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并网，转子绕组通过外接三相即转差频率变频器实现交流励磁。当发电机转子旋转频率 fW变化时，控制转子励磁电流频率 f2 确保定子输出频率f1恒定。设p 为极对数，则有
f1f?f??2 （1） pp1
双馈异步发电机齿轮箱DFIG电网风力机转子侧变换器电网侧变换器
图1 交流励磁双馈发电机原理图
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
?1?Pcu1?Pcu2?Pmech?P2?P （2） ?P=sP?P?P??2?1cu1?cu2式中 Pmech——转子轴上输入的机械功率
P2——转子励磁输入的电功率 P1——定子输出的电功率 Pcu1——定子绕组铜耗 Pcu2——转子绕组铜耗 s——转差率
在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为
P2?sP1 （3）
由此可知，当发电机处于亚同步速运行时，s＞0，P2＞0，变频器向转子绕组送入有功功率；当发电机处于超同步速运行时，s＜0，P2＜0，转子绕组向变频器送入有功功率；当发电机处于同步速运行时，s=0，P2=0，变频器不向转子绕组提供有功功率。
3 双馈发电机交流励磁用变频器
变速恒频风力发电机对转子励磁电源有如下要求：
（1）为了追踪最大风能并最大限度地减少励磁变频器的容量， 需要发电机在同步速上、下运行，要求变频器具有能量双向流动的能力。
（2）为确保发电质量，励磁变频器要有优良的输出特性。
（3）为了防止变频器对电网的谐波污染，要求变频器有良好的输入特性。 采用当前电力电子技术构造可满足交流励磁要求的变频器主要有交-交变频器、 PWM整流-PWM逆变（双PWM）变频器。
2
采用PWM 整流-PWM 逆变形式的双PWM交-直-交变频器不仅有良好的输出性能，更大大改善了输入性能，可获得任意功率因数的正弦输入电流，且具有能量双向流动的能力，即电功率可以通过定子、转子双通道与电网实现交换。更为重要的是根据目前商品化自关断功率器件的功率等级，可以满足兆瓦级变速恒频风力发电机组转子交流励磁的需要，有着现实的工程应用价值，是一种满足变速恒频风力发电机交流励磁要求的理想变频电源。
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：
?uMs??RsiMs?w1?Ts?p?Ms （4）
??uTs??RsiTs?w1?Ms?p?Ts转子电压方程：
?uMr?RriMr?ws?Tr?p?Mr （5） ??uTr?RriTr?ws?Mr?p?Tr定子磁链方程：
??Ms?LsiMs?LmiMr （6） ???Ts?LsiTs?LmiTr转子磁链方程：
??Mr??LmiMs?LriMr （7） ???Tr??LmiTs?LriTr电磁转矩方程：
Te?3npLm(iMsiTr?iTsiMr) （8） 2运动方程：
TL?Te?Jdwr （9） npdt式中：R，L分别为电阻、电感；ψ为磁链；下标s，r，m分别代表定子、
3