畢業(yè)論文-風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子電路驅(qū)動設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在當(dāng)今石油等資源日益短缺的情況下,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，變得越來越受到重視。隨著風(fēng)力發(fā)電機單機容量不斷增大，發(fā)電機并網(wǎng)時所造成的電流沖擊不斷變大，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響越來越復(fù)雜，因此必須對風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。</p><p>　　在現(xiàn)今世界風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)中，雙饋發(fā)電機進(jìn)行

2、矢量控制研究技術(shù)是相對成熟的。矢量控制技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的控制策略，是在電機機電能量轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一理論和坐標(biāo)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有新穎性、先進(jìn)性和實用性。</p><p>　　本文首先對DIFG的運行理論進(jìn)行分析，建立了DIFG數(shù)學(xué)模型，對坐標(biāo)變換及運行特性進(jìn)行了理論指導(dǎo)，為雙饋電機的研究奠定了理論基礎(chǔ)。通過對雙饋型發(fā)電機的工作原理的分析，建立了交流勵磁發(fā)電機的三相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，提出了基于定子磁場定向的

3、矢量控制策略，采用定子磁場定向的矢量控制方法實現(xiàn)對雙饋發(fā)電機的有功功率和無功功率的獨立控制。這些都是為進(jìn)一步的深入研究提供了有效的理論依據(jù)。</p><p>　　其次，采用一種能量雙向流動的雙PWM變換器，滿足了交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)勵磁的需要，詳細(xì)分析了三相電壓型整流器的基本原理和數(shù)學(xué)模型，并確定了以電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略。介紹了空間矢量脈寬調(diào)制的方法。</p><p>　　最后，對轉(zhuǎn)子側(cè)

4、的電流電壓進(jìn)行了MATLAB的仿真 ，并對發(fā)電機的運行狀態(tài)進(jìn)行了研究 </p><p>　　關(guān)鍵詞：交流勵磁，變速恒頻，磁場定向矢量控制，并網(wǎng)同期控制 雙PWM變換器</p><p><b>　　MATLAB</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wi

5、nd power as a kind of clean and renewable energy, in today's increasingly scarce resources such as oil, become more and more attention by the wind generator with single capacity increase, and generators resulted from

6、 the grid current shock kept getting bigger, make wind power systems and grid influence each other more and more complicated, so we have to investigated this in depth.</p><p>　　In this paper, the relative fl

7、edged doubly-fed generator in wind energy application technology in the day is researched on vector control. Vector control is one of the advanced theories, which is based on motor unification principle, energy conversio

8、n and vector coordinate transformation theory. It has many advantages such as novelty,practicability and advancement.</p><p>　　Firstly, the basic principle of variable speed wind turbine generators is introd

9、uced.According to the variable speed wind turbine operating in different regions, the basic control strategy is set out. After the analysis of its structure and its VSCF electricity generating principle, the mathematic m

10、odel of the double-fed generator in static three-phase coordinate and in rotary two-phase coordinate is build. the stator field-oriented vector control method for the control of the doubly-fed genera</p><p>

11、;　　At last, according to VSCF doubly-fed wind turbine control system characteristic, the research based on DSP VSCF doubly-fed wind power control system</p><p>　　Keywords: AC-excitation, VSCF, fiux-oriented

12、vector control, gird-connection synchronous cortrol Double PWM converter MATLAB</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p>&

13、lt;p><b>　　目錄III</b></p><p>　　第一章緒論- 1 -</p><p>　　1.1選題背景及意義- 1 -</p><p>　　1.1.1風(fēng)能的發(fā)展前景- 1 -</p><p>　　1.1.2風(fēng)能的開發(fā)利用- 1 -</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)

14、展趨勢- 1 -</p><p>　　1.2.1國外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢- 1 -</p><p>　　1.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和趨勢- 2 -</p><p>　　1.3風(fēng)電機組的主要控制技術(shù)- 3 -</p><p>　　1.4 論文工作的主要內(nèi)容- 4 -</p><p>　　雙饋電機的理論- 5

15、 -</p><p>　　2.1 雙饋電機調(diào)速的基本原理- 5 -</p><p>　　2.2 雙饋發(fā)電機的等效電路圖- 6 -</p><p>　　2.3雙饋發(fā)電機的功率關(guān)系- 7 -</p><p>　　2.4 小結(jié)- 7 -</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器及其對DFIG的運行控制- 8

16、-</p><p>　　3.1 雙PWM變換器的性能要求及特點- 8 -</p><p>　　3.2雙饋電機的數(shù)學(xué)模型- 9 -</p><p>　　3.3靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型- 9 -</p><p>　　3.4各種坐標(biāo)之間的變換- 11 -</p><p>　　3.5 定子磁鏈定向矢量控制- 1

17、3 -</p><p>　　3.51 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制- 15 -</p><p>　　3.6小結(jié)- 16 -</p><p>　　第四章 風(fēng)力發(fā)電機的空載并網(wǎng)控制- 17 -</p><p>　　4.1研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的必要性- 17 -</p><p>　　4.1.1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點- 18

18、 -</p><p>　　4.1.2采用異步機作為風(fēng)力發(fā)電機的幾種并網(wǎng)方式比較- 18 -</p><p>　　4.1.3雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行- 19 -</p><p>　　4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制- 20 -</p><p>　　4.2.1變速恒頻雙饋發(fā)電機控制策略- 20 -</p><p>　　

19、4.3小結(jié)- 21 -</p><p>　　第五章無刷雙饋電機運行仿真- 22 -</p><p>　　5.1仿真模型的建立- 22 -</p><p>　　5.2無刷雙饋電機開環(huán)系統(tǒng)的建模- 22 -</p><p>　　5.3運行特性的仿真與分析- 25 -</p><p>　　5.3.1單饋運行動態(tài)仿真

20、與特性分析- 25 -</p><p>　　5.3.2同步運行動態(tài)仿真與特性分析- 27 -</p><p>　　5.4本章小結(jié)- 28 -</p><p>　　第六章 小結(jié)與展望29</p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31&l

21、t;/b></p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p>　　1.1選題背景及意義</p><p>　　能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今人類面臨的兩大重要難題。隨著世界人口的不斷增加和全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，然而煤、石油等為主的常規(guī)能源的資源是有限的，而且利用這些能源時會給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。面對日益短缺的

22、資源狀況，全世界必須采取節(jié)流開源的戰(zhàn)略。一方面是節(jié)約能源，另一方面是找到新的課代替的能源，大力開發(fā)利用可再生能源，是可持續(xù)發(fā)展的道路。風(fēng)能、太陽能等可再生資源已在世界范圍內(nèi)受到重視。</p><p>　　1.1.1風(fēng)能的發(fā)展前景</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模開發(fā)條件及商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源技術(shù)。同時風(fēng)能資源又是清潔能源，根據(jù)國際綠色和平組織和世界風(fēng)能協(xié)

23、會共同發(fā)布的《風(fēng)力12》預(yù)計，2020年世界電力12%將來自風(fēng)電，將大大減少因火力發(fā)電給大氣層帶來的危害。風(fēng)能的合理開發(fā)和利用可以緩解目前能源匱乏及燃料資源對環(huán)境帶來的污染問題，在遠(yuǎn)期可能成為世界上重要的替代能源。</p><p>　　1.1.2風(fēng)能的開發(fā)利用</p><p>　　風(fēng)能跟陽光一樣，是取之不盡、用之不竭的可再生能源;風(fēng)力發(fā)電沒有燃料短缺問題，不會產(chǎn)生輻射和二氧化碳公害。風(fēng)力

24、儀器要比太陽能儀器便宜九成之多。中國風(fēng)能儲存量很大，分布面積廣，甚至比水能還要豐富。合理利用風(fēng)能，既可減少環(huán)境污染，又可減輕當(dāng)今社會越來越大的能源短缺壓力。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展趨勢</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)過風(fēng)葉將機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，風(fēng)力發(fā)電的兩個主要部件是風(fēng)力機和發(fā)電機，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機械能裝換為電能。這一部分是整個系統(tǒng)的核心

25、，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)，因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的研究重點。</p><p>　　1.2.1國外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢</p><p>　　在眾多新型可再生能源中，風(fēng)能是分布范圍廣泛的，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟而且成本相對較低，最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景，因

26、此風(fēng)力發(fā)電在改善能源結(jié)構(gòu)以及節(jié)能減排方面的作用受到了人們越來越多的關(guān)注，成為目前國際上可再生能源領(lǐng)域發(fā)展最快的清潔能源。 </p><p>　　風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，水平軸風(fēng)電機組技術(shù)成為主流，占到95﹪以上的市場份額；風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大，世界上主流機型已經(jīng)從2000年的 500～1000kW增加到2007年的2～5MW；變槳距功率調(diào)節(jié)方式由于載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點得到迅猛發(fā)展，在大型風(fēng)電機組上得

27、到廣泛采用；風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)今后將更多依賴于規(guī)模化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，以降低成本提高效益；隨著關(guān)鍵技術(shù)和裝備的逐漸成熟，海上風(fēng)電開發(fā)將是未來發(fā)展的一個重要方向，MW級海上風(fēng)電機組的商業(yè)化已經(jīng)成為世界風(fēng)能利用的新趨勢。與此同時，各種新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的完善、產(chǎn)品質(zhì)量的提升和風(fēng)電市場的規(guī)范，也為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)持續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和趨勢</p&g

28、t;<p>　　能源和環(huán)境危機與國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾，促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位日益受到重視。中國發(fā)展并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電始于 1990年，到2004 年年底，全國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量約有76.4萬kW；2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機容量超過60％，總?cè)萘窟_(dá)到了126 萬kW；2006年當(dāng)年新增裝機容量超過100％，累計裝機容量超過259.7萬kW；2007年又新增

29、裝機容量330萬kW，累計裝機容量達(dá)到604萬 kW，一躍成為世界上最主要的風(fēng)電市場之一。國家提出的2010年完成500萬kW的目標(biāo)已提前3年于2007年實現(xiàn)，根據(jù)相關(guān)部門預(yù)測，到2010年我國的風(fēng)電裝機將達(dá)到1400～1500萬kW，而如果保障得力，到2020年有望實現(xiàn)1.2～1.5億kW。</p><p>　　在國家政策扶持和市場拉動下，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了長足的發(fā)展，一大批有實力的企業(yè)紛紛涉足，國外跨國公司也

30、積極在國內(nèi)組建生產(chǎn)企業(yè)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)整體上呈現(xiàn)出百花齊放、百舸爭流的繁榮景象。目前國內(nèi)已有60多家風(fēng)電整機制造企業(yè)，包括MW級機組在內(nèi)的國產(chǎn)風(fēng)電裝備陸續(xù)下線并投入運行，國產(chǎn)風(fēng)電裝備的技術(shù)水平和質(zhì)量都有了很大的提高，產(chǎn)能迅速提升。</p><p>　　另一方面，由于風(fēng)力發(fā)電是一項跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨部門的系統(tǒng)工程，加上國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)薄弱，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展也存在著基礎(chǔ)技術(shù)研究和自主創(chuàng)新實力匱乏、產(chǎn)業(yè)化程度低等問

31、題，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的要求，加快自主風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的研究建設(shè)是當(dāng)前和未來一段時期風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的核心任務(wù)。1）風(fēng)力發(fā)電裝備企業(yè)大多仍處于產(chǎn)業(yè)化初期階段</p><p>　　我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭，但由于涉足時間比較短，除少數(shù)幾家企業(yè)外，大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化程度仍比較低，產(chǎn)品大多仍還處在樣機研制和實驗考核階段。而即使是國內(nèi)領(lǐng)先的風(fēng)電機組企業(yè)，其總體產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對來說仍然比較小，大多處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，風(fēng)電裝

32、備產(chǎn)業(yè)整體競爭實力距離世界先進(jìn)水平還有較大差距。</p><p>　?。?）體系逐漸健全但仍需解決瓶頸問題</p><p>　　在國家政策以及各級政府科研項目的支持下，經(jīng)過企業(yè)、高校和科研單位的共同努力，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平已經(jīng)有了大幅度的提高，風(fēng)電整機、葉片、齒輪箱和發(fā)電機等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平基本能夠滿足我國市場的需要；但另一方面，在偏航軸承、變槳電機、主軸、電控系統(tǒng)和變流器等

33、一些關(guān)鍵零部件領(lǐng)域，技術(shù)和規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，特別是風(fēng)電機組電控系統(tǒng)和變流器，目前仍主要依賴進(jìn)口。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵零部件技術(shù)的缺失，使得我國的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展受到了很大的影響。一方面，關(guān)鍵零部件受制于人在一定程度上威脅著我國風(fēng)電整機企業(yè)和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略安全；另一方面，大量的進(jìn)口部件直接抬高了風(fēng)電機組的造價，對國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的整體效益和健康發(fā)展產(chǎn)生非常不利的影響。</p><p>　　（3）基

34、礎(chǔ)技術(shù)研究和自主創(chuàng)新實力還比較薄弱</p><p>　　當(dāng)前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝備企業(yè)的技術(shù)（特別是關(guān)鍵核心技術(shù)）絕大多數(shù)是通過引進(jìn)許可證以及聯(lián)合開發(fā)等形式獲得，大多沒有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)企業(yè)基本不具有自主設(shè)計、自主開發(fā)的實力。受此影響，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展存在“重產(chǎn)品和市場推廣、輕設(shè)計和研發(fā)”的問題。自主設(shè)計技術(shù)缺失，使得我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)存在“空心化”的危險，核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備的主動權(quán)和主要利潤目前仍都掌握在國外企

35、業(yè)手中。受市場壓力等因素的影響，我國前期風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究更多關(guān)注具體裝置和產(chǎn)品的研制和開發(fā)，但在風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)技術(shù)研究領(lǐng)域的投入嚴(yán)重不足。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)今后在技術(shù)競爭、市場開拓、提高經(jīng)濟效益等方面仍面臨巨大的國際競爭壓力和挑戰(zhàn)。</p><p>　　1.3風(fēng)電機組的主要控制技術(shù)</p><p>　　發(fā)電機及其控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的另一大核心部分，它負(fù)責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電機及其控

36、制系統(tǒng)的運行狀況和控制技術(shù)，也決定著整個系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機的運行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電機可分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。</p><p>　　1.4 論文工作的主要內(nèi)容</p><p>　　變速恒頻雙反饋發(fā)電機組能夠良好運行的前提條件是機組能夠順利并網(wǎng)，然而隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量越來越大，發(fā)電機并網(wǎng)時造成的電流沖擊已經(jīng)不能忽視。因此必須對風(fēng)力

37、發(fā)電機并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。本文在研究交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電理論(包括變速恒頻的運行機理、交流勵磁發(fā)電機的矢量變換控制)的基礎(chǔ)上，提出了交流勵磁變速恒頻發(fā)電機空載并網(wǎng)同期控制策略，具體有以下幾方面：</p><p>　　1、以交流勵磁雙饋異步發(fā)電機作為研究對象，介紹了變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，給出了風(fēng)力發(fā)電機變速恒頻的基本原理。</p><p>　

38、　2、對雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行了矢量控制模型分析。雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機室一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。若用常規(guī)的控制方法將十分復(fù)雜，而且寫過難以令人滿意，而矢量控制可以簡化電機內(nèi)部各變量間的耦合關(guān)系，簡化控制。</p><p>　　3、在DFIG轉(zhuǎn)子勵磁電源的研究中分析了雙PWM型變換器的特點，討論了網(wǎng)側(cè)變換器的控制方法。</p><p>　　4、介紹了交流勵磁變速恒頻風(fēng)力

39、發(fā)電機的空載并網(wǎng)同期控制策略，建立了發(fā)電機在空載時的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上運用MATLAB軟件中搭建了電機模型，并給出了MATLAB的仿真結(jié)果。</p><p><b>　　雙饋電機的理論</b></p><p>　　2.1 雙饋電機調(diào)速的基本原理</p><p>　　無刷雙饋電機相當(dāng)于2臺交流電機同軸相連，如圖2.1所示。電機定子上裝有2套

40、繞組，一套通常接工頻電源，級數(shù)為2p，稱為功率繞組;另一套接控制電源，級數(shù)為2q，稱為控制繞組。這兩套的繞組沒有直接進(jìn)行電磁耦合，而是通過轉(zhuǎn)子繞組間接進(jìn)行電磁功率的傳遞。所以通常轉(zhuǎn)子線圈的組數(shù)應(yīng)pr滿足：Pr=2p+2q，且 p=q（1）</p><p><b>　　調(diào)速原理：</b></p><p>　　如圖2.1所示。功率繞組接入頻率f1，電壓為U1的三相固定電源

41、，控制繞組接入頻率為f2和電壓幅值為U2的可調(diào)電源。設(shè)電機運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n。</p><p>　　則電機氣隙產(chǎn)生磁場的同步轉(zhuǎn)速為ns1=60f1/p</p><p>　　圖2.1 無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　轉(zhuǎn)差率： （2-1）</p><p>　　

42、則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流頻率為：即 （2-2）</p><p>　　由于轉(zhuǎn)子特殊的同心式籠型繞組結(jié)構(gòu)式一個級數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將轉(zhuǎn)子中p對級數(shù)感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為q對級數(shù)電流。</p><p>　　設(shè)頻率的電流所產(chǎn)生的氣隙磁場同步轉(zhuǎn)速ns2，則 </p><p><b>　　轉(zhuǎn)差率：</b></p><p>　　則定子控制繞組

43、中的頻率：</p><p>　　即 （2-3）</p><p>　　由（2）式和（3）式可知： （2-4）</p><p>　　由（2-4）可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)頻率f2，，因而可

44、以實現(xiàn)電機的調(diào)速。當(dāng)f2=0時，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，電機相當(dāng)于運行同步狀態(tài)發(fā)；當(dāng)f2>0時，電機運行在亞同步狀態(tài)，變流器相轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng);當(dāng)f2<0時，電機運行于超同步狀態(tài)，此時定子和轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)輸送電能。</p><p>　　2.2 雙饋發(fā)電機的等效電路圖</p><p>　　如圖2.2 是雙饋電機的等效電路圖，其中s為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。定子側(cè)截圖

45、電網(wǎng)所以定子側(cè)的磁場是恒定的。由于定子磁場和七喜磁場勵磁回路的串聯(lián)關(guān)系，又因為定子磁場是恒定的，所以定子磁場的勵磁電流可以從定轉(zhuǎn)子兩方面獲得，這樣通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流就可以控制電機定子側(cè)從電網(wǎng)吸收無功功率，起到調(diào)節(jié)功率因素的作用。</p><p>　　2.2無刷雙饋電機等效電路圖</p><p>　　雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組總是有兩個頻率一樣的電源。一個是轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢Er，另一個是轉(zhuǎn)子繞組的

46、外加電壓Ur，Er是一受雙饋電機的轉(zhuǎn)差率和定子側(cè)電流約束的電壓源。調(diào)節(jié)Ur的幅值和相位，就可以控制雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)的有功功率和無功功率。</p><p>　　由以上分析可知，無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)差功率通過氣隙傳遞給控制繞組，并反饋給電網(wǎng)，電流與控制繞組中的電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因而在運動中能力得到充分利用；控制繞組的輸出功率為轉(zhuǎn)差功率，所需的變頻裝置的容量較低、電機無電環(huán)，碳刷裝置，可靠性高。</p&

47、gt;<p>　　2.3雙饋發(fā)電機的功率關(guān)系</p><p>　　電機是一種機電能量的轉(zhuǎn)換裝置，在各種電機中都存在一個氣隙磁場。對雙饋電機來說，從轉(zhuǎn)子輸入的機械能克服氣隙磁場中導(dǎo)體所受的電磁力而做功，使道題不斷感應(yīng)電勢從而源源不斷地發(fā)出電能，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿淖饔谩?lt;/p><p><b>　　定子功率方程：</b></p><p

48、><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中，Pm為電磁功率；Pcu1為定子繞組的銅耗；P1為定子輸出的電功率。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)子功率方程：</b></p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　式中，P2為轉(zhuǎn)子輸入（輸

49、出）電功率；Pcu2為轉(zhuǎn)子繞組的銅耗；Pe2為轉(zhuǎn)子繞組傳遞的電功率。</p><p><b>　　機械功率方程：</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組傳送的電功率Pe2為電磁功率Pm乘以轉(zhuǎn)差率s。對于發(fā)電機Pm為固定值，因此當(dāng)是s<0時表示轉(zhuǎn)子向變頻器輸出功率；當(dāng)s&g

50、t;0時表示轉(zhuǎn)子從變頻電源獲取電功率。</p><p><b>　　2.4 小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了雙饋發(fā)電機的優(yōu)勢，總結(jié)了變速恒頻的原理，即當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，一樣通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率從而保持定子輸出電能頻率恒定，并給出了交流勵磁發(fā)電機的能量關(guān)系。</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器及其對DFIG的運

51、行控制</p><p>　　3.1 雙PWM變換器的性能要求及特點</p><p>　　雙PWM變換器的拓?fù)鋱D如圖3.1 ，由圖3.1可見，電機轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器是連接王策PWM變換器和雙饋發(fā)電機的最主要部件。雙饋發(fā)電機以及整個風(fēng)力發(fā)電控制都是通過轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器來實現(xiàn)的。因此轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制有效與否與整個雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能息息相關(guān)。</p><p&g

52、t;<b>　　。</b></p><p>　　3.1 PWM變換器拓?fù)鋱D</p><p>　　轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實現(xiàn)雙饋電機的矢量控制，確保有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)；根據(jù)風(fēng)速的不斷變化，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲運行。在這個過程中，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制著雙饋發(fā)電機的運行。</p><p>　　為了有效實現(xiàn)對雙饋發(fā)電機以及整個風(fēng)

53、力發(fā)電系統(tǒng)的控制，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制方案應(yīng)該以控制雙饋發(fā)電機的運行特定制。雙饋發(fā)電系統(tǒng)是一個高階、非線性、多變量、強耦合的系統(tǒng)，用一般的方法很難有效實現(xiàn)控制。因此未來實現(xiàn)對雙饋發(fā)電機的有功和無功功率控制，二者必須解耦，即通過坐標(biāo)變換的方法簡化雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，是轉(zhuǎn)子電流的有功無功分量實現(xiàn)解耦。控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流就可以實現(xiàn)雙饋發(fā)電機的有功和無功功率的解耦控制，從而使雙饋發(fā)電機運行在風(fēng)里機的最佳功率曲線是，實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲運行。&l

54、t;/p><p>　　根據(jù)以上的DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制的主要目的就是通過對風(fēng)能慣例發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)力輸出的變化，使定子側(cè)輸出的頻率恒定，從而實現(xiàn)變速恒頻。在第二章中，已經(jīng)機那里了DFIG的數(shù)學(xué)模型，靜止三相坐標(biāo)系下的DFIG比較復(fù)雜不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的DFIG模型則相對簡單，且在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流，電壓等矢量都可以看做相對靜止的直流量，從而可以將直流調(diào)速的方法運用到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的

55、家里調(diào)速系統(tǒng)中。</p><p>　　3.2雙饋電機的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在討論DFIG在三相靜止坐標(biāo)系下和兩同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型時，定子繞組采用發(fā)電機貫例，定子電流以流出為正；轉(zhuǎn)子繞組采用電動機慣例，轉(zhuǎn)子電流以流入 為正。為了便于分析問題，假定條件如下：</p><p>　　忽略磁飽和空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，均為星形連接，磁動勢沿氣隙正弦分布；

56、</p><p>　　不考慮溫度對電機參數(shù)的影響；</p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)，折算后每相繞組匝數(shù)相等。</p><p>　　圖3.2 三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　3.3靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型</p><p>　　首先列寫靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型，為了便于分析分問題

57、，通常作如下的假設(shè)：1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間互差120°。電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按爭先規(guī)律分布；2）忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的；3）忽略鐵心損耗；4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響；5）如沒有特別說明，轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)都折算到定子側(cè)的參數(shù)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。</p><p><b>　?。?）電壓方程</b></p

58、><p><b>　　三相定子電壓方程為</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　三相轉(zhuǎn)子電壓方程：</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中：uA，u

59、B，uC，ua，ub，uc分別為定、轉(zhuǎn)子相電壓瞬時值； iA，iB，iC，ia，ib，ic分別為定、轉(zhuǎn)子相電流瞬時值；A，B，C，a，b，c 分別為定、轉(zhuǎn)子各項磁鏈。</p><p>　　將其轉(zhuǎn)化為矩陣形式：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　（2）磁鏈方程 </b></p

60、><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　其中： （3-5）</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　。 （3-7） </p><p>　　式中：是定子一

61、相繞組交鏈的最大互感磁通所對應(yīng)的定子互感值；是轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的最大互感磁通所對應(yīng)的定子互感值；，分別為定、轉(zhuǎn)子漏電感；為轉(zhuǎn)子的位置角。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　?。?-8） </b></p><p><b>　　（4）運動方程</b></p&

62、gt;<p>　　（3-9） </p><p>　　式中：為風(fēng)力提供的拖動轉(zhuǎn)矩；J為機組的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　3.4各種坐標(biāo)之間的變換</p><p>　　矢量控制技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的一種交流電機控制方式，通過空間矢量坐標(biāo)變換，三相交流電機模型可等效為兩相電機模型，轉(zhuǎn)換后電機功率值不變，電機原來的耦合項實現(xiàn)解耦，

63、所需控制目標(biāo)可達(dá)到獨立控制。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)，電機定、轉(zhuǎn)子的電流分別是工頻和轉(zhuǎn)差率的交流量，是一個強耦合系統(tǒng)，應(yīng)用矢量控制技術(shù)將實際的交流量分解成有功分量和無功分量，并分別對這兩個分量進(jìn)行閉環(huán)控制。</p><p>　　空間矢量坐標(biāo)變換原理如圖5.8 所示，三相交流電機的定子轉(zhuǎn)子電壓、電流、磁鏈均可表示為三相靜止坐標(biāo)系上的空間矢量投影至兩相靜止坐標(biāo)系上的空間矢量；投影至旋轉(zhuǎn)角速度為的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

64、空間矢量，靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換角為。這些變換都為等效變化，即在任何坐標(biāo)系下，器合成空間矢量都為同一空間矢量S。</p><p>　　圖3.2 空間矢量變換圖</p><p>　　三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)公式：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　兩相靜止坐標(biāo)系到兩

65、相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換公式：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系之間夾角。</p><p>　　由式1 2可得，三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換公式：</p><p><b>　?。?-12）</b></p>

66、<p>　　上述公式左右兩端均乘以系數(shù)矩陣的逆矩陣，即可得到上述坐標(biāo)變換的逆變公式：</p><p><b>　　（3-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　（3-15） </p><p>　　3.5 定子磁鏈定向矢量

67、控制</p><p>　　與普通的三相交流電機一樣，三相靜止坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個高階、多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，很難進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計。為了實現(xiàn)對DFIG有功、無功功率的有效控制，因此必須對其解耦，因而可把交流調(diào)速中的矢量控制技術(shù)應(yīng)用于DFIG的有功、無功解耦控制中，即通過坐標(biāo)變換，使轉(zhuǎn)子電流的有功分量與無功分量實現(xiàn)解耦，控制轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量就可以實現(xiàn)DGIG的有功和無功功率的

68、有效、解耦控制，從而實現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)。</p><p><b>　　兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下</b></p><p>　　進(jìn)一步將靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其電壓方程和磁鏈方程為：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b&g

69、t;　?。?-17）</b></p><p>　　考慮到雙饋電機不論是電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，都始終運行在工頻50Hz樣的頻率下，定子電阻壓降遠(yuǎn)比電抗壓降和電機反電視小，通?？梢院雎噪姍C定子繞組電阻。由定子電壓式可以看出，忽略電機定子繞組電阻后，定子磁連矢量，比定子電壓矢量，領(lǐng)先90°。當(dāng)選擇M-T坐標(biāo)系的M軸沿定向時，有：</p><p><b>　?。?-

70、18）</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　為了進(jìn)行發(fā)電機有功功率P和無功功率Q的獨立調(diào)節(jié)，寫出M-T坐標(biāo)系下發(fā)電機定子的功率表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　式中，3/2為案件布點原則引入的坐標(biāo)變

71、換系數(shù)，將式（3-9）帶入（3-11）得：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　根據(jù)磁鏈方程（3-8）導(dǎo)出定子磁鏈方程并得出：</p><p><b>　　（3-22）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子磁鏈方程轉(zhuǎn)化有：</p><p><

72、;b>　　（3-23）</b></p><p>　　根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)電壓方程得到轉(zhuǎn)子電壓方程：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　式中：，，，</b></p><p><b>　　。</b></p><

73、;p>　　，為實現(xiàn) 轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項；，為現(xiàn)出M、T軸轉(zhuǎn)子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項和補償項，就獲得實現(xiàn)P，Q獨立調(diào)節(jié)的M-T坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子分量電壓，通過2/3旋轉(zhuǎn)變換，可得到發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓，次電壓可用作勵磁變頻電源中所需的PWM指令?？刂芇WM變頻器產(chǎn)生所需頻率、大小、相位的三相交流勵磁電壓，就可最終實現(xiàn)發(fā)電機功率控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及最大風(fēng)能捕獲運行。 </p>&l

74、t;p>　　3.51 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制</p><p>　　雙饋電機在作發(fā)電機并網(wǎng)時，只要電網(wǎng)電壓保持恒定，矢量控制給予定子磁場的定向控制，采用雙通道分別控制雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量的辦法，可實現(xiàn)定子端口有功功率和無功功率的解耦控制。其中轉(zhuǎn)矩電流分量時采用定子有功功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，勵磁電流分量采用定子無功功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。這種控制方式被稱為電流控制模式，在速度

75、允許范圍內(nèi)，功率是變化可控的。</p><p>　　兩項同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，在式中，</p><p><b>　　（3-24）</b></p><p><b>　　令 </b></p><p>　　從而通過加入前饋補償項到，，以消除轉(zhuǎn)子電流dq分量交叉耦合以及反電勢項的影響，可參考電壓指令值如下：&l

76、t;/p><p><b>　　（3-25）</b></p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　由電磁轉(zhuǎn)矩方程，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可簡化表示為</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　3.

77、6小結(jié)</b></p><p>　　本章總結(jié)了DFIG的特點及其在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的優(yōu)勢，說明了DFIG實現(xiàn)變速恒頻運行的原理。檔發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率從而保持定子輸出電能頻率恒定。介紹了坐標(biāo)變換理論，推導(dǎo)了DFIG的數(shù)學(xué)模型，為交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行特征分析和控制方法奠定了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第四章 風(fēng)力發(fā)電機的空載并網(wǎng)控

78、制</p><p>　　4.1研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的必要性</p><p>　　從世界各國風(fēng)電場運行的經(jīng)驗來看，大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)的主要問題是電能質(zhì)量問題、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊。風(fēng)力發(fā)電作為一種特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源的發(fā)電的特點，風(fēng)電場的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行等諸多方面帶來的負(fù)面影響。隨著風(fēng)電場規(guī)模的的不斷擴大，風(fēng)電特性對電網(wǎng)的影響也越

79、來越明顯，成為制約風(fēng)電場規(guī)模與容量的重要因素。</p><p>　　由于風(fēng)速的隨機性。風(fēng)速擾動可引起系統(tǒng)電壓、頻率的變化，嚴(yán)重時對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常不利的影響。風(fēng)電場輸出功率的波動對于電網(wǎng)電壓及系統(tǒng)頻率的影響會隨著風(fēng)力發(fā)電比例的提高而加劇。在風(fēng)電比例較高的電網(wǎng)，風(fēng)電場輸出功率及系統(tǒng)負(fù)荷的變化，使得電網(wǎng)穩(wěn)定運行成為一個主要的問題。而隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越大。這種沖擊不僅引起電力系

80、統(tǒng)電壓的大幅度下降，而且可能引發(fā)發(fā)電機與機械部件的損壞。如并網(wǎng)時間過長，還可能造成系統(tǒng)解列以及影響其他發(fā)電機組的正常運行。因此，如何安全、順利、快速的并網(wǎng)已成為風(fēng)力發(fā)電實際中不可忽略的環(huán)節(jié)。</p><p>　　風(fēng)能并網(wǎng)要考慮對電能質(zhì)量的影響。風(fēng)速變化、潮流等會引起風(fēng)電功率的波動與機組頻繁啟停。功率的變化將會使電網(wǎng)頻率在一定范圍波動，影響電網(wǎng)頻率與敏感負(fù)荷的正常工作。風(fēng)電功率的波動優(yōu)惠引起電壓不穩(wěn)定，如電壓波動、

81、電壓閃變、電壓跌落等。而且并網(wǎng)后風(fēng)電會給電網(wǎng)帶來諧波電流，減少諧波對電網(wǎng)帶來的污染也是有待解決的。</p><p>　　其次是電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。風(fēng)電功率注入電網(wǎng)，會引起電網(wǎng)功率不平衡，風(fēng)電場附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率會超出安全范圍，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致電壓崩潰，變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入功率的同時需要從電電網(wǎng)吸收大量的無功功率，所以，為補償風(fēng)電場的無功，風(fēng)力發(fā)電機配有功率因素校正裝置。無功補償過程往往造成電網(wǎng)電

82、壓水平惡化，嚴(yán)重時引起電壓崩潰。隨著風(fēng)電場規(guī)模擴大，在系統(tǒng)中所占比列也在增大，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊也隨之增大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　再就是并網(wǎng)過程對電網(wǎng)沖擊。風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)過程會產(chǎn)生一倍額定電流的沖擊電流。對容量較小的電網(wǎng)而言，風(fēng)電場并網(wǎng)過程會產(chǎn)生一倍而定電流的沖擊電流。對容量較小的電網(wǎng)而言，風(fēng)電場并網(wǎng)瞬間會引起電網(wǎng)電壓大幅度下降，從而影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。</p><

83、p>　　綜上所訴，風(fēng)電并網(wǎng)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能的影響是不可忽略的，這些問題不僅僅影響用戶的正常用電，處理不當(dāng)甚至引起電網(wǎng)的崩潰，同時也制約著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　4.1.1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點</p><p>　　一般而言大型風(fēng)電場并網(wǎng)具有以下特點:</p><p>　　輸入風(fēng)能的變化具有隨機性；風(fēng)力發(fā)電以自然風(fēng)為原動力，自然風(fēng)不可控

84、，且風(fēng)能很難大量粗村，因此，風(fēng)電機組具有有功功率規(guī)律性差，難以預(yù)測。</p><p>　　大多風(fēng)電場距電力主系統(tǒng)和 負(fù)荷中西較遠(yuǎn)，所以一般風(fēng)電場與薄弱地方的電力系統(tǒng)相連；風(fēng)能資源豐富地區(qū)一般距負(fù)荷中西較遠(yuǎn)，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電無法就地消納，需要通過輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心。</p><p>　　風(fēng)電場單機容量小、數(shù)量多。風(fēng)能的能量密度低，要獲得相同的發(fā)電 容量。風(fēng)力機尺寸比相應(yīng)的順論及大幾十

85、倍，限制了風(fēng)電機組的單機容量，目前世界上投運的最大風(fēng)電機組僅為5MW。</p><p>　　含異步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電機組運行時向電網(wǎng)送有功功率、吸無功功率；固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機組—異步發(fā)電機吸收無功功率，無功功率不可控；而變速風(fēng)機組—雙饋異步電機和直驅(qū)風(fēng)電機組—永磁同步機無功功率可控，目前國內(nèi)風(fēng)電機組一般按功率因數(shù)控制（功率因數(shù)通常為1.0）.。</p><p>　　4.1.2采用異步機作為風(fēng)力發(fā)

86、電機的幾種并網(wǎng)方式比較</p><p><b>　　空載并網(wǎng)方式</b></p><p>　　空載并網(wǎng)方式控制結(jié)構(gòu)如圖4.1 所示，其主要思路是并網(wǎng)前雙饋發(fā)電機空載，定子電流為零，提取電網(wǎng)的電壓信息（包括頻率，相位，幅值）作為依據(jù)實現(xiàn)雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)的勵磁調(diào)節(jié)，使建立的雙饋發(fā)電機定子空載電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值一致。</p><p>

87、;　　圖4.1 DFIG空載并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　空載并網(wǎng)控制相對簡單，并網(wǎng)過程中幾乎沒有沖擊電流。并網(wǎng)后，由于發(fā)電機和電網(wǎng)保持柔性連接，定子電流仍然基本為0，并不向電網(wǎng)送電。當(dāng)控制切換到最大功率點跟蹤后，能實現(xiàn)雙饋風(fēng)力系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電</p><p><b>　　2、獨立負(fù)載并網(wǎng)</b></p><p>　　獨立負(fù)載并網(wǎng)方式

88、如圖4.2所示，負(fù)載并網(wǎng)時，風(fēng)力機定子側(cè)接阻性負(fù)載，在負(fù)載兩端建立于電網(wǎng)頻率、相位幅值一致的電壓，然后進(jìn)行并網(wǎng)。</p><p>　　圖4.2 獨立負(fù)載并網(wǎng)方式</p><p>　　負(fù)載并網(wǎng)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)無沖擊并網(wǎng)，并網(wǎng)后，DFIG可以切除負(fù)載運行，定子側(cè)功率全部輸入電網(wǎng)。若并網(wǎng)時所帶電阻為需要繼續(xù)供電的本地負(fù)載，則也可以帶負(fù)載運行，定子側(cè)輸出能量線滿足本地負(fù)載所需，多余的輸送至電網(wǎng)，構(gòu)成分

89、布式發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　負(fù)載并網(wǎng)方式發(fā)電機具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，可與風(fēng)力機配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。降低了對風(fēng)力發(fā)電機調(diào)速能量的要求，但控制較為復(fù)雜。</p><p>　　4.1.3雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行</p><p>　　雙饋發(fā)電機定子三相繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)PWM變流器聯(lián)入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)并網(wǎng)運行的特點如下。</p><p

90、>　　（1）風(fēng)力機啟動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(zhuǎn)速時，由PWM控制進(jìn)行電壓匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時基本無電流沖擊。對于無初始啟動轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電機組在靜止?fàn)顟B(tài)下的啟動，可由雙饋電機運行于電動機工況來實現(xiàn)。</p><p>　　（2）風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)負(fù)載的變化及時作出相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電機組以最佳葉尖速比運行，產(chǎn)生最大的電能輸出。</p><p>　　（3）

91、雙饋發(fā)電機的勵磁可調(diào)量有3個：勵磁電流的頻率、幅值和相位。調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，保證發(fā)電機在變速運行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力；通過改變勵磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出有功功率和無功功率的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在電機氣隙空間的位置有一個位移，從而改變了雙饋電機定子電動勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也即改變了電機的功率角，所以，調(diào)節(jié)勵磁不僅可以調(diào)節(jié)無功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。</p><

92、p>　　4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制</p><p>　　并網(wǎng)控制策略是在風(fēng)力發(fā)電機組啟動階段，對發(fā)電機進(jìn)行并網(wǎng)前的調(diào)節(jié)以滿足并網(wǎng)條件。通過交流勵磁變流器調(diào)解轉(zhuǎn)子勵磁電流，使得發(fā)電機定子發(fā)出的電壓和電網(wǎng)電壓的幅值、相位以及頻率均相同。</p><p>　　4.2.1變速恒頻雙饋發(fā)電機控制策略</p><p>　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制方式與直流勵磁同步發(fā)電機

93、及通常的異步發(fā)電機有所不同。同步發(fā)電機并網(wǎng)主要是剛性連接，發(fā)電機輸出的頻率完全取決于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，與勵磁無關(guān)，因此并網(wǎng)后運行時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該始終保持恒定。但是風(fēng)速是時大時小，隨機變化的，并網(wǎng)時的調(diào)速性能很難達(dá)到發(fā)電機的要求。普通的異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時，由于通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷，因此對機組的調(diào)速精度要求不高，不需要完全同步，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，主要的并網(wǎng)方式有：直接并網(wǎng)方式、準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式及降壓并網(wǎng)方式的呢過。相當(dāng)于上述

94、兩類發(fā)電機，變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接，大大減少了并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。并網(wǎng)時，根據(jù)檢測到得電網(wǎng)電壓以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流大小似的定子發(fā)出的電壓滿足并網(wǎng)條件。雙饋發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行過程分為三個階段:并網(wǎng)前的控制運行、并網(wǎng)時的過渡過程以及并網(wǎng)后的最大風(fēng)能跟蹤過程。風(fēng)力機啟動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(zhuǎn)速時，由變流器控制轉(zhuǎn)子勵磁電流進(jìn)行并網(wǎng)匹配，以便于迅速地并入電網(wǎng)。并網(wǎng)成功后，控制系統(tǒng)由并網(wǎng)控制切換到最大風(fēng)能

95、跟蹤的發(fā)電控制模式，如圖 4.3所示</p><p>　　圖 4.3變速恒頻雙饋發(fā)電機控制策略切換框圖</p><p>　　研究DFIG空載并網(wǎng)控制的原理，需建立DFIG的空載數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　定子采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子采用電動機慣例時，dq坐標(biāo)系中DFIG電壓方程式為：</p><p><b>　　（4-1）</

96、b></p><p><b>　　磁鏈方程式為：</b></p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　式中，，為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；為d，q軸定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感；為d，q軸定、轉(zhuǎn)子電流；為d，q定、轉(zhuǎn)子電壓；為d，q軸定子轉(zhuǎn)子磁鏈；為同步角速度和滑差角速度。</p><

97、;p>　　電機空載運行時有將式4-1代入式4-2中，可以得到</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　運動方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程簡化為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式（4-4）即為發(fā)電機空載運行時的數(shù)學(xué)模型。</p>

98、<p><b>　　4.3小結(jié)</b></p><p>　　詳細(xì)分析了風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)的重要性，并且對兩種并網(wǎng)方式做了研究即負(fù)載并網(wǎng)方式和空載并網(wǎng)方式，比較了兩者的優(yōu)缺點。其次對變速恒頻發(fā)電機控制策略進(jìn)行了研究，研究了DFIG的并網(wǎng)控制原理，建立了DFIG空載運行時的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　第五章無刷雙饋電機運行仿真</p><

99、p>　　5.1仿真模型的建立</p><p>　　隨著控制理論和控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對控制效果的要求越來越高，控制算法也越來越復(fù)雜，因而控制器的設(shè)計也越來越困難。于是自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)地計算機輔助設(shè)計技術(shù)。近30年來，控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，出現(xiàn)了很多的計算機輔助設(shè)計語言和應(yīng)用軟件。目前，MATLAB (Matrix Laboratory)是當(dāng)今國際上最流行的控制系統(tǒng)輔助

100、設(shè)計的語言和軟件工具。</p><p>　　MATLAB是由Math Works公司開發(fā)的一種主要用于數(shù)值計算及可視化圖形處理的高科技計算語言。它將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的多科學(xué)提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理等于一體。</p><p>　　

101、MATLAB具有三大特點:</p><p>　　1、功能強大:包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理，離線和在線皆可處理;</p><p>　　2、界面友好，語言自然:MATLAB以復(fù)數(shù)矩陣為計算單元，指令表達(dá)與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近;</p><p>　　3、開放性強:MATLAB有很好的可擴充性，可以把它當(dāng)作一種更高級的語言去使用，

102、可容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序;</p><p>　　正是由于MATLAB的這些特點，使它獲得了對應(yīng)用學(xué)科(特別是邊緣科學(xué)和交叉科學(xué))的極強適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析設(shè)計、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件，成為歐美高等院校、科研機構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具。</p><p>　　MATLAB有許多工具箱(Toolbox)，這些工具箱大致分為兩類:功能性工具箱和

103、學(xué)科性工具箱。前者主要用來擴充MATLAB的符號計算功能、圖視建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能;后者專業(yè)性較強，如控制工具箱(Control Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(Neural Network Toolbox)、信號處理工具箱((Signal Processing Toolbox)等，使MATLAB在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值計算及優(yōu)化，數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路及系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、信號和圖象處理、控制理論分析和

104、系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、財政金融等眾多專業(yè)領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　在MATLAB中，Simulink是一個比較特別的工具箱，它具有兩個顯著的功能:Simu(仿真)與Link(鏈接)，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性;同時，進(jìn)一步擴展了MATLAB的功能，可實現(xiàn)

105、多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。</p><p>　　Simulink提供了友好的圖形用戶界面(GUI )，模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標(biāo)的動作就能完成。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊，其中有連續(xù)系統(tǒng)(Continuous )、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線性系

106、統(tǒng)(Nonlinear)等幾類基本系統(tǒng)構(gòu)成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊(Sources)和接受模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號源和結(jié)果輸出設(shè)備。模型建立后，可以直接對它進(jìn)行仿真分析?？梢赃x擇合適的輸入源模塊(如正弦波((Sine Wave) )作信號輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K(如示波器(Scope) )觀察系統(tǒng)響應(yīng)、分析系統(tǒng)特性、仿真結(jié)果輸出到接收模塊上。如果仿真結(jié)果不符合要求，則可以修改系統(tǒng)模型的參數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行仿真分析

107、。</p><p>　　5.2無刷雙饋電機開環(huán)系統(tǒng)的建模</p><p>　　在第二章推到了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子速坐標(biāo)系下的模型。</p><p>　　根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式3-8和電機運動方程式3-9，我們可以得到無刷雙饋電機在d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　我們將此模型變換成狀態(tài)方程的形式，建立無刷雙饋電機的動態(tài)仿真模型。</

108、p><p>　　先分別建立定子、轉(zhuǎn)子、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓3s/2r變換的仿真模型形成各個子系統(tǒng)模塊然后封裝起來，即可得到整個無刷雙饋電機的動態(tài)仿真模型。</p><p>　　根據(jù)坐標(biāo)變換原理建立3s/2r變換的仿真子系統(tǒng)模塊如圖5.1 所示。</p><p>　　圖5.1 3s/2r變換模塊</p><p>　　根據(jù)電壓方程的轉(zhuǎn)子速d-q坐標(biāo)模型：

109、可得到定轉(zhuǎn)子模型如圖5.2</p><p>　　a 功率繞組模型 b 控制繞組模型 c轉(zhuǎn)子模型</p><p>　　a b c</p><p>　　圖5.2 定轉(zhuǎn)子模型</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩仿真子系統(tǒng)模塊如圖5.3所示</p><p>　　圖5.3電磁轉(zhuǎn)矩仿真

110、模型</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩仿真封裝如下</p><p>　　圖5.4 轉(zhuǎn)矩封裝圖</p><p>　　將以上建立的子模型連接起來，構(gòu)建并封轉(zhuǎn)后得到圖5.5所示的無刷雙饋電機開環(huán)仿真模型</p><p>　　圖5.5無刷雙饋電機開環(huán)仿真模型</p><p>　　仿真電機使用的參數(shù)設(shè)置如下：</p>

111、<p>　　Pp=3，Pc=1，Mp=0.89mH，Mc=4.3mH，Lsp=80mH，Lsc=63mH，Rp=0.81Ω，Rc=1.81Ω，</p><p>　　Rr=1.57mΩ，Lr=0.4mH</p><p>　　應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，下面將雙軸坐標(biāo)系下的無刷雙饋電機系統(tǒng)主電路進(jìn)行仿真，通過仿真研究，通過其開環(huán)運行的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及格繞組的電流波形圖來說明其動態(tài)特性。&l

112、t;/p><p>　　由分析可，無刷雙饋電機有單饋、同步和雙饋三種運行方式。單饋運行，具有異步電機的動態(tài)特性，同步和雙饋運行時具有同步電機的運行特性。</p><p>　　5.3運行特性的仿真與分析</p><p>　　5.3.1單饋運行動態(tài)仿真與特性分析</p><p>　　圖5.6 是將無刷雙饋電機功率繞組出線段A.B.C直接接到380V、5