交流励磁变速恒频电机控制MATLAB仿真作业.docVIP

交流励磁变速恒频风电系统运行研究 摘要：本文主要从双馈发电机交流变频励磁变速恒频发电运行原理出发，建立M-T同步旋转坐标系下的双馈电机的数学模型。通过定子磁链定向矢量策略，简化了电机的数学模型，实现了电机有功功率和无功功率的独立调节，通过双 PWM 变频器实现了对电机运行的有效控制。 关键词：变速恒频；交流励磁；磁链定向 1 引言 长期以来，风力发电以采用定桨距风力机为主，在发电机极对数一定的条件下，若要输出电能与电网同频，发电机必须恒速运行。而风能是一种变化剧烈的随机能源，一种风速下风力机只有一种可以获取最大风能的转速，这样恒速恒频运行只能在一种风速下捕获最大风能，绝大多数风速下风能的采集、利用、转化效率都很低。特别是随着风电机组单机容量的增大，运行成本已提到重要地位，追踪最大风能以增加发电量的控制方式才是风力发电的最佳运行方式。变速恒频能在各种风速下最大限度地捕获风能，很适合风力发电技术发展的方向。 实现变速恒频发电的方法众多[1]，其中交流励磁双馈发电机方案最具优势。由于交流励磁变频器只需供给转差功率，大大减少了对变频器容量的要求；发电机根据风力机转速变化调节转子励磁电压频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功、无功功率独立调节，进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行。本文介绍了双馈发电机交流励磁变速恒频发电的原理，详细论述了M-T同步旋转坐标系下的双馈电机的数学模型、定子磁链定向矢量控制、变速恒频发电机并网技术等。 2 交流励磁变速恒频运行原理 交流励磁变速恒频发电系统原理性示意图如图 1 所示。发电机为三相绕线式异步发电机，定子绕组直接挂接电网实现 （1） 原理 在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到双馈发电机的能量流动关系 （2） ——转子轴上输入的机械功率 ——转子励磁输入的电功率 ——定子输出的电功率 ——定子绕组铜耗 ——转子绕组铜耗 ——转差率 在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为 （3） 电功率可以通过、转子双通道与电网实现交换 4 交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制 在追踪最大风能捕获的变速运行中，主要通过风力机与发电机的配合，使风电机组在不同风速下均能以保持风能利用系数cp=cpmax最大的最佳转速运行。要保持cp恒定运行，可以通过调节发电机有功功率来改变其中的电磁阻转矩，进而调节机组转速。因此，发电机有功功率及无功功率的独立调节是风电机组变速运行控制的关键，这又是通过发电机定子磁链定向矢量变换控制来实现的。 在以定子电源角频率w1速度旋转的同步速M-T坐标系中，按发电机惯例描述的双馈发电机模型可以用以下方程来表述[3]。 定子电压方程： （4） （5） （6） （7） （8） （9）ψ为磁链；下标s，r，m分别代表定子、转子及气隙相关量；M，T代表M-T坐标系中相应分量；ws=w1-wr，wr为转子角速度；TL为风力机输出驱动转矩；J为风电机组转动惯量；p=d/dt为微分算子。 由于发电机定子绕组接入工频电网，与电抗相比可以忽略定子电阻，使得定子磁链矢量ψ1比定子电压矢量u1领先90。。当选择M-T坐标系的M轴沿ψ1定向时，有： （10） （11）ψ1，u1分别为定子磁链矢量ψ1，定子电压矢量u1的幅值。 为了进行发电机有功功率P、无功功率Q 的独立调节，写出M-T坐标系内的功率表达式： （12） （13） （14） （15） （16）’， uTr’分别为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项；△uMr，△uMr分别为消除M，T轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。 分解出这两项构成线性组合的目的是通过电压补偿项计算来简化控制，获得实现P，Q独立可调的M-T坐标系中的转子分量电压表达式（16）后，通过2?/3?旋转变换可获得发电机转子三相电压，用作励磁变频电源所需的PWM指令，控制PWM变频器产生所