【正文】 t ................................................................................................................ II 第 1 章 緒論 .........................................................................................................1 課題背景 ...............................................................................................1 選題的依據(jù)和意義 .......................................................................1 研究不平衡電網(wǎng)下風力發(fā)電機特性的意義 ...............................1 國內(nèi)外研究動態(tài) ...................................................................................2 變速恒頻風力發(fā)電的發(fā)展 ...........................................................2 不對稱電網(wǎng)下 DFIG 變流器的控制 ............................................3 研究的主要內(nèi)容 ..................................................................................5 第 2 章 風速模型和風力機模型的建立 .............................................................6 風速模型的建立 ...................................................................................6 風力機模型的建立 ...............................................................................8 本章小結(jié) .............................................................................................12 第 3 章 雙饋風機的建模與輸出特性 ...............................................................13 雙饋風力發(fā)電機的運行原理 .............................................................13 雙饋風力發(fā)電機的數(shù)學模型 .............................................................14 不平衡度的計算方法 .........................................................................15 雙饋電機正常情況下的仿真 .............................................................16 雙饋電機不平衡情況下的仿真 .........................................................20 本章小結(jié) .............................................................................................24 第 4 章 不平衡情況下雙饋風機的數(shù)學模型 ...................................................26 對稱分量法 .........................................................................................26 不平衡條件下雙饋風機的數(shù)學模型 .................................................28 與電網(wǎng)連接的雙饋風機不平衡情況下的仿真 .................................31 本章小結(jié) ..............................................................................................34 結(jié)論 .....................................................................................................................35 參考文獻 .............................................................................................................37 IV 致謝 ..................................................................................................................... 39 附錄 ..................................................................................................................... 40 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 選題的依據(jù)和意義 能源是人類經(jīng)濟社會生活不可缺少的一部分，隨著社會的進步，全球能源需求量不斷的增加，而非可再生能源如煤、石油的儲量逐漸減少。全球風能儲量巨大，任何國家和地區(qū)都有分布，通過調(diào)查估算可以轉(zhuǎn)換為電能的風力資源約 53 萬億 kWh 每年，大約為 20 年后全球電力需求的兩倍 [1]。 目前 DFIG風電機組的變速恒頻運行主要是通過對轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器采用 dq 軸解耦控制來實現(xiàn)的。電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制以雙饋電機數(shù)學模型為依據(jù)建立，電網(wǎng)側(cè)變流器的控制以電壓型 PWM 變流器的數(shù)學模型建立，在電網(wǎng)電壓平衡時，采用傳統(tǒng)矢燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 2 量控制方案可使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；但當電網(wǎng)電壓不平衡時，轉(zhuǎn)統(tǒng)矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。如果風力發(fā)電的控制系統(tǒng)未考慮電壓不平衡的情況，不平衡的定子電壓 將會引起定子電流的不平衡、轉(zhuǎn)子電流畸變，導致定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動，從而引發(fā)機械振動，對機械設備的持續(xù)穩(wěn)定運行造成影響，同時電機定子輸出的有功功率和無功功率中也都包含脈動。以風力發(fā)電機運行方式作為依據(jù)將風力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻（ Va riable Speed Constant Frequency， 簡稱 VSCF）風力發(fā)電和 恒速恒頻（ Constant Speed Constant Frequency， 簡稱 CSCF）風力發(fā)電 [2]。 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)通過背靠背式 PWM 變流器控制雙饋感應發(fā)電機的運行狀態(tài)，一方面，由于雙饋感應電機定、轉(zhuǎn)子之間的電磁關(guān)系，雙饋感應電機 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器只需控制轉(zhuǎn)差功率就可以調(diào)節(jié)雙饋感應電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對風能的最大捕獲，與直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)相比，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量大大減?。毫硪环矫?，通過改變電機側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電流幅值和相位來分別調(diào)節(jié)雙饋電機定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率，從而實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行。由此看出，設計 DFIG 電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的變流器的控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的非常有必要的。此外，基于 比例諧振調(diào)節(jié)器 [11]和高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的運行研究也有相應報道。網(wǎng)側(cè)逆變器 控制內(nèi)環(huán)采用電流前饋控制，并控制負序電流為零，外環(huán)采用電壓環(huán)穩(wěn)定直流電壓[9]。 5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對 PS． VS 子功能與 NS. VR 子功能的容量分配算法。 分別建立了它們的數(shù)學模型 ， 運 用 Simulink 進行了仿真； 簡要分析了它們的輸出特性。 最后，分析了雙饋電機不平衡情況下的數(shù)學建模。數(shù)學公式表達為 : W W B W G W S W NV V V V V? ? ? ? (21) 式中各分量具體含義如下： (1) WBV 為基本風分量，是風速模型的平均風速 ； (2) WGV 為陣風分量，表示突然變化的風速成份，數(shù)學模型表示為： 1 1 211 1 2220122G G GWG G m a x GG G GGGt t o r t t tV Vt tc o s t t t ttt?? ? ?????? ??? ? ? ? ? ?????? ????? (22) 其中， 1Gt 、 2Gt 為陣風開始和持續(xù)時間 ， GmaxV 為陣風的最大風速； (3) WSV 為階躍風分量，描述的是漸變的風速，數(shù)學模型為： 12212122201S S SSW S Sm ax S SSSSm ax S S St t or t t tttV V t t tttV t t t t? ? ??? ????? ? ? ?? ??????? ? ? ?? (23) 其中， 1St 、 St 、 2St 為 階躍風的開始、保持和 終止時間， SmaxV 為階躍風的峰值； (4) WNV 為隨機風分量，用 matlab 里面的白噪聲表示。得出的風速仿真波形圖如圖 21 到 24 所示。由于發(fā)電機和風力機是通過齒輪箱直接驅(qū)動聯(lián)接，可以用簡單的數(shù)學模型表示風力發(fā)電機的動態(tài)特性，即： rr a etdJ T Td? ?? (24) 式中， r? 是風力機風輪 轉(zhuǎn)動的 角速度， rad/s； rJ 為風輪的轉(zhuǎn)動慣量， ；eT 為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩， kNm? 。 對于 (λ,)PC ? ， 根據(jù)文獻 [17]取值如下： ? ? 51λ21 3 4 61λ , λλ CP CC C C C e C????? ? ? ????? (29) 311 1 0 .0 3 5λ λ 0 .0 8 1?????? (210) 式中， 1 ? ， 2 116C? ， 3 ? ， 4 5C? ， 5 21C? ， 6 0C? 。仿真時， 采用空氣密度為 ，風力機處于靜態(tài)時，槳距角為 0? ,風力機半徑 R 為 15m，所模擬的風速為 0 到 15m/s，仿真時間為 50s。然后 Simulink 進行了仿真， 簡要分析了它們的輸出特性。 風 力 機D F I G齒 輪 箱 雙 饋 感 應 電 機直 流 母 線電 機 側(cè) 變 流 器電 網(wǎng) 側(cè) 變 流 器變 壓 器L電 網(wǎng) 圖 31 變速恒頻雙饋風機的拓撲結(jié)構(gòu) 圖 31 表示了雙饋風機與電網(wǎng)的連接情況，雙饋電機定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器與電網(wǎng)連接，電機側(cè)變流器控制電機的運行，電網(wǎng)側(cè)變流器控制電機與電網(wǎng)的 能量交換。當 rsnn? 時， 電機處于超同步速運行狀態(tài) ，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反 ，此時定 、 轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋送電能 ；當 srnn? 時 ，電機處于亞同步 運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同 ，交 直 交變流器向轉(zhuǎn)子提供交流勵磁 ， 定子向電網(wǎng)饋出電能 ；當 rsnn? 時， 0rf ? ， 勵磁變燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁 ， 此時電機作為普通隱極式同步發(fā)電機運行 。而三相靜止坐標變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標需要經(jīng)過兩個步聚：首先 是三相靜止坐標到兩相靜止坐標， 利用的是 clarke 變換矩陣： 3 / 21112 223 33022ssC???????????? (31) 然后是兩相靜止坐標到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系，利用的是 Park 變換矩陣： 2 / 2sr cos sinC sin cos????? ????? (32) 進行 坐標變換 后就可以進行雙饋風力發(fā)電機的正常情況下的數(shù)學建模 。 sL 為 dq 坐標系下定了繞組等效為兩相間繞組的互感，且 s m lsL L L??。在仿真中只需要改三相電壓值就可以改變 電壓不平衡 度 。在仿真中發(fā)生不平衡的時間為 到 ，仿真時間為 。再具體分析不平衡度為 3%， 到 發(fā)生不平衡時電機轉(zhuǎn)速的波動情況，可以看到其波動周期為 ，即頻率為 100HZ，是電網(wǎng)電壓頻率