風電機組的控制及并網(wǎng)11.詳解

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1、風 電 機 組 的 控 制 及 并 網(wǎng) 等 問 題 的研 究 黃 守 道湖 南 大 學 電 氣 與 信 息 工 程 學 院 一 前 言v 1、 風 力 發(fā) 電 研 究 的 背 景 和 意 義 風 力 發(fā) 電 是 電 力 可 持 續(xù) 發(fā) 展 的 最 佳 戰(zhàn) 略 。 技 術(shù)創(chuàng) 新 使 風 電 技 術(shù) 日 益 成 熟 ， 具 有 市 場 競 爭 能 力 ，風 電 作 為 一 項 高 新 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 而 將 帶 來 的 巨 大 前 景 。風 力 發(fā) 電 將 能 迅 速 緩 解 我 國 能 源 急 需 和 電 力 短 缺的 局 面 ， 是 解 決 邊 遠 農(nóng) 村 供 電 的 重 要 途 徑 ， 減

2、少資 源 消 耗 和 環(huán) 境 污 染 ,減 少 溫 室 氣 體 等 有 害 氣 體的 排 放 ,緩 解 全 球 變 暖 ,保 護 環(huán) 境 ， 有 著 巨 大 的 社會 效 益 和 經(jīng) 濟 效 益 ,中 央 把 風 力 發(fā) 電 自 主 創(chuàng) 新 提高 到 戰(zhàn) 略 高 度 ， 風 力 發(fā) 電 技 術(shù) 的 研 究 和 產(chǎn) 業(yè) 化 對于 我 國 的 發(fā) 展 具 有 深 遠 的 意 義 。 v近 年 來 ， 風 力 發(fā) 電 在 技 術(shù) 上 日 趨 成 熟 ， 商 業(yè)化 應 用 不 斷 提 高 ， 同 時 ， 風 力 發(fā) 電 的 成 本 也在 不 斷 降 低 ， 這 為 充 分 利 用 風 能 提 供 了

3、諸 多有 利 條 件 。 現(xiàn) 就 當 前 流 行 的 幾 種 風 電 系 統(tǒng) 的控 制 方 式 和 風 電 機 組 并 網(wǎng) 的 相 關(guān) 問 題 做 下 簡單 介 紹 二 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng)v 風 力 發(fā) 電 技 術(shù) 經(jīng) 歷 了 從 恒 速 恒 頻 風 電 系 統(tǒng) 到 變 速 恒頻 風 電 系 統(tǒng) 的 演 變 過 程 。 早 期 的 風 電 系 統(tǒng) 中 大 多 采用 恒 速 恒 頻 風 電 系 統(tǒng) ， 恒 速 恒 頻 風 電 系 統(tǒng) 的 發(fā) 電 機轉(zhuǎn) 速 保 持 不 變 ， 其 運 行 范 圍 比 較 窄 ， 因 此 逐 步 被 后來 的 變 速 恒 頻 系 統(tǒng) 所 取 代

4、。 變 速 恒 頻 風 電 系 統(tǒng) 的 發(fā)電 機 的 轉(zhuǎn) 速 能 隨 風 速 的 變 換 而 變 換 ， 能 夠 按 照 最 佳效 率 運 行 ， 變 速 恒 頻 發(fā) 電 系 統(tǒng) 是 當 今 風 電 系 統(tǒng) 發(fā) 展的 一 個 趨 勢 。 變 速 恒 頻 指 在 風 力 發(fā) 電 過 程 中 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 速可 隨 風 速 變 化 ， 而 通 過 其 他 控 制 方 式 來 得 到 恒頻 電 能 。 采 用 變 速 恒 頻 發(fā) 電 方 式 ,就 可 按 照 捕 獲最 大 風 能 的 要 求 ,在 風 速 變 化 的 情 況 下 實 時 地 調(diào)節(jié) 風 力 機 轉(zhuǎn) 速 ,使 之 始 終 運 行

5、在 最 佳 轉(zhuǎn) 速 上 ,從而 提 高 了 機 組 發(fā) 電 效 率 ,優(yōu) 化 了 風 力 機 的 運 行 條件 。 圖 2.1 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 框 圖 (1)風 力 機 把 風 能 轉(zhuǎn) 化 為 動 能 。(2)變 速 齒 輪 箱 進 行 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 換 ， 將 風 力 機 的 低轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 化 為 發(fā) 電 機 運 行 所 需 要 的 高 轉(zhuǎn) 速 。(3)風 力 發(fā) 電 發(fā) 電 機 把 風 力 機 輸 出 的 機 械 能 轉(zhuǎn)變 為 電 能 。(4)發(fā) 電 機 側(cè) 變 流 器 由 自 關(guān) 斷 器 件 （ 如 GIR、IGBT、 GTO等 ） 構(gòu) 成 的 AC/DC變 流 器

6、 ， 采用 一 定 的 控 制 方 法 將 發(fā) 電 機 發(fā) 出 的 變 頻 的交 流 轉(zhuǎn) 換 為 直 流 。 (5)直 流 環(huán) 節(jié) ： 一 般 直 流 環(huán) 節(jié) 的 電 壓 控 制 為 恒定 。(6)網(wǎng) 側(cè) 變 流 器 由 自 關(guān) 斷 器 件 構(gòu) 成 的 DC/AC變流 器 ， 采 用 某 種 控 制 方 法 使 直 流 電 轉(zhuǎn) 變 為 三相 正 弦 波 交 流 電 （ 如 50Hz、 690V的 三 相 交流 電 ） ， 并 能 有 效 的 補 償 電 網(wǎng) 功 率 因 數(shù) 。(7)變 壓 器 通 過 變 壓 器 以 及 一 些 開 關(guān) 設 備 和 保護 設 備 ， 把 電 能 變 為 高 壓

7、交 流 電 （ 如 11kV或 33kV等 ） 。 2.1 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 分 類 v在 變 速 恒 頻 風 電 系 統(tǒng) 中 ， 主 要 有 以 下 幾 種 風電 系 統(tǒng) ： (a)永 磁 直 驅(qū) 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) ; (b)繞 線轉(zhuǎn) 子 型 異 步 雙 饋 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) ;(c) 異 步 電 機 風力 發(fā) 電 系 統(tǒng) ;(d)無 刷 雙 饋 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) ; 但 目 前 應 用 較 為 廣 泛 且 較 有 發(fā) 展 前 景 的 主 要是 雙 饋 式 和 永 磁 直 驅(qū) 式 。 圖 2.2 永 磁 直 驅(qū) 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) v 永 磁

8、直 驅(qū) 式 風 電 系 統(tǒng) 的 風 輪 與 永 磁 同 步 發(fā) 電 機 直 接相 連 ， 無 需 升 速 齒 輪 箱 ， 同 時 轉(zhuǎn) 子 為 永 磁 式 結(jié) 構(gòu) ，無 需 勵 磁 繞 組 ， 因 此 不 存 在 勵 磁 繞 組 的 損 耗 ， 提 高了 效 率 。 另 外 轉(zhuǎn) 子 上 沒 有 滑 環(huán) ， 運 行 更 加 安 全 可 靠 。v 缺 點 是 永 磁 體 增 加 了 電 機 的 成 本 ， 永 磁 物 質(zhì) 具 去 磁性 ， 并 且 電 機 的 功 率 因 數(shù) 不 可 控 。 永 磁 直 驅(qū) 式 風 電 系 統(tǒng) 是 未 來 風 電 系 統(tǒng) 發(fā) 展 的 一 個 重要 方 向 。 圖 2.

9、3 繞 線 轉(zhuǎn) 子 型 異 步 雙 饋 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) v 它 的 優(yōu) 點 是 ： 1： 減 小 了 逆 變 器 損 失 ， 因 為 逆 變 器 功 率 只 需 為整 個 系 統(tǒng) 總 功 率 的 1/4， 這 是 因 為 變 流 器 只 需 要控 制 轉(zhuǎn) 子 滑 差 功 率 。 2： 減 小 逆 變 器 和 電 磁 噪 聲 濾 波 損 失 。 3： 在 外 部 擾 動 下 ， 雙 饋 電 機 具 有 更 好 的 魯 棒 性和 可 靠 性 。v 雙 饋 電 機 的 缺 點 就 是 使 用 滑 環(huán) ， 需 要 定 期 維 修 ，這 極 為 不 方 便 ， 尤 其 是 用 于 海 上 風 力

10、 發(fā) 電 時 。 圖 2.4 異 步 電 機 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) v 使 用 異 步 電 機 具 有 以 下 優(yōu) 點 ：1： 異 步 電 機 相 當 結(jié) 實 ， 無 電 刷 ， 可 靠 ， 經(jīng) 濟 而 普 遍 。2： 整 流 器 可 產(chǎn) 生 用 于 電 機 的 可 調(diào) 勵 磁 。3： 快 速 瞬 態(tài) 響 應 。4： 當 有 剩 余 容 量 時 ， 逆 變 器 可 作 為 無 功 或 諧 波 補 償器 。v 它 的 缺 點 主 要 有 ：1： 復 雜 的 系 統(tǒng) 控 制 （ FOC） ， 其 性 能 依 靠 對 于 電 機參 數(shù) 的 了 解 ， 而 電 機 參 數(shù) 是 隨 溫 度 和 頻 率

11、 而 變 化 。2： 為 了 滿 足 電 機 的 磁 場 需 要 ， 定 子 側(cè) 變 流 器 容 量 要比 額 定 功 率 高 3040%。 圖 2.5 無 刷 雙 饋 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) v這 種 采 用 無 刷 雙 饋 發(fā) 電 機 的 控 制 方 案 除 了可 實 現(xiàn) 變 速 恒 頻 控 制 ， 降 低 變 頻 器 的 容 量外 ， 還 可 實 現(xiàn) 有 功 、 無 功 功 率 的 靈 活 控 制 ，對 電 網(wǎng) 而 言 可 起 到 無 功 補 償 的 作 用 ， 同 時發(fā) 電 機 本 身 沒 有 滑 環(huán) 和 電 刷 ， 既 降 低 了 電機 的 成 本 ， 又 提 高 了 系 統(tǒng) 運 行

12、 的 可 靠 性 。 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 特 點 是 風 力 機 和 發(fā)電 機 的 轉(zhuǎn) 速 可 在 很 大 范 圍 內(nèi) 變 化 而 不 影 響 輸出 電 能 的 頻 率 。 可 以 通 過 適 當 的 控 制 ， 使 風力 機 的 轉(zhuǎn) 速 可 變 ， 使 風 力 機 的 尖 速 比 處 于 或接 近 于 最 佳 值 ， 從 而 最 大 限 度 的 利 用 風 能 。2.2 變 速 恒 頻 機 組 的 控 制 圖 2.6 風 力 機 的 輸 出 功 率 與 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 的 關(guān) 系 圖 v 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 機 組 的 運 行 分 三 個 階 段 。(

13、1)起 動 階 段 。 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 從 靜 止 上 升 到 切 入 速 度 。在 切 入 速 度 以 下 ， 發(fā) 電 機 并 沒 有 工 作 ， 機 組 在 風力 作 用 下 作 機 械 轉(zhuǎn) 動 ， 并 不 涉 及 發(fā) 電 機 變 速 的 控制 。(2) 在 變 速 運 行 階 段 。 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 被 控 制 以 跟 蹤 風 速的 變 化 ， 從 而 獲 取 最 大 的 能 量 。(3)功 率 恒 定 階 段 。 在 額 定 風 速 以 上 ， 風 力 發(fā) 電 機 組的 機 械 和 電 氣 極 限 要 求 轉(zhuǎn) 子 速 度 和 輸 出 功 率 維 持在 限 定 值 以 下 。 圖

14、 2.7 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 機 組 的 主 控 制 框 圖 根 據(jù) 變 速 風 力 發(fā) 電 機 組 在 不 同 區(qū) 域 的 運 行 將基 本 控 制 策 略 確 定 為 ：(1)低 于 額 定 風 速 時 ， 通 過 對 變 頻 器 進 行 控 制 ，從 而 控 制 發(fā) 電 機 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ， 以 改 變 發(fā) 電機 的 轉(zhuǎn) 速 ， 從 而 能 在 在 變 速 運 行 區(qū) 域 跟 蹤曲 線 ， 風 力 發(fā) 電 機 受 到 給 定 的 功 率 -轉(zhuǎn) 速 曲線 控 制 ， 獲 得 最 大 能 量 。(2)風 力 機 在 高 于 額 定 風 速 時 ， 進 入 功 率 恒 定區(qū)

15、， 通 過 對 槳 距 角 和 發(fā) 電 機 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 的控 制 ， 跟 蹤 曲 線 ， 并 保 持 輸 出 穩(wěn) 定 。 圖 2.8變 速 恒 頻 風 力 機 的 輸 出 功 率 與 風 速 的 關(guān) 系 圖 三 基 于 雙 PWM的 永 磁 直 驅(qū) 式 風 力發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 并 網(wǎng) 控 制v由 于 風 速 的 隨 機 性 ， 輸 入 到 發(fā) 電 機 的 能 量 也在 不 斷 地 變 化 ， 然 而 ， 同 步 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 和電 網(wǎng) 頻 率 之 間 是 剛 性 耦 合 的 ， 不 可 直 接 并 網(wǎng) ?，F(xiàn) 在 一 般 采 取 的 方 法 是 在 同 步 發(fā) 電 機 和 電

16、 網(wǎng)之 間 采 用 交 -直 -交 變 頻 系 統(tǒng) ， 使 得 這 一 問 題 得到 解 決 ， 該 系 統(tǒng) 有 以 下 優(yōu) 點 ： v 1、 由 于 采 用 交 -直 -交 變 頻 系 統(tǒng) ， 使 發(fā) 電 機組 工 作 頻 率 與 電 網(wǎng) 頻 率 相 互 獨 立 ， 因 此 不 必擔 心 并 網(wǎng) 時 可 能 出 現(xiàn) 的 失 步 問 題 。 發(fā) 電 機 可以 運 行 在 不 同 轉(zhuǎn) 速 下 ， 最 大 限 度 地 捕 捉 風 能 。v 2、 采 用 變 頻 裝 置 進 行 輸 出 控 制 ， 并 網(wǎng) 時 沒有 電 流 沖 擊 ， 對 系 統(tǒng) 幾 乎 沒 有 影 響 。 v目 前 在 變 速 恒

17、 頻 發(fā) 電 領 域 中 ， 直 驅(qū) 永 磁 同 步發(fā) 電 機 組 較 受 歡 迎 。 永 磁 同 步 電 機 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ，沒 有 勵 磁 繞 組 ， 節(jié) 省 了 電 機 的 用 銅 量 ， 無 電刷 ， 無 滑 環(huán) ， 消 除 了 轉(zhuǎn) 子 損 耗 ， 運 行 可 靠 。直 驅(qū) 永 磁 同 步 發(fā) 電 機 與 風 力 機 直 接 耦 合 ， 省去 了 變 速 箱 ， 提 高 可 靠 性 ， 減 少 系 統(tǒng) 噪 聲 ，降 低 了 維 護 成 本 。 是 未 來 風 電 機 組 發(fā) 展 的 一個 重 要 方 向 。 圖 3.1 基 于 雙 PWM的 永 磁 直 驅(qū) 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 圖

18、 采 用 了 低 速 （ 多 級 ） 交 流 同 步 永 磁 發(fā) 電 機 ， 因 此 在 風力 機 與 交 流 發(fā) 電 機 之 間 不 需 要 安 裝 升 速 齒 輪 箱 。 優(yōu) 點主 要 有 以 下 ：(1)不 采 用 齒 輪 箱 ， 使 機 組 的 工 作 壽 命 更 加 有 保 障 。(2)避 免 了 齒 輪 箱 部 件 的 維 修 及 更 換 。(3)由 于 發(fā) 電 機 具 有 大 的 表 面 ， 散 熱 條 件 更 加 有 利 ， 可以 使 發(fā) 電 機 運 行 時 的 溫 升 降 低 ， 減 小 發(fā) 電 機 溫 升 的起 伏 。(4)使 用 這 種 風 力 發(fā) 電 結(jié) 構(gòu) ， 在 低

19、 風 速 時 也 具 有 較 高 的效 率 。 采 用 PWM整 流 器 可 以 對 功 率 因 數(shù) 進 行 控 制 ， 從 而 降低 了 發(fā) 電 機 的 銅 耗 和 鐵 耗 ， 并 且 PWM整 流 器 可 提 供幾 乎 為 正 弦 的 電 流 ， 因 而 減 少 了 發(fā) 電 機 側(cè) 的 諧 波 電流 。 直 流 環(huán) 節(jié) 并 有 一 大 電 容 ， 可 維 持 電 壓 恒 定 。 電網(wǎng) 側(cè) 串 聯(lián) 電 感 可 用 于 濾 波 。 通 過 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 ，將 永 磁 電 機 發(fā) 出 的 變 頻 變 幅 值 電 壓 通 過 網(wǎng) 側(cè) 逆 變 器轉(zhuǎn) 化 為 可 用 的 恒 頻 電 壓

20、， 并 達 到 俘 獲 最 大 風 能 的 目的 。 圖 3.2 永 磁 直 驅(qū) 變 速 恒 頻 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 控 制 框 圖 v 對 于 發(fā) 電 機 側(cè) 的 整 流 器 ， 在 同 步 旋 轉(zhuǎn) (d,q)坐 標 系 中采 取 電 流 矢 量 解 耦 控 制 ， 從 而 可 以 獨 立 控 制 有 功 無功 電 流 ， 實 現(xiàn) 無 靜 差 控 制 。 控 制 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3.2所 示 ,采 用 速 度 外 環(huán) ， 電 流 內(nèi) 環(huán) 雙 環(huán) 控 制 方 式 。 其 中 外 環(huán)速 度 參 考 值 由 最 大 功 率 點 跟 蹤 算 法 得 出 ,它 根 據(jù) 發(fā) 電機 實 際 轉(zhuǎn) 速 和

21、 輸 出 有 功 功 率 的 變 化 得 出 一 個 最 優(yōu) 的參 考 速 度 ， 發(fā) 電 機 在 該 轉(zhuǎn) 速 下 運 行 便 能 獲 得 最 大 的能 量 。 v參 考 速 度 w*與 實 際 電 機 速 度 w相 比 較 ， 通 過比 例 積 分 控 制 器 得 到 有 功 電 流 參 考 iq*。 令 無功 電 流 參 考 id=0， 由 于 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 矩 T=kiq， 即發(fā) 電 機 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 與 有 功 電 流 iq成 正 比 ， 可 以通 過 調(diào) 節(jié) iq跟 從 iq*來 控 制 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 矩 ， 從 而改 變 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 w， 保 證 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速

22、為 給 定 的最 優(yōu) 轉(zhuǎn) 速 的 w* 。 v通 過 逆 變 器 控 制 ， 保 持 了 直 流 電 壓 的 恒 定 ，使 其 能 穩(wěn) 定 的 向 電 網(wǎng) 輸 送 電 能 ， 并 且 通 過 電流 內(nèi) 環(huán) 解 耦 控 制 ， 逆 變 器 輸 出 電 流 與 電 網(wǎng) 電壓 的 頻 率 始 終 為 一 致 ， 在 電 網(wǎng) 正 常 運 行 時 ，當 無 功 需 求 為 0時 能 保 持 功 率 因 素 為 一 ， 并 且在 特 殊 情 況 時 能 向 電 網(wǎng) 提 供 無 功 功 率 。 v 其 中 給 定 直 流 電 壓 Ud*與 實 際 檢 測 到 的 直 流 連 接 環(huán)電 壓 Ud相 比 較 ，

23、 所 得 誤 差 信 號 經(jīng) 比 例 積 分 控 制 器 調(diào)節(jié) 產(chǎn) 生 有 功 參 考 電 流 iq*， 而 無 功 功 率 外 環(huán) 產(chǎn) 生 無 功電 流 id*。 電 壓 環(huán) 外 環(huán) 控 制 直 流 電 壓 穩(wěn) 定 ， 可 以 使 逆變 器 穩(wěn) 定 地 向 電 網(wǎng) 傳 輸 功 率 ， 而 無 功 功 率 環(huán) 控 制 逆變 器 輸 出 無 功 功 率 ， 從 而 滿 足 電 網(wǎng) 對 于 無 功 功 率 的要 求 。 電 流 內(nèi) 環(huán) 依 然 采 用 基 于 旋 轉(zhuǎn) 坐 標 軸 的 解 耦 控制 ， 采 用 比 例 積 分 調(diào) 節(jié) 器 作 為 電 流 環(huán) 的 控 制 器 。 v通 過 電 流 內(nèi)

24、環(huán) 的 調(diào) 節(jié) 作 用 可 得 到 控 制 整 流 器所 需 的 電 壓 信 號 ， 采 用 SPWM調(diào) 制 法 對 其 進行 調(diào) 制 ， 即 信 號 波 與 三 角 載 波 進 行 比 較 得 開關(guān) 信 號 Su,Sv,Sw對 IGBT開 關(guān) 進 行 關(guān) 斷 和 開通 ， 即 可 實 現(xiàn) 控 制 目 的 。 也 可 以 采 用 空 間 矢量 PWM調(diào) 制 法 (SVPWM)對 其 進 行 調(diào) 制 。 無論 是 在 減 小 電 動 機 電 流 諧 波 損 耗 ， 消 除 轉(zhuǎn) 矩波 動 ， 提 高 控 制 系 統(tǒng) 性 能 ， 還 是 從 逆 變 器 直流 側(cè) 電 壓 利 用 率 方 面 看 ，

25、采 用 空 間 矢 量 方 法調(diào) 制 都 具 有 明 顯 的 優(yōu) 勢 。 v采 用 Matlab7.0中 Simulink根 據(jù) PWM整 流 器 的數(shù) 學 模 型 以 及 控 制 模 型 對 系 統(tǒng) 進 行 建 模 仿 真 。取 仿 真 參 數(shù) 為 電 機 側(cè) 交 流 電 壓 為 500v， 頻 率為 10赫 茲 ， 給 定 直 流 電 壓 U*為 1300v， 電 網(wǎng)側(cè) 交 流 電 壓 為 220V， 頻 率 為 50赫 茲 。 圖 3.3 直 流 電 壓 Udc仿 真 圖0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-100100300500700900110

26、013001500 tUdc從 圖 3.3可 以 看 出 ， 在 PWM控 制 下 實 際 的 直 流 電 壓Udc迅 速 跟 從 給 定 的 Udc*=1300V， 保 持 了 直 流 連 接電 壓 為 恒 定 值 。 v 圖 3.4 發(fā) 電 機 輸 出 的 電 壓 和 電 流 仿 真 圖0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-500-400-300-200-1000100200300400500 tUeu,ieu圖 3.4為 發(fā) 電 機 輸 出 的 電 壓 Ueu和 電 流 ieu， 其 頻 率 為10赫 茲 ， 從 圖 中 可

27、以 看 出 ， 通 過 0.06秒 時 間 的 調(diào) 節(jié) ，電 流 迅 速 穩(wěn) 定 下 來 ， 與 發(fā) 電 機 輸 出 電 壓 相 位 保 持 一 致 ，即 發(fā) 電 機 側(cè) 的 功 率 因 數(shù) 為 1。 圖 3.5電 網(wǎng) 側(cè) 逆 變 器 輸 出 電 壓 與 電 網(wǎng) 電 流 仿 真 圖0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-250-200-150-100-50050100150200250 tUsa,isa上 圖 為 電 網(wǎng) 側(cè) 輸 出 電 壓 Usa和 輸 出 電 流 isa， 由 圖 可 以看 出 ， 經(jīng) 過 逆 變 器 的 控 制

28、， 輸 出 電 流 由 原 來 的 10赫 茲 變?yōu)?50赫 茲 ， 與 電 網(wǎng) 頻 率 完 全 同 步 ， 并 且 同 電 網(wǎng) 電 壓 相 位也 保 持 一 致 ， 功 率 因 數(shù) 控 制 為 一 。 圖 3.6 電 網(wǎng) 側(cè) 逆 變 器 輸 出 電 流 仿 真 圖0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-30-25-20-15-10-5051015202530 tisa 在 00.1秒 時 ， 電 網(wǎng) 側(cè) 給 定 交 流 電 流 的 幅 值大 小 為 給 定 is*=20A， 在 0.1秒 以 后 ， 突 然 變化 為 25A。 從

29、圖 可 以 看 出 當 給 定 is*發(fā) 生 變 化時 ， 通 過 直 接 電 流 PWM控 制 ， 電 網(wǎng) 電 流 的幅 值 能 即 時 從 20A變 化 到 25A， 跟 從 給 定 電流 的 變 化 ， 具 有 非 常 好 的 調(diào) 節(jié) 效 果 。 四 雙 饋 風 電 機 組 的 控 制 及 并 網(wǎng) 圖 4.1 雙 饋 風 電 機 組 的 控 制 原 理 圖 4.1 雙 饋 風 電 機 組 的 控 制 原 理 v 交 流 勵 磁 變 速 恒 頻 發(fā) 電 是 在 雙 饋 電 機 的 轉(zhuǎn) 子 中 施 加轉(zhuǎn) 差 頻 率 的 電 壓 (或 電 流 )進 行 勵 磁 ,調(diào) 節(jié) 勵 磁 電 壓 的幅

30、值 、 頻 率 和 相 位 ,實 現(xiàn) 定 子 恒 頻 恒 壓 輸 出 。 交 流 勵磁 變 速 恒 頻 發(fā) 電 系 統(tǒng) 原 理 性 示 意 圖 如 上 圖 所 示 ， 發(fā)電 機 為 三 相 繞 線 式 異 步 發(fā) 電 機 ,定 子 繞 組 并 網(wǎng) ,轉(zhuǎn) 子繞 組 外 接 三 相 轉(zhuǎn) 差 頻 率 變 頻 器 實 現(xiàn) 交 流 勵 磁 。 當 發(fā)電 機 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) 頻 率 fm變 化 時 ,控 制 轉(zhuǎn) 子 勵 磁 電 流 頻 率f2確 保 定 子 輸 出 頻 率 f1恒 定 。 設 p為 極 對 數(shù) ,則 有 f1 = pfm f2 在 不 計 鐵 耗 和 機 械 損 耗 的 情 況 下 , 可

31、 以 得 到 雙 饋 發(fā) 電機 的 能 量 流 動 關(guān) 系 v式 中 , Pmech 轉(zhuǎn) 子 軸 上 輸 入 的 機 械 功 率 ; Pf 轉(zhuǎn) 子 回 饋 功 率 ; P1 定 子 輸 出 功 率 ; Pcu1 定子 繞 組 銅 耗 ; Pcu2 轉(zhuǎn) 子 繞 組 銅 耗 ; s轉(zhuǎn) 差 率 。在 忽 略 定 、 轉(zhuǎn) 子 繞 組 銅 耗 條 件 下 ,可 近 似 為 Pf sP1 1 1 21 1 2( )mech f cu cuf cu cuP P P P PP s P P P v由 此 可 知 , 當 發(fā) 電 機 處 于 亞 同 步 速 運 行 時 , s 0, Pf 0,變 頻 器 向 轉(zhuǎn)

32、子 繞 組 送 入 有 功 功 率 ;當 發(fā) 電 機 處 于 超 同 步 速 運 行 時 , s 0, Pf 0,轉(zhuǎn) 子 繞 組 向 變 頻 器 送 入 有 功 功 率 ;當 發(fā) 電 機 處于 同 步 速 運 行 時 , s = 0, Pf = 0,變 頻 器 不 向 轉(zhuǎn)子 繞 組 提 供 有 功 功 率 。 4.2 雙 饋 發(fā) 電 機 交 流 勵 磁 用 變 頻 器 圖 4.2 雙 PWM變 頻 器 主 電 路 v 交 流 勵 磁 雙 饋 發(fā) 電 機 勵 磁 變 頻 器 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。它 分 別 由 兩 個 “ 背 靠 背 ” 連 接 的 電 壓 型 PWM變 換 器(分 別

33、 記 為 轉(zhuǎn) 子 側(cè) 變 換 器 和 網(wǎng) 側(cè) 變 換 器 ,總 稱 為 雙PWM變 換 器 )對 轉(zhuǎn) 子 進 行 勵 磁 ,轉(zhuǎn) 子 側(cè) 變 換 器 向 轉(zhuǎn) 子繞 組 饋 入 所 需 的 勵 磁 電 流 ,完 成 定 子 勵 磁 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(diào) 節(jié) 。當 電 機 亞 同 步 速 運 行 時 ,往 轉(zhuǎn) 子 中 注 入 能 量 ,作 逆 變器 運 行 ;當 電 機 超 同 步 速 運 行 時 ,從 轉(zhuǎn) 子 中 吸 收 能 量 ,作 整 流 器 運 行 ,并 通 過 網(wǎng) 側(cè) 變 換 器 將 能 量 回 饋 到 電 網(wǎng)

34、;當 電 機 以 同 步 速 運 行 時 ,向 轉(zhuǎn) 子 饋 入 直 流 勵 磁 電 流 ,實 際 作 為 斬 波 器 運 行 。 網(wǎng) 側(cè) 變 換 器 運 行 模 式 與 此 類似 ,配 合 轉(zhuǎn) 子 側(cè) 變 換 器 的 運 行 ,實 現(xiàn) 能 量 雙 向 流 動 。此 外 ,網(wǎng) 側(cè) 變 換 器 還 需 控 制 直 流 母 線 電 壓 恒 定 以 及 調(diào)節(jié) 網(wǎng) 側(cè) 的 功 率 因 數(shù) ,使 整 個 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 無 功 調(diào) 節(jié)更 加 靈 活 。 4.3 雙 饋 風 電 機 組 的 控 制 圖 4.3 雙 饋 風 電 機 組 的 控 制 框 圖 A B C電 網(wǎng) v采 用 磁 場 定 向

35、 矢 量 控 制 技 術(shù) 實 現(xiàn) 發(fā) 電 機 的 功 率 解 耦 控 制 ， 有 功 功 率 P無 功 功 率 Q 分 別 與 定子 電 流 在 m、 t 軸 上 的 分 量 成 正 比 調(diào) 節(jié) 轉(zhuǎn) 矩 電流 分 量 it1和 勵 磁 電 流 分 量 im1可 分 別 獨 立 地 調(diào) 節(jié)P和 Q， 實 現(xiàn) 功 率 解 耦 控 制 。 4.4 雙 饋 風 電 機 組 的 并 網(wǎng)v發(fā) 電 機 并 網(wǎng) 條 件 為 ： 定 子 電 壓 和 電 網(wǎng) 電 壓 的幅 值 頻 率 以 及 相 位 相 同 。 發(fā) 電 機 并 網(wǎng) 控 制就 是 在 并 網(wǎng) 之 前 調(diào) 節(jié) 定 子 電 壓 ， 滿 足 并 網(wǎng) 條件

36、 后 進 行 并 網(wǎng) 操 作 。 發(fā) 電 機 并 網(wǎng) 前 定 子 空 載 ，并 網(wǎng) 控 制 的 實 質(zhì) 就 是 依 據(jù) 電 網(wǎng) 電 壓 （ 頻 率 相 位 和 幅 值 ） 信 息 ， 通 過 變 換 器 調(diào) 節(jié) 轉(zhuǎn) 子 的勵 磁 電 流 ， 調(diào) 節(jié) 發(fā) 電 機 定 子 電 壓 符 合 并 網(wǎng) 條件 v在 雙 饋 風 電 系 統(tǒng) 中 ， 發(fā) 電 機 與 網(wǎng) 側(cè) 是 柔 性 連接 關(guān) 系 ， 可 通 過 調(diào) 節(jié) 轉(zhuǎn) 子 勵 磁 電 流 實 現(xiàn) 軟 并網(wǎng) ， 避 免 并 網(wǎng) 時 發(fā) 生 的 電 流 沖 擊 和 過 大 的 電壓 波 動 。v雙 饋 風 力 發(fā) 電 機 組 的 并 網(wǎng) 方 式 主 要

37、有 ： (1)空 載 并 網(wǎng) (2)帶 獨 立 負 載 并 網(wǎng) (3)孤 島 并 網(wǎng) 空 載 并 網(wǎng)空 載 并 網(wǎng) 方 式 并 網(wǎng) 前 發(fā) 電 機 不 帶 負 載 ,不 參 與 能 量 和 轉(zhuǎn) 速 的 控 制 。為 了 防 止 在 并 網(wǎng) 前 發(fā) 電 機 的 能 量 失 衡 而 引 起 的 轉(zhuǎn) 速 失 控 ,應 由原 動 機 來 控 制 發(fā) 電 機 組 的 轉(zhuǎn) 速 。 有 文 獻 介 紹 了 雙 饋 電 機 空 載并 網(wǎng) 控 制 ， 將 矢 量 變 換 技 術(shù) 移 植 到 發(fā) 電 機 并 網(wǎng) 控 制 上 ， 提 出了 一 種 基 于 定 子 磁 鏈 定 向 方 式 的 空 載 并 網(wǎng) 控 制

38、策 略 。 圖 4.4給 出 了 該 種 控 制 策 略 的 控 制 框 圖 。 交 流 發(fā) 電 機 并 網(wǎng) 條 件 是 發(fā)電 機 輸 出 電 壓 和 電 網(wǎng) 電 壓 在 幅 值 頻 率 以 及 相 位 上 完 全 相 同 。因 而 并 網(wǎng) 之 前 應 對 發(fā) 電 機 的 輸 出 電 壓 進 行 調(diào) 節(jié) ， 當 滿 足 并 網(wǎng)條 件 時 進 行 并 網(wǎng) 操 作 。 圖 4.4空 載 并 網(wǎng) 控 制 v 帶 獨 立 負 載 并 網(wǎng) 方 式 并 網(wǎng) 前 接 有 負 載 ,發(fā) 電 機 參 與 原動 機 的 能 量 控 制 ,表 現(xiàn) 在 一 方 面 改 變 發(fā) 電 機 的 負 載 、調(diào) 節(jié) 發(fā) 電 機

39、 的 能 量 輸 出 ,另 一 方 面 在 負 載 一 定 的 情 況下 ,改 變 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 的 同 時 ,改 變 能 量 在 電 機 內(nèi) 部 的分 配 關(guān) 系 。 前 一 種 作 用 實 現(xiàn) 了 發(fā) 電 機 能 量 的 粗 調(diào) ,后一 種 實 現(xiàn) 了 發(fā) 電 機 能 量 的 細 調(diào) 。 帶 獨 立 負 載 并 網(wǎng) 方式 ,發(fā) 電 機 具 有 一 定 的 能 量 調(diào) 節(jié) 作 用 ,可 與 原 動 機 配合 實 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 速 的 控 制 ,降 低 了 對 原 動 機 調(diào) 速 能 力 的 要 求 ,但 控 制 復 雜 ,需 要 進 行 電 壓 補 償 和 檢 測 更 多 的 電 壓 、電

40、流 量 。 帶 獨 立 負 載 并 網(wǎng) 方 式 輕 型 直 流 輸 電 技 術(shù) （ HVDC Light） 在 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng)中 的 應 用v 輕 型 直 流 輸 電 （ HVDC Light） 技 術(shù) 是 在 電 壓 源 換 流 器（ VSC） 技 術(shù) 和 全 控 型 功 率 器 件 （ GTO、 IGBT、 IGCT等 ）基 礎 上 發(fā) 展 起 來 的 一 種 直 流 輸 電 新 技 術(shù) ， 與 傳 統(tǒng) 直 流 輸 電 比較 ， 具 有 采 用 無 源 逆 變 工 作 方 式 ， 克 服 了 傳 統(tǒng) 直 流 輸 電 受 端必 須 是 有 源 網(wǎng) 絡 的 根 本 缺 陷 ； 可 以

41、實 現(xiàn) 有 功 和 無 功 的 獨 立 控制 ， 控 制 靈 活 方 便 ； 不 需 要 交 流 側(cè) 無 功 功 率 ， 能 夠 實 現(xiàn) 靜 止無 功 補 償 功 能 ； 交 流 側(cè) 電 流 可 控 ， 不 會 增 加 系 統(tǒng) 短 路 容 量 ；通 過 采 用 PWM控 制 技 術(shù) ， 有 效 減 少 了 濾 波 裝 置 容 量 ； 易 于構(gòu) 成 與 交 流 系 統(tǒng) 相 同 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 的 多 端 直 流 系 統(tǒng) ， 運 行 方 式 靈活 多 變 等 特 點 ， 是 實 現(xiàn) 風 電 場 （ 尤 其 是 海 上 風 電 場 ） 與 電 網(wǎng)或 用 戶 連 接 的 理 想 輸 電 方 式 。 五

42、 、 風 電 并 網(wǎng) 對 電 網(wǎng) 的 影 響v 隨 著 越 來 越 多 的 風 電 機 組 并 網(wǎng) 運 行 ， 風 力 發(fā) 電 對 電網(wǎng) 的 影 響 也 越 來 越 受 到 人 們 的 廣 泛 關(guān) 注 。 風 力 發(fā) 電原 動 力 是 不 可 控 的 ， 它 的 出 力 大 小 決 定 于 風 速 的 狀況 。 從 電 網(wǎng) 的 角 度 看 ， 并 網(wǎng) 運 行 的 風 電 機 組 相 當 于一 個 具 有 隨 機 性 的 擾 動 源 ， 會 對 電 網(wǎng) 電 能 質(zhì) 量 和 穩(wěn)定 性 等 方 面 造 成 影 響 。v (1)電 壓 波 動 和 閃 變 v (2)諧 波 污 染 問 題 v (3)

43、對 電 網(wǎng) 穩(wěn) 定 性 的 影 響 改 善 風 力 發(fā) 電 并 網(wǎng) 性 能 的 一 些 措 施v (1) 靜 止 無 功 補 償 器 (SVC) 利 用 靜 止 無 功 補 償 器 (SVC) 減 小 風 力 發(fā) 電 功 率 波 動對 電 網(wǎng) 電 壓 影 響 。 風 電 場 是 一 個 發(fā) 出 有 功 功 率 、 吸收 無 功 功 率 的 特 殊 元 件 , 風 電 場 的 電 壓 往 往 很 低 ,利用 SVC改 善 系 統(tǒng) 電 能 質(zhì) 量 和 提 高 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 是 一個 有 效 的 措 施 。 目 前 TRC- FC型 SVC在 國 內(nèi) 外 風 電場 已 得 到 了 廣 泛

44、的 應 用 。 v (2)有 源 電 力 濾 波 器 (APF) 近 年 來 ,采 用 電 力 晶 體 管 (GTR) 和 可 關(guān) 斷 晶 閘 管(GTO) 及 脈 寬 調(diào) 制 (PWM) 技 術(shù) 等 構(gòu) 成 的 有 源 濾 波 器 , 可 對 負 荷 電 流 作 實 時 補 償 ， 有 效 地 抑 制 了 電 壓 波 動和 閃 變 。 v (3)超 導 儲 能 裝 置 (SMES) 通 過 采 用 基 于 GTO的 雙 橋 結(jié) 構(gòu) 換 流 裝 置 , SMES可以 在 四 象 限 靈 活 地 調(diào) 節(jié) 有 功 和 無 功 功 率 , 為 系 統(tǒng) 提供 功 率 補 償 , 跟 蹤 電 氣 量 的 波 動 。 充 分 利 用 SMES有功 無 功 綜 合 調(diào) 節(jié) 能 力 , 可 以 降 低 風 電 場 輸 出 功 率 的波 動 , 穩(wěn) 定 風 電 場 電 壓 , 提 高 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 。 SMES是 一 種 有 源 的 補 償 裝 置 ， 與 SVC相 比 其 無 功 補 償 量對 接 入 點 電 壓 的 依 賴 程 度 小 ， 在 低 電 壓 時 的 補 償 效果 更 好 。 謝 謝 ！