风力发电系统中双馈发电机动态数学模型

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：风力发电的实质是通过叶片捕获风能并将其转化为机械能，经过传动系统后通过发电机再将机械能转化为电能的过程。如果按发电机的转子转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机，则交流励磁双馈发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发电机类似。因此，有些学者也把交流励磁发电机称为异步化同步发电机。

风力发电的实质是通过叶片捕获风能并将其转化为机械能，经过传动系统后通过发电机再将机械能转化为电能的过程。要设计研制一个品质优良的风力发电系统，就要确定最佳的控制方式，这就要求必须对系统的静态和动态特性进行充分的研究，而发电机是风力发电系统中的一个重要环节，所以建立风力发电机数学模型是研究风力发电系统特性和进行控制的理论基础。

交流励磁双馈发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，就在发电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电动势。从双馈发电机定子侧看，与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在发电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按发电机的转子转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机，则交流励磁双馈发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发电机在很多地方又与同步发电机类似。因此，有些学者也把交流励磁发电机称为异步化同步发电机。

同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值这一个，所以同步发电机励磁一般只能对无功功率进行调节，而双馈发电机除了励磁电流的幅值可调外，励磁电流的频率和相位也可调，所以在控制上更加灵活，可通过改变转子励磁电流频率来改变发电机的转速，以达到调速的目的，从而实现变速恒频运行；改变转子励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变了发电机电动势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。

众多文献对双馈发电机的建模进行了研究，但其数学模型存在一些歧义，本书将从坐标变换、功率守恒、电机惯例、电磁关系、磁动势守恒、数学建模等方面加以研究，对现行理论作一些适当的补充说明。首先介绍了三相静止坐标系下双馈发电机的多变量数学模型，然后对交流电机理论中功率不变约束和绕组匝数不变约束坐标变换进行介绍，最后详细推导了双馈发电机按照两种惯例在两相同步旋转坐标系下的完备数学模型。

风力发电系统中双馈发电机动态数学模型

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