风力发电中双馈电机交流励磁模糊控制策略研究
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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 1
§1.1 风力发电的现状 1
§1.2 风力发电技术 2
§1.3 本文选题背景和研究内容 5
第二章 交流励磁双馈风力发电机的动态数学模型 7
§2.1 交流励磁双馈风力发电系统结构 7
§2.2 交流励磁双馈风力发电系统运行状态 7
§2.3 交流励磁双馈风力发电试验系统 9
§2.4 风力发电系统中风力机的分析与建模 10
§2.4.1 风力机分析 10
§2.4.2 风能利用系数的数学模型 11
§2.4.3 风力机的直流电机模拟 12
§2.5 双馈电机作为风力发电机运行时的动态数学模型 13
§2.5.1 双馈风力发电机的坐标变换 13
§2.5.2 双馈风力发电机的矢量控制模型 15
§2.6 本章小结 16
第三章 交流励磁双馈风力发电系统最大风能追踪模糊控制策略研究 17
§3.1 最大风能追踪的原理 17
§3.2 最大风能追踪模糊控制策略 18
§3.3 本章小结 23
第四章 交流励磁双馈风力发电系统模糊增益调整 PID 控制器的设计与实现 24
§4.1 模糊控制系统原理 24
§4.2 模糊增益调整 PID 控制器在风力发电中的应用 25
§4.3 模糊增益调整 PID 控制器的设计 25
§4.3.1 模糊增益调整 PID 控制器的结构 25
§4.3.2 模糊增益调整 PID 控制器的参数选择 26
§4.3.3 模糊增益调整 PID 控制器的推理规则 26
§4.3.4 Matlab 模糊控制工具箱 28
§4.3.5 基于 Matlab 模糊控制工具箱的模糊控制器构建 28
§4.3.6 仿真结果对比 31
§4.4 基于 Matlab\Real-Time Workshop(RTW)的模糊控制器实现 32
§4.4.1 Real-Time Workshop(RTW)平台 33
§4.4.2 数据采集卡驱动的开发 34
§4.5 本章小结 35
第五章 交流励磁双馈风力发电系统交流变频励磁电源的设计与实现 36
§5.1 交流变频励磁电源硬件的设计与实现 36
§5.1.1 交流变频励磁电源主电路 36
§5.1.2 IGBT 的驱动电路 38
§5.1.3 IGBT 的保护电路 40
§5.1.4 IGBT 的缓冲电路 41
§5.2 交流变频励磁电源软件设计与实现 42
§5.2.1 SPWM 技术原理 42
§5.2.2 SPWM 波形实现方法 42
§5.2.3 基于 DSP2407 的SPWM 对称规则采样法的实现 44
§5.3 交流变频励磁电源测试 47
§5.3.1 调频输出波形对比 48
§5.3.2 调相输出波形对比 49
§5.3.3 调幅输出波形对比 50
§5.3.4 带负载电压波形 51
§5.4 本章小结 51
第六章 总结与展望 52
§6.1 总结 52
§6.2 展望 53
附录一：SPWM 数据生成程序 54
附录二：SPWM 数据 56
附录三：20HZ 频率 SPWM 测试程序 78
附录四：1-50HZ 调频、调相、调幅 SPWM 程序 80
附录五：变频电路硬件原理图 84
第一章 绪论
第一章 绪 论
§1.1 风力发电的现状
随着人类社会的发展，以煤炭、天然气、石油等为资源的传统电力开发造成了
大量的环境负担，如全球气温逐渐变暖、环境污染、酸雨、气候异常等等。而且这些
支撑社会发展的能源在地球上的储藏消耗越来越快，面临枯竭的危险，现代新能
源和可再生能源的发展问题摆在了世界各国的面前。
风能作为清洁、可再生能源具有许多优点：取之不尽，用之不竭；就地可取，
不需运输；分布广泛，分散使用；不污染环境，不破坏生态；周而复始，可以再
生；因此，风能有很高的综合利用价值。
风力发电是风能的主要利用方式。世界上第一台用于发电的风力机于1891年
在丹麦建成，但是由于技术和经济等方面的原因，风力发电一直未能成为电网中
的电源。直到1973年发生石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的
能源，投入大量经费，用新技术研制现代风力发电机组，80年代开始建立示范风
电场，风电才成为电网新的电源。
近几年，全球风电装机容量稳步增长。据全球风力能源委员会(GWEC)的统计
2005年全球新增装机容量为11531MW, 比2004年的8207MW增长40.5%，总装机
容量达到59084MW，比2004年增长24%。预计到2020年底，风电在全球的装机容量
可以达到120万MW，年发电量达3000TWh，相当于世界电力需求的12%。从2020
年开始, 每年新增的风电装机容量会在151490MW的水平，这意味着到2040年，
风电的全球总装机容量会达到3100GW，相当于当时22%的世界用电量[1]。
欧洲是世界风电的主要市场，2005年底装机容量超过40500MW，占全球总量
的69%，提前5年完成了欧洲委员会40000MW的目标。在欧洲, 德国一直带领着风
电市场的发展。德国在2005年的装机容量已达18428MW，比2004年增加了
1808MW, 总量居世界第一，预计到2010年风电的比例会升至8%。丹麦和西班牙的
风电也在持续发展，前者风电在国家总发电量占有比例最高，其可再生能源发电
量已超过了欧盟规定的21%。后者在2005年的新增装机容量达1764MW，总装机容
量达到10027MW，仅次于德国[1]。
在美洲，美国经历了20世纪90年代的沉寂后，市场出现复苏，很快又成为世
界最大的风电市场之一。到2005年总装机已达到9149MW，比上一年增加
2431MW， 增长率达到37%，成为世界第三大风电市场。加拿大是世界上拥有最多
风能资源的地区之一，就2005年而言，增长率就达到了惊人的53%[1]。
我国是一个风力资源非常丰富的国家，东南沿海、内蒙古北部、新疆、甘肃等
地区属于风能资源丰富的地区，有很好的开发利用条件和前景，我国也正在努力
追赶先进国家。截至2005年底，中国除台湾省外累计安装风电机组1864台，装机
容量1266MW，风电场62个，分布在15个（省、自治区、特别行政区），与2004年
累计装机746MW相比，2005年累计装机增长69.7% [2]。目前我国经济高速增长和社
会发展对电力的极大需求为中国风电带来了极好的发展机遇。
1
风力发电中双馈电机交流励磁模糊控制策略研究
§1.2 风力发电技术
风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程。整个系
统主要由风力机和发电机两大部分组成，如图1-1所示。
图1-1 风力发电系 统的侧剖图
风力机和发电 机共同决定着整个系统的
性能、效率和输出电 能质量。其中风力机将风
能转换为机械能，根据风力机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为定桨
距风力发电技术和变桨距风力发电技术；发电机将机械能转换为电能，根据发电
机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频风力发电技术和变速恒
频风力发电技术。
（1）定桨距风力发电技术
定桨距是指图1-1中叶片与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速
变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。当风速高于额定风速时，该技术利用桨叶
翼型本身的失速特性，使气流的攻角增大到失速条件，桨叶表面产生涡流，降低
效率，从而自动地将功率限制在额定值附近。当风速低于额定风速时，风力机的
转速无法随着风速的变化而进行相应的调整，使风力机在低风速时的效率降低，
尽管目前用于该系统的发电机已能设计的非常理想，它们在额定功率范
围内，均有高于90%的效率；但当功率额定功率时，效率仍然会急剧下降。
为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，即采用两个不同
额定功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区，小
功率低转速的发电机工作于低风速区，从而提高低风速区的运行效率。
（2）变桨距风力发电技术
变桨距是指图1-1中叶片和轮毂之间是可以活动的，根据系统要求，可以通过
机械结构改变其桨距角的大小。变桨距风力发电机技术的功率调节不完全依靠叶
片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨距角置于零度附近不作变
化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的输入功率根据叶片的气动性能
随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调节桨距
角，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，将发
电机的输入功率限制在额定值附近。
（3）恒速恒频和变速恒频风力发电技术
恒速恒频风力发电系统运中，风力机转速不变或者基本不变。由于环境风速
经常变化，该系统风能利用系数往往偏离最大值，使风力机常常运行于低效状态。
变速恒频系统风力发电系统的发电机转速可在一定范围内变化而不影响其输出电
压和频率；使用交流励磁技术，可在很宽的风速范围内保持基本恒定的最佳叶尖
2
第一章 绪论
比，使风能最大限度地转换为机械能提供给发电机，风能利用率比恒速恒频风力
发电系统高得多。
到目前为止，国内外许多风力发电专家和研究机构已提出多种变速恒频风力
发电技术方案。有的从发电机本身的设计考虑，有的采用电力电子学方法。随着电
力电子技术、微电子技术的迅速发展，以电力电子器件构成的变流装置为主要特
征的变速恒频技术已经成为主流。变速恒频风力发电技术主要采用的形式有：
（1）交-直-交风力发电系统
这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断
变化，风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出的频率变化的交流电首先通
过整流器变换成直流电，然后通过逆变器变换为恒定频率的交流电接入电网。系
统结构如图1-2所示。
图1-2 交-直-交风力发
电系统
由图1-2可见，这种方案尽管实现了变速恒频控制，具有变速恒频控制的一系
列优点，但由于变频器在定子侧，变频器的容量要和发电机的容量相同，使整个
系统的成本和重量显著增加，在大容量风力发电系统中就会显示出它的劣势。
（2）交流励磁双馈风力发电系统
该系统采用转子交流励磁的双馈发电机，双馈发电机的定子绕组并接到电网
上，转子绕组通过交流励磁电源(双向变频器)和进线电抗器与电网相连，由转子
绕组通入变频交流电励磁，如图1-3所示。
图1-3 交流励磁双馈
风力发 电系统
图中，交流励磁双馈发电机的定子绕组端口并网后始终发出电功率，转子绕
组端口的电功率流向取决于转子转速，转子转速低于同步转速，交流励磁发电机
转子从电网吸收功率；转子转速高于同步转速，转子绕组和定子绕组同时向电网
供电。
由于这种变速恒频控制方案是在转子回路中实现的，流过转子电路的功率是
由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，一般情况下仅为定子额定功率的5%
左右，因此励磁电源的的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。
同时该系统可以在磁场定向矢量控制下实现有功功率、无功功率解耦控制。缺点是
转子侧需要滑环和电刷，因此其使用寿命和可靠性受到限制。
（3）无刷双馈型风力发电系统
3
风力发电中双馈电机交流励磁模糊控制策略研究
针对双馈发电机仍有滑环和电刷、存在机械磨损的缺点，出现了双馈电机的
无刷化。无刷化能够提高系统的可靠性，是交流励磁双馈风力发电系统的发展方
向。双馈电机的无刷化可分为两种形式：一种是级联式无刷双馈电机，如图1-4所
示；另一种是采用单电机结构的普通无刷双馈电机。
级联式无刷双馈电机是将两台极对数分别为 和 的绕线式异步电机同轴相
联，两转子绕组不用滑环电刷而直接相连，极对数为 的电机定子绕组当主发电
机用，而极对数为 的电机定子绕组当励磁机用。单电机结构的普通无刷双馈电
机是在定子上装设两套极对数不同的绕组，极对数为 的绕组充当主发电机用，
极对数为 的绕组充当励磁机用，转子具有特殊的结构，能够耦合极对数不同的
定子功率绕组与控制绕组。
无刷双馈型发电机具有与有刷交流励磁双馈发电机相同的特性，但没有滑环
和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。
图1-4 级联式 无刷双馈型风
力发电系统
除上面介绍的三种形式外，变速恒频风力发电系统还有其他不同的形式。但
总的来看，交流励磁技术及其无刷化目前仍然是风力发电的重要方向，而交流励
磁发电机的运用已经成为其主要特征。
§1. 3 本文选题背景和研究内容
当今世界各国对环保问题都十分关注，风能作为一种取之不尽、用之不竭的
清洁、可再生绿色能源，越来越受到人们的关注。随着工业的发展，地球上不可生
能源消耗加剧，其产生的废气、废水、废渣等造成了环境污染、生态失衡。由于风力
没有燃料问题，也不会产生辐射和空气污染，所以风力发电已成为各国专家研究
的热点。
本文选择交流励磁双馈风力发电系统作为研究对象。交流励磁双馈风力发电
系统是一个复杂的系统，涉及到的学科门类很多。本文重点研究以下内容：
（1）交流励磁双馈风力发电系统机理
本文将从风力机和双馈发电机两个方面系统的研究交流励磁双馈风力发电系
统的原理、组成及运行状态，并借鉴矢量控制思想和坐标变换，推导双馈发电机
4
第一章 绪论
同步旋转坐标系下基于定子磁链定向的动态数学方程；根据该系统最大风能追踪
原理，设计最大风能追踪时的模糊控制策略，建立交流励磁双馈风力发电系统的
模糊控制系统结构框图，为模糊控制器的设计奠定基础。
（2）交流励磁模糊增益调整PID控制器的设计与实现
交流励磁双馈风力发电系统由于自身结构和运行情况的复杂性，对系统的控
制器提出了较高的要求，该控制器必须能够较好的适应系统和环境参数的变化；
本文将尝试在交流励磁双馈风力发电系统中引入模糊增益调整PID控制器，建立
模糊增益调整PID控制器推理规则，借助于Matlab模糊控制工具箱，构建模糊增
益调整PID控制器，用于改进传统PID控制器的性能；通过仿真，验证模糊增益调
整PID控制器的性能优于传统PID控制器的结论；同时，文章将分析常规控制器实
现方案的优缺点，给出基于Matlab\Real-Time WorkShop(RTW)平台的模糊控制器
实现方案，为建立交流励磁双馈风力发电试验系统以及研究模糊控制技术在该系
统中的应用奠定基础
（3）交流变频励磁电源的设计与实现
根据交流励磁双馈风力发电试验系统的要求，设计并制作用于双馈风力发电
机转子励磁的交流变频励磁电源。
硬件电路将采用德国英飞凌公司的IGBT开关器件K25T120以及日本富士公司
的IGBT集成驱动芯片EXB841，该电源具有完备的主电路、驱动电路、保护电路。
软件方面，文章将分析几种常见SPWM波形生成算法的优缺点，最终优选对
称规则采样法，将在DSP2407平台上编程实现该算法，并且根据试验系统的需求，
在原有算法基础上，增加对输出SPWM进行调频、调相、调幅的功能。
（4）交流变频励磁电源的测试
由于实验室搬迁等客观因素的限制，将采用三相异步电机拖动实验来测试交
流变频励磁电源的工作状况，通过观测DSP2407输出的SPWM波形及异步电机定
子电压波形对交流变频励磁电源作出评估。
5
风力发电中双馈电机交流励磁模糊控制策略研究
第二章 交流励磁双馈风力发电机的动态数学模型
§2.1 交流励磁双馈风力发电系统结构
由交流异步发电机的基本原理可得下列关系：
(2-
1）
式中， 为定子电流频率， 为转子频率， 为转差频率， 为转子转速，
为电机极对数。电机工作于发电机状态时，当转子转速 发生变化时，只要及时
调整转差频率 ，就可以保证定子电流频率 的恒定。将绕线式异步电机作发电
机运行于风力发电系统中，就构成了如图2-1所示的交流励磁双馈风力发电系统。
图2-1 交流励 磁双馈风
力发电系统结 构
由图2-1 可见,该系
统由四大部分组成：风力机及其驱动装置、双馈电机、励磁电源、系统控制单元。风
力机将风能转换为机械能，通过驱动装置拖运双馈电机转子旋转；双馈电机工作
于发电状态，将机械能转换为电能，送入电网；励磁电源跟据转子转速运行于不
同状况：当发电机的转子转速 小于同步转速时,励磁电源向发电机转子供电，发
电机将吸收的风能转化成电能通过定子发送给电网；当发电机的转子转速 大于
同步转速时, 发电机将吸收的风能转化成电能同时由定子和转子发送给电网。控
制单元根据电机的运行区域及运行状态，控制励磁电源以及风力机状态。
§2.2 交流励磁双馈风力发电系统运行状态
交流励磁双馈风力发电机系统的运行可以划分为四个区域。四个运行区域的
控制手段和控制任务各不相同，风力机控制子系统和发电机控制子系统的控制重
点和协调关系也不同，如图2-2所示。
区域一：启动区。此时风速从零上升到切入风速。在切入风速以下时，发电机
与电网相脱离，风力发电机不能发电运行，直到风速大于或等于切入风速时发电
机方可并入电网。这个区域的主要任务就是实现发电机的并网控制，在进行并网
6
第二章 交流励磁双馈风力发电机动态数学模型
控制时，风力机控制子系统的任务是通过变桨距系统改变浆叶节距来调节机组的
转速，使其保持恒定或在一个允许的范围内变化；发电机控制子系统的任务则是
调节发电机定子电压，使其满足并网条件，适时并网。
区域二：次同步发电运行区。此时风力发电机并入电网并运行在同步转速以
下，风力发电机获得能量并转换成电能输送到电网。为了最大限度地获取能量，
在这个区域里实行最大风能追踪控制，根据风速，对机组转速进行相应地调节，
确保风力机的风能利用系数 始终保持为最大值，故该区域又称为 恒定区。在
恒定区追踪最大风能时，风力机控制子系统进行定桨距控制，发电机控制子系
统通过控制输入发电机转子的电流来控制机组的转速，实现变速恒频运行。这种
定桨距变速运行的最大风能追踪模糊策略是本文研究的重点之一。
区域三：超同步发电运行区。此时风力发电机运行在同步转速以上、额定功率
下。在这个区域内，为了保护机组不受损坏，不再进行最大风能追踪，而是将机
组转速限制到最大允许转速上。恒转速区的转速控制任务一般是由风力机控制子
系统通过变桨距控制来实现。
区域四：功率恒定区。随着风速和功率不断增大，发电机和励磁电源将达到
其功率极限，因此必须控制机组的功率小于其功率极限。当风速增加时，机组转
速降低，值迅速降低，从而保持功率不变，在功率恒定区内实行功率控制一般
也是由风力机控制子系统通过变桨距控制实现的。
图2-2 交流 励磁双馈风
力发电系统 运行区域
从上面 的讨论可以
看出，随着风速的变化，风力发电机组运行在不同的区域，各有不同的控制任务、
不同的控制方法。图2-2清晰地表示了这些关系，图中 为启动阶段，对发电机
进行并网控制，发电机无功率输出； 段为恒定区，机组随着风速作变速运
行以追踪最大风能； 段为转速恒定区，随着风速增大，转速保持恒定，功率
将增大； 段为功率恒定区，随着风速增大，控制转速迅速下降以保持恒定的
功率输出。
7
摘要：
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目录摘要ABSTRACT第一章绪论1§1.1风力发电的现状1§1.2风力发电技术2§1.3本文选题背景和研究内容5第二章交流励磁双馈风力发电机的动态数学模型7§2.1交流励磁双馈风力发电系统结构7§2.2交流励磁双馈风力发电系统运行状态7§2.3交流励磁双馈风力发电试验系统9§2.4风力发电系统中风力机的分析与建模10§2.4.1风力机分析10§2.4.2风能利用系数的数学模型11§2.4.3风力机的直流电机模拟12§2.5双馈电机作为风力发电机运行时的动态数学模型13§2.5.1双馈风力发电机的坐标变换13§2.5.2双馈风力发电机的矢量控制模型15§2.6本章小结16第三章交流励磁双馈风力...
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