双馈风力发电机的矢量控制与直接转矩控制仿真研究
双馈风力发电的矢量控制策略-电机及其系统与仿真资料
双馈风力发电的矢量控制策略双馈电机在结构上与三相绕线式异步电机类似，其定子和转子均安放三相对称绕组，都可以与电网进行能量的交换。
其定子绕组直接接入工频电网，转子绕组通过双馈变流器与电网连接。
转子绕组连接于一个频率、相位、幅值均可调的三相电源激励，转子通入励磁电流产生旋转磁场，再加上转子的转速在气隙中产生一个同步旋转磁场。
通过控制输入转子绕组的电流，不仅可以保证电机定子侧输出的电压和频率保持与电网电压一致，而且还可以调节双馈电机定子侧的功率因数。
稳态运行时，双馈变流器根据所检测的电机转速调节流入双馈电机转子绕组的励磁电流频率以保证定转子电流所产生的旋转磁场在空间上保持相对静止，实现定子侧感应电势的频率与电网频率相同，以实现双馈型风力发电系统的变速恒频运行。
双馈风力发电的系统原理图如图1所示。
图1双馈风力发电系统原理图双馈变换器目前的多采用两电平双PWM变换器，其结构图如图2所示1双馈发电机的数学模型1.1三相坐标轴系下数学模型定子绕组采用发电机惯例，定子电流流出为正，转子绕组采用电动机惯例，转子电流流入为正。
则双馈发电机在三相静止坐标轴系下的模型为图3所示:图3三相坐标轴系下双馈发电机模型针对此模型可以得到三相坐标轴系下电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程为：电压方程：（1）转子侧电压方程：% =时心+切』曲'% =尽心+纲/山% = 1＜見+如（山（2）定子侧电压方程：+ 叽 45=「恥\+叽4U a1、U bl 、U cl 、U a2、U b2、U c2分别表示定转子电压，下标为1表示为定子侧, 为2表示转子侧；幅1、帕、％1、幅2、幅2、恢表示定、转子侧磁链；i al 、心、 i cl 、i a2、i b2、i c2为定子，转子相电流；R l 、R 2为定子，转子绕组的等效电阻。
(3) 磁链方程：其中-0・5S-°皿加L\\ =755&川+ S -0验i -- 0・心&川+厶1丿'+ 厶 2-0-5^2-。
双馈式风力发电机励磁系统的矢量控制研究
效 果 进 行 了仿 真 ， 证 了所 得 模 型 的正 确 性 ． 验
关 键 词 ：双 馈 ；风 力发 电机 ；矢量控制
中图 分 类 号 ：ＴＭ３６ 文 献 标 志 码 ：Ａ ４
文 章 编 号 ：１０ —５ ７（０ ）３ ０ ５ ３ ０ ８ ４ ５２ １ ０ —０２ ０ １
Ｖｅ ｔ ｒＣｏ ｒ ｌ ｆＥｘ ｉａ ｉ ｎ Ｓ ｔ ｍ ｆＤｏ ｃ ｏ ｎｔ ｏ ｃｔ ｔｏ ｙｓｅ ｏ ｕｂｌ—ｅ ｉ ｗｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｏ ｅ ｆ ｄＷ ｎｄ Ｐｏ ｒＧ ｎｅ ａ ｏ
法将十分复 杂 ， 且效果难 以令人满 意 ． 而矢量控制则可在 坐标变换的基础上 ， 简化 电机 内部各变量 间的 耦合关系。 因此， 从理论上讲 ， 采用矢量控制技术可使得交流电机具有与直流电机某些方面相 同的控制效果．
矢 量控 制 技术 是 交 流传 动 调 速 系统 实现 解 耦 控 制 的核 心 ， 于 交 流励 磁 双 馈 发 电机 系 统 来 说 ， 对 电机 定 、 子 的 电流分 别 是 工频 和 转 差 频 率 的交 流 量 ， 一 个 强 耦 合 系 统 ， 实 现 其解 耦 控 制 ， 须 应 用 矢量 转 是 为 必 控 制技术将实际的交流量分解成有功分量和无功分量 ， 并分 别 对 这 两 个 分 量 进 行 闭环 控 制 ， 行 独立 调 进 节 ． 上 所述 ， 文 的控 制 思 路 是 通 过控 制 转 子 侧 的 励 磁 电压 来控 制 转 子 电流 ， 转 子 电流 的有 功 分 综 本 使 量 和 无 功 分 量 按 照 某 种 比例 变 化 ， 依 据 转 子 电流 和 定 子 电流 的 内在 关 系 ， 到 控 制 定 子 电流 也 就 是 ｅ ｃ ｎｔ ｏ ｆｅ ｔ ｏ ｈｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｓ ｓｍ ｕ ａ ｅ ｉｈ ｏ ｎｄ ｅ ｕ ｔ ． ｏ ｔ ｏ ｈａ ｔ ｏ ｒ ｌ ｅ ｆ ｃ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｉ ｉ ｌ ｔ ｄ ｗ ｔ ｓ ｕ ｒ ｓ ｌ ｓ
双馈风力发电机控制策略的研究
06
双馈风力发电机控制策略的比较与选择
控制策略的比较方法
01
基于性能指标的比较
比较不同控制策略在静态和动态性能方面的表现，如稳定性、鲁棒性
、响应速度等。
02
基于原理的比较
分析不同控制策略的原理和实现方法，比较其优缺点和适用范围。
03
基于仿真和实验的比较
通过仿真和实验平台，对不同控制策略进行比较，观察其在实际环境
数学方程
双馈风力发电机的数学方程包括电压方程、电流方程、磁链 方程等。通过这些方程可以描述发电机的动态行为。
双馈风力发电机的控制策略
矢量控制
通过矢量控制，实现有功功率 和无功功率的解耦控制。
最大风能捕获
通过优化控制策略，实现最大风 能捕获。
并网控制
在并网过程中，需要采取合适的控 制策略，保证并网的稳定性。
02
双馈风力发电机概述
双馈风力发电机的结构与工作原理
结构
双馈风力发电机主要由风轮机、齿轮箱、发电机和变流器等组成。
工作原理
双馈风力发电机通过风轮机捕捉风能，通过齿轮箱将风能传递到发电机。发电机 产生的电能经过变流器变换后，可向电网输送电能。
双馈风力发电机的数学模型
坐标变换
双馈风力发电机常采用dq0坐标变换，将三相变量转换为直 交变量。
矢量控制策略在双馈风力发电机中的应用
矢量控制在双馈风力发电机中的应用
矢量控制策略在双馈风力发电机中得到了广泛的应用，它可以提高发电机的效率、稳定性和可靠性。通过控制 直轴和交轴电流的幅值和相位，可以控制发电机的转速和转矩，从而实现最大风能捕获和稳定的电力输出。
矢量控制策略在双馈风力发电机中的具体应用
最优控制策略在双馈风力发电机中的应用
变速恒频双馈风力发电机矢量控制研究的开题报告
变速恒频双馈风力发电机矢量控制研究的开题报告一、研究背景目前，风力发电技术已经成为可再生能源发电领域中的重要一员。
然而，风能资源的不确定性以及风力发电机组的动态响应、颤振等性能问题仍然需要得到研究和解决。
为了提高风力发电机组的运行效率和可靠性，必须采用更加先进的控制策略。
变速恒频双馈风力发电机是目前应用最广泛的一种风力发电机。
然而，该类型风力发电机的矢量控制实现方法还存在一些问题，如控制精度不高、过渡过程不稳定等。
因此，本课题选取变速恒频双馈风力发电机作为研究对象，通过研究矢量控制技术，提高该类型风力发电机的运行效率和可靠性。
二、研究目的本课题旨在研究变速恒频双馈风力发电机的矢量控制技术，解决其控制精度不高、过渡过程不稳定等问题，从而提高风力发电机组的运行效率和可靠性。
三、研究内容本课题研究内容包括以下几个方面：1. 变速恒频双馈风力发电机的基本原理和结构特点：主要研究变速恒频双馈风力发电机的结构、工作原理、电气参数等方面的知识。
2. 变速恒频双馈风力发电机矢量控制原理：采用矢量控制技术，对变速恒频双馈风力发电机进行控制，研究控制原理和模型。
3. 变速恒频双馈风力发电机矢量控制算法：针对存在的问题，设计适合该类型风力发电机的控制算法，提高控制精度和稳定性。
4. 变速恒频双馈风力发电机矢量控制仿真实验：通过建立仿真模型，对所设计的矢量控制算法进行仿真实验，并进行分析和评估。
四、研究意义本课题的研究成果可以提高变速恒频双馈风力发电机的运行效率和可靠性，降低风力发电成本，促进风力发电技术的进一步发展。
同时，本课题的研究也具有一定的理论研究价值和应用价值，可为其他类型风力发电机的控制策略设计和优化提供参考。
五、研究方法和技术路线本课题的研究方法主要包括理论分析、仿真实验、实验验证等。
具体步骤如下：1. 理论分析：分析变速恒频双馈风力发电机的工作原理和控制策略，建立控制模型。
2. 矢量控制算法设计：设计适合该类型风力发电机的控制算法，提高控制精度和稳定性。
双馈风力发电系统仿真与控制研究
双馈风力发电系统仿真与控制研究
Research on Control Strategy and Simulation of Doubly-Fed Wind-Power Generator System
李跃华
2013 年 12 月
国内图书分类号：TM614 国际图书分类号：621.3
关键词：双馈风力发电；电磁暂态特性；协调控制策略；低电压穿越
I
华北电力大学硕士学位论文
Abstract
As a result of dual constraints of fossil energy depletion and environmental protection, wind power industry has a rapid development all over the world. With the access to grid of wind generation power centralized and on a large, the core control technology of doubly-fed induction generator (DFIG) which is one of the mainstream models of variable speed constant frequency wind power generation system, becomes the essential issue. Because of the structure difference of DFIG and traditional synchronous and asynchronous motors and its transient characteristics and fault mechanism has not been revealed thoroughly, it makes relay protection setting difficult, the safety of electrical equipment vulnerable and the stable operation of power grid out of safety. Based on DFIG wind power generation system, the in-depth study of control strategy in grid-side converter and machine side converter is conducted in this thesis. Firstly, stable operational model of DFIG is built on the RTDS simulation platform. A reasonable filter and control parameters is designed to satisfy the requirements of its access to the grid a. Secondly, based on the space vector model of DFIG based derivation of symmetrical fault, the stator and rotor flux and current analytical expression under symmetrical three-phase fault is derived. Analysis of the transient current mechanism of action is conducted and the correctness of the analytical results is verified by simulation. Finally, for the Low Voltage Ride-through (LVRT) of DFIG under symmetrical three-phase fault, a rotor Crowbar adaptive control method which based on voltage dip degree is proposed. The simulation results on the RTDS platform confirmed the effectiveness of the proposed control strategies. Keywords: doubly-fed induction generator, electromagnetic transient characteristics, coordinated control strategy, low voltage ride through
风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术研究
风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术研究一、概述随着全球对可再生能源需求的日益增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，已经在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
风力发电系统的核心技术之一便是双馈感应发电机（DFIG）的矢量控制技术。
这种技术对于提高风能利用率和系统稳定性具有重要意义，对双馈感应发电机矢量控制技术的研究具有重要的理论和实践价值。
双馈感应发电机是一种变速恒频风力发电技术中的关键设备，其工作原理是利用风能驱动发电机转子转动，从而产生交流电。
由于风速的波动和不确定性，给风力发电系统的稳定运行带来了一定的挑战。
为了解决这个问题，双馈感应发电机矢量控制技术应运而生。
这种技术通过精确控制发电机的电流和电压的相位和幅值，实现对发电机输出功率的精确控制，从而优化风力发电系统的运行效率。
目前，双馈感应发电机矢量控制技术在风力发电系统中得到了广泛应用。
仍然存在一些问题需要解决，如控制策略的优化、不同风速下的控制效果、以及控制过程中可能出现的振荡等问题。
对双馈感应发电机矢量控制技术进行深入研究，具有重要的现实意义和理论价值。
本文旨在对风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术进行深入研究。
通过对双馈感应发电机的数学模型、控制策略、以及仿真实验等方面的分析，探讨双馈感应发电机矢量控制技术在风力发电系统中的应用及其优化。
本文的研究结果将为提高风力发电系统的效率和稳定性，推动风力发电产业的可持续发展提供有益的参考和借鉴。
本文还将关注双馈感应发电机在电网电压不对称条件下的运行问题。
电网电压的不对称性可能会对双馈感应发电机的运行产生不良影响，研究电网电压不对称条件下的双馈感应发电机矢量控制技术具有重要的实践意义。
通过对正序和负序定子磁链进行定向，推导出适应于电网电压不对称条件下的励磁矢量控制策略，实现对转子负序电流的有效控制，从而提高风力发电系统在电网电压不对称条件下的运行稳定性。
本文将全面分析双馈感应发电机矢量控制技术在风力发电系统中的应用，探讨其优化方法，以及解决电网电压不对称条件下的运行问题。
双馈感应风力发电机直接转矩控制的研究
双馈感应风力发电机直接转矩控制的研究作者：黄慧敏;裴加强来源：《价值工程》2010年第04期摘要:直接转矩控制技术已经广泛应用于感应发电机的调速控制领域,并已取得良好的控制效果,而双馈风力发电机的直接转矩控制主要工作在低频区域, 并且它的低频特性是一个研究热点。
本文对变速恒频双馈风力发电机直接转矩控制进行了理论分析,阐述了它的工作原理结构,推导出具体的控制方程,并对它进行仿真,结果证明双馈感应风力发电机直接转矩控制在风力发电系统中具有利用率高,并网冲击小,并网速度快的优点。
Abstract: DTC technology is widely usedin variable speed operation of induction wind generator and the control is good,but DFIG mainly works at lower frequency,so that the lower frequency characteristic of DTC is one of research hotspots,the DTC technology applied to wind generation system was analyzed,the operation principle and system structures were introduced,the related control equations were deduced,and simulate it,the results have proved that the DTC for DFIG in the wind energy transformation efficiency is higher,the connect-grid surge current is lower and the connected grid speed is faster.关键词:双馈风力发电机;直接转矩控制;風力发电系统;模型;仿真Key words: double-fed induction generator; direct torque control; wind energy generation system; modeling; simulation中图分类号:TM31 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0061-010引言当前人类发展所共同面临的两大问题:一是能源枯竭,如煤炭、石油和天然气等常规能源储量日益减少;二是生态环境的恶化。
双馈感应风力发电机直接转矩控制的研究
中图分类号 ： Ｍ３ Ｔ １
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：０ ６ ４ １ （０ ０） — ０ １０ １０ — ３ １２ １ ０ ０ ６ — １ ４
Ｄ Ｃ控 制 策 略通 过 查 表 来 实 现 ＿ 由磁 链 与 转 矩 的滞 环 调 节 器 Ｔ １ ｌ ， 相 当前人 类发 展 所 共 同 面 临 的 两 大 问 题 ： 是 能 源 枯 竭 ， 煤 炭 、 的输 出来 决 定 逆 变 器 开 关 状 态 的 选 择 。 一 旦 开 关 状 态 被 估 计 出 ， 一 如 石 油和 天然 气 等 常 规 能 源 储 量 日益减 少 ； 二是 生 态 环 境 的恶 化 。 基 应 的 电压 矢 量 加 在 转 子 侧 ， 会 改 变 转子 磁 链 。 电压 矢 量 的切 线 分 将 于 上 述 的两 大 问题 ， 发 和 利 用 可 再 生 无 污 染 能源 对 于 人 类 生 存 环 量决 定 转 矩 ， 向 分量 决 定 磁 链 的幅 值 。 开 径 境的改善意义重大 ， 力发 电是大规模利用风能最经济 的方式。因 风 ２ 控 制 系统 仿 真 模 型 此， 国内外都很重视风能的开发利用。 目前 ， 在风力发 电领域 ， 双馈 转矩 与磁链计算 电机 的应 用 逐 渐 占有 重 要 地 位 ， 用 它 可 以 充 分 利 用 风 能 ， 能 根 使 它 为 实现 直 接 转 矩 控 制 ， 转矩 调 节 器 与磁 链 调 节器 需 要 转 矩 与 磁
理 得 出 双 馈 发 电 机 的 等 效 电 路 。 有磁 链 模 块 ， 转矩 模 型模 块 ， 链 调 节 模 块 ， 矩 调 节模 块 共 同 建 立 磁 转
由 电路 图 得 定 、 子 的有 功 的模 型 。 转 功 率 和 无 功 功率 的表 达 式 如 下 ： ３ 仿 真 结果 ＝Ｕ２ （ ｓ 百１ Ｒ 双馈 风力发 电机利 用坐标变换 的数学 表达式 ， 参数如 下 ： 功率
无刷双馈风力发电机模糊直接转矩控制研究
（ ｔｍａ ｉｎａ ｄ Ｉ ｆｏ ｍａ ｉｎ Ｅｎ ｎｅ ｉ ｇ Ｉ ｓｉｕｅ， ’ ｎ Ｕｎ ｖｒ ｉ ｆ Ａｕｏ ｔ ｎ ｎ ｒ ｔｏ ｇｉｅ ｒｎ ｎ ｔｔ ｔ Ｘｉａ ｉ ｅｓｔ ｏ ｏ ｙ
别为¨ ３
， ｌ— ｌ１ ｓ ｐ （ 一ｒ ｆ ｄ ｌ ）ｔ ｐ
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双馈 风力 发 电机最 大风 能跟 踪控 制 中转矩 脉动 较
大 的 问 题 ， 出 一 种 基 于 模 糊 控 制 和 空 间 矢 量 调 提
ｔ ｍ ｓ ｉ ｐ ｏｖ ｄ． ｅ ｉ ｍ ｒ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｂ ｕ ｈ ｅ ｓ ｄ ｕ ｌ —ｅ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ；ｄ ｒ ｃ ｏ ｑ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｕ ｚ ｏ ｔ ｏ ｙｗｏ ｄ ： ｒ ｓ ｌｓ ｏ ｂ ｙ ｆ ｄ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉｅ ｔｔ ｒ ｕ ｏ ｔｏ ；ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌ
摘 要 ： 对 无 刷 双 馈 风 力 发 电 机 直 接 转 矩 控 制 转 矩 脉 动 较 大 的 问题 ， 出 一 种 对 控 制 绕 组 磁 链 旋 转 角进 针 提 行模 糊控 制 与 空 间 矢 量 调 制 （ＶＰ Ｍ） 术 相 结 合 的控 制 方 法 ， 制 合 成 合 适 的 控 制 电 压 ， 常 规 直 接 转 矩 Ｓ Ｗ 技 调 对 控 制 进 行 改进 ， 直 接 转 矩 控 制 中 的脉 动 转 矩 明 显减 小 。该 控 制 方 法 易 于 实 现 ， 真 结 果 表 明 系 统 转 矩 脉 动 使 仿
直接功率控制策略在双馈风力发电机组实验系统中的仿真研究
速的转矩和磁链控制 。１８ 年 ，德 国学者和 日 ９５ 本学者 相继提 出了直接转矩控制的控制方案【 摒弃了解耦的 ２ 】 ， 思想 ，取消了坐标变换 ，借助瞬时空间矢量理论 ，计 算 电动机的磁链和转矩 ，通过与给定值 比较 ，实现磁
链 和转矩 的直接控制。两种技术各有优缺点以及应用 的局限性 。受到异步电机直接转矩控制的启发 ，有的 学者致 力 于研究 直 接功率 控 制口。 】 它通 过 检测 定子 端 的
果 ，本文采用空 间电压矢量 的方法 进行 直接功率控制 ，直接 对风力发 电实验系统 中变换 器的开关状态进行控 制 。直接功率控制拥有简单 的结构 、较 高的功率 因数 、稳定 的直 接输 出电压 、动态跟 随性好 等优点 。通过建 立 风力发 电实验 系统 的 Ｍａａ／ｉｕ ｎ ｔｂ ｍ ｌ ｋ的模 型 ， 对实验系统仿真研究 ，表明了直接功率控制 良好的动态性 ｌ Ｓ ｉ 并
维普资讯
２ｏ ． ０ ８№５
大 电 机 技 术
直接功 率控 制策 略在双馈风 力发 电机组 实验 系统 中的仿真研 究
罗 伟 伟
（ 安徽Ｊ ｒ Ｅ－大学电气与信息工程 学院， － 安徽 淮南 ２２０ ） ３０ １
［ 摘 要 ］ 由于矢量控制技术考虑到其解耦 困难 的问题 ，控制复杂 ，实 际性能难 以达到理论分析 中的那种效
１ 引言
２ 世纪 ７ 年代以来 ，０ ０ 经过许多学者和工程技术人
双馈发电机的矢量控制技术研究
双馈发电机的矢量控制技术研究摘要：双馈风力发电机组作为目前热门风电机组类型，大规模的应用会给机组自身控制和电网安全稳定运行带来一系列的问题。
本文基于双馈风力发电机运行的特点，构建双馈发电机矢量控制方法，采用双馈电机磁链关系的模型参考自适方法进行转速及转子位置的跟踪，并提出了基于电网电压矢量定向的双馈发电机灭磁控制策略，以期完善电网并网规约对风电机组运行的要求。
关键词：微电网；双馈发电机组；变速恒频世界范围内对能源需求持续增加，各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于新能源的开发。
风力发电技术相对成熟、最具大规模商业开发条件、成本相对较低，具有巨大的优越性。
随着我国风力发电装机容量的持续增长，以及太阳能光伏发电的大力开发，同时国家也加大对新能源汽车和直流充电桩的市场投入，直流负荷比重增加，直流微电网技术应运而生。
一、双馈发电机的特点及系统的基本结构传统的交流同步电机采用直流励磁，而异步电机没有励磁绕组。
近年来，微机控制技术和电力电子技术的发展，双馈型异步发电机受到广泛的重视，这种电机的转速可以随着交流励磁频率的改变而改变，结构上有定子和转子两套绕组，由于定子和转子中都有能量馈送，因此为双馈，从发电机的转子转速来判断，交流励磁发电机应为异步发电机，但是又有同步发电机的特点，比如有独立的励磁绕组，和同步发电机一样可以调节功率因数，双馈发电机有许多同步发电机的特性，是在其基础上发展起来的一种新型电机，在性能方面得到了改善曙¨。
控制同步电机，只能控制励磁电流的幅值，即可调量只有一个，而且只能对无功调节，双馈电机可调量有三个：励磁电流的幅值，励磁电流的频率，励磁电流的相位。
可调量比同步电机多了两个，可以控制它们实现电机转速的改变，实现变速恒频的目的性引。
当发电机的负荷突然变化时，可以控制发电机的励磁频率使电机的转速改变，减小负荷对电机的影响，使对电网的扰动得到减小。
转子励磁电流相位的改变可以调节电机的功率角，原因是相位改变时，转子电流的磁场，在气隙空间上有位移，使发电机与电网电压向量相对位置发生了改变。
风电系统中双馈电机直接转矩控制系统的研究
Ｏ 引 言
随着世界化石能源 的匮乏 以及环境污染 的 日趋严重 ， 风能作 为一种可再生 的绿色能源 ， 来越 多的受 到世界上各 个国家 的关 越 注 。其 中变速恒频风力发 电技 术 因其 高效性 和实用 性正受 到越
或者：
兰州 ７ ０７ ） ３ ０ ０
要 ：针对直接转矩控制技术在双馈风力发电机 中的应用 。采用近似圆形 磁链 的空 间电压矢量的的选 择方案 ， 效地 减小 了转矩 的 有 脉动及 电流谐 波的含量 。采用施密特三点式转矩调节器来取代传统 的两点式转矩调 节器 ， 细化 转矩 的偏 差分析。运用 ＭＡ － Ｔ
［ 中图分类号］Ｔ １ ［ Ｍ３５ 文献标志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ３ ８ （０ ２ ０ ０ ２ ００— ８６ ２ １ ）４— ０３～Ｏ ３
Ｄｉ ｃ ｏ ｑ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｆａ Ｄｏ ｂｙ Ｆ ｄ Ｉｄ ｃ ｉｎ ｒ ｔＴ ｒ ｕ ｎ ｒ Ｉ ｕ ｌ ｅ ｎ ｕ ｔ ｅ ｏ ｏ Ｇｅ ｅ ａ ｏ ｉｄ Ｐｏ ｒＧｅ ｅ ａ ｉ ｎ Ｓｙ ｔ ｍ ｎ ｒ ｔ ｒｉ ａ Ｗ ｎ ｗｅ ｎ ｒ ｔ ｓｅ ｎ ｏ
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双馈风力发电机直接转矩控制的研究
收稿日期:2005-10-24.基金项目:国家863计划资助项目(2005AA512020);辽宁省教育厅攻关课题(05L292).作者简介:姚兴佳(1948-),男,辽宁抚顺人,教授,博士生导师,主要从事风力发电方面的研究. 风力发电技术文章编号:1000-1646(2006)06-0671-04双馈风力发电机直接转矩控制的研究姚兴佳,井艳军,王文卓,邢作霞(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)摘 要:详细研究了风力发电系统中双馈电机采用直接转矩控制的原理,在此基础上组建了由ABB 公司的ACS 800267作为控制设备的控制系统.在实验室中采用该控制系统对双馈电机进行现场模拟实验.由于ACS 800267控制设备采用了直接转矩控制策略,因此对该设备的直接转矩控制器进行了研究.结合所研究的双馈电机直接转矩控制理论对实验数据进行分析,结果证明双馈电机直接转矩控制在风力发电系统中具有利用风能发电效率高、并网冲击电流小、并网同步速度快的优点.关 键 词:双馈风力发电机;直接转矩控制;并网;风力发电系统;冲击电流中图分类号:TM 614 文献标识码:AR esearch of DTC for doubly 2fed wind generatorYAO Xing 2Jia ,J IN G Yan 2J un ,WAN G Wen 2Zhuo ,XIN G Zuo 2xia(Institute of Wind Energy ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :The principle of applying direct torque control (D TC )to double 2fed in wind energy generation system has been studied.And the control system ,taking ABB ACS 800267as the control device had been established.Moreover ,based on the control system ,the simulation experiment for the double 2fed electrical machinery was carried in the lab.For the ACS 800267control device adopting D TC ,the torque controller was studied.According to the D TC theory for double 2fed motor ,the experiment data had been analyzed.The results have proved that the D TC for double 2fed motor possesses such advantages as higher wind energy transformation efficiency ,lower connect 2grid surge current and faster connected grid synchronous speed.K ey w ords :double 2fed wind generator ;direct torque control ;connected grid ;wind energy generationsystem ;surge current 由于不可再生资源逐渐匮乏,风能渐渐被人们所认识,并加以利用.近年来风力发电越来越受到人们的关注.目前在风力发电领域,双馈电机的应用逐渐占有主要地位.使用它可以充分利用风能,并且提高发电机的发电效率.而直接转矩控制是1985年德国鲁尔大学的Depenbrock 教授提出的一种新型的交流调速理论[1].这种控制方法是在定子坐标系下对电流、电压进行控制,结构简单,在很大程度上克服了矢量变换控制坐标变换[2]复杂的缺点.1995年瑞士ABB 公司第一次将直接转矩控制(DTC )技术应用到通用变频器上,推出采用DTC技术的IG BT 脉宽调制变频器ACS600,随后又将DTC 技术应用于IG CT 三电平高压变频器ACS1000,近期推出的用于大型轧钢,船舶推进的IG CT 变频器ACS6000也采用了DTC 直接转矩控制技术.直接转矩控制技术在实际的应用中,逐渐体现出其优点.在国外近几年已经开始将双馈电机与直接转矩控制相结合应用到风力发电领域,其发电的质量[3]和效率都比较好.1 双馈电机直接转矩控制的基本原理在风力发电系统中将双馈电机定子接到工频第28卷第6期2006年12月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 128No 16Dec.2006电网上,转子接到四象限变频器上,使定转子同时馈电,所以称该电机为双馈电机.双馈电机等效电路如图1所示[4].图1 双馈电机等效电路Fig 11 Equivalent circuit of double 2fed electrical machinery由等效电路可得E 2+U 2ej (π-δ)=I 2Z 2(1)所以转子电流为I 2=E 2+U 2Z 2=E 20s z 2e -j Ψ2+U 2z 2ej (π-δ-Ψ2)(2)或者I 2=E 20z 2[s e -j Ψ2-U 23e -j (δ+Ψ2)](3)式中[6]:Ψ2=arccosR 2z 2;U 23=U 2E 20;E 2=E 20s ;Z 2=R 2+j sX 2;z 2=R 22+s 2X 22;将式(3)展开,就可以得到转子电流的有功分量I 2p 和无功分量I 2qI 2p =E 20z2[s cos Ψ2-U 23cos (δ+Ψ2)]I 2q =-jE 20z 2[s sin Ψ2-U 23sin (δ+Ψ2)](4)因为双馈电机的电磁转矩可以由转子电流的有功分量求出,表达式为T =c T E 20I 2p(5) 由电磁转矩表达式(5)可以看出双馈电机的电磁转矩同I 2p 成正比,同时有功功率也可以由I 2p 确定.因此通过式(4)可以知道:独立的调节转子侧的外加电压U 2的幅值和相位角,就可以调节双馈电机的有功功率和无功功率.双馈电机直接转矩控制采用的是控制转子磁链,而定子绕组直接连接到电网上,定子磁链保持恒定.根据双馈电机等效电路图,令i r =-i 2,j ωΨr =U ′2s,X m =ωL m ,X ′2=ωL 2,和直接转矩的基本公式[1]:T d =1L σ32|Ψu ‖Ψr |sin θ,将坐标系定在双馈电机转子上,推出双馈电机直接转矩控制基本公式为T d =1L 232(Ψr αi r β-Ψr βi r α)(6)式中:Ψr α,Ψr β,i r α,i r α由测得的转子电流、电压经3/2坐标变换求得.在双馈电机中,因为转子绕组的电阻一般很小,并且受温度影响不大,通常忽略;有时在计算结果中给予适当的修正.在双馈电机直接转矩控制中转子磁链的模型采用u -i 模型[1],表达式为Ψr =∫(u 2-R 2i 2)d t (7) 采用u -i 模型能够得到较准确的转子磁链,并且与转速无关,不受转速影响.对上式简化,可得Ψr =∫u 2d t (8)转子电压与转子矢量关系图如图2所示[5].图2 转子电压与磁链空间矢量关系Fig 12 Vector relationship of rotor voltageand flux linkage space由图2可见,当转子电压为u 2(011)时,转子磁链沿S 5顺时针运动.这时Ψ1,Ψ2的夹角变大,双馈电机的转矩变大.当转子电压为u 2(100)时,转子磁链沿S 5逆时针运动,这时Ψ1,Ψ2的夹角变小,转矩变小.同理,在S 1,S 2,S 3,S 4,S 6区段,分别施加u 2(010),u 2(011),u 2(001),u 2(101),u 2(110),可以使转子磁链沿正六边形逆时针旋转;分别施加u 2(101),u 2(100),u 2(110),u 2(010),u 2(001),可以使转子磁链沿正六边形顺时针旋转.在双馈电机直接转矩控制中,通过控制施加的转子电压矢量可以控制转子磁链矢量的旋转方向和幅值的大小.和普通异步电动机直接转矩控276 沈 阳 工 业 大 学 学 报第28卷制原理相似,在每个区段施加两个非零电压矢量可实现转子磁链的正六边形.在图2中,假设电机沿逆时针旋转,Ψ1为定子磁链矢量,Ψ2为转子磁链矢量,定子磁链的幅值基本上保持不变,转子磁链的幅值由实际工况决定.当环境的风大时,桨叶产生的转矩较大,转子产生的电磁转矩应该增大,通过改变适当的u2的矢量状态,即此时应该为u2(011),使转子磁链顺时针旋转,Ψ1,Ψ2的夹角变大,转子电磁转矩变大.当外界的风变小时,作用在双馈电机上的转矩变小,转子的电磁转矩也应该随之变小.根据上图,可施加u2(100),使转子磁链逆时针旋转,Ψ1,Ψ2的夹角变小,电磁转矩变小.2 双馈电机直接转矩控制器如何给定转子电压的开关量是由直接转矩控制器决定的.根据直接转矩控制器框图3可知,检测电网电压和定子电压来判断是否满足并网的条件.根据公式Ψr=∫u2d t,通过转子电压可求出转子磁通,再计算出定子磁通,则可以计算出双馈电机的电磁转矩.通过给定转矩、定子磁通、INU 无功功率给定,可计算出转子的有功电流和无功电流,进而求出转子的磁链给定;通过转子反馈电流、定子磁通、定转子磁链夹角计算出实际的转子磁链;并将求得的结果传输给双馈电机直接转矩控制器,由该控制器控制双馈电机转子走走停停,来满足要求.3 双馈电机直接转矩控制实验在风力发电系统中,桨叶通过转轴经过增速箱[8]连接在双馈电机的转子上,接受来自大自然的风能.由于风的作用,使转子旋转,产生转矩.但风的大小是变化不定的,因此,转矩的大小也是随时变化的.然而在整个变速恒频发电系统[7]中对风力发电机发出电能要求是恒幅恒频的.本文组建了由ABB公司的ACS800267作为控制设备的控制系统[8],整个控制系统如图4所示.系统根据所采集的定子电流I S,和转子电流I r,以及磁通角θm的大小对双馈发电机进行控制.根据计算由直接转矩控制装置向双馈电机转子输入与其参数相对应频率、幅值的电流,使发电机发出与电网同幅、同频、同相的电压,以满足并网的条件[9].图3 双馈电机直接转矩控制器Fig13 Torque controller of double2fedDTC图4 控制系统框图Fig14 Diagram of control system在该系统中,双馈发电机可工作在三个工作区[10]:①当双馈发电机转速低于一定的转速n a 时,整个系统不对电机进行控制.电机属于空转,不做功;②双馈发电机转速为n时,n a<n< n0,n a为发电机并网转速;n0为发电机同步转速;整个系统处于亚同步运行发电状态[11],即只有定子发电.当n>n0时,发电机处于超同步发电,即定转子同时发电.采用该控制系统对双馈电机进行现场模拟实验.根据所采集的定子电流I S、转子电流I r、磁通角θm、电机转速n,通过计算,进行选择合适的控制策略[11],使风力发电机组具有最高的风能转换效率,同时满足并网发电的条件即同幅、同相、同频.实验的曲线如图5所示.376第6期姚兴佳,等:双馈风力发电机直接转矩控制的研究 图5 并网曲线Fig15 Curve of connected grid由图5可以看出,调节发电机转子励磁,进而调节发电机定子侧电压波形频率、极位,达到与电网侧电压波形频率、相位一致.但在调节转子励磁后定子介电压波形的幅值与电网侧电压的幅值有一定的差别,造成这个现象的原因是定子侧未加负载。
变速恒频双馈风力发电机的矢量控制研究
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双馈感应风力发电机直接转矩控制的研究
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电机直 接转 矩控 制进 行 了理论 分析 ， 阐述 了它 的工作 原理 结构 ， 推导 出具 体的 控制 方程 ， 并对 它 进行仿 真 ， 结果 证 明双馈 感应 风力 发电机 直接转 矩控 制在风 力发 电系统 中具有 利用 率高 ， 网冲击 小 ， 网速 度快 的优点 。 并 并 关 键 词 ： 馈风力 发 电机 ； 双 直接转 矩控制 ； 风力发 电 系统； 模型； 真 仿 中 图分 类 号 ：Ｍ３５ Ｔ １ 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ３０ ０（０００－０ ２０ １０ － １７２ １） ０４ －３ ６
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变速恒频双馈风力发电机的矢量控制研究
具备的变速恒频运行能力， 使得它在 应用中有 明
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ｌ 变速恒频双馈 风力发 电机 的工作原理
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双馈风力发电机的运行控制特性的仿真研究
０ 引 言
最 近二 十年 间 ， 力 发 电 技术 发展 迅 速 ， 瓦 级 变速 恒 频 双 馈 风 兆
１ 双馈 风 力 发 电 机 组 的 基 本 原 理
双馈 风力 发 电 系统 结 构 框 图 如 图 （） 示 。 由风 速模 型 、 １所 风力 机 、 轮箱 、 Ｐ 齿 双 ＷＭ 变频 器 、 双馈 异 步发 电机 、 波 器 和 控 制 系统 滤 等 几 部 分 构成 。
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关 键词 ： 力 发 电 风
双馈
定子磁链定 向
矢 量 控 制
【 图分 类 号 ］ Ｍ６４ Ｔ ７ ３ 【 献 标 识 码 】 【 中 Ｔ １； Ｍ ４ 文 Ａ 文章 编号 】０ ０３ ８ （０ ０ ０ —０ ８０ １０ —８ ６ ２ １ ）５０ ４ —４
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双馈风力发电系统仿真技术研究
论文双馈风力发电系统仿真技术研究摘要随着一些地区风电供应比例的急剧增加,大规模风电场对地区电网稳定性造成的影响愈发显著。
风力发电机的低电压穿越技术越来越受关注。
文中首先介绍了低电压穿越技术的概念、国外的相应标准,继而分析比较了有关此技术的双馈感应发电机建模问题、各种常见的实现低电压穿越的技术手段及改进控制策略。
最后描述了具备此技术的风电场对电力系统的影响。
根据电机学中异步电机的相关知识推导了双馈感应发电机在三相静止坐标系下的数学模型以及运动方程；在对双PWM电压型变流器原理分析基础上，推导了网侧PWM 变流器在三相静止坐标系下数学模型；为了便于控制系统设计，应用坐标变换技术将所建数学模型转换到两相旋转坐标系下；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；进行了亚同步速和超同步速时电机变速恒频发电和有功无功独立调节的仿真研究，仿真结果表明所设计的系统在实现了变速恒频发电的同时，实现了P、Q的完全解耦控制，验证了双馈感应风力发电系统理论分析和控制策略设计的正确性与可行性。
关键字：风力发电；变速恒频；双馈发电机；矢量控制目录摘要........................................................................................................................................ 第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.1.1可再生能源开发的必要性 (1)1.1.2风能的开发利用 (2)1.2国内外风力发电技术的发展趋势 (2)1.2.1风力发电机组容量的发展趋势 (2)1.2.2并网风力发电机组的种类 (3)1.2.3风力发电机的发展 (4)1.3变速恒频发电的优点 (5)1.4本课题主要研究内容 (6)第2章双馈风力发电系统的结构特点和基本原理 (7)2.1双馈风力发电系统结构特点 (7)2.2风力机最大风能捕获原理 (7)2.3双馈感应发电机的运行原理 (9)2.4双馈感应发电机功率流动特点 (11)2.5转子励磁变流器的结构特点 (13)2.6 变速恒频双馈风电机组矢量励磁控制 (14)2.7 坐标变换技术 (15)第3章双馈风力发电系统仿真模型的建立 (17)3.1双馈感应发电机数学模型及仿真模型 (17)3.1.1双馈感应发电机的数学模型 (17)3.1.2双馈感应发电机的仿真模型 (20)3.2 双PWM电压型变流器的数学模型 (24)3.2.1网侧PWM变流器的数学模型 (25)3.2.2 双PWM电压型变流器直流环节的数学模型 (28)3.3 网侧变流器的电网电压定向矢量控制设计 (29)3.4 转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制设计 (30)3.5 变速恒频双馈感应风力发电系统的并网仿真模型 (36)第4章仿真结果 (38)第5章结论............................................................................................... 错误!未定义书签。
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制和直接 转矩控 制的仿 真模 型．研 究两种控制方法对双馈风力发 电机 系统稳定性 的影响。仿 真结果表 明矢量控 制 由于其
通过 解耦控 制有功、无功 ，其对无功的控制效果较好 ，而直接 转矩控 制是 对转矩 的直接 控制 ，其控制速度 较快 ，故障情
况 下 恢 复 能 力较 好 。 关键 词 ：风 力发 电 ；双 馈 风 力发 电机 ；仿 真 ；直接 转矩 控 制 ；矢量 控 制
第４ ３卷
２ ０ １ ５年 ４月
云
南
电
力
技
术
Ｖｏ １ ． ４ ３ Ｎｏ ． ２
Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ５
ＹＵＮＮＡＮ ＥＬ ＥＣＴＲＩ Ｃ ＰＯＷ ＥＲ
双馈 风 力发 电机 的 矢量控 制与直 接 转 矩控 制仿 真研 究
李传 斌 ，梁 俊 宇 ，赵 明 ，刘 延 泉 ，郑 飘 飘
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｖｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎｄ Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ Ｔｏ ｒ ｑ ｕｅ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｄｏ ｕ ｂｌ ｙ Ｆｅ ｄ Ｉ ｎ ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ
（ １ ． 华北电力大学控 制与计算机工程学院，河北 保定 ０ ７ １ ０ ０ ３ ；２ ．云南电网有限责任公 司电力研究院，昆明 ６ ５ ０ ２ １ ７ ； ３ ．华北电力大学云南电网有限责任公 司研究生工作站 ，昆明 ６ ５ ０ ２ １ ７ ）
摘 要 ：在 对双 馈 风 力发 电机 建 模 基 础 上 ，为 了优 化 双馈 风 力发 电机 的控 制 策略 ，在 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ环 境 下 搭 建 变 流 器 的 矢量 控
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（ １ ． Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｎ ｏ ａ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ａ ｏ ｄ ｉ ｎ ｇ ，Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ７ １ ０ ０ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
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Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｙ ｆ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ （ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ） ， ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｐ ｅ ｒ ｆ ｅ ｃ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ， ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ
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２． Ｙｕ ｎｎ ａ ｎ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ，Ｋｕ ｎ ｎ ｉｎｇ ｆ ６５ ０ ２１ ７，Ｃｈｉ ｎ ａ；
３ ．Ｇｒ ａ ｄ ｕ ａ ｔ ｅ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｎ ｏ ａ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｙｕ ｎ ｎ ａ ｎ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｇｒ ｉ ｄ，Ｋ ｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ ６ ５ ０ ２ １ ７，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）