新能源發(fā)電技術(shù) 課件全套 年珩 第1-8章-新能源發(fā)電概述- 弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制

第一章新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略風(fēng)力發(fā)電光伏發(fā)電儲能

第一章新能源發(fā)電概述新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略能源儲量結(jié)構(gòu)新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述我國可再生能源資源豐富，但是我國人口眾多，能源資源相對匱乏。新能源大多分布于西北、西南、中南等非經(jīng)濟發(fā)達區(qū)，利用率不理想。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)能源產(chǎn)出仍以煤炭為主，一次能源產(chǎn)量穩(wěn)定增長，二次能源產(chǎn)出遞增。能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，清潔能源比重逐年提升。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述我國歷年各類型裝機發(fā)電量占比規(guī)模以上工業(yè)原煤產(chǎn)量增速月度走勢?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略能源消費結(jié)構(gòu)能源消費總量均處于低速增長狀態(tài)，以較低的能源消費增速支撐經(jīng)濟的中高速發(fā)展。我國能源消費構(gòu)成中，煤炭處于主體性地位，石油和天然氣對外依存度高，可再生能源消費占比持續(xù)提升。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略“十三五”能源發(fā)展成就能源資源開發(fā)利用效率大幅提高生態(tài)環(huán)境明顯改善節(jié)能降耗減排取得突出成效“十四五”發(fā)展規(guī)劃繼續(xù)加速生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型構(gòu)建新型能源體系新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述新能源發(fā)電技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展實際電網(wǎng)的復(fù)雜特征新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述新能源發(fā)電質(zhì)量有所下降惡劣電能質(zhì)量對新能源發(fā)電系統(tǒng)本身的安全運行造成威脅三相電壓不平衡諧波電壓畸變非理想運行狀態(tài)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展故障穿越技術(shù)新能源發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越是指新能源發(fā)電機組能夠成功穿越一定時間段內(nèi)的一定程度的電網(wǎng)電壓故障，保持風(fēng)電機組在故障期間不脫網(wǎng)運行。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述電網(wǎng)故障電網(wǎng)頻率故障電網(wǎng)電壓故障對稱電壓故障不對稱電壓故障?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展穩(wěn)定運行與振蕩抑制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述新能源設(shè)備與電網(wǎng)阻抗特性的不匹配新能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)所構(gòu)成的互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度不足振蕩失穩(wěn)系統(tǒng)對新能源消納能力下降甚至局部電網(wǎng)崩潰振蕩問題理論分析特征值分析法幅相動力學(xué)分析法……阻抗分析法振蕩抑制方法優(yōu)化控制參數(shù)阻抗重塑技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.1能源現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展儲能技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述發(fā)電可控新能源出力不可控，可調(diào)容量、慣量下降負荷相對確定分布式新能源和電力電子負荷加深不確定性電能傳輸方向確定電能傳輸方向不確定負荷側(cè)儲能提高電能質(zhì)量支撐分布式新能源接入提升用戶靈活調(diào)節(jié)能力發(fā)電側(cè)儲能平滑風(fēng)光出力跟蹤發(fā)電計劃調(diào)峰調(diào)頻能力無功支撐事故備用提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平電網(wǎng)側(cè)儲能?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電概述新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述風(fēng)電迅速發(fā)展可再生能源發(fā)展迅速，其中風(fēng)電已經(jīng)成為目前技術(shù)最為成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。矛盾問題凸顯設(shè)備產(chǎn)能過剩、質(zhì)量問題、風(fēng)電機組吊裝后不能及時投產(chǎn)風(fēng)電送出消納問題亟需技術(shù)進步，降低新能源發(fā)電成本……?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電基本原理風(fēng)力機可將氣流的動能轉(zhuǎn)為機械能，是風(fēng)力發(fā)電的必要條件之一。實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中普遍采用水平軸風(fēng)力機，其通常由葉片、塔架、機艙等部分組成。風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)原理新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述（1）風(fēng)輪風(fēng)輪由葉片和輪轂組成，是風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的部件。（2）塔架為風(fēng)力機的支撐結(jié)構(gòu)，可保證葉片能在具有較高風(fēng)速的位置運行。（3）機艙機艙內(nèi)則有傳動裝置、控制系統(tǒng)及發(fā)電機等。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電基本原理風(fēng)力機利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化成的機械功率為

其中，風(fēng)能利用系數(shù)Cp

是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)原理在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳葉節(jié)距角β=0°，

通過變速恒頻裝置，風(fēng)速變化時改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能

利用系數(shù)恒定在最大值Cpmax，捕獲最大風(fēng)能。在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而減少葉輪輸入功率，使發(fā)電機輸出功率穩(wěn)定在額定功率。在槳距角β固定時，對應(yīng)于風(fēng)力機最大風(fēng)能利用系數(shù)，有一個最佳葉尖速比λm。要時刻進行變速控制，保證以最佳葉尖速比λm運行。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型離網(wǎng)型保持發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變以得到恒頻電能系統(tǒng)容量較小可配備儲能單元以提供穩(wěn)定電力占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比例較小發(fā)電機轉(zhuǎn)速受風(fēng)速變化影響恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)單機容量為600kW～750kW的風(fēng)電機組多采用恒速運行方式，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機，恒速風(fēng)電機組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風(fēng)力機。風(fēng)能的利用率低風(fēng)速突變時易產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力并網(wǎng)時電流沖擊較大不能有效控制無功功率，需要額外補償無功恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把變頻的電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能。缺點：變頻器在定子側(cè)，變頻器容量需要與發(fā)電機容量相同，變流系統(tǒng)成本和體積過大新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)，流過功率為交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，所需變頻器容量小可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機多采用永磁同步發(fā)電機在定子電路實現(xiàn)，把永磁發(fā)電機發(fā)出變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電可靠性高，電網(wǎng)適應(yīng)性較強直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機多采用永磁同步發(fā)電機采用一級齒輪箱傳動設(shè)計，克服了低速發(fā)電機和多級齒輪傳動的不足減小發(fā)電機和齒輪箱的體積與重量，提高發(fā)電機的運行效率混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電概述光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，具有可靠、穩(wěn)定、壽命長、安裝維護簡便等優(yōu)點。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述太陽能電池組件控制器直流負載交流負載逆變器蓄電池光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展趨勢趨向高能量轉(zhuǎn)換效率、低生產(chǎn)成本從西部向中東部地區(qū)轉(zhuǎn)移由大型集中式電站轉(zhuǎn)向分布式光伏電站?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電原理光伏電池傳統(tǒng)光伏電池由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成，當(dāng)半導(dǎo)體吸收能量大于其帶隙能量的光子時，電子躍遷產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)建電場的作用下分離，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。接通負載后，電子將在外電路中流動產(chǎn)生電流。光生伏特效應(yīng)光伏板陣列是光伏系統(tǒng)的重要組成部分。在光照情況下，光伏板吸收光能，兩端出現(xiàn)異號電荷積累，產(chǎn)生“光生電壓”。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電原理逆變器：由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，因此必須通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性可由下式表示新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述式中，A為常數(shù)因子，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，q為電子電荷，ID0為太陽電池在無光照時的飽和電流太陽電池非線性直流電源電壓增加功率增大最大功率點電阻增加電阻增加功率減少最大功率點追蹤(MPPT)技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)分類光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型離網(wǎng)型偏遠地區(qū)供電備用電源集中式光伏系統(tǒng)分布式光伏系統(tǒng)新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)分類集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本原理光伏陣列通過匯流箱與大功率集中式光伏逆變器相連，光伏逆變器實現(xiàn)光伏陣列的MPPT控制，將輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電經(jīng)升壓變壓器傳輸給高壓電網(wǎng)。優(yōu)點光伏效率穩(wěn)定，利用率高運行方式靈活建設(shè)周期短，成本低等缺點輸電線路長，損耗大，易出現(xiàn)輸電線路的損耗、電壓跌落、無功補償?shù)葐栴}新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)分類分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，必須接入公共電網(wǎng)。特點輸出功率相對較小污染小，環(huán)保效益突出可以發(fā)電用電并存一地兩用，有效減少光伏系統(tǒng)的占地面積新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3光伏發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)分類離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)是一種不與電網(wǎng)相連的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于偏僻山區(qū)、無電區(qū)、海島、通訊基站和路燈等應(yīng)用場所?；竟ぷ鬟^程光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定電動勢，通過充放電控制器對蓄電池進行充電，貯存電能；夜晚，蓄電池組為逆變器提供輸入電，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜切換供電。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能概述發(fā)展現(xiàn)狀隨國家能源轉(zhuǎn)型不斷深入及對電力系統(tǒng)靈活性要求不斷提高，儲能將繼續(xù)保持強勁的增長趨勢。

新能源配合儲能系統(tǒng)能夠增強新能源發(fā)電的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可控性，使得電力系統(tǒng)獲得了更快速、靈活的瞬時功率平衡能力，也使得新能源具備了能夠向電網(wǎng)提供穩(wěn)定性支撐的能力。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述各類型儲能裝機容量占比（截至2023年）?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能概述新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述快速動態(tài)能量吸收或釋放，平抑新能源出力波動；提高新能源跟蹤發(fā)電計劃的能力；主動向電網(wǎng)提供系統(tǒng)阻尼，抑制振蕩。支撐大規(guī)模集中新能源并網(wǎng)接入提高分布式新能源的高效利用與友好接入提高新能源對電網(wǎng)提供支撐服務(wù)和實現(xiàn)故障穿越的能力實現(xiàn)新能源發(fā)電在時間上的遷移，迎合負荷需求；削減等效負荷峰值，優(yōu)化資源配置成本，增強電網(wǎng)對新能源的接納與傳輸能力。使新能源電站能夠具備和常規(guī)機組類似的參與AGC、一次調(diào)頻與調(diào)峰能力；與各種傳統(tǒng)及智能化控制技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同應(yīng)用。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能常見儲能形式抽水蓄能基本原理

電網(wǎng)低谷時利用過剩電力將作為液態(tài)能量媒體的水從低標高的水庫抽到高標高的水庫，電網(wǎng)峰荷時高標高水庫中的水回流到低標高水庫推動水輪機發(fā)電機發(fā)電。特點響應(yīng)速度快具有日調(diào)節(jié)能力建設(shè)周期長，受地形限制新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述最成熟，使用最廣泛的物理儲能方式?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能常見儲能形式飛輪儲能基本原理

利用電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，在需要的時候通過飛輪慣性拖動電機發(fā)電，將儲存的機械能變?yōu)殡娔茌敵觥Ｌ攸c功率密度高、快響應(yīng)、高頻次、效率高壽命長、無污染能量密度低，自放電率高新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能常見儲能形式壓縮空氣儲能基本原理

在電網(wǎng)負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發(fā)電。特點輸出功率大成本低，運行壽命長建設(shè)受地形和地質(zhì)條件限制新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能常見儲能形式電池儲能新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述目前最成熟，最可靠的儲能技術(shù)

優(yōu)勢劣勢鉛酸電池技術(shù)成熟，容量大，成本低

安全性/可靠性/可重復(fù)使用性良好比能量低

污染嚴重鎳氫電池能量密度提升，功率密度高

循環(huán)壽命較長，環(huán)保無污染價格昂貴，工作電壓低

性能較差鋰離子

電池比能量高，循環(huán)性能好

無記憶效應(yīng)，環(huán)保無污染成本較高，安全性較差

低溫性能差燃料電池能量轉(zhuǎn)效率高、模塊化水平高

環(huán)境友好、噪聲低成本較高

技術(shù)未完善?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4儲能常見儲能形式氫儲能基本原理包括三個部分：制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、氫發(fā)電系統(tǒng)。利用電-氫-電互變性，將水電解得到氫氣和氧氣，使得電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來；在電力輸出不足時利用氫氣通過燃料電池或其它方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述優(yōu)勢劣勢能量密度高、存儲時間長運行維護成本低、與環(huán)境兼容性好功率、能量可獨立優(yōu)化具有容量增減適應(yīng)性強、容量大能源轉(zhuǎn)化效率低投資成本高新能源發(fā)電技術(shù)新能源發(fā)電概述?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院思考題1.光伏發(fā)電系統(tǒng)按并網(wǎng)方式可分為哪幾種？2.簡述我國能源消費與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的特點。3.簡述雙饋風(fēng)力發(fā)電和永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的異同。4.簡述電池儲能與氫儲能的優(yōu)點。第二章網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型網(wǎng)側(cè)變流器控制策略鎖相同步方式高精度電流跟蹤控制方法

第二章網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標系下

網(wǎng)側(cè)變流器主電路以及電壓、電流正方向如圖所示：

圖中，Lgabc為每相進線電感，Rgabc為每相進線電阻，C為直流母線電容。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標系下

假設(shè)主電路的功率器件為理想開關(guān)，則其數(shù)學(xué)模型為：

式中Sga、Sgb、Sgc為三相變流器各相橋臂的開關(guān)函數(shù)，且定義上橋臂元件導(dǎo)通時為1，下橋臂元件導(dǎo)通時為0。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標系下

當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器采用三相無中線的接線方式時，可得：

將上式代入變流器數(shù)學(xué)模型可得：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標系下

網(wǎng)側(cè)變流器三相交流側(cè)輸出的線電壓與各相橋臂開關(guān)狀態(tài)Sga、Sgb、Sgc間關(guān)系為：

轉(zhuǎn)化為相電壓的關(guān)系則為：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標系下

將開關(guān)函數(shù)與相電壓的關(guān)系式代入變流器數(shù)學(xué)模型，可得：

由于該式的推導(dǎo)過程對網(wǎng)側(cè)變流器的運行條件未做任何假定，故在電網(wǎng)電壓波動、三相不平衡等情況下均能有效適用。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系

由三相靜止坐標系到兩相靜止αβ坐標系的變換簡稱為3s/2s變換，其變換矩陣和矢量關(guān)系如下：

從兩相靜止αβ坐標系到兩相同步速ω1旋轉(zhuǎn)坐標系的變換簡稱為2s/2r變換，其變換矩陣和矢量關(guān)系如下：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，dq坐標系下變流器數(shù)學(xué)模型為：ugd、ugq:電網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量igd、igq:變流器輸入電流的d軸、q軸分量vgd、vgq

:變流器中三相交流側(cè)電壓的d軸、q軸分量Sd、Sq:開關(guān)函數(shù)的d軸、q軸分量網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.1網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下

令Ug=ugd+jugq為電網(wǎng)電壓矢量，當(dāng)坐標系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量時，則有ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，其中Ug為電網(wǎng)相電壓幅值。

變流器數(shù)學(xué)模型可改寫為：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器功能

（1）保持直流母線電壓的穩(wěn)定：

取決于變流器交流側(cè)與直流側(cè)有功功率的平衡，因此需要控制交流側(cè)輸入的有功功率。在電網(wǎng)電壓恒定的條件下，即控制輸入電流的有功分量。

（2）控制輸入功率因數(shù)：在電網(wǎng)電壓恒定的條件下，實際上就是控制輸入電流的無功分量。

（3）保持輸入電流正弦：

主要與電流控制的有效性和調(diào)制方式有關(guān)。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由網(wǎng)側(cè)變流器功能可以得出變流器的控制系統(tǒng)需要包含電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制兩個部分。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變流器dq坐標系下數(shù)學(xué)模型：

此式表明，網(wǎng)側(cè)變流器的d軸、q軸電流不僅受vgd、vgq的控制，還受到電流交叉耦合項ω1Lgigq、ω1Lgigd，電網(wǎng)電壓ugd、ugq的影響。

為了實現(xiàn)對d軸、q軸電流的有效控制，需要消除d軸、q軸電流耦合以及電壓擾動。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)v`gd，v`gq如下：為了消除控制靜差，通過比例積分調(diào)節(jié)器來設(shè)計如下電流控制器:

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由此可得網(wǎng)側(cè)變流器的電壓指令：

上式表明，在網(wǎng)側(cè)變流器的控制中引入了電流狀態(tài)反饋量ω1Lgigq、ω1Lgigd來實現(xiàn)解耦，同時引入電網(wǎng)擾動電壓項ugd、ugq進行前饋補償。

從而實現(xiàn)d軸、q軸電流的獨立控制，并提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)2.1節(jié)所示三相輸入電流iga、igb、igc的正方向規(guī)定和幅值守恒的坐標變換原則，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率分別為：

在d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中則有：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在忽略各種損耗的前提下，網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡關(guān)系為：

當(dāng)交流側(cè)輸入的功率大于直流側(cè)負載消耗的功率時，多余的能量會使直流母線電壓升高，反之，直流母線電壓降低。

因此只要能控制交流側(cè)輸入的有功電流，就可以控制變流器有功功率的平衡，從而保持直流母線電壓的穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電壓外環(huán)控制器采取與電流控制器類似的設(shè)計，即d軸電流參考值為：

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.2網(wǎng)側(cè)變流器控制策略網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由此可得帶解耦和擾動補償?shù)木W(wǎng)側(cè)變流器直流電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式鎖相同步的作用及基本類型

電力電子設(shè)備的并網(wǎng)運行、矢量控制、解耦控制、對電網(wǎng)的動態(tài)支撐等均需要獲取電網(wǎng)的頻率和相位信息。因此通常在新能源并網(wǎng)設(shè)備中加入鎖相環(huán)(Phase-LockedLoop，PLL)來實現(xiàn)鎖相同步。PLL開環(huán)PLL基于過零鑒相器的PLL鎖相穩(wěn)態(tài)精度不高、動態(tài)響應(yīng)時間長、不能適用于薄弱電網(wǎng)下電壓不平衡和頻率突變基于低通濾波器的PLL基于空間矢量濾波器的PLL基于擴展卡爾曼濾波器的PLL基于加權(quán)最小二乘法估計的PLL閉環(huán)PLL更高的動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式鎖相同步的作用及基本類型

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PLL結(jié)構(gòu)

鑒相器(phasedetector,PD)：將輸入電壓與輸出電壓作差后得到相位偏差量。

環(huán)路濾波器(loopfilter,LF)：濾除其中的諧波。

壓控振蕩器(voltage-controlledoscillator,VCO)：計算相位信息，通過負反饋調(diào)節(jié)縮小輸入信號和輸出信號的相位誤差，從而實現(xiàn)鎖相同步。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

理想的強電網(wǎng)沒有諧波分量的干擾，采用基于同步坐標系的鎖相環(huán)SRF-PLL(SynchronousReferenceFrame-PLL)

采用d軸電壓定向，控制q軸電壓ugq=0，即穩(wěn)態(tài)時d軸分量與電壓矢量重合，同步坐標系的旋轉(zhuǎn)角度θ等于電網(wǎng)電壓矢量的相位。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

當(dāng)穩(wěn)態(tài)相位誤差較小時，可得：

其中，Δ代表小信號分量。由SRF-PLL結(jié)構(gòu)圖可得角度的閉環(huán)傳遞函數(shù)Hθ(s)和角度誤差傳遞函數(shù)Eθ(s)可以分別表示為：

其中，截止頻率，阻尼比，kp和ki分別為PI控制器的比例和積分系數(shù)。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

對角度閉環(huán)傳遞函數(shù)Hθ(s)的極點分布進行分析，其極點表示如下：

當(dāng)ζ<1（欠阻尼）時，相位階躍誤差和頻率階躍的誤差表達式分別為：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

當(dāng)ζ>1（過阻尼）時，相位階躍誤差和頻率階躍的誤差表達式分別為：

其中，。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

當(dāng)極點負實部值越大時，暫態(tài)響應(yīng)越快；虛部值越大時，系統(tǒng)超調(diào)越大。

對于電壓相位階躍而言，阻尼系數(shù)小時，響應(yīng)速度快但是超調(diào)量大；阻尼系數(shù)大時，超調(diào)量小但系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。為兼顧快速的響應(yīng)速度且合理的超調(diào)，一般選取阻尼系數(shù)為1，即臨界阻尼。此時PI控制器參數(shù)滿足：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

通過小信號模型研究在低短路比薄弱電網(wǎng)中SRF-PLL對新能源設(shè)備控制的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生擾動時，電網(wǎng)電壓的小信號表達式為：

鎖相環(huán)獲得的相位角受到電壓擾動的影響，可表示為：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

為了準確描述SRF-PLL在低短路比薄弱電網(wǎng)下對新能源機組的影響，建立電網(wǎng)電壓通過PLL影響電流控制的阻抗模型。

通過阻抗建模的方法可以發(fā)現(xiàn)，SRF-PLL會通過引入2個電網(wǎng)電壓前饋矩陣Gpni和Gpnu，從而改變系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式常規(guī)鎖相同步方式建模

設(shè)計合理的比例和積分參數(shù)會提高新能源系統(tǒng)在低短路比薄弱電網(wǎng)下的穩(wěn)定性。

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（1）基于延時信號消除的鎖相同步方式電網(wǎng)電壓不平衡時，三相電壓αβ分量可以表示如下：

其中，?為相位；上標“+”和“-”分別表示正、負序分量。將系統(tǒng)延時四分之一工頻周期可得：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（1）基于延時信號消除的鎖相同步方式由前述兩式可得正序基頻電壓矢量可表示為：

因此可以通過在SRF-PLL前加入基于鑒相器的延時信號消除DSC(DelayedSignalCancellation)控制器來消除輸出的2倍頻波動量，獲得只含有基波正序矢量的相位誤差信息，消除了電網(wǎng)不平衡對SRF-PLL的影響。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（1）基于延時信號消除的鎖相同步方式

DSC-PLL結(jié)構(gòu)圖如下所示：

前置DSC環(huán)節(jié)增加相位延遲，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)減慢。電網(wǎng)頻率變化時會出現(xiàn)延時偏差導(dǎo)致正負序分離誤差。

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式基于雙二階廣義積分DDSOGI(DecoupledDoubleSecond-OrderGeneralizedIntegrator)的鎖相同步結(jié)構(gòu)如下所示：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式

DDSOGI包含正交信號發(fā)生器，在αβ靜止坐標系下，其正序分量和負序分量的傳遞函數(shù)分別為：其中，D(s)為正交信號傳遞函數(shù)。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式經(jīng)過DDSOGI后，正序分量等效于經(jīng)過一個中心頻率為基波頻率的帶通濾波器，負序分量則等效于經(jīng)過一個基波頻率的陷波器，而諧波信號可以被低通濾波濾除，因此可以獲得正序基波信號。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式另一種直接解耦法基于雙同步坐標系DDSRF(DecoupledDoubleSynchronousReferenceFrame)的鎖相同步方式：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式

DDSRF-PLL中包含2個旋轉(zhuǎn)坐標系，利用正負序之間的角速度和相位關(guān)系，實現(xiàn)正負序之間的分離?；谡撔蛴嬎愕耐叫D(zhuǎn)坐標系下的電壓矢量分別表示為：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（2）基于直接解耦法的鎖相同步方式

負序分量在正轉(zhuǎn)同步坐標系中為2倍頻分量，而正序分量在反轉(zhuǎn)同步坐標系也表現(xiàn)為2倍頻分量。因此解耦步驟如下：(a)由負序直流分量經(jīng)過2倍基頻的旋轉(zhuǎn)坐標矩陣得到負序電壓在正轉(zhuǎn)同步坐標系下的交流分量。(b)在正轉(zhuǎn)同步坐標系下的電壓分量減去負序電壓分量在正轉(zhuǎn)同步坐標系上的分量。(c)經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波和噪聲，可以得到正轉(zhuǎn)同步坐標系上的電壓正序分量。(d)同理可得反轉(zhuǎn)坐標系上的負序分量，從而實現(xiàn)正負序分量分離。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（3）基于正負序計算的鎖相同步方式

該方式利用瞬時對稱分量消除電壓正負序分量之間的相互影響，從而實現(xiàn)正負序的分離。將不平衡三相電壓分解為瞬時正序分量、負序分量和零序分量之和：其中，上標+表示正序分量，上標-表示負序分量，上標0表示零序分量。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（3）基于正負序計算的鎖相同步方式

其中，a=e-j2π/3，為120°相移信號。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（3）基于正負序計算的鎖相同步方式為實現(xiàn)靜止坐標系下正序分量和負序分量的分離，需要利用正交信號發(fā)生器得到Ugαβ及其90°相位滯后的正交信號。

對于交流信號的提取，可以在靜止坐標系下采用帶通濾波器，也可以在旋轉(zhuǎn)坐標系下采用低通濾波器。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（4）基于復(fù)系數(shù)濾波器的鎖相同步方式

復(fù)系數(shù)濾波器CCF(ComplexCoefficientFilter)同時具有頻率選擇和極性選擇的功能。典型一階CCF可表示為：

其中，ωc為帶通頻率，一般設(shè)為電網(wǎng)頻率或n次諧波頻率。CCF在選擇頻率處保持單位增益和零相位偏移，在其他頻率處的增益大幅衰減。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（4）基于復(fù)系數(shù)濾波器的鎖相同步方式

CCF的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如下，通過在靜止坐標下對相對相位差90°的信號進行反饋來實現(xiàn)復(fù)數(shù)信號j：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（5）基于滑動平均濾波的鎖相同步方式

滑動平均濾波MAF(MovingAverageFilter)是一種線性相位濾波器，可以用作理想的低通濾波器：

其中，Tw為MAF的窗口長度。MAF-PLL在實際應(yīng)用中很容易實現(xiàn)，并且計算量小。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（5）基于滑動平均濾波的鎖相同步方式

MAF在SRF-PLL中等效為一個前置濾波器，可有效阻止干擾分量，并且對于鎖相同步的動態(tài)性能影響小。MAF-PLL結(jié)構(gòu)如圖所示：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（6）基于陷波器的鎖相同步方式

陷波器NF(NotchFilter)是一種帶阻濾波器，它可以顯著衰減目標頻段內(nèi)的信號，而其他頻段的信號不會受到影響。加入NF后可以提升諧波電網(wǎng)下PLL的工作性能，NF可以分為自適應(yīng)型和非自適應(yīng)型。NF-PLL的結(jié)構(gòu)與標準MAF-PLL類似，只是MAF被一個或多個NF取代。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：不平衡及諧波電網(wǎng)

（7）各方法性能比較

基于延時信號消除的鎖相同步方式只能提取不平衡電網(wǎng)下的負序分量基于直接解耦法的鎖相同步方式基于正負序計算的鎖相同步方式基于復(fù)系數(shù)濾波器的鎖相同步方式可以提取其他低次諧波基于滑動平均濾波的鎖相同步方式基于陷波器的鎖相同步方式網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：電網(wǎng)頻率相位突變

（1）3型PLL

3型PLL是在其控制環(huán)路中加入三階積分器，由此實現(xiàn)零誤差穩(wěn)態(tài)追蹤斜坡輸入的頻率信號。其控制結(jié)構(gòu)如下所示：

特點：負增益裕度，在低環(huán)路增益下有不穩(wěn)定的風(fēng)險。

因此，在3型PLL中使用幅值歸一化策略非常重要。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：電網(wǎng)頻率相位突變

（1）3型PLL

準2型PLL(Quasi-Type-2PLL)也是3型控制系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)不受電壓驟降的不穩(wěn)定影響，因此并不強制使用幅值歸一化策略。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：電網(wǎng)頻率相位突變

（2）改進型鎖頻環(huán)

鎖頻環(huán)FLL(Frequency-lockedLoop)是根據(jù)頻率進行直接定向控制，其相位角是由環(huán)路外部計算得到的。相位突變時FLL所得到的頻率分量不會受到相位變化的干擾。單相DDSOGI-FLL結(jié)構(gòu)網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：低短路比電網(wǎng)

（1）基于電網(wǎng)電壓調(diào)制型的鎖相同步方式電網(wǎng)電壓調(diào)制型GVM(GridVoltageModulated)的鎖相同步方式可以利用電網(wǎng)電壓信息進行鎖相同步?；贕VM的逆變器輸出電流控制結(jié)構(gòu)圖如下：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：低短路比電網(wǎng)

（1）基于電網(wǎng)電壓調(diào)制型的鎖相同步方式

GVM方法有許多優(yōu)點：(a)使系統(tǒng)成為線性時不變系統(tǒng)，便于控制器參數(shù)設(shè)計。(b)大幅降低有功功率和無功功率的紋波，并且對電網(wǎng)電壓和線路阻抗有良好的魯棒性。(c)保證收斂速度和快速的動態(tài)響應(yīng)能力，還可以減小SRF-PLL帶來的失穩(wěn)風(fēng)險。(d)在低短路比薄弱電網(wǎng)下具有良好的穩(wěn)定裕度。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：低短路比電網(wǎng)

（2）基于虛擬坐標系的直接功率鎖相同步方式

該方法是在固定角速度的同步參考系中實現(xiàn)的。其典型結(jié)構(gòu)圖如下所示：由于直接功率控制環(huán)帶寬較大，易導(dǎo)致高頻的穩(wěn)定性問題。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.3鎖相同步方式薄弱電網(wǎng)下的改進型鎖相同步方式：低短路比電網(wǎng)

（3）對稱PLL

參數(shù)或結(jié)構(gòu)不對稱的設(shè)備在低短路比電網(wǎng)下會出現(xiàn)頻率耦合現(xiàn)象。對稱PLL同時對d軸和q軸電網(wǎng)電壓信號進行調(diào)制，使系統(tǒng)成為一個單輸入單輸出系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如下所示：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法電流跟蹤控制環(huán)節(jié)概述高精度電流跟蹤控制環(huán)節(jié)在新能源機組控制中起到至關(guān)重要的作用，所選取的電流跟蹤控制精度的高低將對新能源機組控制方案的有效性產(chǎn)生決定性影響。作用：實施對多運行目標所配置的正、負序指令電流的高精度跟蹤控制。

分類：調(diào)節(jié)器可分為線性調(diào)節(jié)器、非線性調(diào)節(jié)器兩大類。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器（1）比例積分控制器：采用實施于多同步旋轉(zhuǎn)坐標系多PI調(diào)節(jié)器的跟蹤控制方案提高PI調(diào)節(jié)器跟蹤正弦電流指令的能力，結(jié)構(gòu)如下：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)變換過程對比例調(diào)節(jié)器不產(chǎn)生任何影響，對于積分調(diào)節(jié)器，將其從同步旋轉(zhuǎn)坐標系變換到靜止坐標系，可得到等效傳遞函數(shù)為：

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器同理可得復(fù)系數(shù)積分器的等效傳遞函數(shù)：將復(fù)系數(shù)因子消去得到的等效傳遞函數(shù)：網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器為便于區(qū)分，給出上述幾種積分器的對比表格：

廣義積分器矢量積分器降階環(huán)節(jié)二階環(huán)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器

網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法線性調(diào)節(jié)器（2）重復(fù)控制器(RC):解決多頻諧振控制器的不足。

基于內(nèi)?？刂圃?，對即時輸入誤差信號經(jīng)過恰當(dāng)?shù)难訒r再疊加即時輸入誤差信號，獲取RC控制器的輸出。重復(fù)RC調(diào)節(jié)器相當(dāng)于多個理想交流積分器并聯(lián)運行。

（3）線性二次型LQR調(diào)節(jié)器：基于狀態(tài)觀測器的線性最優(yōu)控制方案，通過建立線性模型并引入對控制系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量評價的二次型積分函數(shù)作為評價函數(shù)，控制以評價函數(shù)最小的方式為目標計算獲得狀態(tài)反饋所用的反饋矩陣。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法非線性調(diào)節(jié)器（1）滯環(huán)比較器通過對輸出電流、瞬時功率的誤差進行滯環(huán)比較，并根據(jù)預(yù)設(shè)的開關(guān)表選取合適的開關(guān)電壓矢量以及相應(yīng)的開關(guān)信號，實現(xiàn)對電力電子功率器件通斷的有效控制。（2）滑模(slidingmodecontrol,SMC)控制器可按一定特性迫使系統(tǒng)沿預(yù)設(shè)狀態(tài)與運行軌跡的無限小的鄰域內(nèi)運動，系統(tǒng)的預(yù)設(shè)狀態(tài)與運行軌跡僅取決于滑動面方程，而不受系統(tǒng)參數(shù)與外界擾動影響。網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法非線性調(diào)節(jié)器（3）預(yù)測控制根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和反饋信號，在每個采樣瞬間對當(dāng)前動作進行預(yù)測和尋優(yōu)以選擇合適的開關(guān)矢量以及通斷時間。包含基于模型預(yù)測思想的(modelpredictivecontrol,MPC)控制和無差拍(dead-beat,DB)控制兩大類網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法不同高精度電流跟蹤控制器對比

優(yōu)勢劣勢比例積分PI調(diào)節(jié)器控制簡單、實現(xiàn)便捷易受負序電壓的擾動影響，諧波抑制能力不足比例諧振PR調(diào)節(jié)器交流調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)指定頻率信號的誤差跟蹤嵌入高幅值增益的諧振控制，可能會降低相位裕度重復(fù)RC調(diào)節(jié)器具有多諧振峰值，可實施對諧波電流的統(tǒng)一調(diào)節(jié)諧振峰值處有效帶寬不足，幅值增益隨頻率增加而下降線性二次型LQR調(diào)節(jié)器適用于多變量反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可解決最優(yōu)求解問題輸出反饋項無法體現(xiàn)在LQR方程中，無法直接跟蹤指令網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2.4高精度電流跟蹤控制方法不同高精度電流跟蹤控制器對比

優(yōu)勢劣勢滯環(huán)比較調(diào)節(jié)器無需額外的復(fù)雜計算，結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、動態(tài)響應(yīng)快速開關(guān)頻率不確定，輸出電流諧波頻段寬滑模SMC調(diào)節(jié)器對模型誤差和系統(tǒng)內(nèi)外部擾動不敏感，魯棒性強數(shù)字離散實現(xiàn)的滑模運行偏差，易產(chǎn)生高頻小幅抖振模型預(yù)測MPC控制設(shè)置多種目標函數(shù)、動態(tài)響應(yīng)快采樣頻率高，對建模準確性要求高無差拍DB控制穩(wěn)態(tài)控制高精度、輸出電流正弦度高控制系統(tǒng)的參數(shù)依賴性強，需要繁瑣復(fù)雜的計算第三章風(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)電機組已達最高轉(zhuǎn)速，但風(fēng)力機的輸出功率尚未達到額定輸出狀態(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表達式：

實際運行中風(fēng)速較難準確檢測，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)的主要運行目標是實現(xiàn)對PMSG定子輸出有功、無功功率的精準調(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系下的數(shù)學(xué)模型也可以根據(jù)坐標變換關(guān)系得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型。

dq

旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程：

dq

旋轉(zhuǎn)坐標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，必須進行相應(yīng)的坐標變換。

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)坐標系dq+以角速度ω1旋轉(zhuǎn)，其d+軸與定子電壓三相靜止坐標系中的A軸分量存在初始相位角差θs0，因此