風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 摘要 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(lái)越受到重視。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)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(lái)越復(fù)雜，因此必須對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。 在現(xiàn)今世界風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)中，雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行矢量控制研究技術(shù)是相對(duì)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(jī)機(jī)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(lái)的，具有新穎性、先進(jìn)性和實(shí)用性。 本文首先對(duì)DIFG的運(yùn)行理論進(jìn)行分析，建立了DIFG數(shù)學(xué)模型，對(duì)坐標(biāo)變換與運(yùn)行特性進(jìn)行了理論指導(dǎo)，為雙饋電機(jī)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。通

2、過(guò)對(duì)雙饋型發(fā)電機(jī)的工作原理的分析，建立了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的三相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，提出了基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)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)。 其次，采用一種能量雙向流動(dòng)的雙PWM變換器，滿足了交流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)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。 最后，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的電流電壓進(jìn)行了MATLAB的仿真 ，并對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了研究 關(guān)鍵詞：交流勵(lì)磁，變速恒頻，磁場(chǎng)定向矢量控制，并網(wǎng)同期控制 雙PWM變換器

3、MATLABAbstractWind 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 the grid current shock kept getting bigger, make wind power sys

4、tems and grid influence each other more and more complicated, so we have to investigated this in depth. In this paper, the relative fledged 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

5、based on motor unification principle, energy conversion and vector coordinate transformation theory. It has many advantages such as novelty,practicability and advancement. Firstly, the basic principle of variable speed wind turbine generators is introduced.According to the variable speed wind turbin

6、e 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 model of the double-fed generator in static three-phase coordinate and in rotary two-phase coordinate is build. the stator field-

7、oriented vector control method for the control of the doubly-fed generator is used. Using vector control technology, a doubly-fed generator independent of the active and reactive power control is achieved. which found the effective theory for the further studies.Secondly, It put forward and designed

8、 a dual PWM converter with the capacity of energy bidirectional flow. It also analyzed the basic theory and mathematical model of three-phase voltage source PWM rectifier. the electrical source voltage-oriented vector control strategy is issued.At last, according to VSCF doubly-fed wind turbine cont

9、rol system characteristic, the research based on DSP VSCF doubly-fed wind power control systemKeywords: AC-excitation, VSCF, fiux-oriented vector control, gird-connection synchronous cortrol Double PWM converter MATLAB目錄摘要IAbstractII目錄III第一章緒論- 1 -1.1選題背景與意義- 1 -1.1.1風(fēng)能的發(fā)展前景- 1 -1.1.2風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用- 1 -1.2

10、國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)- 1 -1.2.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢(shì)- 1 -1.2.2國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和趨勢(shì)- 2 -1.3風(fēng)電機(jī)組的主要控制技術(shù)- 3 -1.4 論文工作的主要容- 4 -雙饋電機(jī)的理論- 5 -2.1 雙饋電機(jī)調(diào)速的基本原理- 5 -2.2 雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路圖- 6 -2.3雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系- 7 -2.4 小結(jié)- 7 -第三章 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器與其對(duì)DFIG的運(yùn)行控制- 8 -3.1 雙PWM變換器的性能要求與特點(diǎn)- 8 -3.2雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型- 9 -3.3靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型- 9 -3.4各種坐標(biāo)之間的變換- 11 -3.5 定子磁鏈定向矢量控制- 1

11、3 -3.51 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制- 15 -3.6小結(jié)- 16 -第四章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)控制- 17 -4.1研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的必要性- 17 -4.1.1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)- 18 -4.1.2采用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾種并網(wǎng)方式比較- 18 -4.1.3雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行- 19 -4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制- 20 -4.2.1變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)控制策略- 20 -4.3小結(jié)- 21 -第五章無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行仿真- 22 -5.1仿真模型的建立- 22 -5.2無(wú)刷雙饋電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的建模- 22 -5.3運(yùn)行特性的仿真與分析- 25 -5.3.1單饋運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真與

12、特性分析- 25 -5.3.2同步運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真與特性分析- 27 -5.4本章小結(jié)- 28 -第六章 小結(jié)與展望29致30參考文獻(xiàn)3133 / 37第一章緒論1.1選題背景與意義 能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今人類(lèi)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(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)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(shí)會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。面對(duì)日益短缺的資源狀況，全世界必須采取節(jié)流開(kāi)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(kāi)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(yáng)能等可再生資源已在世界圍受到重視。1.1.1風(fēng)能的發(fā)展前景

13、 風(fēng)力發(fā)電是新能源術(shù)最成熟、最具有規(guī)模開(kāi)發(fā)條件與商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源技術(shù)。同時(shí)風(fēng)能資源又是清潔能源，根據(jù)國(guó)際綠色和平組織和世界風(fēng)能協(xié)會(huì)共同發(fā)布的風(fēng)力12預(yù)計(jì)，2020年世界電力12%將來(lái)自風(fēng)電，將大大減少因火力發(fā)電給大氣層帶來(lái)的危害。風(fēng)能的合理開(kāi)發(fā)和利用可以緩解目前能源匱乏與燃料資源對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題，在遠(yuǎn)期可能成為世界上重要的替代能源。1.1.2風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用 風(fēng)能跟一樣，是取之不盡、用之不竭的可再生能源;風(fēng)力發(fā)電沒(méi)有燃料短缺問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生輻射和二氧化碳公害。風(fēng)力儀器要比太陽(yáng)能儀器便宜九成之多。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)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

14、輕當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越大的能源短缺壓力。1.2國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) 風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程就是風(fēng)能經(jīng)過(guò)風(fēng)葉將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程，風(fēng)力發(fā)電的兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能裝換為電能。這一部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接影響著整個(gè)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(yùn)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、控制與供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究重點(diǎn)。1.2.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢(shì)在眾多新型可再生能源中，風(fēng)能是分布圍廣泛的，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟而且成本相對(duì)較低，最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景，因此風(fēng)力發(fā)電在改善能源結(jié)構(gòu)以與節(jié)能

15、減排方面的作用受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，成為目前國(guó)際上可再生能源領(lǐng)域發(fā)展最快的清潔能源。風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流，占到95以上的市場(chǎng)份額；風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大，世界上主流機(jī)型已經(jīng)從2000年的 5001000kW增加到2007年的25MW；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(diǎn)得到迅猛發(fā)展，在大型風(fēng)電機(jī)組上得到廣泛采用；風(fēng)能的大規(guī)模開(kāi)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(kāi)發(fā)將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，MW級(jí)海上風(fēng)電機(jī)組的商業(yè)化已經(jīng)成為世界風(fēng)能利用的新趨勢(shì)。與此同時(shí)，各種新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用、標(biāo)

16、準(zhǔn)與規(guī)的完善、產(chǎn)品質(zhì)量的提升和風(fēng)電市場(chǎng)的規(guī)，也為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2.2國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和趨勢(shì)能源和環(huán)境危機(jī)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)能源結(jié)構(gòu)中的地位日益受到重視。中國(guó)發(fā)展并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電始于 1990年，到2004 年年底，全國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約有76.4萬(wàn)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(jī)容量超過(guò)60，總?cè)萘窟_(dá)到了126 萬(wàn)kW；2006年當(dāng)年新增裝機(jī)容量超過(guò)100，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)259.7萬(wàn)kW；2007年又新增裝機(jī)容量330萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到604萬(wàn) kW，一躍成為世界上最主要的風(fēng)電

17、市場(chǎng)之一。國(guó)家提出的2010年完成500萬(wàn)kW的目標(biāo)已提前3年于2007年實(shí)現(xiàn)，根據(jù)相關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)，到2010年我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到14001500萬(wàn)kW，而如果保障得力，到2020年有望實(shí)現(xiàn)1.21.5億kW。在國(guó)家政策扶持和市場(chǎng)拉動(dòng)下，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，一大批有實(shí)力的企業(yè)紛紛涉足，國(guó)外跨國(guó)公司也積極在國(guó)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(zhēng)流的繁榮景象。目前國(guó)已有60多家風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)，包括MW級(jí)機(jī)組在的國(guó)產(chǎn)風(fēng)電裝備陸續(xù)下線并投入運(yùn)行，國(guó)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。另一方面，由于風(fēng)力發(fā)電是一項(xiàng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨部門(mén)的系統(tǒng)工程，加上國(guó)在相

18、關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)薄弱，我國(guó)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(shí)力匱乏、產(chǎn)業(yè)化程度低等問(wèn)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(lái)一段時(shí)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)化初期階段我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，但由于涉足時(shí)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(jī)研制和實(shí)驗(yàn)考核階段。而即使是國(guó)領(lǐng)先的風(fēng)電機(jī)組企業(yè)，其總體產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然比較小，大多處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，風(fēng)電裝備產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力距離世界先進(jìn)水平還有較大差距。（2）體系逐漸健全但仍需解決瓶頸問(wèn)題在國(guó)家政策以與各級(jí)政府科研項(xiàng)目

19、的支持下，經(jīng)過(guò)企業(yè)、高校和科研單位的共同努力，我國(guó)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(jī)、葉片、齒輪箱和發(fā)電機(jī)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(guó)市場(chǎng)的需要；但另一方面，在偏航軸承、變槳電機(jī)、主軸、電控系統(tǒng)和變流器等一些關(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(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，特別是風(fēng)電機(jī)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(guó)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(guó)風(fēng)電整機(jī)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(jī)組的造價(jià)，對(duì)國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的整體效益和健康發(fā)展產(chǎn)生非

20、常不利的影響。（3）基礎(chǔ)技術(shù)研究和自主創(chuàng)新實(shí)力還比較薄弱 當(dāng)前國(guó)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(guò)引進(jìn)許可證以與聯(lián)合開(kāi)發(fā)等形式獲得，大多沒(méi)有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)企業(yè)基本不具有自主設(shè)計(jì)、自主開(kāi)發(fā)的實(shí)力。受此影響，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展存在“重產(chǎn)品和市場(chǎng)推廣、輕設(shè)計(jì)和研發(fā)”的問(wèn)題。自主設(shè)計(jì)技術(shù)缺失，使得我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)存在“空心化”的危險(xiǎn)，核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備的主動(dòng)權(quán)和主要利潤(rùn)目前仍都掌握在國(guó)外企業(yè)手中。受市場(chǎng)壓力等因素的影響，我國(guó)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(kāi)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(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)今后在技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、市場(chǎng)開(kāi)拓、提高經(jīng)濟(jì)效

21、益等方面仍面臨巨大的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力和挑戰(zhàn)。1.3風(fēng)電機(jī)組的主要控制技術(shù) 發(fā)電機(jī)與其控制系統(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(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和控制技術(shù)，也決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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)。1.4 論文工作的主要容 變速恒頻雙反饋發(fā)電機(jī)組能夠良好運(yùn)行的前提條件是機(jī)組能夠順利并網(wǎng)，然而隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來(lái)越大，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)造成的電流沖擊已經(jīng)不能忽視。因此必須對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。本文在研究交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電理論(包括變速恒頻的運(yùn)行機(jī)理

22、、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的矢量變換控制)的基礎(chǔ)上，提出了交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)同期控制策略，具體有以下幾方面： 1、以交流勵(lì)磁雙饋異步發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，介紹了變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻的基本原理。 2、對(duì)雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了矢量控制模型分析。雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)室一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(xiě)過(guò)難以令人滿意，而矢量控制可以簡(jiǎn)化電機(jī)部各變量間的耦合關(guān)系，簡(jiǎn)化控制。 3、在DFIG轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的研究中分析了雙PWM型變換器的特點(diǎn)，討論了網(wǎng)側(cè)變換器的控制方法。 4、介紹了交流勵(lì)磁變

23、速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)同期控制策略，建立了發(fā)電機(jī)在空載時(shí)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用MATLAB軟件中搭建了電機(jī)模型，并給出了MATLAB的仿真結(jié)果。第2章 雙饋電機(jī)的理論2.1 雙饋電機(jī)調(diào)速的基本原理 無(wú)刷雙饋電機(jī)相當(dāng)于2臺(tái)交流電機(jī)同軸相連，如圖2.1所示。電機(jī)定子上裝有2套繞組，一套通常接工頻電源，級(jí)數(shù)為2p，稱(chēng)為功率繞組;另一套接控制電源，級(jí)數(shù)為2q，稱(chēng)為控制繞組。這兩套的繞組沒(méi)有直接進(jìn)行電磁耦合，而是通過(guò)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）調(diào)速原理： 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，控制繞

24、組接入頻率為f2和電壓幅值為U2的可調(diào)電源。設(shè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n。則電機(jī)氣隙產(chǎn)生磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速為ns1=60f1/p圖2.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 轉(zhuǎn)差率： （2-1） 則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流頻率為：即 （2-2） 由于轉(zhuǎn)子特殊的同心式籠型繞組結(jié)構(gòu)式一個(gè)級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將轉(zhuǎn)子中p對(duì)級(jí)數(shù)感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為q對(duì)級(jí)數(shù)電流。 設(shè)頻率的電流所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速ns2，則 轉(zhuǎn)差率： 則定子控制繞組中的頻率： 即 （2-3） 由（2）式和（3）式可知： （2-4） 由（2-4）可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)頻率f2，因而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。當(dāng)f2=0時(shí)，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，電機(jī)相當(dāng)于運(yùn)行同步狀態(tài)發(fā)；

25、當(dāng)f2>0時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在亞同步狀態(tài)，變流器相轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng);當(dāng)f2<0時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)，此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)輸送電能。2.2 雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路圖如圖2.2 是雙饋電機(jī)的等效電路圖，其中s為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。定子側(cè)截圖電網(wǎng)所以定子側(cè)的磁場(chǎng)是恒定的。由于定子磁場(chǎng)和七喜磁場(chǎng)勵(lì)磁回路的串聯(lián)關(guān)系，又因?yàn)槎ㄗ哟艌?chǎng)是恒定的，所以定子磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流可以從定轉(zhuǎn)子兩方面獲得，這樣通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流就可以控制電機(jī)定子側(cè)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，起到調(diào)節(jié)功率因素的作用。 2.2無(wú)刷雙饋電機(jī)等效電路圖 雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組總是有兩個(gè)頻率一樣的電源。一個(gè)是轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)Er，另

26、一個(gè)是轉(zhuǎn)子繞組的外加電壓Ur，Er是一受雙饋電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的有功功率和無(wú)功功率。由以上分析可知，無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(jī)無(wú)電環(huán)，碳刷裝置，可靠性高。2.3雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系 電機(jī)是一種機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換裝置，在各種電機(jī)中都存在一個(gè)氣隙磁場(chǎng)。對(duì)雙饋電機(jī)來(lái)說(shuō)，從轉(zhuǎn)子輸入的機(jī)械能克服氣隙磁場(chǎng)中導(dǎo)體所受的電磁力而做功，使道題不斷感應(yīng)電勢(shì)從而源源不斷地發(fā)出電能，

27、實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿淖饔谩?、 定子功率方程： （2-5）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。2、 轉(zhuǎn)子功率方程： （2-6）式中，P2為轉(zhuǎn)子輸入（輸出）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。3、 機(jī)械功率方程： （2-7） 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(duì)于發(fā)電機(jī)Pm為固定值，因此當(dāng)是s<0時(shí)表示轉(zhuǎn)子向變頻器輸出功率；當(dāng)s>0時(shí)表示轉(zhuǎn)子從變頻電源獲取電功率。2.4 小結(jié)本章介紹了雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了變速恒頻的原理，即當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，一樣通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率從而保持定子輸出電能頻

28、率恒定，并給出了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的能量關(guān)系。第三章 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器與其對(duì)DFIG的運(yùn)行控制3.1 雙PWM變換器的性能要求與特點(diǎn) 雙PWM變換器的拓?fù)鋱D如圖3.1 ，由圖3.1可見(jiàn)，電機(jī)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(jī)的最主要部件。雙饋發(fā)電機(jī)以與整個(gè)風(fēng)力發(fā)電控制都是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制有效與否與整個(gè)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能息息相關(guān)。 3.1 PWM變換器拓?fù)鋱D 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的矢量控制，確保有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)；根據(jù)風(fēng)速的不斷變化，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲運(yùn)行。在這個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制

29、著雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。 為了有效實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)以與整個(gè)風(fēng)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(jī)的運(yùn)行特定制。雙饋發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)高階、非線性、多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，用一般的方法很難有效實(shí)現(xiàn)控制。因此未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率控制，二者必須解耦，即通過(guò)坐標(biāo)變換的方法簡(jiǎn)化雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是轉(zhuǎn)子電流的有功無(wú)功分量實(shí)現(xiàn)解耦。控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流就可以實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率的解耦控制，從而使雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)里機(jī)的最佳功率曲線是，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲運(yùn)行。 根據(jù)以上的DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制的主要目的就是通過(guò)對(duì)風(fēng)能慣例發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)力輸出的變化，使

30、定子側(cè)輸出的頻率恒定，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。在第二章中，已經(jīng)機(jī)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(jì)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的DFIG模型則相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)靜止的直流量，從而可以將直流調(diào)速的方法運(yùn)用到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的家里調(diào)速系統(tǒng)中。3.2雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 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(shí)，定子繞組采用發(fā)電機(jī)貫例，定子電流以流出為正；轉(zhuǎn)子繞組采用電動(dòng)機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子電流以流入 為正。為了便于分析問(wèn)題，假定條件如下：忽略磁飽和空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱(chēng)，均為星形連接，磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙正弦分布；不考

31、慮溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響；轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)，折算后每相繞組匝數(shù)相等。圖3.2 三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型3.3靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型 首先列寫(xiě)靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型，為了便于分析分問(wèn)題，通常作如下的假設(shè)：1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱(chēng)，在空間互差120°。電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按爭(zhēng)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(duì)繞組電阻的影響；5）如沒(méi)有特別說(shuō)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。 （1）電壓方程 三相定子電壓方程為 （3-1）三相轉(zhuǎn)子電壓方

32、程： （3-2） 式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc分別為定、轉(zhuǎn)子相電壓瞬時(shí)值； iA，iB，iC，ia，ib，ic分別為定、轉(zhuǎn)子相電流瞬時(shí)值；A，B，C，a，b，c 分別為定、轉(zhuǎn)子各項(xiàng)磁鏈。 將其轉(zhuǎn)化為矩陣形式： （3-3）（2）磁鏈方程 （3-4）其中：（3-5） （3-6）。 （3-7） 式中：是定子一相繞組交鏈的最大互感磁通所對(duì)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(duì)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。（3） 轉(zhuǎn)矩方程 （3-8） （4）運(yùn)動(dòng)方程（3-9） 式中：為風(fēng)力提供的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3.4各種坐標(biāo)之間的變換 矢量控制技術(shù)是應(yīng)用

33、最廣泛的一種交流電機(jī)控制方式，通過(guò)空間矢量坐標(biāo)變換，三相交流電機(jī)模型可等效為兩相電機(jī)模型，轉(zhuǎn)換后電機(jī)功率值不變，電機(jī)原來(lái)的耦合項(xiàng)實(shí)現(xiàn)解耦，所需控制目標(biāo)可達(dá)到獨(dú)立控制。對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的電流分別是工頻和轉(zhuǎn)差率的交流量，是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，應(yīng)用矢量控制技術(shù)將實(shí)際的交流量分解成有功分量和無(wú)功分量，并分別對(duì)這兩個(gè)分量進(jìn)行閉環(huán)控制?？臻g矢量坐標(biāo)變換原理如圖5.8 所示，三相交流電機(jī)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)榭臻g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

34、，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。 圖3.2 空間矢量變換圖 三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)公式： （3-10） 兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換公式： （3-11）式中，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系之間夾角。 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： （3-12） 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： （3-13） （3-14） （3-15） 3.5 定子磁鏈定向矢量控制與普通的三相交流電機(jī)一樣，三相靜止坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，很難進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

35、。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG有功、無(wú)功功率的有效控制，因此必須對(duì)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(wú)功解耦控制中，即通過(guò)坐標(biāo)變換，使轉(zhuǎn)子電流的有功分量與無(wú)功分量實(shí)現(xiàn)解耦，控制轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無(wú)功分量就可以實(shí)現(xiàn)DGIG的有功和無(wú)功功率的有效、解耦控制，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)。兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 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： （3-16） （3-17）考慮到雙饋電機(jī)不論是電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，都始終運(yùn)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(jī)反電視小，通常可以忽略電機(jī)定子繞組電阻。由定子

36、電壓式可以看出，忽略電機(jī)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(shí)，有： （3-18） （3-19） 為了進(jìn)行發(fā)電機(jī)有功功率P和無(wú)功功率Q的獨(dú)立調(diào)節(jié)，寫(xiě)出M-T坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)定子的功率表達(dá)式為： （3-20） 式中，3/2為案件布點(diǎn)原則引入的坐標(biāo)變換系數(shù)，將式（3-9）帶入（3-11）得： （3-21） 根據(jù)磁鏈方程（3-8）導(dǎo)出定子磁鏈方程并得出： （3-22） 轉(zhuǎn)子磁鏈方程轉(zhuǎn)化有： （3-23） 根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)電壓方程得到轉(zhuǎn)子電壓方程： （3-24）式中：，。，為實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項(xiàng)；，為現(xiàn)出M、T軸轉(zhuǎn)子電壓、電流分量

37、間交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)，就獲得實(shí)現(xiàn)P，Q獨(dú)立調(diào)節(jié)的M-T坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子分量電壓，通過(guò)2/3旋轉(zhuǎn)變換，可得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電壓，次電壓可用作勵(lì)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(lì)磁電壓，就可最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以與最大風(fēng)能捕獲運(yùn)行。 3.51 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制 雙饋電機(jī)在作發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，只要電網(wǎng)電壓保持恒定，矢量控制給予定子磁場(chǎng)的定向控制，采用雙通道分別控制雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的辦法，可實(shí)現(xiàn)定子端口有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。其中轉(zhuǎn)矩電流分量時(shí)采用定子有功功率外環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，勵(lì)磁

38、電流分量采用定子無(wú)功功率外環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。這種控制方式被稱(chēng)為電流控制模式，在速度允許圍，功率是變化可控的。 兩項(xiàng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，在式中， （3-24）令從而通過(guò)加入前饋補(bǔ)償項(xiàng)到，以消除轉(zhuǎn)子電流dq分量交叉耦合以與反電勢(shì)項(xiàng)的影響，可參考電壓指令值如下： （3-25） （3-26）由電磁轉(zhuǎn)矩方程，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可簡(jiǎn)化表示為 （3-25）3.6小結(jié) 本章總結(jié)了DFIG的特點(diǎn)與其在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明了DFIG實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行的原理。檔發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)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(lì)磁變速恒頻風(fēng)力

39、發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特征分析和控制方法奠定了理論基礎(chǔ)。第四章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)控制4.1研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的必要性 從世界各國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的主要問(wèn)題是電能質(zhì)量問(wèn)題、電網(wǎng)穩(wěn)定性以與并網(wǎng)過(guò)程對(duì)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(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等諸多方面帶來(lái)的負(fù)面影響。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電特性對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越明顯，成為制約風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模與容量的重要因素。 由于風(fēng)速的隨機(jī)性。風(fēng)速擾動(dòng)可引起系統(tǒng)電壓、頻率的變化，嚴(yán)重時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常不利的影響。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)電壓與

40、系統(tǒng)頻率的影響會(huì)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(chǎng)輸出功率與系統(tǒng)負(fù)荷的變化，使得電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行成為一個(gè)主要的問(wèn)題。而隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，在并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也越大。這種沖擊不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，而且可能引發(fā)發(fā)電機(jī)與機(jī)械部件的損壞。如并網(wǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，還可能造成系統(tǒng)解列以與影響其他發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)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(shí)際中不可忽略的環(huán)節(jié)。 風(fēng)能并網(wǎng)要考慮對(duì)電能質(zhì)量的影響。風(fēng)速變化、潮流等會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)與機(jī)組頻繁啟停。功率的變化將會(huì)使電網(wǎng)頻率在一定圍波動(dòng)，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(dòng)優(yōu)惠引起電壓不穩(wěn)定

41、，如電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落等。而且并網(wǎng)后風(fēng)電會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)諧波電流，減少諧波對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的污染也是有待解決的。 其次是電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。風(fēng)電功率注入電網(wǎng)，會(huì)引起電網(wǎng)功率不平衡，風(fēng)電場(chǎng)附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率會(huì)超出安全圍，嚴(yán)重時(shí)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(shí)需要從電電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，所以，為補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功，風(fēng)力發(fā)電機(jī)配有功率因素校正裝置。無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程往往造成電網(wǎng)電壓水平惡化，嚴(yán)重時(shí)引起電壓崩潰。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，在系統(tǒng)中所占比列也在增大，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊也隨之增大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。 再就是并網(wǎng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)沖擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一倍額定電

42、流的沖擊電流。對(duì)容量較小的電網(wǎng)而言，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一倍而定電流的沖擊電流。對(duì)容量較小的電網(wǎng)而言，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)瞬間會(huì)引起電網(wǎng)電壓大幅度下降，從而影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。 綜上所訴，風(fēng)電并網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能的影響是不可忽略的，這些問(wèn)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(shí)也制約著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。4.1.1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 一般而言大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)具有以下特點(diǎn): 輸入風(fēng)能的變化具有隨機(jī)性；風(fēng)力發(fā)電以自然風(fēng)為原動(dòng)力，自然風(fēng)不可控，且風(fēng)能很難大量粗村，因此，風(fēng)電機(jī)組具有有功功率規(guī)律性差，難以預(yù)測(cè)。大多風(fēng)電場(chǎng)距電力主系統(tǒng)和 負(fù)荷中西較遠(yuǎn)，所以一般風(fēng)電場(chǎng)與薄弱地方的電

43、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(wú)法就地消納，需要通過(guò)輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心。 風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)容量小、數(shù)量多。風(fēng)能的能量密度低，要獲得一樣的發(fā)電 容量。風(fēng)力機(jī)尺寸比相應(yīng)的順論與大幾十倍，限制了風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，目前世界上投運(yùn)的最大風(fēng)電機(jī)組僅為5MW。 含異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)向電網(wǎng)送有功功率、吸無(wú)功功率；固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組異步發(fā)電機(jī)吸收無(wú)功功率，無(wú)功功率不可控；而變速風(fēng)機(jī)組雙饋異步電機(jī)和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組永磁同步機(jī)無(wú)功功率可控，目前國(guó)風(fēng)電機(jī)組一般按功率因數(shù)控制（功率因數(shù)通常為1.0）.。4.1.2采用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾種并網(wǎng)方式比較1、 空載并網(wǎng)方式空載

44、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(jī)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(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，使建立的雙饋發(fā)電機(jī)定子空載電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值一致。圖4.1 DFIG空載并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖空載并網(wǎng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，并網(wǎng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有沖擊電流。并網(wǎng)后，由于發(fā)電機(jī)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(diǎn)跟蹤后，能實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電2、獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng) 獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式如圖4.2所示，負(fù)載并網(wǎng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)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)。

45、圖4.2 獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式 負(fù)載并網(wǎng)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)沖擊并網(wǎng)，并網(wǎng)后，DFIG可以切除負(fù)載運(yùn)行，定子側(cè)功率全部輸入電網(wǎng)。若并網(wǎng)時(shí)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(yùn)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)成分布式發(fā)電系統(tǒng)。 負(fù)載并網(wǎng)方式發(fā)電機(jī)具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，可與風(fēng)力機(jī)配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。降低了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速能量的要求，但控制較為復(fù)雜。4.1.3雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行雙饋發(fā)電機(jī)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(yùn)行的特點(diǎn)如下。 （1）風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由PWM控制進(jìn)行電壓匹配、同步和相位控制，以

46、便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)基本無(wú)電流沖擊。對(duì)于無(wú)初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下的啟動(dòng)，可由雙饋電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)工況來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)負(fù)載的變化與時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以最佳葉尖速比運(yùn)行，產(chǎn)生最大的電能輸出。 （3）雙饋發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁可調(diào)量有3個(gè)：勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，保證發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力；通過(guò)改變勵(lì)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(wú)功功率的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在電機(jī)氣隙空間的位置有一個(gè)位移，從而改變了雙饋電機(jī)定子電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓向量的相對(duì)位置，也即改變了電機(jī)的功率角

47、，所以，調(diào)節(jié)勵(lì)磁不僅可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制 并網(wǎng)控制策略是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)階段，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)前的調(diào)節(jié)以滿足并網(wǎng)條件。通過(guò)交流勵(lì)磁變流器調(diào)解轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，使得發(fā)電機(jī)定子發(fā)出的電壓和電網(wǎng)電壓的幅值、相位以與頻率均一樣。4.2.1變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)控制策略雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制方式與直流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)與通常的異步發(fā)電機(jī)有所不同。同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)主要是剛性連接，發(fā)電機(jī)輸出的頻率完全取決于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與勵(lì)磁無(wú)關(guān)，因此并網(wǎng)后運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該始終保持恒定。但是風(fēng)速是時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化的，并網(wǎng)時(shí)的調(diào)速性能很難達(dá)到發(fā)電機(jī)的要求。普通的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行

48、時(shí)，由于通過(guò)轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)荷，因此對(duì)機(jī)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)方式與降壓并網(wǎng)方式的呢過(guò)。相當(dāng)于上述兩類(lèi)發(fā)電機(jī)，變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接，大大減少了并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。并網(wǎng)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到得電網(wǎng)電壓以與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)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(yùn)行過(guò)程分為三個(gè)階段:并網(wǎng)前的控制運(yùn)行、并網(wǎng)時(shí)的過(guò)渡過(guò)程以與并網(wǎng)后的最大風(fēng)能跟蹤過(guò)程。風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由變流器控制轉(zhuǎn)子勵(lì)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

49、統(tǒng)由并網(wǎng)控制切換到最大風(fēng)能跟蹤的發(fā)電控制模式，如圖 4.3所示 圖 4.3變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)控制策略切換框圖 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。 定子采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子采用電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，dq坐標(biāo)系中DFIG電壓方程式為： （4-1） 磁鏈方程式為： （4-2） 式中，為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；為d，q軸定、轉(zhuǎn)子繞組自感與互感；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。電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)有將式4-1代入式4-2中，可以得到 （4-3）運(yùn)動(dòng)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程簡(jiǎn)化為 （4-4）式（4-4）即為發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型。4

50、.3小結(jié) 詳細(xì)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的重要性，并且對(duì)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(diǎn)。其次對(duì)變速恒頻發(fā)電機(jī)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(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型。第五章無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行仿真5.1仿真模型的建立隨著控制理論和控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)控制效果的要求越來(lái)越高，控制算法也越來(lái)越復(fù)雜，因而控制器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越困難。于是自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)地計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。近30年來(lái)，控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語(yǔ)言和應(yīng)用軟件。目前，MATLAB (Matrix Laboratory)

51、是當(dāng)今國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)的語(yǔ)言和軟件工具。MATLAB是由Math Works公司開(kāi)發(fā)的一種主要用于數(shù)值計(jì)算與可視化圖形處理的高科技計(jì)算語(yǔ)言。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、圖形處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以與必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的多科學(xué)提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理等于一體。MATLAB具有三大特點(diǎn):1、功能強(qiáng)大:包括數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算，計(jì)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;2、界面友好，語(yǔ)言自然:MATLAB以復(fù)數(shù)矩陣為計(jì)算單元，指令表達(dá)與標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近

52、;3、開(kāi)放性強(qiáng):MATLAB有很好的可擴(kuò)充性，可以把它當(dāng)作一種更高級(jí)的語(yǔ)言去使用，可容易地編寫(xiě)各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序;正是由于MATLAB的這些特點(diǎn)，使它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科(特別是邊緣科學(xué)和交叉科學(xué))的極強(qiáng)適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)、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(jī)構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具。MATLAB有許多工具箱(Toolbox)，這些工具箱大致分為兩類(lèi):功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。前者主要用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算功能、圖視建模功能和文字處理功能以與與硬件實(shí)時(shí)交互功能;后者專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，如控制工具箱(Control Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(Neural Network Toolbox)、信號(hào)處理工具箱(Signal Processing Toolbox)等，使MATLAB在線