风力发电机组的控制技术_第3版.pdf

1、机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目风力发电机组的控制技术第 3 版叶杭冶 编著机 械 工 业 出 版 社本书主要介绍变速恒频风电机组的控制技术。在风轮空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统地介绍了风电机组的特性，风电机组的并网技术，变速恒频风电机组的控制目标、控制策略和常用的控制方法及控制器的设计方法；介绍了风电机组的状态监测与性能测试技术；讨论了独立变桨控制技术、自适应控制技术、模糊逻辑控制技术在风电机组上的应用，探讨了风电机组的系统辨识。本书主要供从事风力发电技术研究的工程技术人员参考，也可作为高等学校相关专业的教师、研究生的参考书。图书在版编目（CIP）数据风力发电机组的控制技

2、术/叶杭冶编著.3 版.北京：机械工业出版社，2015.5ISBN 978-7-111-50017-9.风.叶.风力发电机-机组-控制系统.TM315中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 081285 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：张沪光责任校对：佟瑞鑫 封面设计：马精明责任印制：北京圣夫亚美印刷有限公司印刷2015 年 7 月第 3 版第 1 次印刷169mm 239mm21.5 印张415 千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-50017-9定价：58.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱

3、页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88361066读者购书热线：010-68326294010-88379203封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 岚近 10 年来，我国风力发电持续高速发展。风力发电机组的控制技术 第 2 版自 2005 年出版发行到 2013 年重印了 7 次，被国内专业期刊论文引用 1500 余次。在科学技术快速发展时期，一本技术专著能够在这么长时间里拥有读者，使我深受鼓舞。但不可否认，第 2 版中的许多内容已经不再适用，随着风电场建设规模的不断扩大和风电机组的大型化，新技术的开发与应用受到业界的广泛关注。在这期间，作者参与完成了

4、国家 863 计划“大型风力发电机组的独立变桨技术”“风电机组智能控制技术及在线监测技术”和国家 973 计划“风力发电系统辨识与自适应控制机理研究”等课题的研究。为了回报广大读者的厚爱，作者将这些课题的研究报告整理后编入了第 3 版，分别为第七章风电机组的独立变桨控制技术、第八章自适应控制技术在风电机组上的应用、第十章风电机组的系统辨识。上述课题的主要研究人员潘东浩教授级高工、许国东高级工程师、应有工程师和孙勇工程师给予了大力支持，在此深表感谢。本次再版同时对原有的章节做了删改和补充，其中包括：第四章补充介绍了双馈异步风电机组的并网技术、永磁同步风电机组的并网技术和风电机组对电网稳定性的影响

5、；第五章介绍了变速恒频风电机组的控制目标、控制策略和常用的控制方法和手段；第六章介绍了变速恒频风电机组控制器的设计方法，并增加了风电机组的状态监测与性能测试（第十一章）。由于新编入的内容仍然在研究与探讨之中，仅供读者参考，如有不当之处，敬请批评指正。作者于 2015 年 3 月 21 日本书自第 1 版发行后，国内风力发电开始进入大规模开发时期，从事风力发电技术装备研发和产业化的人越来越多。为了满足读者的需求，同时考虑到风力发电技术的迅速发展，对本书进行了再版。与第 1 版相比，第 2 版主要在以下几个章节作了较大修改：第七章控制系统的执行机构，增加了第三节采用电机驱动的变距系统。第八章变速风

6、力发电机组，将第二节改为变速发电机及其控制方式，并对第一部分进行了重写。第十一章风力发电机组的智能控制，增加了第二节模糊转速控制器的设计。此外对第一章绪论也作了删改；对书中其他章节中个别文字与插图的错误作了订正。作者对现代并网风力发电机组的研究已有 20 多年的历史，并且每年在世界各地都举办了各种形式的学术研讨会，发表数以百计的学术论文，但至今为止，国内外系统介绍现代并网风力发电技术的书籍仍然寥若晨星。多年前虽然出版过一些介绍风力机空气动力学原理和能量转换原理的书籍，并且这些基本原理对于大型风力发电机组的研究仍然是适用的，但现代并网风力发电机组所涉及的技术和理论已远远超出了这一范围。本书在风力

7、机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统地介绍了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求与控制策略；介绍了风力发电机组的软并网技术、变桨距技术和变速风力发电机组在实现对最佳功率曲线的跟踪过程中的各种控制和处理方法。在介绍变速风力发电机组控制技术的基础上，对基于模糊逻辑控制和神经网络的智能控制系统也作了简要介绍。最后介绍了对电力电子器件引入谐波和变功率因数问题的控制方案。由于风力发电机组的控制主要是对风轮的转速和输入功率进行控制，这些都涉及风轮的能量转换过程及与之密切相关的空气动力学问题。为此先在第二章中对风力机的基础理论作一简要介绍。此后为了循序渐进，先介绍

8、定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组的控制技术，以及与控制技术密切相关的伺服系统。在此基础上介绍变速风力发电机组的控制技术，讨论各种控制策略、处理方法及模拟试验结果。作者多年来一直从事风力发电技术研究，参与设计了多种型号的定桨距和变桨距风力发电机组，因而可以从比较实用的角度介绍这两种机组的控制技术。对于变速风力发电机组则主要从理论分析与实验研究的角度予以介绍，所引用的国外最新技术成果已在参考文献中全部列出。本书的出版荣幸地受到机械工业出版社基金支助，还受到国家高技术研究发展计划专项经费资助。本书主要供从事风力发电机组设计、研究的工程技术人员参考，也可作为理工科大学电机及控制专业教师和研究生的

9、参考书。书中的错误恳请读者批评指正。作者于 2002 年 1 月 8 日第 3 版前言第 2 版前言第 1 版前言第一章 绪论1第一节 控制技术的研究内容1第二节 风力发电机组的总体结构2第三节 控制系统的研究方法5第二章 风力机的基础理论7第一节 风力机的能量转换过程7第二节 桨叶的几何参数和空气动力特性10第三节 风轮的气动力学16第四节 简化的风力机理论17第五节 涡流理论21第三章 风电机组的特性分析28第一节 风电机组的基本特性28第二节 传动系统的动态特性37第三节 发电机及变流器的特性39第四章 风电机组的并网技术52第一节 定桨恒速风电机组的软并网技术52第二节 双馈异步风电机

10、组的并网技术59第三节 永磁同步风电机组的并网技术62第四节 风电机组对电网稳定性的影响64第五章 变速恒频风电机组的控制74第一节 变速恒频风电机组的控制目标74第二节 变速恒频风电机组的控制策略75第三节 常用的控制方法和手段81第六章 变速恒频风电机组控制器的设计86第一节 控制系统的设计方法86第二节 控制系统的设计过程99第三节 查表控制与最优控制120第四节 外部控制器的设计127第五节 外部控制器的实现143第七章 风电机组的独立变桨控制技术158第一节 大型风电机组独立变桨控制技术理论研究158第二节 基于不同载荷测量的独立变桨控制实现方案研究167第三节 基于测量叶根载荷的独

11、立变桨控制系统设计168第四节 独立变桨控制的仿真分析研究185第五节 基于 LGQ 控制的独立变桨控制技术研究205第八章 自适应控制技术在风电机组上的应用211第一节 自适应控制技术在转矩控制中的应用211第二节 自适应控制技术在变桨控制中的应用215第九章 基于模糊逻辑的转速控制224第一节 模糊逻辑控制224第二节 模糊逻辑转速控制器229第三节 仿真与模拟研究235第十章 风电机组的系统辨识239第一节 系统辨识理论239第二节 基于风电机组模型的系统辨识方法252第三节 基于 LPV 的风电机组系统辨识283第四节 半物理仿真平台上风电机组的系统辨识291第十一章 风电机组的状态监

12、测与性能测试298第一节 风电机组的状态监测298第二节 风电机组的性能测试313参考文献332第一章绪论能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且会造成严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。据专家们估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有 2%转换成风能，可装机发电达 10TW，每年可发出电力 18PWh。近 10 年来风力发电在全球范围持续高速增长，2014 年全球装机容量已超过 369GW。风力发电的高速发展，促进了风力发电技术的不断进步，为风力发电更大规模的发展提供了可能

13、。第一节 控制技术的研究内容随着风电机组单机容量的增大和风力发电在电网中的比例不断提高，风力发电机组控制技术的研究范围不断扩大，目前大致可分为两个层面。一是以提高风力发电机组单机性能为目标的控制技术（机级控制），其中包括以实现最大风能转换效率为目的的风轮转速对风速的跟踪技术；以降低不平衡、不对称或间歇性载荷为目的的各种变桨控制技术和独立变桨控制技术；以提高电网友好性为目的的电网故障穿越技术等，以及与上述密切相关的机组的建模与仿真技术和系统辨识技术研究；二是以提高风电场运行有效性和电网的安全性为目标的控制技术（场级控制），其中包括风电场在线监测和远程监控及数据统计分析技术；风电场短时功率预测和调

14、度技术等。本书主要讨论机级控制。风力发电机组的控制系统是一个综合管理平台。它不仅要监视电网、风况和机组的运行参数，在各种风况或故障情况下确保机组和电网的安全性与可靠性；还要根据风速与风向的变化以及电网情况对机组进行优化控制，以保证机组高效、稳定地运行；还要根据电网的要求，进行能量的调度和控制。在风力发电技术的发展过程中，控制技术始终起着主导作用，并且随着风力发电技术的发展，其重要性更加突出。20 世纪 80 年代中期，定桨恒速风力发电机组实现了商业化运行，它主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题。定桨恒速风力发电机组采用了软并网技术、空气动力制动技术、偏航与自动解缆技术，这

15、些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，叶片的桨距角在安装时已经固定，而发电机的转速受到电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨1风力发电机组的控制技术 第3 版恒速风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨恒速风力发电机组能够在较短时间内大规模推广运行。20 世纪 90 年代初期，基于高转差率异步发电机进行有限变速的全桨变距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力发

16、电机组的起动性能和功率输出特性都有显著的改善。这时，风力发电机组的液压系统不再是简单的以制动为目的的执行机构，为实现变桨控制，它采用电液比例阀或电液伺服阀组成了闭环控制系统，使风力发电机组的控制水平提高到一个新的阶段。由于有限变速的全桨变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了 20 世纪 90 年代中期，基于变速恒频技术的全桨变距风力发电机组开始进入风电市场。变速恒频风力发电机组与定桨恒速风力发电机组的根本区别在于，变速恒频风力发电机组风轮转速可以跟随风速变化，从而使机组获得最佳功率输出特性。变速恒频风力发电机组的主要特点：低于额定风速时，它能最大限度跟踪最佳功率曲线使风力发电

17、机组具有较高的风能转换效率；高于额定风速时，它可以增加传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了电网瞬时故障穿越等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电能的目的。今后风电机组控制技术的总体发展方向是智能化，机级和场级控制融合在一起。新一代物联网技术、传感检测技术、大数据和云计算将更多地应用到风电机组的控制系统，同时风电机组故障自诊断和自修复技术，部件寿命预测及评估技术日趋成熟，并结合预测和采集气象、风况、电网等外部信息，进一步提升机组的性能，提升机组对环境和电网的适应性，提高机组发电量的可预测性、可控制性和可调度性，保证风电场整个运行生命周期的经济性。风电机组在未来的控制应该是一种实

18、时数据驱动性的方式，以经济性指标为准则，能实时定量分析每一控制行为对机组所有零部件寿命的影响，通过自身的控制行为实现设备寿命平衡与发电性能指标的综合优化。第二节 风力发电机组的总体结构并网型风力发电机组形式有采用笼型异步发电机的定桨恒速风力发电机组（见图 1-1）和全桨变距的变速恒频风力发电机组。后者主要有采用双馈式异步发电机的变速恒频风力发电机组（见图 1-2）和采用永磁式同步发电机的变速恒频风力发电机组（见图 1-3）。2图 1-1 定桨恒速风力发电机组总体结构图 1-2 双馈异步式变速恒频风力发电机组总体结构图 1-3 永磁同步式变速恒频风力发电机组总体结构3风力发电机组的控制技术 第3

19、 版 风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而推动风轮，将风能转换成机械能，各种机型的风轮一般均采用水平轴、三叶片、上风向布置。风轮通过增速齿轮箱带动发电机，或者也可直接带动低速发电机。早期定桨距恒速风力发电机组的风轮大都采用桨叶与轮毂刚性连接的结构，即所谓定桨距风轮。桨叶尖部 1.5 2.5m 部分，一般设计成可控制的叶尖扰流器。当风力发电机组需要脱网停机时，叶尖扰流器可按控制指令释放并旋转大角度形成气动阻力，使风轮转速迅速下降，这一功能通常称为空气动力制动。在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组的设计中，已采用变桨距风轮，桨叶与轮毂不再采

20、用刚性连接，而通过专门为变距机构设计的变距轴承连接。这种风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率可基本稳定地保持在额定功率上；特别是在大风停机情况下，风力发电机组处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。由于风力发电机组起动/停车频繁，风轮又具有很大的转动惯量，通常风轮的转速都设计在 10 20r/min 左右，机组容量越大，转速越低，因此在风轮与高速的发电机之间需要设置增速器。大型风力发电机组的机械传动系统都沿中心线布置，因此增速器大多采用结构紧凑的行星齿轮箱。风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，对于定桨恒速风力发电机组，一般还采用双绕组双速笼型异步

21、发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且改善了低风速时的叶尖速比，提高了风能利用系数并降低了运行时的噪声。对于定桨恒速风力发电机组和全桨变距有限变速风力发电机组，发电机并网过程采用晶闸管限流软切入，过渡过程结束时，旁路接触器合上，晶闸管被切除，风力发电机组进入发电运行状态，如图 1-1 所示。变速恒频风电力发机组主要有双馈异步式和永磁同步式两种。双馈异步式变速恒频风力发电机组的发电机定子直接与电网相连，转子通过变流器与电网相连，从定子和转子两侧向电网输出电流，如图 1-2 所示。低速永磁同步式变速恒频风力发电机组不带增速齿轮箱，发电机转子为永磁体，由定子通过全功率变流器向电网输

22、电，如图 1-3 所示。这两种机组都可以由变流器实现无冲击并网和脱网。目前变速恒频风力发电机组是风力发电的主流机型，其主要特点是在变桨距风力发电机组的基础上采用了转速可以在大范围变化的双馈式异步发电机或永磁式同步发电机及相应的电力电子技术，通过对最佳叶尖速比的跟踪，使得风力发电机组在所有的风速下均可获得最佳的功率输出。风力发电机组控制系统通过采集风力发电机组及其工作环境信息，调节机组4使其按照预先设定的要求运行；控制系统通过对执行机构的控制，提高风力发电机组运行效率，确保风力发电机组及电网安全运行；控制系统对风力发电机组出现的故障予以检测并采取完善的保护措施；控制系统还通过与风电场和电网的联系

23、，接受各种控制和调度指令。在风力发电机组的控制中，变桨控制和变速控制一般不可以独立地用作风力发电机组控制的两种控制方案，而是互相支持、互相依存的两种技术。没有变速控制的变桨距风力发电机组或没有变桨控制的变速风力发电机组都是难以稳定运行的。第三节 控制系统的研究方法对风力发电机组施加各种控制策略首先要对控制对象进行建模和仿真，研究机组的动态特性。风力发电机组的动态特性是构成机组的各部件的动态特性的总和，它包括风轮（桨叶）的气动特性、传动系统的动态特性、发电机的动态特性及控制系统的动态特性，如图 1-4 所示。图 1-4 风力发电机组的动态特性对于风力发电机组的设计，特别是变速恒频风力发电机组，还

24、应考虑整机的结构动力学问题，以控制机组在运行过程中由于内部和外部原因引发的系统不稳定性问题。一台已设计好的风力发电机组，其动态特性是确定的，即对于任何给定的输入，它有一个确定的输出响应。如果输入是恒定的，我们可以通过设计，使得系统具有最佳输出；如果输入是变化的，我们希望系统能根据变化来进行适当的调整，使系统保持最佳输出。控制系统的作用就是根据它所接收到的机组及其工作环境信息，调节机组使其按照预先设定的要求运行。对于定桨恒速风力发电机组，当输入变化时，控制系统对机组的调整非常有限，如当风向改变时，通过偏航系统调整其风轮方向，或在风速变化时切换发电机绕组，进行变极调速，对其动态响应特性没有施加任何

25、影响，因此在输入变化5风力发电机组的控制技术 第3 版的情况下，风力发电机组只有很小机会运行在最佳状态下。机组的控制方式如图1-5 所示。图 1-5 定桨恒速风力发电机组的控制方式对于变速恒频风力发电机组，由于采用了闭环控制（见图 1-2），控制系统完全决定了系统的动态响应特性，并且可以根据输入的变化对输出进行控制。表示风力发电机组动态特性的微分方程通常写成如下形式：I+B+K=FA（1-1）式中 I 风力发电机组的转动惯量；B 阻尼系数；K 传动系统刚性系数；FA 驱动力；轴的旋转角度。当系统加入控制力 FC后，其动态特性方程改变为I+B+K=FA-FC（1-2）假定控制力 FC是以比例加积

26、分的方式作用在旋转轴上的，即FC=k1+k2（1-3）这时，微分方程可以写成：I+（B+k2）+（K+k1）=FA（1-4）其中阻尼系数从 B 增加到（B+k2），刚性系数从 K 增加到（K+k1）。从式（1-4）可以看到，由于控制系统的作用，改变了系统的动态特性，但系统的物理参数和所受的外力并没有改变。对风力发电机组控制技术的研究主要集中在经典控制理论与技术方面，已有一些成熟的建模和仿真软件可用于控制系统的设计。但由于大型风力发电机组的结构设计极具个性，加之空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，模型的建立不是件容易的事情。虽然可供建模和仿真研究的商业软件在不断地更新，但其结果仍然需要验

27、证。因此，对样机进行系统辨识，是完成整机设计必不可少的环节。为了弥补经典控制技术的缺陷，应对运行环境条件的变化问题，自适应控制技术、基于模糊逻辑和神经网络的智能控制技术也被引入风力发电机组的控制系统。本书将对上述方法做力所能及的介绍。6第二章风力机的基础理论第一节 风力机的能量转换过程1，2一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为E=12mv2（2-1）式中 m气体的质量；v气体的速度。设单位时间内气流流过截面积为 S 的气体的体积为 L，则L=Sv如果以 表示空气密度，则该体积的空气质量为m=L=Sv这时气流所具有的动能为E=12Sv3（2-2）上式即为风能的表达式。在国际单位制中，的单位

28、是 kg/m3，L 的单位是 m3，v 的单位是 m/s，E 的单位是 W。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的三次方成正比。其中 和 v 随地理位置、海拔、地形等因素而变。二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的 Betz 于 1926 年建立的。Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。现研究一理想风轮在流动的大气中的情况（见图 2-1），并规定：v1距离风力机一定距离的上游风速；v通过风轮时的实际风速；v2离风轮远处

29、的下游风速。设通过风轮的气流其上游截面为 S1，下游截面为 S2。由于风轮的机械能量7风力发电机组的控制技术 第3 版图 2-1 风轮的气流图仅由空气的动能降低所致，因而 v2必然低于 v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于 S1。如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得S1v1=Sv=S2v2风作用在风轮上的力可由 Euler理论写出：F=Sv（v1-v2）（2-3）故风轮吸收的功率为P=Fv=Sv2（v1-v2）（2-4）此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为E=12Sv（v21-v22）（2-5）令式（2-4）与式（2-5）相等，得到：v=v1+v22

30、（2-6）则作用在风轮上的力和提供的功率可写成：F=12Sv（v21-v22）（2-7）P=14Sv（v21-v22）（v1+v2）（2-8）对于给定的上游速度 v1，可写出以 v2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得dPdv2=14Sv（v21-2v1v2-3v22）式dPdv2=0 有两个解：v2=-v1，没有物理意义；v2=v1/3，对应于最大功率。以 v2=v13代入 P 的表达式，得到最大功率为Pmax=827Sv31（2-9）将上式除以气流通过扫掠面 S 时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率（或称理论风能利用系数）：8max=Pmax12v31S=（8/27）Sv31

31、12Sv31=16270.593（2-10）式（2-10）即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此风力机的实际风能利用系数 CP 0，变流器向发电机转子提供正相序励磁。在不计损耗的理想条件下，有P2sP1（3-17）式中 P1 定子输出电功率；P2 转子输入电功率。24因转差率 s 0，有 P20，变流器向转子输入有功功率。当发电机转速高于气隙磁场旋转速度时，作超同步运行，f2 0。此时，一方面变流器向转子提供反相序励磁，另一方面因

32、 s 0、P20，转子绕组向变流器送入有功功率。当发电机转速等于气隙磁场旋转速度时，f2=0，变流器向转子提供直流励磁。此时，s=0、P2=0，变流器与转子绕组之间无功率交换。由此可见，发电机励磁频率的控制是实现变速恒频的关键。在忽略损耗的情况下，有如图 3-20 所示的功率关系，但通过变流器的功率方向在发电机亚同步运行时会反向。图 3-20 双馈发电机组的功率关系在追踪最大风能捕获的变速运行中，使风电机组在不同风速下均能以保持风能利用系数 CP=CPmax的最佳转速运行。而要保持恒定的 CP，可以通过调节发电机的有功功率来改变其电磁阻力转矩，进而调节机组转速，这是通过发电机定子磁链定向矢量变

33、换控制来实现的。（二）发电机及变流器的特性1.基本关系类似于普通异步电机的等效电路（见图 3-14），双馈异步电机的等效电路如图 3-21 所示。图 3-21 双馈异步电机的等效电路34风力发电机组的控制技术 第3 版由图 3-21 可得Us=（Rs+jXs）Is+jXm（Is+Ir）=RsIs+j1LsIs+Lm（Is+Ir）Ur=（Rr+jsXr）Ir+jsXm（Is+Ir）=RrIr+js1LrIr+Lm（Is+Ir）（3-18）从而电磁转矩为Te=32npXmRejIsIr（3-19）式中，Is为 Is的共轭值。以及有功功率和无功功率的表达式为Ps=32Re（UsIs）Qs=32Im（

34、UsIs）（3-20）Pr=32Re（UrIr）Qr=32Im（UrIr）（3-21）2.坐标变换由电机学的坐标变换理论可知，若将在固定轴线（定子）上的电压、电流和磁链变换到旋转的轴线（转子）上来，可以将电机中随转子转角 而变化的自感和互感变换成常值，从而使恒速运行时电机的电压方程，从时变系数的微分方程变换为常系数微分方程，进而使求解大为简化。设 S 代表要变换的定子量（电流、电压或磁通），可以用矩阵形式写出变换为SdSqS0=23cos（）cos（-120）cos（+120）-sin（）-sin（-120）-sin（+120）121212SaSbSc（3-22）及反变换为SaSbSc=cos

35、（）-sin（）1cos（-120）-sin（-120）1cos（+120）-sin（+120）1SdSqS0（3-23）式中，S 为变换的量；下标的 d 和 q 分别为直轴和交轴；式中下标为 0 的是零序分量，在三相对称的情况下不产生零序分量。在 dq0 坐标下的电压方程为ud=pd-qr-Raiduq=pq+dr-Raiqu0=p0-Rai0（3-24）44式中 p 微分算子；r 用电角表示时转子的旋转角速度。式 3-24 即派克方程，由此可见，直轴和交轴电压方程中出现了运动项，这是由于 abc 坐标系是静止不动的，而 dq0 坐标系则与转子一起旋转。3.磁场定向 4 双馈电机可以采用磁场

36、定向的方法进行控制，磁场定向矢量控制基于电机动态方程，通过控制电机电流矢量与定向磁场矢量的夹角和大小来实现对无功功率和有功功率的控制。在双馈发电系统中，通常使用定子磁场定向矢量控制。图 3-22 为发电机并网分析用参考坐标系示意图，其中 s-s为定子两相静止坐标系，s轴取定子 A 相绕组轴线正方向。r-r为转子两相坐标系，r取转子 a 相绕组轴线正方向。r-r坐标系相对于转子静止，相对于定子绕组以转子角速度 r逆时针方向旋转。d-q 坐标系是两相旋转坐标系，以同步速 1逆时针旋转。s轴与 r轴的夹角为 r，d 轴与 s轴夹角为 s。图 3-22 坐标变换系统为实现发电机有功无功的解耦和独立调节

37、，控制系统采用了发电机定子磁链定向矢量变换控制，所采用的 d-q 坐标系的 d 轴与定子磁链矢量 s的方向重合，并按电动机惯例建立发电机数学模型。在磁链定向矢量控制的前提下，有ps=0s=us1（3-25）式中 p 微分算子；us 电压矢量。由于定子接入工频电网，与电抗相比可以忽略定子电阻，发电机端电压矢量us应该超前定子磁链矢量 s90，即位于 q 轴正方向。式（3-31）可分别写为定子电压方程和转子电压方程。54风力发电机组的控制技术 第3 版定子电压方程为uds=-pds+qs1-Rsids=0uqs=-pqs-ds1-Rsiqs=-u1（3-26）式中，u1为定子电压矢量的幅值。转子电

38、压方程为udr=pdr-qss+Rridruqr=pqr+drs+Rriqr（3-27）定子磁链方程为ds=Lsids-Lmidr=Lmims=sqs=Lsiqs-Lmiqr=0（3-28）转子磁链方程为dr=Lridr-Lmidsqr=Lriqr-Lmiqs（3-29）电磁转矩方程为Te=32npLm（iqsidr-idsiqr）（3-30）运动方程式为TL-Te=Jnpdrdt（3-31）式中，R、L 分别为电阻、电感；为磁链；下标为 s、r、m 的物理量分别为定子、转子及气隙相关量；下标为 d、q 的物理量代表 d-q 坐标系中相应分量；s=1-r，1为同步角速度，r为转子角速度；TL为

39、机组低速轴输出驱动转矩；J 为风电机组转动惯量；p 为微分算子，p=d/dt。当调节 q 轴转子电流时，即可控制定子有功功率的大小，而通过调节 d 轴的转子电流则可控制定子无功功率的大小。由式（3-28）则可以得到，定子电流 iqs、ids与转子电流 iqr、idr之间的关系如下，从而实现通过控制发电机转子电流来控制发电机定子电流和定子功率。ids=s+LmidrLs=LmLs（idr-ims）iqs=LmLsiqr（3-32）64Ps=32（udsids+uqsiqs）=-32LmLsu1iqr=-32u1iqsQs=32（uqsids-udsiqs）=32LmLsu1（ims-idr）=-

40、32u1ids（3-33）同时，对于网侧变流器而言，当 d 轴与电压矢量重合时，有P=udid+uqiq=udidQ=udiq-uqid=udiq（3-34）可见，控制 d 轴和 q 轴电流即可分别控制网侧变流器输出的有功功率和无功功率。由以上各式可见，通过双馈变流器可以实现对发电机定子和网侧变流器输出的有功功率和无功功率的独立控制。由变流器的 d、q 轴电流控制目标可得到 d、q 轴的电压控制目标，进而通过坐标旋转变换（2/3）可得到发电机转子三相电压控制目标，从而产生励磁变频电源所需的 PWM 指令，控制 PWM 变流器产生所需的频率、大小、相位的三相交流励磁电压，最终实现发电机组功率控制

41、、转速调节、最大风能捕获运行。描述定子磁链定向控制系统的控制框图如图 3-23 所示。这是一个功率、电流双闭环系统。在功率闭环中，有功指令 P根据机组特性按最大风能获取原则给出，无功指令 Q根据电网需求设定；反馈功率 P、Q则是通过对发电机输出电压、电流检测和坐标旋转变换后计算求得。P、Q 给定值与反馈值相比较，经 PI 功率调节器运算，分别输出发电机定子电流有功分量及无功分量指令 iqr、idr，它们与转子电流反馈值 iqr、idr比较并经 PI 调节后，可输出转子电压解耦项 udr、uqr，就可获得转子电压指令值 udr、uqr，经过旋转变换后，最终可获得励磁电源的三相电压控制指令 uar

42、、ubr、ucr。坐标旋转变换所需的定子磁链空间位置 s、转子位置角 r是通过定子磁链 s观测器和转子同轴光电编码器测得的。交流励磁发电技术关键在于其定转子之间的解耦以及磁场定向的问题，利用坐标变换和定子磁场定向可以很好地解决这两个问题。通过矢量控制的基本原理，可以得出交流励磁发电机定子磁场定向下的系统控制框图。由于交流励磁发电机的空载并网可以看作是其正常工作状态的一个特殊情形，故在实现了对交流励磁发电机的控制之后，在此基础上可以进一步研究其空载并网策略。三、永磁同步发电机及变流器的特性永磁同步发电机的转子以稀土永磁体作为励磁，不需要励磁绕组和集电环，减小了励磁损耗，在结构上更加可靠。和同样容

43、量及形式的绕线转子同步发电机相比，永磁发电机由于磁能积大，不存在励磁损耗，从而体积和质量更小，有利于机组大型化的趋势。永磁发电机由于无集电环/电刷结构，所以不需要这部分74风力发电机组的控制技术 第3 版书 书 书图3-23交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向矢量控制框图84的维护，但是永磁发电机由于励磁能量不可调节，永磁体的温度系数也较大，从而在不同负载下的输出电压不稳定。（一）永磁同步发电机的电压控制由于永磁同步发电机在不同负载下电压会发生变化，所以需要电力电子器件加以控制，在获得稳定直流电压的情况下进行逆变，向电网输出电压、频率恒定的三相电能。为实现此目的，有以下两种变流器拓扑方案可供选择

44、。1.不控整流+直流调压+可控逆变（见图 3-24）图 3-24 全功率变流拓扑（不控整流）这种方式下，整流侧由大功率二极管构成，只控制直流升压部分和交流逆变部分，成本较低，控制简单，发电机定子绕组无须承受高的 du/dt 与电压峰值，但是带来的问题是续流电感和滤波电容的容量很大，直流环节的谐波较大，经过逆变后会对交流电网造成不良影响。虽然与可控整流方式相比，整流器件的成本降低了一些，但大容量的电感和电容元件仍然是昂贵的。2.可控整流+可控逆变（见图 3-25）可控整流解决了永磁同步发电机负载变化时输出电压的波动问题，不像二极图 3-25 全功率变流拓扑（可控整流）94风力发电机组的控制技术

45、第3 版管整流方式需要附加直流调压。可控整流能大大减小直流环节的谐波，从而减小滤波电容的容量。该方式可以完全独立地控制电能的有功和无功功率，能电动运行，甚至能作为静止无功发生器工作。其缺点是发电机定子绕组承受较高的 du/dt 与电压尖峰，需要做绝缘加强。早期的永磁同步发电机型多采用不控整流方式（如 Vensys 公司的 1.2MW 机型），新开发的机型基本都采用了可控整流方式，这一方面是为了获得更好的控制性能，另一方面也是由于综合成本的考虑和控制技术的发展。（二）永磁同步发电机与变流器的特性 5 与双馈机组不同，永磁同步发电机的励磁强度不可调节，只能通过控制定子绕组的电压来实现对发电机转矩的

46、调节。永磁同步发电机全功率变流结构如图3-26 所示。图 3-26 永磁发电机全功率变流结构以转子磁链定向进行发电机三相坐标系 d-q 轴变换，可以得到Us=uqs+juds=m1Ude-j（3-35）式中 m1 幅值参数；uqs 定子电压的 q 轴分量；uds 定子电压的 d 轴分量，由发电机侧的 PWM 控制决定；负载角。发电机定子的 d 轴和 q 轴电动势可以表示为uqs=-Riqs+eLdsids+ef uds=-Rids-eLqsiqs（3-36）式中 R 定子电阻；e 定子电频率；Lds、Lqs 分别为定子漏抗的 d、q 轴分量；f 永磁体的磁通量。05经过整理，可得到 d 轴和

47、q 轴的电流表达式为iqs=-Ruqs-eLdsuds+RefR2+2eLqsLdsids=-Ruds+eLqsuqs-2eLqsfR2+2eLqsLds（3-37）电磁转矩表达式为Te=fiqs+（Lds-Lqs）iqsids（3-38）永磁发电机全功率变流方式要求发电机侧的 PWM 变流器能保持直流环节电压的稳定，这样才能保证能向电网逆变输出稳定电压和频率的三相电能。在不考虑变流器损失的情况下，有dUddt=1CUd（-Pc+Ps）（3-39）式中，Pc和 Ps分别为电网侧和定子侧变流器的有功功率。电网侧变流器电压为Uc=uqc+judc=m2Udej（3-40）式中，幅值系数 m2和相角

48、 由电网侧变流器控制。变流器输出端通过电抗器滤波后连接电网，变流器输出电压和电网电压存在如下关系：Uc-Uex=jXtIc（3-41）从而电网侧变流器输出电流为Ic=Uc-UexjXt=-uqex-judex+uqc+judcjXt（3-42）那么，经过 d-q 分解后得iqc=udc-udexXtidc=uqex-uqcXt（3-43）于是，输出给电网的无功功率为Qgrid=Im（uqex+judex）（iqc-jidc）=udexiqc-uqexidc（3-44）而电网侧变流器的有功功率为Pc=Re（uqc+judc）（iqc-jidc）=uqciqc+udcidc（3-45）在不考虑损失

49、的情况下，这也就是输送给电网的有功功率。永磁发电机全功率变流的关键在于以定子侧 PWM 变流器实现当发电机定子输出电压不稳定时保持稳定的直流过渡电压，以电网侧变流器实现稳定电压、频率的三相电能输出，并独立调节输出有功功率和无功功率。15第四章风电机组的并网技术随着并网风力发电系统规模的不断扩大，风电场容量从几十兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风电场可以得到大电网的补偿和支撑，使风能的开发利用更加充分和高效，是风力资源开发利用的主要方式。第一节 定桨恒速风电机组的软并网技术定桨恒速风电机组是早期并网型风力发电机组的主要类型，该系统中风电机组的并网控制是其关键技术之一

50、，它直接影响到风电机组工作的可靠性和有效工作寿命内的发电量。与同步发电机并网相比，风电机组所选用的异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行非常稳定。然而异步发电机采用直接并网方式时，并网瞬间的冲击电流会达到发电机额定电流的 5 9 倍。这样大的冲击电流会造成并网瞬间电网电压的突然下跌，威胁电网的稳定和安全。异步发电机的并网方式有降压并网、准同步并网和晶闸管软并网等。降压并网方式是发电机与电网之间串联电抗器、电阻器或星三角起动器以减小并网冲击电流，在并网完成后使电抗器或电阻器退出运行，该方式适用于小容量的风电机组的并网。准同步并网方式须有高精度的调速器和整步、同期设备，增加