:机械工业出版社,2006.[2] 吴国祥.双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略[J ].电工技术学报,2007,22(7):1702171.[3] Wang Q ,Chang L C.An Intelli gent Maxim um Po wer Ext rac 2t ion Algorit h m fo r Invert er Based Variable S peed Wi nd Tur 2bi ne Syst ems [J ].IE EE Transactio ns on Power El ect ro nics ,2004,19(5):124221249.[4] Moo r G D ,Beu kes H J .Maxi mum Po wer Poi nt Trackers For 2wind Turbines[C ].2004,35t h Annual IEEE Po wer El ect ro nics Speci ali st s C o nference[A].Germany ,2004:204422049.[5] 代洪涛.变速恒频双馈风力发电机控制系统研究[J ].沈阳工业大学学报,2003,25(6):4792481.[6] 王海军.变速恒频双馈风力发电变频励磁电源控制研究[D ].兰州:兰州交通大学,2007.[7] 王承熙,张源.风力发电[M ].北京:中国电力出版社,2002.[8] 顾鑫.风力发电机组控制系统研究分析[J ].华东电力,2007,35(2):1612162.作者简介:贾石峰(19682)男,吉林省长春人,1990年毕业于兰州交通大学自动化专业,现任兰州交通大学自动化与电气工程学院副教授,硕士生导师.主要从事检测技术及自动化装置、控制理论与控制工程研究.69 甘肃科学学报 2008年 第4期。
变速恒频风力发电关键技术研究
变速恒频风力发电关键技术研究一、变速恒频风力发电系统简介变速恒频风力发电系统是指利用变速器控制风力发电机的转速，以使其在不同风速下维持恒定的电网频率输出。
该系统通常由风机、主轴、齿轮箱、变速器、发电机和控制器等组成。
变速器是风力发电系统的核心部件之一，其性能将直接影响整个系统的工作效率和可靠性。
二、问题与挑战1. 变速器的耐久性：风力发电系统工作环境恶劣，严峻的气候条件和风机运行时的剧烈震动都会对变速器的耐久性提出严格要求。
2. 效率和传动比的平衡：变速器需要在保证高效率的保持适当的传动比，以适应不同风速下发电机的转速要求。
3. 变速器的可靠性和维护成本：变速器的可靠性关系到整个风力发电系统的运行稳定性和经济性，而高维护成本将直接影响风力发电项目的运营成本。
三、关键技术研究1. 先进的材料与加工技术：采用先进的高强度、耐磨材料以及先进的加工技术，提高变速器的耐久性和承载能力。
2. 变速器的设计优化：通过对变速器的结构、传动比、摩擦损失等进行深入研究，优化其设计，提高传动效率和运行稳定性。
3. 智能监测和预测维护技术：采用智能监测设备和先进的数据分析技术，实现对变速器运行状态的实时监测和预测，提前发现故障，并采取有效措施进行维护，降低运维成本。
4. 多学科融合研究：将机械工程、材料科学、控制工程等多学科知识融合，进行全面系统的研究和优化设计，实现变速恒频风力发电系统的高效、稳定、可靠运行。
四、发展趋势随着风力发电技术的不断进步，变速恒频风力发电系统将在未来迎来更多的发展机遇。
一方面，随着材料科学、机械工程等领域的不断发展，变速器所采用的材料和制造工艺将得到进一步的改善和提升，从而提高其耐久性和可靠性。
智能监测与预测维护技术的不断成熟，将进一步降低变速器的维护成本，提高系统的运行效率和经济性。
多学科融合研究的发展趋势将促进变速恒频风力发电系统在技术上的全面提升和创新。
变速恒频风力发电系统作为风力发电技术的重要组成部分，其关键技术研究具有重要的意义。
变速恒频风力发电技术综述
变速恒频风力发电技术综述摘要：随着世界经济的深入发展和国际工业化进程的加快，世界各国对能源的需求日益增加，能源消耗速度不断增长，煤炭、石油等常规能源逐渐枯竭。
为了缓解能源危机，人类越来越重视可再生能源的利用，而风能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染、具有大规模开发利用前景的能源，是可再生能源中最廉价、最具潜力的“绿色能源”。
风力发电是利用风能的一种有效形式，它通过风力发电机的旋转将风能转化为可以方便利用的电能。
利用风能发电由于其“环保节能”的特点，已经引起了许多国家的关注。
关键词：风力发电；风力机；变速恒频；发展趋势；风力发电正在以前所未有的速度发展,变速恒频风力发电是一门新技术。
介绍了风力发电机的组成和分类。
通过和恒速恒频风力发电机进行比较,分析了变速恒频风力发电技术的优点。
展望了风力发电的前景。
一、变速恒频风力发电技术的优点风力发电机主要由风力机、发电机和其他辅助部件组成。
大中型风力发电机组大多采用异步发电机,因为它制造简单,并网容易,励磁功率可直接从电网中获得。
风力机组主要有两种类型:定桨距失速型风力机和变桨距风力机。
定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能,功率调节由风轮叶片来完成,对发电机的控制要求比较简单。
这种风力机的叶片结构复杂,成型工艺难度较大。
而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。
由于采用的是异步发电机,无论是定桨距还是变桨距风力发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,异步发电机转子的转速变化范围很小,转差率一般为3%～5%,故属于恒速恒频风力发电机。
恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:一是风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;三是并网时可能产生较大的冲击电流。
变速恒频风力发电技术是目前国内外风力发电技术的最优化方案,这是20世纪70年代发展起来的一种新型发电方式,它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中,获得了一种全新的、高品质的电能获取方式。
基于DSP的变速恒频双馈风力发电机控制技术的研究
现定 、 转子双馈 同时发电。双馈风力发 电机一般运行在 同步
速附近 ， 以输入转子 的励磁 电流 的频 率将 非常低 ， 所 控制难
度较大 。
器向转子提供直流励磁 ， 此时发电机作同步电机运行。
收 稿 日期 ：０８— ４一ｌ ２０ ０ １
１４ Ｓ ． Ｄ Ｐ及其外 围电路
本控制系统采用全数字化设计 ， Ｄ Ｐ模块 、 由 Ｓ 速度采 样 模块 、 电流电压幅值采样模块 、 相位 差采样 、 机接 口模块 和 人 系统保 护模块等组成 。控制 器采用 Ｔ 公司 的 １ Ｉ ６位定点 电
的变 化 ， 实现 变 速 恒频 恒 压 的 目的 。
事 件 管 理器 模 块 （ Ｖ 和 Ｅ Ｂ ， 个 事 件 管 理 模 块 （ Ｖ ＥＡ Ｖ ）每 Ｅ Ａ）
中有 ３个 全 比较单 元 （ 比较 单 元 １２和 ３ ， 个 比较 单 元 都 、 ）每 有 两 个相 关 的 Ｐ ＷＭ输 出 。 比较 单元 的时 基 由通 用 定 时 器 １ （Ｖ Ｅ Ａ模 块 ） 通 用 定 时 器 ３ Ｅ Ｂ模 块 ） 供 。 可 编 程 的 和 （Ｖ 提
ｎ １＝ ／±ｎ ７ ２ ， （） １
、
＝
ｖ ｕ
×ｎ±
（） ２
式 中 ：。 定 子 旋 转磁 场 的 同步 转 速 ； ｎ为
图 １ 系统硬件结 构图 １３ 双 Ｐ ． ＷＭ 变流器 采用功率开关 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ构成 电压 型变流器 ， 可交替实现整
ｔ ｌ ｌ 为风力发 电机的转速 ； ｎ 为励磁电流旋 转磁 场的同步转速 ； ｆ为定子 电流频率 ； ｌ Ｐ为电机 的极对数 ； ｆ 为转子 电流频率。 ２ 当风力发电机转速发生变化时 ， 可通过调节转子 电流频
基于变速恒频的风力发电机控制系统研究
（ 江西江特 电气集 团有 限公 司，江西 宜春 ３ ６０ ） ３ ００ 摘要 ：分析 了变速恒频双馈风力发电 系统的基本 原理 ，提 出了基 于定子磁 场定 向的矢量控制 策略 。并在
Ｍ ｔ ｂ Ｓ ｌ ｋ平 台下 进 行 了仿 真 ，仿 真结 果 证 明 了模 型 和控 制 策 略 的 正确 性 。 ａｌ ／ ｉ ｉ ａ ｍｕ ｎ 关键 词 ：双 馈 风 力 发 电机 ；变 速 恒频 ；定 子 磁 场 定 向 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ５ Ｍ １ 文献 标 识 码 ：Ａ
和无功分量 ，再分别对这两个分量进行闭环控制 。 Ｊ
考虑 到双馈 发 电机 不论 是处 于 电动 机状 态 还 是发 电机状 态 ，始终 运 行 在 工 频 的情 况 下 ，在 这
１ 双 馈 风 力 发 电机 系统 的基 本 结 构
样的频率下，定子 电阻压 降远 比电抗压 降和电机 反 电势小 ，通常 可 以 忽 略 电 机定 子 绕 组 电阻 。 由
如 图 １所 示 ，双 馈 风 电机 组 主 要 由风 力 机 、 静止 坐标 系下 定 子 电压 表 达 式 可 以看 出 ，忽 略 电 增速 箱 、双 馈 发 电 机 、变 流 器 和 主控 制 器 组 成 。 机定 子绕组 电阻 以后 ，发 电机 的定 子磁 链 与定 子
Ｏ ，由同步坐 标 其 运行 过程可 以简 单 描述 为 ：首 先 由风 力 机 吸 收 端 电压 矢量 之间 的相位 差正好 是 ９ 。 风能产生机械转矩 ，然后通过齿轮箱等传动装置 系下 的定子 电压 方 程 同样 可 以 验证 这 一 点 。若 以 带 动发 电机转 子 转 动 ，从 而将 机 械 功 率 传 递 给发 定子磁 场定 向 ，取定 子 磁 链 矢 量 方 向 为 同步 坐标 ０的 电机 ；转 子绕组 本 身接 人励 磁 电流 建 立 磁 场 ，由 系 ｄ轴 ，则 定子 电压矢 量将 落在 超前 ｄ轴 ９ 。 ｑ 于转 子 的转 动 ，在定 子绕 组 中感 应 出 电流 ，然 后 轴负半 轴上 ，这 样 可 以进 一 步 简 化前 面得 到 的 同 步坐标 系下 的双 馈 发 电机数 学模 型 ，从 而 得 到矢 接人 电网 ，实现 风能 到 电能 的转换 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
变速恒频风力发电关键技术研究
[摘要]本文以变速恒频风力发电技术为研究对象，着眼于风力发电的关键实现技术，从交流—直流—交流风力发电技术分析、磁场调制发电机技术分析以及交流励磁双馈发电机技术分析这几个方面入手，围绕变速恒频风力发电机关键技术这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述，并据此论证了变速恒频风力发电技术作为风力发电最关键技术，其在缓解能源危机以及推动“绿色能源”可持续发展过程中所发挥的至关重要的作用与意义。
[关键词]变速恒频风力发电技术发电机励磁定子转子分析
为缓解能源危机问题，各方工作人员开始针对一种全新的“绿色能源”展开详细分析与研究。
一种将电力电子技术、微机信息处理技术及矢量变化控制技术充分融于发电机控制过程当中的发电技术——变速恒频风力发电技术更是以其特殊的应用优势而备受关注。
本文是针对变速恒频风力风力发电关键技术这一中心问题做详细分析与说明。
一、交流—直流—交流风力发电技术分析
该技术运作系统结构示意图如下图所示（见图1）。
受到风速持续变化因素的影响，整个系统当中的风力机装置及发电机装置也会产生与风速变化存在一定关系的变速旋转作用，进而导致电功率的产生。
由图1我们不难看出：由发电机装置所发出的交流电电流首先
借助于整理器装置转换为直流电形式，在此基础之上借助于逆变器发生有源逆变反应形成适宜于电网恒定频率的交流电电源。
为确保整个交流—直流—交流反应的稳定性与有效性，风力发电过程当中应当确保发电机装置反应容量基本与变频器装置反应容量保持一致。
此类风力发电技术在实践应用过程当中最为突出的优势在于且并网过程当中基本无电流冲击作用力，并网对整个风力发电系统的影响程度较低。
但是，考虑到系统运行中采取静态自励式逆变器装置完成频率变化作业，尽管发电过程当中可以针对系统所产生的无功功率予以调节，但电网所接受电流当中仍然存在部分高频电流。
图1 交流—直流—交流风力发电技术运作系统结构示意图
二、磁场调制发电机技术分析
该技术运作系统结构示意图如下图所示（见图2）。
其主要依赖于专门设计的高频交流发电机装置于电力电子变化电路装置完成整个风力发电作业。
很明显，该运行系统当中的发电机装置具备较高的旋转频率参数。
同传统意义上的同步电机装置不同，这种高频交流发电机装置并不使用直流电励磁，而是选取频率较低的交流电励磁进行系统运行。
换句话来说，在运行系统要求输出频率参数（一般情况下以50hz为恒定值）低于高频交流发电机装置自身运行频率的情况下，该发电机装置三相绕组所生成的电压波形多表现为调幅波形式，将其连接至整理器装置当中即能够获取与高频交流发电机装置单位时间转速无关的正弦波信号。
这也就意味着：励磁电流
的频率及相位参数直接决定着整个运行系统输出电压的频率及相位参数，而这与现阶段并网运行式风力发电系统的要求是完全一致的，应用价值较高。
图2 磁场调制发电机技术运作系统结构示意图
三、交流励磁双馈发电机技术分析
该技术运作系统结构示意图如下图所示（见图3）。
在发电机装置单位时间转动速度受到风速变化而发生改变的情况下，控制转子电流频率的方式能够确保定子频率始终处于恒定状态当中，与之相对应的关系式为：定子电流频率参数（即电网系统频率参数）=电机极对数×转子机械频率参数（一般情况下按照发电机单位时间转动速度/60的方式予以计算）＋转子电流频率参数。
对该式进行分析可分为三种情况：首先，在发电机单位时间转动速度低于定子旋转磁场单位时间转动速度的情况下，整个风力发电系统运行处于亚同步状态。
换句话来说，此时由变频器装置向发电机转子部分提供交流励磁信号，电网所接受电能来自于发电机定子所发出电能，整个关系式取值为“﹢”；其次，在发电机单位时间转动速度高于定子旋转磁场单位时间转动速度的情况下，整个风力发电系统运行处理超同步状态，电网所接收电能来自于发电机装置定子及转子同时发出的电能，整个关系式取值为“﹣”；最后，在发电机单位时间转动速度等同于定子旋转磁场单位时间转动速度的情况下，整个风力发电系统运行处理同步状态，此时的发电机装置充当同步电机职
能，变频器装置将直接向转子位置提供相应的直流励磁信号。
换句话来说，基于交流励磁双馈发电机技术的变速恒频控制方案以转子电流为载体，这使得图3中所变频器装置的容量仅仅为发电机装置总容量的极小部分，由此使得变速恒频风力发电过程中变频器运行成本得到了有效控制。
图3 交流励磁双馈发电机技术运作系统结构示意图
四、结束语
无论是交流—直流—交流风力发电技术分析、磁场调制发电机技术分析还是交流励磁双馈发电机技术，基于以上风力发电技术所形成的变速恒频风力发电作业均表现出了如下几个方面的应用优势：①较高的风能转化工作效率；②传统意义上的机电动力系统刚性连接转变为柔性连接方式，在合理控制发电机装置转子脉动的同时有效延长风力机使用寿命；③励磁装置运行动作能够借助于矢量调节与控制，并网运行后发生失步问题的可能性极低；④基于pwm技术支持实现了交宽的转速运行范围，其深入研究与应用的重要性也由此得以凸显。
本文针对有关变速恒频风力发电关键技术相关问题做出了简要分析与说明，希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。
参考文献：
[1]黄科元.贺益康.卞松江等.矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究[j].中国电机工程学报.2002
[2]谢震.张兴.宋海华等.电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略[j].电力系统自动化.2012
[3]吴子敬.于长胜.张宪忠等.背靠背式风力发电变流器的仿真研究[j].北京理工大学学报.2011
[4]朱晓荣.赵猛.王毅等.双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究[j].电力系统保护与控制.2012。