新能源發(fā)電技術(shù) 課件 第3-5章-風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)、光伏發(fā)電控制技術(shù)、光伏發(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(jī)組非耦合型半耦合型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組雙饋風(fēng)電機(jī)組永磁同步發(fā)電機(jī)（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(jī)（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(yùn)行控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤運(yùn)行機(jī)理雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型風(fēng)電機(jī)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

風(fēng)力機(jī)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(jī)吸收，故定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp來表征風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力：則風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

為便于討論Cp的特性，定義風(fēng)力機(jī)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?yàn)轱L(fēng)力機(jī)常通過一增速比為N的變速齒輪箱來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，故發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)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(jī)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

保持槳葉節(jié)距角β不變時(shí)，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(jī)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

定槳距風(fēng)力機(jī)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(jī)功率－轉(zhuǎn)速曲線上最大功率點(diǎn)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(yùn)行控制風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

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

式中kw為一個(gè)與風(fēng)力機(jī)有關(guān)的常數(shù)：

由此可知，一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī)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(yùn)行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行可按四個(gè)區(qū)域來實(shí)施控制，即啟動(dòng)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(yùn)行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

（1）啟動(dòng)區(qū)（AB段）

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

（2）最大風(fēng)能追蹤區(qū)（BC段）

風(fēng)電機(jī)組已并網(wǎng)且運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速以下，風(fēng)力機(jī)槳葉節(jié)距角處于不調(diào)節(jié)的定槳距運(yùn)行狀態(tài)。該區(qū)域內(nèi)實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制的變速運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速作相應(yīng)變化，以確保風(fēng)力機(jī)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(yùn)行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

（3）恒轉(zhuǎn)速區(qū)（CD段）

風(fēng)電機(jī)組已達(dá)最高轉(zhuǎn)速，但風(fēng)力機(jī)的輸出功率尚未達(dá)到額定輸出狀態(tài)。此時(shí)通過風(fēng)力機(jī)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(yùn)行。

（4）恒功率區(qū)（DE段）

隨著風(fēng)速的增大風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率不斷增大，發(fā)電機(jī)達(dá)到其功率極限。此時(shí)由風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)通過變槳距實(shí)現(xiàn)恒功率控制，從而使得機(jī)組的輸出功率不超過額定值，風(fēng)電機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)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(yùn)行機(jī)理

不同風(fēng)速v1

>v2>v3下，定槳距控制風(fēng)力機(jī)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(gè)最佳轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機(jī)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(yùn)行機(jī)理

最佳功率Popt表達(dá)式：

實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)速較難準(zhǔn)確檢測，無法直接給出與之相對(duì)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(jī)軸上吸收的機(jī)械功率，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的間接控制：檢測風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速代入Popt表達(dá)式計(jì)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(yùn)行機(jī)理

最大風(fēng)能追蹤實(shí)現(xiàn)過程：初始時(shí)刻，風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)風(fēng)速由v3突變?yōu)関2風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率由PoA突變?yōu)镻oB轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，發(fā)電機(jī)電磁功率仍為PoA機(jī)械功率大于電磁功率，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升

二者重新平衡于C點(diǎn)（風(fēng)速v2下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率點(diǎn)）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(yùn)行機(jī)理

最大風(fēng)能追蹤實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比：

風(fēng)力機(jī)控制發(fā)電機(jī)控制巨大風(fēng)輪機(jī)械時(shí)間常數(shù)大，動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)慢機(jī)械式槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快電氣系統(tǒng)控制相對(duì)簡單

因此，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組通常就是通過控制發(fā)電機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤運(yùn)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制

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

在實(shí)際運(yùn)行中需要實(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計(jì)算 DFIG的有功功率關(guān)系：亞同步運(yùn)行（s>0）同步運(yùn)行（s=0）超同步運(yùn)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計(jì)算

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

與Popt曲線上最大輸出功率Pmax相等時(shí)，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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計(jì)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(shí)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制有功功率參考值Ps*的計(jì)算

可以看出，Ps*參考值計(jì)算中需要用到DFIG參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、風(fēng)力機(jī)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(jì)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計(jì)算

無功功率參考值Qs*的計(jì)算原則是DFIG允許運(yùn)行范圍內(nèi)，選取能使某一性能評(píng)價(jià)函數(shù)f達(dá)到最優(yōu)的那個(gè)無功功率值。選用不同的性能評(píng)價(jià)函數(shù)將會(huì)有不同的Qs*值計(jì)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(yùn)行工況來選取性能評(píng)價(jià)函數(shù)；

②從降低DFIG損耗、優(yōu)化風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行效率來選取性能評(píng)價(jià)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計(jì)算

當(dāng)采取最大程度降低風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行損耗作為選取無功功率參考值Qs*的原則時(shí)，應(yīng)將DFIG各種功率損耗Pi之和作為評(píng)價(jià)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計(jì)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計(jì)算

當(dāng)Qs*=-b/(2a)時(shí)，評(píng)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制無功功率參考值Qs*的計(jì)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(yùn)行要求來給定。 DFIG基于運(yùn)行優(yōu)化的無功功率參考值的計(jì)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(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制最大風(fēng)能追蹤控制的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算出Ps*和Qs*后，為了實(shí)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(jī)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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步發(fā)電機(jī)采用直流電流勵(lì)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(lì)磁，可調(diào)量有勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位。

DFIG具有的變速恒頻運(yùn)行能力，使它在以下幾方面比同步發(fā)電機(jī)具有更為優(yōu)良的運(yùn)行性能： 1.可在原動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行條件下實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定性 3.可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變速恒頻運(yùn)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(jī)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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速nr變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2來保持定子輸出頻率f1恒定，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行：

（1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步速，f2>0，轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jī)轉(zhuǎn)子通過勵(lì)磁變頻器從電網(wǎng)輸入轉(zhuǎn)差功率；

（2）超同步運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步速，f2<0，轉(zhuǎn)子勵(lì)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(lì)磁變頻器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率；

（3）同步運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)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(lì)磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(yùn)行目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)側(cè)變流器對(duì)定子電流的有效控制來實(shí)現(xiàn)。

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器及發(fā)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中的永磁同步發(fā)電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、時(shí)變的高階系統(tǒng)，為了便于對(duì)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(jī)三相定子繞組完全對(duì)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(shí)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(dòng)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(diǎn)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(duì)永磁體以及電機(jī)參數(shù)的影響。

正方向的定義為：定子繞組采用發(fā)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組中永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為： 4.運(yùn)動(dòng)方程

永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)輸出的瞬時(shí)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(yùn)行目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)側(cè)變流器對(duì)轉(zhuǎn)子電流的有效控制來實(shí)現(xiàn)。

雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器及發(fā)電機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

雙饋異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、時(shí)變的高階系統(tǒng)，為了便于對(duì)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(duì)稱，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)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(diǎn)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(duì)繞組電阻的影響；

（5）如無特別說明，機(jī)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(dòng)機(jī)慣例，即向繞組內(nèi)部看時(shí)，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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(gè)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型 3.轉(zhuǎn)矩方程

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： 4.運(yùn)動(dòng)方程

雙饋電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

通常假定D=0，K=0，則有：

同時(shí)，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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(shí)，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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，從而獲得如同直流電動(dòng)機(jī)一般好的轉(zhuǎn)矩特性，能很好的控制交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。變換后的d繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，id相當(dāng)于勵(lì)磁電流；q繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(gè)電壓矢量，其中2個(gè)零矢量、6個(gè)有效矢量，每一個(gè)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

圖中虛線六邊形內(nèi)任意一個(gè)電壓矢量V均可以通過某兩個(gè)有效矢量和零矢量合成得到。對(duì)PMSG的控制即可通過控制策略計(jì)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(shí)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

永磁同步電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求不高，本教材在研究各種WECS時(shí)，對(duì)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(jì)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)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(hào)注入法，另一類是只適合于中高速的基于電機(jī)反電勢計(jì)算的方法。

電機(jī)反電勢估算法容易實(shí)現(xiàn)，且電機(jī)反電勢估算法在低轉(zhuǎn)速時(shí)估算精度低的缺點(diǎn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行影響較小，因此本教材將采用基于反電勢計(jì)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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)。

PLL用到基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置估算的原理圖：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3.5風(fēng)電機(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

在一個(gè)采樣周期內(nèi)imd變化較小，為了簡化計(jì)算，忽略掉微分項(xiàng)：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(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制 PMSG轉(zhuǎn)子位置/轉(zhuǎn)速估算的控制框圖：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3.5風(fēng)電機(jī)組的矢量控制技術(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器的控制框圖：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3.5風(fēng)電機(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

不平衡及諧波電網(wǎng)電壓條件下兩相正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+中的DFIG轉(zhuǎn)子電壓方程可表示為：

由上式可得轉(zhuǎn)子電流微分表達(dá)式：

需要說明的是，上式中的電壓及電流分量中均包含了正序基頻分量、負(fù)序基頻分量以及5次和7次諧波分量。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(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

基于上式，可以得到：

式中：

Gc(s)為電流調(diào)節(jié)器，一般情況下可以為比例積分PI調(diào)節(jié)器，或者比例積分諧振PIR調(diào)節(jié)器。后半部分的兩項(xiàng)表達(dá)式為解耦補(bǔ)償項(xiàng)，即：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(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

轉(zhuǎn)子電流正序基頻分量可表示為：

根據(jù)上式，可以得到不平衡及諧波電網(wǎng)電壓條件下兩相正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq+中的網(wǎng)側(cè)變流器微分形式電流表達(dá)：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(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

Gc(s)為電流調(diào)節(jié)器，一般情況下可以為比例積分PI調(diào)節(jié)器，或者比例積分諧振PIR調(diào)節(jié)器；而上式中的后半部分的兩項(xiàng)表達(dá)式為解耦補(bǔ)償項(xiàng)，即：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(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

由于網(wǎng)側(cè)變流器需維持直流側(cè)電壓的相對(duì)穩(wěn)定，因此其有功軸電流指令，可表示為：

在實(shí)際應(yīng)用中，令網(wǎng)側(cè)變流器保持單位功率因數(shù)運(yùn)行，即要求無功功率保持為零，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3.5風(fēng)電機(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器電流矢量控制框圖：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3.5風(fēng)電機(jī)組的矢量控制技術(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器電流矢量控制框圖：第四章光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略

第四章光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)光伏電池端口特性曲線：端口電壓較低，光伏電池恒電流輸出，隨著端口電壓增大，輸出功率線性增大；端口電壓較高，光伏電池處于恒電壓工作模式，輸出功率開始下降。當(dāng)前光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低，會(huì)顯著受到日照輻射量和溫度的影響；為有效提高光伏電池的運(yùn)行效率，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，傳統(tǒng)的MPPT優(yōu)化算法有：①定電壓跟蹤法、②擾動(dòng)觀察法、③導(dǎo)納增量法等光伏電池的輸出特性新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開環(huán)的MPPT算法：工作原理：對(duì)于光伏電池，在同一溫度、不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)近似分布在一條恒定電壓線的附近，因此將其端口電壓控制為最大相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性功率點(diǎn)電壓，即得到不同光照強(qiáng)度下的近似最大功率。光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓Vm與開路電壓Voc之間存在近似的比例關(guān)系：*

——取決于光伏電池的特性，通常取值為0.8。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開環(huán)的MPPT算法：缺點(diǎn)：相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性未能考慮溫度變化；環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)無法自動(dòng)跟蹤新的最大功率點(diǎn)，能量損耗增加，跟蹤效率降低。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法：在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上串聯(lián)輸出功率-電壓變化量判別環(huán)節(jié)：附加功率反饋的定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法流程圖端口電壓<Vm，dPv/(dV)<0，控制端口電壓增大；端口電壓>Vm，dPv/(dV)>0，控制端口電壓減??；dPv/(dV)=0時(shí)，搜尋到新的最大功率點(diǎn)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法優(yōu)點(diǎn)：控制簡單且易實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：最大功率點(diǎn)跟蹤精度差；跟蹤控制的適應(yīng)性差，對(duì)外界環(huán)境條件的變化不具有追蹤能力。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法定步長擾動(dòng)觀測法：工作原理給予光伏電池初始的端口電壓,擾動(dòng)觀測法的基本搜尋邏輯示意對(duì)輸入電壓進(jìn)行有限變化，檢測輸出功率的變化大小和方向，進(jìn)一步對(duì)輸入電壓進(jìn)行有限變化，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池的自尋優(yōu)控制。特點(diǎn)：光伏電池的電壓步進(jìn)長度決定了MPPT的追蹤效率和追蹤精度，電壓步進(jìn)長度無限小促使MPPT無差，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過程緩慢。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法定步長擾動(dòng)觀測法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)工作點(diǎn)變?yōu)樽畲蠊β庶c(diǎn)，即Vp_1=Vm：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩。工作點(diǎn)偏移至最大功率點(diǎn)右側(cè)，即Vp_1>Vm：Pv_1>PvPv_1<PvPv_1=Pv擾動(dòng)觀測法的電壓振蕩情況1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法定步長擾動(dòng)觀測法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1>Pv：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度大于負(fù)向電壓偏移幅度。擾動(dòng)觀測法的電壓振蕩情況2.1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法定步長擾動(dòng)觀測法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1<Pv：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp→Vp_2→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度小于負(fù)向電壓偏移幅度。擾動(dòng)觀測法的電壓振蕩情況2.2新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法定步長擾動(dòng)觀測法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1=Pv：振蕩模式與步進(jìn)判定規(guī)則有關(guān)：如果步進(jìn)判定規(guī)則設(shè)定光伏電池電壓：不再調(diào)整：未達(dá)到最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)MPPT；增大：則系統(tǒng)進(jìn)入類似于2.1和2.2中的三點(diǎn)振蕩狀態(tài)；減?。合到y(tǒng)進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp的兩點(diǎn)振蕩狀態(tài)。缺點(diǎn)：存在判定速度和判定精度的矛盾以及判定振蕩的問題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測法變步長擾動(dòng)觀測法（基于變步長的逐步逼近法）：工作原理在開始搜索時(shí)，采用較大的步長搜尋最大功率點(diǎn)所在區(qū)域，然后在每一次改變方向時(shí)將步長縮小，如此循環(huán)，每一輪新的搜索都能成倍提升搜索精度，在未顯著增加搜索次數(shù)的前提下，搜索精度得到了指數(shù)形式提高。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法光伏電池MPPT策略通過搜索dPv/(dVp)=0的工作點(diǎn)，確定最大功率點(diǎn)，對(duì)輸出功率進(jìn)行全微分：則dPv/(dVp)可進(jìn)一步表示為：（判定其正負(fù)性的依據(jù)）當(dāng)dPv/(dVp)=0時(shí)，上式可寫為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法工作點(diǎn)判定依據(jù)：dIp/dVp與Ip/Vp的關(guān)系圖區(qū)別：導(dǎo)納增量法：用當(dāng)前狀態(tài)判斷，能鎖定最大功率點(diǎn)狀態(tài)；擾動(dòng)觀測法：用狀態(tài)趨勢判斷，不能鎖定最大功率點(diǎn)狀態(tài)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法特點(diǎn)：①控制效果好；②控制穩(wěn)定度高；③功率-電壓曲線不會(huì)因外界環(huán)境條件及時(shí)間變化而改變其單峰曲線的屬性，因此導(dǎo)納增量法無原理性誤差。導(dǎo)納增量法流程圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)本節(jié)內(nèi)容：基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略控制系統(tǒng)：①電壓外環(huán)控制；②電流內(nèi)環(huán)控制。并網(wǎng)變流器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的關(guān)系表達(dá)式為：并網(wǎng)變流器雙饋機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器相同問題：①電流耦合；②電壓擾動(dòng)影響電流控制。①②新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略解決方案：①對(duì)d、q軸電流進(jìn)行解耦；②對(duì)電壓擾動(dòng)作前饋補(bǔ)償。帶解耦和擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妷弘娏麟p閉環(huán)矢量控制框圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略通過直流母線電壓控制環(huán)節(jié)，得到并網(wǎng)電流參考矢量：并網(wǎng)變流器輸出電壓為：其中：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)點(diǎn)：有功/無功功率控制迅速、解耦；電能質(zhì)量優(yōu)越。缺點(diǎn)：采用電流源控制，無法參與電網(wǎng)頻率及電壓支撐；采用電力電子器件并網(wǎng)導(dǎo)致缺乏一定的慣性，可能引發(fā)穩(wěn)定性問題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略有功功率控制和頻率穩(wěn)定的虛擬轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可表示為：變流器無功功率控制采用無功-電壓下垂控制，電網(wǎng)電壓幅值可表示為并網(wǎng)變流器輸出電壓的相位角和幅值分別為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略電網(wǎng)頻率支撐調(diào)整有功功率輸出電網(wǎng)電壓支撐調(diào)整無功功率輸出變流器電壓輸出相位和幅值由虛擬同步發(fā)電機(jī)的P、Q產(chǎn)生?；谔摂M同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)控制策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理光伏變流器與本地RLC負(fù)荷相連，當(dāng)電網(wǎng)接觸器(S1)斷開瞬間，RLC上仍有電流，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)仍光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖有電壓。S1斷開前，變流器、本地負(fù)載、電網(wǎng)的關(guān)系：S1斷開時(shí)，系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。RLC為并聯(lián)支路，并網(wǎng)電壓和頻率均滿足：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理接觸器開關(guān)瞬間前后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓分別滿足如下表達(dá)式：電網(wǎng)電壓作用光伏變流器作用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理因此，孤島運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值Vis、電壓頻率fis與Vg、fg的關(guān)系為：根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值和頻率可以檢測孤島運(yùn)行狀態(tài)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略孤島檢測方法通過電網(wǎng)與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的無線電通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測電網(wǎng)端的發(fā)送器發(fā)送信號(hào)，通過電力線路傳遞信息，用戶端的接收器檢測電網(wǎng)上是否有發(fā)生器發(fā)送的信號(hào)，如果沒有收到則認(rèn)為電網(wǎng)已經(jīng)斷開。光伏變流器的局部反孤島策略被動(dòng)式光伏檢測法主動(dòng)式光伏檢測法新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過電壓/欠電壓孤島檢測法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值超出標(biāo)準(zhǔn)容許電壓范圍時(shí)，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機(jī)，實(shí)現(xiàn)反孤島運(yùn)行。檢測盲區(qū)并網(wǎng)變流器采用功率控制模式：并網(wǎng)變流器采用電流控制模式：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過頻/欠頻孤島檢測法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率超出標(biāo)準(zhǔn)容許頻率范圍時(shí)，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機(jī)，實(shí)現(xiàn)反孤島運(yùn)行。檢測盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒功率控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過頻/欠頻孤島檢測法檢測盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒電流控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測法及檢測盲區(qū)相位跳變檢測法基本原理測量并網(wǎng)點(diǎn)電壓和變流器輸出電流之間的相位差值，當(dāng)相位差值大于定值，則判定系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。檢測盲區(qū)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測法及檢測盲區(qū)電壓諧波檢測法基本原理當(dāng)電網(wǎng)跳閘后，并網(wǎng)變流器的諧波電流在負(fù)載阻抗中形成諧波電壓，電壓畸變導(dǎo)致非線性負(fù)荷進(jìn)一步發(fā)射諧波電流，從而惡化并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量。檢測閾值設(shè)定困難。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測法基于頻率偏移的主動(dòng)式孤島檢測方案基本原理光伏并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)注入略微畸變的電流，當(dāng)電網(wǎng)與變流器未斷開時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)頻率不可改變，當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，頻率產(chǎn)生持續(xù)的單向偏移，從而實(shí)現(xiàn)孤島檢測。主動(dòng)式頻率偏移法施加的電流波形新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測法基于頻率偏移的主動(dòng)式孤島檢測方案基于頻率正反饋的主動(dòng)頻移反孤島策略將死區(qū)時(shí)間與交流周期的比值定義為死區(qū)分?jǐn)?shù)，每個(gè)周期的死區(qū)分?jǐn)?shù)由上一個(gè)周期的死區(qū)分?jǐn)?shù)和當(dāng)前變流器端電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率偏差共同決定，如：優(yōu)點(diǎn)(1)降低對(duì)電能質(zhì)量的影響；(2)減小檢測盲區(qū)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測法基于功率擾動(dòng)的主動(dòng)式孤島檢測方案基本原理周期性地改變光伏并網(wǎng)變流器的輸出功率，使其與電網(wǎng)斷開后，輸出的有功功率與負(fù)荷有功功率關(guān)系平衡，從而使得并網(wǎng)電壓幅值越限。在變流器電流指令參考基礎(chǔ)上疊加電流干擾信號(hào)：當(dāng)變流器與電網(wǎng)斷開，并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生改變：（偏差能夠被檢測）新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測法基于功率擾動(dòng)的主動(dòng)式孤島檢測方案采用正反饋控制輸出將電流擾動(dòng)值設(shè)定為并網(wǎng)點(diǎn)電壓與額定電壓的正反饋來控制輸出：（迅速放大電壓偏差）新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院思考題1.列舉常用的光伏MPPT技術(shù)，并從跟蹤精度、電壓穩(wěn)定性、實(shí)施難度、工況適應(yīng)性等方面分析各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。2.圖文說明定電壓擾動(dòng)觀測法中，電壓正負(fù)向等值振蕩的發(fā)生機(jī)理，并提出應(yīng)對(duì)方案；分析所提方案的優(yōu)缺點(diǎn)。3.基于公式推導(dǎo)說明光伏MPPT導(dǎo)納增量法的工作原理及系統(tǒng)狀態(tài)判定依據(jù)。4.簡述基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略參與電網(wǎng)支撐的工作原理。5.說明孤島檢測的必要性和意義。6.寫出功率控制模式下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓/頻率在接觸器斷開前后的表達(dá)式，并進(jìn)一步分析孤島效應(yīng)的發(fā)生條件。7.分類列舉常見的孤島效應(yīng)檢測方法。8.某光伏并網(wǎng)變流器的有功外環(huán)為功率(直流電壓)-電流雙閉環(huán)，無功環(huán)采用的是無功電流單閉環(huán)控制，系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)運(yùn)行。分析此時(shí)采用被動(dòng)式孤島檢測的電壓檢測盲區(qū)和頻率檢測盲區(qū)，其中(電壓正常范圍(Vis_min，Vis_max)，頻率正常范圍(fis_min，fis_max))。第五章儲(chǔ)能控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能變流器黑啟動(dòng)控制技術(shù)

第五章儲(chǔ)能控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型簡單電池模型

簡單電池模型由理想電池和等價(jià)電阻串聯(lián)組成：

圖中，E0為開路電壓，V0為儲(chǔ)能電池的端電壓。

該模型不考慮電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)和電解液濃度而變化的特性，一般應(yīng)用于不限電量和不考慮荷電狀態(tài)的電路仿真實(shí)驗(yàn)中。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型

Thevenin電池模型 Thevenin電池模型由電壓E0，內(nèi)阻R0，電容Cp和過壓電阻Rp組成：

圖中，Cp為平行金屬板間的電容，Rp為非線性阻抗，即極化阻抗；該模型的所有元件值都是電池在不同狀態(tài)條件下的函數(shù)。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型三階動(dòng)態(tài)等效模型

主要由主支路和寄生支路組成：

主反應(yīng)支路由電阻R1、R2、電容C和電壓源Em構(gòu)成，考慮了電極反應(yīng)、能量散發(fā)和歐姆效應(yīng)；寄生支路由Rp、Ep和一個(gè)二極管組成，考慮了充電過程的析氣效應(yīng)等副反應(yīng)。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型其他等效模型 RC模型：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但精度很差； PNGV模型：具有很高精度，但結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，溫度、電流和SOC之間的耦合度很高。RC模型PNGV模型儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型各模型適用情況

在并非針對(duì)儲(chǔ)能電池特性進(jìn)行研究的仿真中，一般采用簡單等效電路；

對(duì)于Thevenin模型和三階等效電路模型，為了精確反應(yīng)電池內(nèi)部反應(yīng)情況，其具有非常高的耦合度和復(fù)雜的計(jì)算過程；

模型能滿足研究需求，但是要大量時(shí)間用于調(diào)整參數(shù)。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)模型

將可控電壓源和固定電阻串聯(lián)，可兼顧電池模型的準(zhǔn)確性和易用性：

儲(chǔ)能電池內(nèi)阻的變化轉(zhuǎn)化為端電壓的動(dòng)態(tài)變化，從而簡化內(nèi)部化學(xué)變化。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1儲(chǔ)能電池?cái)?shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)模型

可控電壓源的充電電壓可表示為：

放電電壓可表示為：E0：儲(chǔ)能電池起始電壓K：極化阻抗Q：儲(chǔ)能電池容量i*：低頻動(dòng)態(tài)電流

儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)主電路模型igabc、vgabc：交流測的三相電流和電壓Vdc：儲(chǔ)能變流器直流側(cè)電壓Rgabc：包括電抗器電阻在內(nèi)的每相線路電阻C：直流母線電容Iload：直流側(cè)的電流Lgabc：每相進(jìn)線電抗器的電感儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)三相靜止坐標(biāo)系下式中，Sgabc為三相PWM變換器中各相橋臂的開關(guān)函數(shù)，定義上橋臂功率元件導(dǎo)通時(shí)為1、下橋臂功率元件導(dǎo)通時(shí)為0。儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)三相靜止坐標(biāo)系下儲(chǔ)能變流器交流側(cè)三相電流之和應(yīng)為零：

將上式代入變流器數(shù)學(xué)模型可得：儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)三相靜止坐標(biāo)系下儲(chǔ)能變流器交流側(cè)的三相線電壓與各相橋臂開關(guān)函數(shù)Sga、Sgb、Sgc關(guān)系為：轉(zhuǎn)換為相電壓儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)三相靜止坐標(biāo)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(duì)單儲(chǔ)能變流器的運(yùn)行條件未做任何假定，故在電網(wǎng)電壓波動(dòng)、三相不平衡等情況下均能有效適用。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)幅值守恒原則下的坐標(biāo)變換關(guān)系

由三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止αβ坐標(biāo)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(biāo)系到兩相同步速ω1旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換簡稱為2s/2r變換，其變換矩陣和矢量關(guān)系如下：儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)

根據(jù)3s/2s與2s/2r變換，可得由三相靜止坐標(biāo)系到兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系間的變換矩陣為：

三相靜止(a，b，c)坐標(biāo)系、兩相靜止(α，β)坐標(biāo)系以及兩相同步速ω1旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標(biāo)系中，空間矢量F(廣義地代表電壓、電流、磁鏈等)的空間位置關(guān)系如圖：儲(chǔ)能控制技術(shù)幅值守恒原則下的坐標(biāo)變換關(guān)系?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院兩相靜止坐標(biāo)系下

若三相進(jìn)線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，αβ坐標(biāo)系下儲(chǔ)能變流器數(shù)學(xué)模型為：ugα

、ugβ

:電網(wǎng)電壓的α

軸、β

軸分量igα

、igβ

:變流器輸入電流的α

軸、β

軸分量vgα、vgβ

:變流器中三相交流側(cè)電壓的α

軸、β

軸分量Sα、Sβ

:開關(guān)函數(shù)的α

軸、β

軸分量5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下

若三相進(jìn)線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，dq坐標(biāo)系下儲(chǔ)能變流器數(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軸分量儲(chǔ)能控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下

令Ug=ugd+jugq為電網(wǎng)電壓矢量，當(dāng)坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量時(shí)，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：儲(chǔ)能控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)

矢量控制是常見的變流器控制策略之一，儲(chǔ)能變流器的控制系統(tǒng)包含功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制兩個(gè)部分。5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

變流器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型：

儲(chǔ)能變流器的d軸、q軸電流不僅受vgd、vgq的控制，還受到電流交叉耦合項(xiàng)ω1Lgigq、ω1Lgigd，電阻壓降Rgigd、Rgigq以及電網(wǎng)電壓ugd的影響。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)。儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

，

定義為：為了消除控制靜差，通過比例積分調(diào)節(jié)器來設(shè)計(jì)如下電流控制器:儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

由此可得儲(chǔ)能變流器的電壓指令：

在儲(chǔ)能變流器的控制中引入了電流狀態(tài)反饋量ω1Lgigq、ω1Lgigd來實(shí)現(xiàn)解耦，同時(shí)引入電阻壓降項(xiàng)Rgigd、Rgigq和電網(wǎng)擾動(dòng)電壓項(xiàng)ugd進(jìn)行前饋補(bǔ)償。

實(shí)現(xiàn)d軸、q軸電流的獨(dú)立控制，并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

儲(chǔ)能變流器采用功率、電流雙閉環(huán)控制，通過電流狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)兩軸電流間的解耦控制，通過功率前饋實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)功率擾動(dòng)的補(bǔ)償。儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院功率外環(huán)控制器采取經(jīng)典的PI控制器，將瞬時(shí)功率與給定功率比較后送入PI控制器，進(jìn)而得到有功電流與無功電流的數(shù)值。傳統(tǒng)矢量控制控制目標(biāo)為輸出功率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能變流器具有調(diào)峰控制和緊急功率控制能力。通過添加電壓下垂控制環(huán)節(jié)和頻率下垂控制環(huán)節(jié)，也可使儲(chǔ)能變流器具有調(diào)壓控制和調(diào)頻控制能力。不足的是，矢量控制依賴鎖相環(huán)，電網(wǎng)電壓頻率擾動(dòng)會(huì)影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而影響矢量控制性能。儲(chǔ)能變流器矢量控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院傳統(tǒng)矢量控制的儲(chǔ)能變流器由于幾乎沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，無法為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐，也無法提供必要的慣性和阻尼。傳統(tǒng)控制策略大多需要鎖相環(huán)來提供電網(wǎng)電壓的幅值和相位基準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)自同步并網(wǎng)。虛擬同步機(jī)(VirtualSynchronousGenerator,VSG)控制策略的本質(zhì)是通過控制逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理，從而獲得類似同步發(fā)電機(jī)一樣的運(yùn)行特性。儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

虛擬同步機(jī)控制的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)Vdc：直流母線電壓vga,vgb,vgc：逆變器交流側(cè)輸出的三相電壓L1,R1,R2,C：LC濾波器參數(shù)iga,igb,igc：電網(wǎng)三相電流?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

虛擬同步機(jī)控制策略的有功控制環(huán)和無功控制環(huán)分別模擬了同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能。虛擬同步機(jī)的有功環(huán)和無功環(huán)的數(shù)學(xué)模型為：儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)P*、Q*：VSG輸出有功和無功功率的參考值P、Q：VSG輸出有功和無功功率的反饋值Ug*、Ug：電網(wǎng)電壓幅值的額定值和反饋值E：VSG輸出電勢的幅值ω*、ω：電網(wǎng)電角速度的額定值和實(shí)際值J：虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量K：模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)的慣性系數(shù)Dp：阻尼系數(shù)Dq：無功-電壓下垂系數(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 VSG算法的基本控制框圖如圖：儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)

通過有功-頻率和無功-電壓的控制作用，VSG控制策略可以獲得與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相似的運(yùn)行特性，從而為電網(wǎng)提供慣性和阻尼支持。?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

引入dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制環(huán)以提高穩(wěn)定性和電流控制能力，將VSG輸出電勢的角度θ設(shè)為d軸方向。儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)E：VSG輸出的電勢矢量Ug：電網(wǎng)電壓矢量ugd、ugq：電網(wǎng)電壓矢量的d,q軸分量igd、igq：電網(wǎng)電流的d,q軸分量igd*、igq*：電網(wǎng)電流的d,q軸分量的參考值PI：比例-積分控制器?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院有功—頻率控制環(huán)節(jié)可以響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，并為電網(wǎng)提供頻率和慣量支撐，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器一次調(diào)頻的功能。無功—電壓控制環(huán)節(jié)中的電壓下垂控制可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的一次調(diào)壓功能；且控制無需鎖相環(huán)定向，避免了電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)性能的影響。虛擬同步機(jī)控制作為一種慣性控制策略，可以有效為電網(wǎng)提供慣性支撐。儲(chǔ)能變流器虛擬同步機(jī)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院電池的荷電狀態(tài)：電池的可利用容量與額定容量的百分比。電池的循環(huán)壽命：電池在容量衰減至某一規(guī)定值之前經(jīng)歷的總充放電次數(shù)。荷電狀態(tài)反饋：使儲(chǔ)能系統(tǒng)在補(bǔ)償功率波動(dòng)的同時(shí)保證其荷電狀態(tài)不超出既定的范圍。在儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC過高（充電）或過低（放電）時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電系數(shù)，以此來減小該儲(chǔ)能裝置的出力。計(jì)及儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)的儲(chǔ)能變流器改進(jìn)控制技術(shù)5.2儲(chǔ)能變流器控制技術(shù)儲(chǔ)能控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

將儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC劃分為5個(gè)區(qū)間：

Dm為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電系數(shù)，設(shè)定最小值（QSOC_min）為0.1，較低值（QSOC_low）為0.2，較高值（QSOC_high）為0.8和最大值（QSOC_max）為0