双馈风力发电系统的柔性并网控制研

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3.0 赵德峰 2025-01-09 37 4 10.59MB 108 页 15积分
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目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题背景与意义 ............................................. 1
§1.2 国内外发展现状 ............................................. 2
§1.3 主要研究内容及课题来源 ..................................... 3
第二章 风力发电系统的综合分析 ........................................ 5
§2.1 风力机的种类 ............................................... 5
§2.2 风力机特性 ................................................. 5
§2.3 风力发电机的功率调节 ....................................... 8
§2.3.1 定桨距失速控制 ........................................ 8
§2.3.2 变桨距控制 ............................................ 8
§2.4 恒速恒频与变速恒频风力发电系统 ............................. 8
§2.4.1 恒速恒频风力发电系统 .................................. 8
§2.4.2 变速恒频风力发电系统 .................................. 9
§2.5 不同运行方式下双馈电机的功率流向 .......................... 12
§2.6 本章小结 .................................................. 14
第三章 双馈型异步风力发电机的数学模型 ............................... 15
§3.1 双馈异步风力发电机在三相静止坐标系下的稳态数学模型 ........ 15
§3.1.1 双馈异步风力发电机在
abc
坐标下的数学模型 ............. 15
§3.1.2 双馈异步风力发电机的运动方程 ......................... 18
§3.2 坐标变换矩阵 .............................................. 19
§3.2.1 三相静止
abc
坐标系到两相静止

坐标系 ................ 19
§3.2.2 两相静止

坐标系到两相同步旋转
dq
坐标系 ............. 19
§3.2.3 三相静止
abc
坐标系到两相同步旋转
dq
坐标系的变换 .......19
§3.3 双馈异步风力发电机在两相同步旋转坐标系下的动态数学模型 .... 20
§3.3.1 双馈异步发电机在
dq
坐标系下的数学模型 ................ 20
§3.3.2 双馈电机风力发电系统的运动方程 ....................... 21
§3.4 本章小结 .................................................. 22
第四章 双馈电机柔性并网控制策略 ..................................... 23
§4.1 空载并网方式 .............................................. 23
§4.2 负载并网方式 .............................................. 23
§4.3 两种并网方式的比较 ........................................ 24
§4.4 基于电网电压定向的柔性并网控制策略 ........................ 25
§4.4.1 空载柔性并网控制策略 ................................. 26
§4.4.2 电流环 PI 调节器的设计 ................................ 27
§4.4.3 负载柔性并网控制策略 ................................. 29
§4.5 基于电网电压定向的风力发电并网仿真 ........................ 31
§4.5.1 基于双馈电机函数模块的并网系统仿真研究 ............... 32
§4.5.2 仿真结果分析 ......................................... 35
§4.5.3 基于 Matlab/SimPowerSystems 的负载并网系统仿真研究 .... 37
§4.5.4 仿真结果分析 ......................................... 39
§4.6 本章小结 .................................................. 43
第五章 变速恒频双馈风力发电系统最大功率点追踪控制策略 ............... 45
§5.1 最大风能追踪原理 .......................................... 45
§5.2 最大功率点追踪原理 ........................................ 47
§5.3 基于电网电压定向的双馈电机有功、无功功率解耦控制 .......... 49
§5.4 基于电网电压定向的最大风能追踪和最大功率点追踪控制策略仿真 52
§5.5 本章小结 .................................................. 52
第六章 11KW 交流励磁变速恒频风力发电系统设计 ........................ 54
§6.1 试验机组 .................................................. 55
§6.2 直流调速系统 .............................................. 56
§6.2.1 590+系列数字 DC 调速器 ................................ 56
§6.2.2 DC512C 励磁电源 ...................................... 57
§6.3 主回路设计 ................................................ 57
§6.3.1 功率器件的选择 ....................................... 57
§6.3.2 IGBT 的驱动电路 ...................................... 58
§6.3.3 电平转换电路 ......................................... 58
§6.3.4 缓冲电路 ............................................. 59
§6.3.5 直流侧电容设计 ....................................... 61
§6.3.6 信号检测电路 ......................................... 63
§6.4 本章小结 .................................................. 68
第七章 基于 SVPWM 的转子侧变换器控制策略的软件实现 ................... 69
§7.1 DSP 概述 ................................................... 69
§7.2 控制系统程序设计 .......................................... 70
§7.2.1 主程序设计 ........................................... 70
§7.2.2 ADC 中断服务程序 ..................................... 74
§7.2.3 SVPWM 中断服务程序 ................................... 79
§7.3 试验调试 .................................................. 85
§7.4 本章小结 .................................................. 86
第八章 总结与展望 ................................................... 87
§8.1 总结 ...................................................... 87
§8.2 展望 ...................................................... 88
参考文献 ............................................................ 89
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 92
致 谢 ............................................................... 93
附 录 ............................................................... 94
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景与意义
能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质
能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是
全世界乃至全人类共同关心的话题，也是我国社会经济发展的重要问题。随着国
际工业化进程的高速发展，社会发展水平以及人类生活质量不断提高，人类正以
空前的速度摄取与消耗地球的物质资源。现今的能源由于长期消耗，以渐渐面临
枯竭。据 2008 年统计，全球煤炭资源可开采 122 年，天然气只可开采 60 年，而
石油仅能开采 42 年。我国再过 40 年，煤炭资源也面临枯竭，石油和天然气也仅
能开采 80 年。所以，中国的现状很不乐观。能源的危机最直接地表现在能源价格
的不断上涨和用电紧张。自 2001 年夏天以来，福建、浙江等省份就没有停止过“拉
闸限电”。“电荒”最严重的是浙江省，用电负荷高达 95%。2002 年全国已有 12
个省实施限电，2003 年有 21 个省级电网先后出现不同程度的“拉闸限电”，缺电
局面进一步加剧。尽管国家对电力系统建设始终高度重视，但如果不改变以化石
燃料为主体的能源结构，势必将导致化石燃料的枯竭。同时这些能源在消耗过程
中产生的大量
2
CO
、
2
NO
、
2
SO
及粉尘灰渣，会导致温室效应，引起气候反常等一
系列环境问题。2010 年4月《可再生能源法》（修正案）开始实施，修订后的《可
再生能源法》中确立了可再生能源的全额保障性收购制度，建立了可再生能源发
展基金。可见，我国正全力扶持风力发电产业。
新能源即可再生能源包括太阳能，风能，潮汐能和生物能等。我国水力资源
虽较丰富，但水力发电造价高，而且受技术、经济、社会和环境等诸多因素的制
约。太阳能的开发成本又相对较高，不易大规模应用。因此风力发电的优势脱颖
而出。21 世纪是风力新世纪，风能有着取之不尽用之不竭，无需运输和开采的优
点。随着近几年电力电子技术和电力电子器件的突飞猛进，使风力发电优势更为
明显。目前，世界各国都把风力发电作为无污染无公害的电力资源进行重点开发。
随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对
系统的影响已成为重要课题。早期风力发电的装机容量较小，大部分采用结构简
单、易于并网的异步发电机直接和电网相连。而风电场所处的地理位置往往人烟
稀少，处于供电网络的终端，抗冲击能力弱。因此，风电极为可能对电网造成谐
波污染、电压波动及闪变等问题。风力发电并网条件是发电机输出的电压与电网
电压要满足同幅、同频、同相。随着风电机组单机容量越来越大，在并网过程中
双馈风力发电系统的柔性并网控制研究
2
对电网的冲击也随之变大，甚至会引起电力系统电压的大幅下降，也可能对发电
机和机械部件（塔架、桨叶、加速器等）造成损坏。如果这种冲击时间持续过长，
就可能使系统崩溃或影响其他挂网机组的正常运行。因此，并网技术越来越受到
人们的重视和关注。
§1.2 国内外发展现状
1890 年，丹麦人率先研制了风力发电机，
1891 年建成了世界上最早的风电场。
20 世纪 90 年代许多国家纷纷制定了优惠政策激励了风电事业的发展，其中以欧洲
和北美洲最为突出，风力发电单机容量已达 MW 级。根据世界风能协会（WWEA）
对2010 年上半年全球风电装机容量统计，见表 1，新增装机容量最大的是中国，
2010 年1月至 6月共增加 7.8GW，总装机容量达到 33.8GW，而美国新增装机容
量有所下降，仅增加了 1.2GW，总装机容量为 36.3GW，但仍位居首位，印度新增
装机容量达到 1.2GW。五个主要欧洲市场增长幅度相似，德国增加 660MW；法国
和英国增加 500MW；意大利增加 450MW；西班牙增加 400MW。
表 1-1 2010 年上半年全球风电装机容量统计
WWEA 预计，2010 年全球风力发电装机新增规模将达到 35～40GW，与 2009
年新增 38GW 类似。按照这一趋势发展，预计到 2010 年全世界总装机容量会超过
200GW，2020 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的 10%。在技术上，世界
第一章 绪 论
3
风力发电组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入 21 世
纪后，全球风电产业技术得到了飞速的发展，主要体现在：
1. 单机容量持续增大。
2. 变桨距功率调节方式占主导。
3. 变速恒频方式取代恒速恒频方式。
4．直驱式、全功率变流技术迅速发展。
5．海上风电技术成为发展方向。
6．标准化与规范化。
我国风力发电发展大致分为四个阶段。第一阶段：1986 年～1990 年是我国风
力发电并网的起步阶段。其特点是单机容量小、规模小。在这四年里共建立了四
个风电场，总共安装了 32 台风电机组。其中最大单机容量为 200 千瓦，总装机容
量为 4.22 万千瓦。平均每年新增装机容量仅为 0.84 万千瓦。第二阶段：1991 年～
1995 年为风力发电推广阶段。在此期间又新增五个风电场，共安装风电机组 131
台，总装机容量为 33.29 万千瓦，年新增装机容量为 6.10 万千瓦，其中最大单机
容量为 500 千瓦。第三阶段：1996～2000 年为扩大风电建设规模阶段。其特点是
总装机容量较大，发展速度迅速，年新增装机容量为 60.13 万千瓦，最大单机容
量为 1500 千瓦。第四阶段：至今，我国风力发电总装机容量已达到 338 万千瓦，
排在世界第 5 位，亚洲第 2 位。
随着越来越多的风电正在接入电网，随之也带来了一系列负面问题，为此不
同国家已采取了不同措施。在美国，现在的并网标准要求对每个风电项目都包含
风场特性指标；而欧洲的风电相对成熟，对风电的并网早已有了具体的标准和规
范。通过可执行的并网标准，可以确定对风场的特性要求和保证风场的全部发电
能有效的传输到电网。这些可执行标准包含：风电场并网点电压和无功容量的范
围、风电场的调节方式（最有效的方式是电压调节方式）、低电压穿越能力，以保
证风电场的风力机在系统扰动时不断开电网以及有功功率变化率的要求等。我国
目前存在风电并网标准不够完善，并网技术问题在于风电输出功率的不稳定造成
的电能质量、储能与备用容量、电网稳定等普遍性问题，这些还依赖风电并网技
术不断进步。
§1.3 主要研究内容及课题来源
风力发电系统是一个复杂的综合性系统，能将风能转换为电能供人们使用。
它涉及到多种学科及多种领域，如动力学、控制技术、电气工程、材料学等。本
文采用双馈型异步发电机的风力发电方式，主要研究对象是励磁变流器。重点研
双馈风力发电系统的柔性并网控制研究
4
究双馈型异步发电机交流励磁变速恒频机理，空间矢量技术及柔性并网控制策略
等。为使研究工作理论联系实际，构建 11KW 的交流励磁变速恒频风力发电系统
平台，目的是实现直流电动机的风力机特性模拟和风力发电柔性并网实验。
本文主要研究内容从以下几个方面展开：
本章详细综述了课题的意义及目前国内外风力发电技术的先进水平。
第二章概述了风力机的种类及风力机的特性。通过比较恒速恒频风力发电系
统与变速恒频风力发电系统两者的特点，得出变速恒频风力发电系统提高了风能
利用率，控制更为简单等显著优势。详细分析了交流励磁变速恒频双馈风力发电
系统的原理以及在不同功率运行方式下的功率流向，对励磁变换器的性能提出了
具体要求。本章为后续制定双馈风力发电系统的柔性并网与最大功率点追踪控制
策略提供了依据。
第三章在三相静止坐标系下建立了双馈电机数学模型。给出了三相静止坐标
系到两相同步旋转坐标系的变换公式。经过等功率坐标变换得到了双馈电机在两
相同步旋转坐标系下的数学模型。
第四章分析比较了空载并网方式和负载并网方式。在电网电压定向下简化了
双馈电机的数学模型，并分别制定了基于电网电压定向的空载并网与负载并网控
制策略。仿真结果表明，空载并网和负载并网都能实现无冲击并网。
第五章分析了最大风能追踪原理与追踪过程。结合考虑定、转子铜耗时，提
出了一种不以输入功率最大为控制目标，而是以输出功率最大为控制目标的最大
功率点追踪控制策略。由于最大功率点追踪控制策略不依赖最佳风速-功率-转速曲
线，因此系统运行更稳定更可靠。根据电机并网后的数学模型，设计了控制结构，
实现了输出侧有功、无功功率的解耦控制。
第六章在实验室条件下，搭建 11KW 交流励磁变速恒频风力发电系统。该系
统由试验机组、直流调速系统、双 PWM 变换器、信号检测电路、DSP 以及上位
机组成。详细阐述了直流调速系统的组成并给出了试验机组的参数。系统设计主
要分为硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括双 PWM 变换器的制作、IGBT 和
驱动电路的选型、缓冲电路的选取与缓冲参数的计算、直流电容的设计和信号调
理电路的设计等。软件设计主要是基于 DSPTMS320F2812 双馈风力发电系统转子
侧变换器控制以实现柔性并网控制策略。
第七章基于前几章的理论依据、FIR 数字滤波器以及 SVPWM 算法的实现，
完成了 DSP 编程以及各模块的调试。程序包括初始化主程序、ADC 中断服务程序
以及 SVPWM 中断服务程序。
第八章总结全文，并对后续工作进行了一些展望。
第二章 风力发电系统的综合分析
5
第二章 风力发电系统的综合分析
§2.1 风力机的种类
从能量角度上来看，风力发电机组由两大部分组成：其一是风力机，它的作
用就是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的作用是将机械能转换为电能。
风力机的种类和样式很多，根据风力机的风轮结构与其在气流中的位置大致
可以分为两大类：水平轴风力机和垂直轴风力机。
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转。在运行时，风向与风轮的旋转平
面是垂直的。根据风力机的用途来确定风轮叶片的数目。一般用作风力发电的风
力机，其叶片数目为 1~4 片（通常为 3片）。叶片数少的风力机通常称为高速风力
机，起动风速较大，在高速运行时有较高的风能利用系数。由于其叶片数少，在
输出同样功率的条件下比低速风力机要轻得多，因此适用于发电。垂直轴风力机
的风轮围绕一个垂直轴旋转，它能接受来自各个方向的风，当风向改变时，无需
对风，但无法自起动且效率普遍较低。其中以法国人 G.J.M.Darrieus 发明的达里厄
（Darrieus）型风力机成为水平轴风力机的典型代表。不过目前用于风力发电的风
力机还是以水平轴风力机为主。
§2.2 风力机特性
设风力发电机叶轮的截面积为
S
，则当风以风速
v
的风流经叶轮时，叶轮上单
位时间的风能为：
2
1
2
P mv
（2-1）
其中：单位时间质量流量
m Sv
，代入式（2-1）中，整理得：
3
1
2
P Sv
（2-2）
实际中，
3
1
2
w p m c
P C Sv
  
（2-3）
式中：
w
P
——风能功率，单位：W；
p
C
——叶轮的风能利用系数；
m
——传动系统与齿轮箱的机械效率，一般取 0.80~0.95，直驱式风力机为 1.0；
c
——发电机效率，一般取 0.70~0.98；
双馈风力发电系统的柔性并网控制研究
6
——空气密度，单位：
2
/Kg m
；
S
——风机叶轮旋转一周的扫掠面积，单位：
2
m
；
v
——风速，单位：
/m s
。
根据贝茨理论，可得最大风能为：
3
max
8
27
P Sv
（2-4）
式（2-4）为贝茨公式。其假定条件是风速为轴向方向且在整个风轮扫掠面上
是均匀的。将式（2-4）与式（2-2）之比，称为风力机的最大理论效率：
3
max
max
3 3
8
16
27 0.593
1 1 27
2 2
S v
P
v S S v
 
 
（2-5）
式（2-5）说明，风力机不能吸收全部风能，一部分功率将会损失在尾流中的
旋转动能中。采用不同风力机和发电机导致功率的下降也截然不同，风力机的实
际风能利用系数必小于 0.593。
风力机实际能得到的有功功率为：
3
1
2
s p
P v SC
（2-6）
式（2-6）中
p
C
为风能利用系数。它反映了风力机从自然风能中吸收能量大小
的程度。由（2-6）式可知：
3
1
2
p
P
C
v S
（2-7）
对于实际风力机，
p
C
是一个与叶轮转速、桨叶节距角和风速均有关系的物理
量。高性能螺旋桨式风力机，其
p
C
值一般在 0.45 左右，而阻力型风力机就只能达
到0.15[1]。在讨论
p
C
的特性，还定义了风力机的另一个重要参数，即叶尖速比
，
它是叶片的叶尖线速度与风速之比：
2Rn R
v v
 
 
（2-8）
式中：
n
——风轮转速，单位：
/r s
；
——风轮角频率，单位：
/rad s
；
R
——风轮半径，单位：
m
；
v
——上游风速，单位：
/m s
。
风能利用系数是叶尖速比
和桨距角
的函数。风力机特性通常可由图 2-1 所
第二章 风力发电系统的综合分析
7
示的风力机风能利用系数曲线来表示。
图 2-1 风力机风能利用系数曲线
从图 2-1 可知，当桨距角
不断增大，
( )
p
C
曲线将明显缩减。如果桨距角保
持恒定，风能利用系数
p
C
只与叶尖速比
有关。因此定桨距风力机风能利用系数
曲线如图 2-2 所示。
图 2-2 定浆距风力机风能利用系数曲线
在定桨距的情况下，对一特定的风力机，总有一个唯一的叶尖速比使得风能
利用系数
p
C
最大，称之为最佳叶尖速比，用
opt
表示，与之对应的最大风能利用系
数用
maxp
C
表示。贝茨理论指出风力机的最大风能利用系数为 0.593，一般水平轴风
力机
p
C
只能达到 0.2~0.5。如果将风力机所在风场的风速及风向变化等因素考虑进
去的话，那么实际
maxp
C
大约在 0.4 左右，难以达到 0.5。
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