基于matlab的双馈风力发电系统仿真技术研究

基于matlab的双馈风力发电系统仿真技术研究内容摘要：

，改变了以往恒速才能恒频的传统发电概念，在变水头的水力发电、能量随机变化的风力发电，以及舰船、飞机、车辆等变速主轴驱动的特殊发电场合中获得了越来越广泛的应用，并表现出了卓越的运行性能，成为电力技术研究中的热点。 在发电过程中让风力机转速随风速而变化，而通过其它控制 方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。 变速恒频的特点是风力机和发电机的转速可在很大的范围内变化而不影响输出电能的频率。 由于风力机转速可变，可以通过适当的控制，使风力机叶尖速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能。 同时在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。 此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多的优越性。 当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮所吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避 免主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力；当风速下降时，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网。 在这里，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到了缓冲作用，使风力机内部能量传输部件承受的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力的产生，从而使风电机组的运行更加平稳和安全。 变速运行还有一个好处是，可以降低风力机在低风速运行时的噪音，并可使风轮设计突破原有的框框。 采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行 [6]。 采用这种交 流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点： (1)允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。 同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。 (2)调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。 应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。 (3)需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减 7 小，成本降低，投资减少。 (4)可以实现柔性并网。 正因为这些优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。 本课 题主要 研究 内容 交流励磁双馈风力发电系统是目前具有广泛应用前景的变速恒频风力发电技术。 由于励磁 变流器 只传递转差功率，降低了 变流器 的容量，从而降低了 变流器 成本，尤其适合兆瓦级风力发电应用。 通过调节转子励磁电流的幅值、相位和频率，能够实现发电机同步转速上下较大范围内的变速恒频运行。 在风速变化的情况下，实时调节风力机转速，使其始终运行在最佳转速上，实现了最大风能追踪控制：通过矢量变换控制，可以独立调节发电机输出的有功和无功功率，不仅能够补偿电网的无功需求，还能提高电力系统的动静态性能。 本课题研究方案采用交流励磁 的绕线式双馈感应发电机 (DFIG)，首先 学习了解交流励磁变速恒频双馈风力发电机组的 相关 工作原理，建立 双馈 发电机的数学模型，然后在 MATLAB 中 用 SIMULINK 搭建其 仿真 模型 ； 基于坐标变换技术和电机矢量控制理论，进行了电网电压定向的网侧变流器矢量控制设计和定子磁链定向的转子侧变流器矢量控制设计的研究 ；结 MATLAB 中 其他已有成熟模块建立双馈风力 发电系统仿真模型 ， 仿真了 在风速发生变化时，通过变流器调节转子励磁电流的幅值、相位和频率，使系统输出电能保持恒定频率 ，通过矢量变换控制，可以独立调节发电机输出的有功和无 功功率。 8 第 2 章 双馈风力发电系统 的 结构特点和基本原理 双馈风力发电系统结构特点 图 21 双馈风力发电 系统结构 双馈风力发电 系统结构图如图 21 所示。 系统包括 风力机 ， 齿轮 箱，双馈感应发电机， 变流 器 ，控制器 等， 其 主要作用是从风中捕获能量并将其转换成电能。 当风作用在叶片上带动叶片的旋转从而产生相应的转矩，该转矩驱动轮轴 转动，由于风能密度低，叶片旋转速度会比较 慢 ，一般为 1030 转／分钟，为了使其旋转速度达到双馈感应发电机的转速要求，在风力机和双馈感应发电机之 间 装有一 个变速 箱来进行变速， 变速 箱的 变比由 风 力机和 双 馈发电机的转速要求确定， 变速 箱的低速轴通过低速联轴器和风力机相连，而其高速轴通过高速联轴器和双馈感应发电机的转子相连，带动发电机的转子旋转．从而将叶片吸收的风能转换成机械能。 双馈感应发电机吸收机械能后．在变 流 器的控制作用下，负责将机械能转换成符 合 电 网 规则的电能传送至电网。 风力机最大风能捕获原理 风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，用以截获流动空气的动能， 9 并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转换为机械能。 它不仅决定整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接影响机组的安全、稳定、 可靠运行，是风力发电系统中关键部件之一。 根据贝兹理论，风力机捕获的风能功率为：   3,21 AvCP pr  (21) 式中： ρ —— 空气密度； v —— 风速； A —— 风力机扫掠面积； Cp —— 风力机的功率系数；它是叶尖速比 λ 和浆叶节距角 β的函数，其中 vRm ， ωm 为风力机机械角速度 ,R 为风轮半径。 由式 (21)可见， 在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数 Cp。 如果在任何风速下，风力机都能在 Cpmax点运行，便可增加其输出功率。 根据图 21b)，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比 λ = λopt ，就可维持风力机在 Cpmax下运行。 因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速比保持λopt不变，就可获得最佳的风能利用系数。 由式 (21)可知风力发电机组的输出功率是风速的立方函数，即风速越大，机组输出的电功率越大。 然而，实际系统中存在两个限制：一是电气回路中各电气装置及元件的最大功率限制，二是风力机组的 各转动部件尤其是风轮，存在一个转速上限。 风力机的特性通常由一簇风能利用系数 Cp的无因次性能曲线来表示，如图22a)所示。 风能利用系数 Cp是风机叶尖速比 λ的函数，同时也是桨叶节距角 β的函数，理论上最大为 ，也称为 Betz极限。 从图中可以看出，当桨叶节距角逐渐增大时，该曲线将显著减小。 若保持节距角不变，图 22a)的一簇曲线就变成了图 22b)的一条曲线 [7]。 10 a） b） c） 图 22 风力机特性曲线 图 22c） 是一组在不同风速 (v1v2v3)下风力机的输出功率特性， Popt 曲线是各风速下最大输出功率点的连线 ,即最佳功率曲线。 风力机运行在 Popt 曲线上将会输出最大功率 Pmax，其值为： 3max mkP  (22) 式中：max321 popt CRAk  可以看出 ,在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪 Popt 曲线，必须在风速变化时及时调整 转速 ωm，保持最佳叶尖速比。 当达到起始风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速后，风力发电机组开始发电运行，通过对发电机的转速的控制， Cp 不断上升，直至 11 Cp=Cpmax，进入 Cp 恒定区，这时机组在最佳状态下运行这段区域主要是发电机组机械转矩（即有功功率给定值）使转速随着风速而变化，使 λ=λopt，实现最大风能捕获 [8]。 对于每个风速，都有一个相对应的最佳风机转速，可得：  260R vNn opt （ 23） 式中： ｎ —— 电机转速； Ｎ —— 齿轮箱传速比。 双馈 感应 发电机的运行原理 双馈发电机结构类似于绕线式感应电机，其定子和转子上均放置对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以输入电能也可以输出电能。 因采用交流励磁，转子的转速与励磁电流的频率有关，从而使得双馈发电机的内部电磁关系既不同于 感应 电机又不同于同步电机。 双馈发电机在正常工作时，其定子绕组接工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位可调的三相变频电源供电，如图 23。 图 23中 f． f2分别为双馈发电机定、转子电压和电流的频率， n1为定子磁场的旋转转速，即同步转速， n2为转子磁场相对于转子的旋转转速， nr为双馈发电机转子的转速。 双馈发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止。 当定子旋转磁场在空间上以 ω1的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度 ω2应为： sr 112   （ 24） 其中， ωr为转子机械旋转角速度 ， s为双馈发电机的转差率。 12 f1 n1 f2 n2 图 23 双馈发电机结构简图 按照通常转差率的定义有： 11nnns r （ 25） 转子转差角速度与 s成正比。 若双馈发电机的转子转速低于同步转速，那么转子旋转磁场和旋转方向相同，如果转子的转速高于 同步转速，那么二者的旋转方向相反。 根据 ω=2πf 推出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系： sff 12 （ 26） 当双馈发电机的转速发生变化时，只要改变通入电机转子里面励磁电流的频率 f2就可以保持电机定子侧频率 f1不变，即保持电机输出电压的频率恒定；通过改变通入电机转子里面励磁电流的幅值、相位就可以改变定子侧电压幅值 [910]。 双馈 感应发电机功率流动特点 电机是一 种机电能量转换装置 ,各种电机中都存在一个机电耦合场 气隙磁原动机 励磁变压器 励磁 变流器 13 场。 对双馈发电机来说 ,从转子输入的机械能 ,克服气隙磁场中导体所受的电磁力而做功 ,使导体不断地感应电势 ,从而源源不断地发出电能 ,实现机械能到电能的转换。 根据功率守恒，经气隙传递的电磁功率从定子方表示为： fecuem ppPP  11 （ 27） 同时，也可以从转子方的功率来表示 :   sRIIUP em 222*22Re  （ 28） 按照一般感应电机的分析方法，对 R2 和 U2 进行分解，可将上式改写为：         *22*22222222 1ReRe1 IUs sIUIRs sIRP em （ 29） 式中：  *22Re IU —— 励磁系统输入转子的电功率；   2221 IRs s —— 轴上机械功率。 当 0s1 时，轴上机械功率为负， 表示它将消耗电磁功率并将其转化机械功率从轴上输出；当 s0 时，此项为正，表示它将把轴上的机械功率转化为电磁功率。 对于传统感应发电机，电磁功率、总机械功率、转子铜耗有如下关系：   2211cumecemmecemcups sPPsPsPp (210) 显然式 (210)对双馈电机并不适合，但如果认为广义铜耗为： 14  *22222*2 Re IUIRPcu  (211) 则由式 (211)可得：   *22222 Re1 IUIRsP em  (212) 所以：  emcuemmec sPP PsP  *21 (213) 由此可得双馈发电机励磁系统输入电机的功率：   222*222 Re IRsPIUP em  (214) 双馈电机由于转子侧可以输入 (出 )入交流电，因此它具有了与一般感应发电机和同步发电机不同的特点。 一般感应电机在转子转速低于同步转速时处于电动状态，当转子速高于同步转速时处于发电状态。 而交流励磁双馈电机除具有上述两种工作状态以外，还具有另外两种状态 :即超同步电动工况和亚同步发电工况。 在不同的工况运行时，具有不同的功率传递关系。 忽略电机定转子铜损耗、铁损耗及各种机械摩擦损耗等，只研究电磁功率 Pem 、机械功率Pmec=(1s)Pem和转差功率 Ps=sPem流向确定其运行状态。 (1) 转子 运行于亚同步速的电动状态。