新能源發(fā)電技術(shù) 課件 第三章-風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

第三章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院第三章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)變速恒頻風(fēng)力機組非耦合型半耦合型直驅(qū)風(fēng)電機組雙饋風(fēng)電機組永磁同步發(fā)電機（PMSG）轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪同軸連接定子端口通過變流器與電網(wǎng)相連所有功率均通過變流器送入電網(wǎng)雙饋異步發(fā)電機（DFIG）轉(zhuǎn)子端口通過變流器與電網(wǎng)相連定子端口直接與電網(wǎng)相連僅轉(zhuǎn)差功率通過變流器送入電網(wǎng)新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運行機理雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)

第三章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

風(fēng)力機的輸入功率：

通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能并非全部都能被風(fēng)力機吸收，故定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp來表征風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的能力：則風(fēng)力機的輸出機械功率：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

為便于討論Cp的特性，定義風(fēng)力機的葉尖速比λ，為尖端的線速度與風(fēng)速之比：

值得說明的是，因為風(fēng)力機常通過一增速比為N的變速齒輪箱來驅(qū)動發(fā)電機，故發(fā)電機轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系：

或新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

風(fēng)能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ、槳葉節(jié)距角β的綜合函數(shù)。變槳距風(fēng)力機的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)Cp的曲線來表示：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

保持槳葉節(jié)距角β不變時，只與葉尖速比λ有關(guān)系，可用一條曲線來描述，這就是定槳距風(fēng)力機性能曲線：最佳葉尖速比最大風(fēng)能利用系數(shù)新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

定槳距風(fēng)力機在不同風(fēng)速下輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

不同風(fēng)速下風(fēng)力機功率－轉(zhuǎn)速曲線上最大功率點Popt的連線稱為最佳功率曲線。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制風(fēng)力機的運行特性

運行在Popt曲線上風(fēng)力機將獲得最大風(fēng)能，輸出最大功率Pmax：

式中kw為一個與風(fēng)力機有關(guān)的常數(shù)：

由此可知，一臺確定的風(fēng)力機其最佳功率曲線也確定，其最大功率與轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制策略

根據(jù)不同的風(fēng)況，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行可按四個區(qū)域來實施控制，即啟動區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)和恒功率區(qū)。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制策略

（1）啟動區(qū)（AB段）

切入風(fēng)速以下發(fā)電機與電網(wǎng)脫離，風(fēng)速大于或等于切入風(fēng)速時發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電。

（2）最大風(fēng)能追蹤區(qū)（BC段）

風(fēng)電機組已并網(wǎng)且運行在最高轉(zhuǎn)速以下，風(fēng)力機槳葉節(jié)距角處于不調(diào)節(jié)的定槳距運行狀態(tài)。該區(qū)域內(nèi)實行最大風(fēng)能追蹤控制的變速運行，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速作相應(yīng)變化，以確保風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)始終保持為最大值Cpmax，故又稱為Cp恒定區(qū)。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制策略

（3）恒轉(zhuǎn)速區(qū)（CD段）

風(fēng)電機組已達(dá)最高轉(zhuǎn)速，但風(fēng)力機的輸出功率尚未達(dá)到額定輸出狀態(tài)。此時通過風(fēng)力機控制子系統(tǒng)的變槳距控制來調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，確保允許最大轉(zhuǎn)速上的恒轉(zhuǎn)速發(fā)電運行。

（4）恒功率區(qū)（DE段）

隨著風(fēng)速的增大風(fēng)力機輸出機械功率不斷增大，發(fā)電機達(dá)到其功率極限。此時由風(fēng)力機控制子系統(tǒng)通過變槳距實現(xiàn)恒功率控制，從而使得機組的輸出功率不超過額定值，風(fēng)電機組處于恒轉(zhuǎn)速、恒功率運行狀態(tài)。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運行機理

不同風(fēng)速v1

>v2>v3下，定槳距控制風(fēng)力機輸出功率Po與轉(zhuǎn)速ωw之間的關(guān)系：

可以看出，同一風(fēng)速下存在一個最佳轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機捕獲到該風(fēng)速下的最大能量、輸出最大功率。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運行機理

最佳功率Popt表達(dá)式：

實際運行中風(fēng)速較難準(zhǔn)確檢測，無法直接給出與之相對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速指令，故一般不直接采取轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而是控制從風(fēng)力機軸上吸收的機械功率，借此實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的間接控制：檢測風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速代入Popt表達(dá)式計算此轉(zhuǎn)速下的最佳功率直接或經(jīng)過處理后作為有功功率參考值新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運行機理

最大風(fēng)能追蹤實現(xiàn)過程：初始時刻，風(fēng)電機組穩(wěn)定運行于A點風(fēng)速由v3突變?yōu)関2風(fēng)力機機械功率由PoA突變?yōu)镻oB轉(zhuǎn)速不會突變，發(fā)電機電磁功率仍為PoA機械功率大于電磁功率，機組轉(zhuǎn)速上升

二者重新平衡于C點（風(fēng)速v2下風(fēng)力機最大輸出功率點）新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運行機理

最大風(fēng)能追蹤實現(xiàn)方式對比：

風(fēng)力機控制發(fā)電機控制巨大風(fēng)輪機械時間常數(shù)大，動態(tài)過程響應(yīng)慢機械式槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難電磁轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)小，動態(tài)響應(yīng)快電氣系統(tǒng)控制相對簡單

因此，變速恒頻風(fēng)電機組通常就是通過控制發(fā)電機輸出有功功率來調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩，改變整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤運行。

新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機（DFIG）最大風(fēng)能追蹤的控制框圖：

在實際運行中需要實現(xiàn)有功功率和無功功率的綜合控制。功率控制的優(yōu)劣直接影響最大風(fēng)能追蹤的效果，影響電網(wǎng)或發(fā)電機運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計算 DFIG的有功功率關(guān)系：亞同步運行（s>0）同步運行（s=0）超同步運行（s<0）新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計算

根據(jù)最大風(fēng)能追蹤的原理，當(dāng)風(fēng)力機輸出的機械功率Po

與Popt曲線上最大輸出功率Pmax相等時，有：

定子功率Ps即為DFIG有功功率參考值Ps*，因此：

將關(guān)系式代入后有：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計算

經(jīng)恒等變換后可求得如下關(guān)系：

式中：

在滿足

B2-4AC

≥0條件下Ps*有實數(shù)解：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計算

可以看出，Ps*參考值計算中需要用到DFIG參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速ωw（或DFIG角速度ωr）、DFIG定子無功功率Qs等數(shù)據(jù)。DFIG基于最大風(fēng)能追蹤的有功功率參考值的計算模型如下圖所示：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計算

無功功率參考值Qs*的計算原則是DFIG允許運行范圍內(nèi)，選取能使某一性能評價函數(shù)f達(dá)到最優(yōu)的那個無功功率值。選用不同的性能評價函數(shù)將會有不同的Qs*值計算原則：

①從提高電力系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性、優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行工況來選取性能評價函數(shù)；

②從降低DFIG損耗、優(yōu)化風(fēng)電系統(tǒng)運行效率來選取性能評價函數(shù)。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計算

當(dāng)采取最大程度降低風(fēng)電系統(tǒng)運行損耗作為選取無功功率參考值Qs*的原則時，應(yīng)將DFIG各種功率損耗Pi之和作為評價函數(shù)。其中與無功功率有關(guān)的損耗主要是DFIG定、轉(zhuǎn)子銅耗，則有：

將電流、功率相關(guān)的關(guān)系式代入可得到f關(guān)于Qs的一元二次表達(dá)式：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計算

式中系數(shù)a、b、c分別為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計算

當(dāng)Qs*=-b/(2a)時，評估函數(shù)f達(dá)最小極值：

將a、b、c代入Qs*=-b/(2a)：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計算

此外，無功功率參考值Qs*更直接的設(shè)定方法，就是按照電網(wǎng)的無功需求或DFIG的運行要求來給定。 DFIG基于運行優(yōu)化的無功功率參考值的計算模型如下圖所示：

新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.3雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的最大風(fēng)能追蹤控制最大風(fēng)能追蹤控制的實現(xiàn)

計算出Ps*和Qs*后，為了實現(xiàn)DFIG的高性能控制，必須采用磁場定向的矢量變換控制策略：

DFIG定子電流坐標(biāo)變換磁場定向電流有功分量有功功率電流無功分量無功功率相互解耦新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步發(fā)電機采用直流電流勵磁，可調(diào)量只有幅值，只能用于無功功率的調(diào)節(jié)。DFIG采用交流勵磁，可調(diào)量有勵磁電流的幅值、頻率和相位。

DFIG具有的變速恒頻運行能力，使它在以下幾方面比同步發(fā)電機具有更為優(yōu)良的運行性能： 1.可在原動機變速運行條件下實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)電 2.能參與電力系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性 3.可實現(xiàn)發(fā)電機安全、快捷的柔性并網(wǎng)

新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變速恒頻運行原理框圖：

新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機學(xué)的原理，穩(wěn)定運行時各轉(zhuǎn)速間有如下關(guān)系：

由于：

故有：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速nr變化時，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率f2來保持定子輸出頻率f1恒定，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運行：

（1）亞同步運行狀態(tài)：發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于同步速，f2>0，轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過勵磁變頻器從電網(wǎng)輸入轉(zhuǎn)差功率；

（2）超同步運行狀態(tài)：發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于同步速，f2<0，轉(zhuǎn)子勵磁電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)子繞組通過勵磁變頻器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率；

（3）同步運行狀態(tài)：發(fā)電機轉(zhuǎn)速等于同步速，f2=0，電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子繞組之間無功率交換，勵磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要運行目標(biāo)是實現(xiàn)對PMSG定子輸出有功、無功功率的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，而PMSG的有功、無功功率是通過機側(cè)變流器對定子電流的有效控制來實現(xiàn)。

直驅(qū)風(fēng)電機組機側(cè)變流器及發(fā)電機的主電路結(jié)構(gòu)簡圖：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

直驅(qū)風(fēng)電機組中的永磁同步發(fā)電機是一個多變量、強耦合、非線性、時變的高階系統(tǒng)，為了便于對其進(jìn)行建模分析，通常作如下的假設(shè)：

（1）永磁同步發(fā)電機三相定子繞組完全對稱，各繞組軸線在空間中互差120°電角度，且繞組上電阻電感相等，同時繞組間互感也相等；

（2）氣隙均勻分布，轉(zhuǎn)子永磁體磁場和定子繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

（3）忽略磁路非線性飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感與磁路工作點有關(guān)，但都為恒值；

（4）忽略轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組；

（5）忽略頻率變化、溫度變化對永磁體以及電機參數(shù)的影響。

正方向的定義為：定子繞組采用發(fā)電機慣例，即正電流從端電壓正極性流出，正值電流產(chǎn)生負(fù)值磁鏈。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

按照以上規(guī)定，各繞組電流和磁鏈方向如下圖所示：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上模型假設(shè)與正方向定義，可以在三相靜止坐標(biāo)系下建立直驅(qū)風(fēng)電機組中永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型。 1.電壓方程

三相定子電壓方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 2.磁鏈方程

三相定子磁鏈方程為：

三相轉(zhuǎn)子磁鏈可以表示為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

上文假設(shè)定子繞組中各相電感相等，且繞組之間的互感均相等，因此自感滿足Laa=Lbb=Lcc=Lm，互感滿足Lab=Lac=Lba=Lbc=Lca=Lcb=Mm，因此磁鏈方程可進(jìn)一步表示為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 3.轉(zhuǎn)矩方程

永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩方程為： 4.運動方程

永磁同步發(fā)電機的運動方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

通常假定D=0，K=0，則有：

同時，永磁同步發(fā)電機的機械角速度與電角速度分別滿足：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

與網(wǎng)側(cè)變流器類似，直驅(qū)風(fēng)電機組機側(cè)變流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型也可以根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

dq

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程：

dq

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

將磁鏈方程式代入電壓方程式可得：

在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步發(fā)電機輸出的瞬時有功功率和無功功率分別為：

在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電磁轉(zhuǎn)矩方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要運行目標(biāo)是實現(xiàn)對DFIG定子輸出有功、無功功率的精確調(diào)節(jié)，而DFIG的有功、無功功率間接地通過機側(cè)變流器對轉(zhuǎn)子電流的有效控制來實現(xiàn)。

雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器及發(fā)電機的主電路結(jié)構(gòu)簡圖：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

雙饋異步電機是一個多變量、強耦合、非線性、時變的高階系統(tǒng)，為了便于對其進(jìn)行建模分析，通常作如下的假設(shè)：

（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；

（2）忽略磁路非線性飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感與磁路工作點有關(guān)，但都為恒值；

（3）忽略鐵心損耗；新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響；

（5）如無特別說明，機側(cè)的參數(shù)都是經(jīng)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；

正方向的定義為：定、轉(zhuǎn)子繞組均采用電動機慣例，即向繞組內(nèi)部看時，電壓降的正方向與繞組電流的正方向一致，正值電流產(chǎn)生正值磁鏈。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上模型假設(shè)與正方向定義，可以在三相靜止坐標(biāo)系下建立雙饋異步電機的數(shù)學(xué)模型。 1.電壓方程

三相定子電壓方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

三相轉(zhuǎn)子電壓方程為：

將電壓方程寫成矩陣形式，則有：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

式中：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 2.磁鏈方程

矩陣形式的磁鏈方程可表示為：

式中：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

式中：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過相同氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為Lms

=Lmr。

值得注意的是，Lsr、Lrs兩個分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置θr有關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的表現(xiàn)和根源。為了把變參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成常參數(shù)矩陣，必須進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換。

把磁鏈方程式代入電壓方程式，展開后得到：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 3.轉(zhuǎn)矩方程

根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩為： 4.運動方程

雙饋電機的運動方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

通常假定D=0，K=0，則有：

同時，角速度滿足：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)采用定子電壓正序基頻分量定向時，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+以角速度ω1旋轉(zhuǎn)，其d+軸與定子電壓三相靜止坐標(biāo)系中的A軸分量存在初始相位角差θs0，因此，定子電壓正序基頻分量相位角θs，以及轉(zhuǎn)子繞組相位角θr可表示為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

三相定子靜止坐標(biāo)系、兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的空間矢量關(guān)系圖：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

由此可得，三相定、轉(zhuǎn)子繞組到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣分別為：

利用坐標(biāo)變換關(guān)系，可將三相定子靜止坐標(biāo)系中DFIG數(shù)學(xué)模型變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+中的數(shù)學(xué)模型。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 1.磁鏈方程

以三相靜止坐標(biāo)系下磁鏈方程為基礎(chǔ)，采用上述的變換矩陣，可以得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+下的磁鏈方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 2.電壓方程

以三相靜止坐標(biāo)系下電壓方程為基礎(chǔ)，采用上述的變換矩陣，可以得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+下的定轉(zhuǎn)子電壓方程為：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.4風(fēng)電機組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機組機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 3.轉(zhuǎn)矩方程

電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

上述的磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程完整地構(gòu)成了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq中DFIG的數(shù)學(xué)模型。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)矢量控制原理

通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，可以將交流電動機等效成直流電動機，從而獲得如同直流電動機一般好的轉(zhuǎn)矩特性，能很好的控制交流電動機電磁轉(zhuǎn)矩。變換后的d繞組相當(dāng)于直流電動機的勵磁繞組，id相當(dāng)于勵磁電流；q繞組相當(dāng)于直流電動機的電樞繞組，iq相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩電流。

這種依靠矢量變換來簡化模型，然后模仿直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的控制方法就叫做“矢量控制”（VC）或“磁場定向控制”

（FOC）。ia

ib

icClarke變換iα

iβid

iqPark變換新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制 PMSG最常用的分析方法是建立兩相同步速旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

在兩相同步速旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向（即將d軸定為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈方向），電壓電流方向采用發(fā)電機慣例，PMSG的數(shù)學(xué)模型如下：

定子電壓方程：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

機械運動方程：

定子磁鏈方程：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

將定子磁鏈方程分別代入定子電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程，可得：

定子電壓方程：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

電磁功率方程：新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

變流器的結(jié)構(gòu)為三相六開關(guān)電壓源型變流器，通過不同的開關(guān)狀態(tài)這種變流器可以調(diào)制出8個電壓矢量，其中2個零矢量、6個有效矢量，每一個有效矢量的長度為直流側(cè)電壓Vdc的2/3。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

圖中虛線六邊形內(nèi)任意一個電壓矢量V均可以通過某兩個有效矢量和零矢量合成得到。對PMSG的控制即可通過控制策略計算出參考電壓矢量后，再通過變流器按照一定的PWM策略調(diào)制出需要的電壓矢量來實現(xiàn)。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

永磁同步電機的控制方法有眾多，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，其中矢量控制因其出色的穩(wěn)態(tài)控制性能、優(yōu)良的動態(tài)控制性能是使用最為廣泛的控制方法，而直接轉(zhuǎn)矩控制有著非常好的動態(tài)控制性能，但穩(wěn)態(tài)性能與矢量控制相比略有不足?？紤]到風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（WECS）中對發(fā)電機的動態(tài)性能要求不高，本教材在研究各種WECS時，對PMSG均采用矢量控制。PMSG的矢量控制算法又可以細(xì)分為多種，為了簡便，本教材為PMSG設(shè)計的控制算法均為id

=0矢量控制。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

本教材采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制，控制精度取決于轉(zhuǎn)子位置角及轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確獲取，這是矢量控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?，F(xiàn)有的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置估計算法中常用的有兩類：一類是能適應(yīng)于全速范圍的高頻信號注入法，另一類是只適合于中高速的基于電機反電勢計算的方法。

電機反電勢估算法容易實現(xiàn)，且電機反電勢估算法在低轉(zhuǎn)速時估算精度低的缺點對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行影響較小，因此本教材將采用基于反電勢計算的轉(zhuǎn)子位置/速度估算方法。新能源發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院3.5風(fēng)電機組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機組的矢量控制

為了提高反電勢法的估算精度和穩(wěn)定性，可引入鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)。PLL是閉環(huán)相位自動控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速等