【正文】 1110000觀察表73，我們可以用一個模為三相VSR逆變器在不同的開關(guān)組合時的交流側(cè)電壓可用一個模為的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來，這樣就會得到8條空間矢量，包括六個夾角為60176。圖 54兩相靜止到三相靜止坐標(biāo)系的變換 IGBT組我們知道期望的正弦電壓電流信號都是通過組成橋的IGBT管子的開通和關(guān)斷來生成的，它們雖然產(chǎn)生的知識一個一個的方形電壓波形，但是在一個周期內(nèi)其效果卻是可以等效為正弦波的，這些管子組成的橋算是一個電量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在Matlab/Simulink的SimPowerSystems/Power Electronics，中有這個模型，如圖75：圖 55通用橋如果模塊右邊的電壓高于左邊的，它就工作在逆變狀態(tài)，反過來就是整流狀態(tài)，這會根據(jù)發(fā)電機(jī)需要運(yùn)行狀態(tài)的不同而進(jìn)行自行切換。圖 51電網(wǎng) 風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)通過輸入風(fēng)速得到輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步來驅(qū)動齒輪箱帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，它是整個系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)，對此我們需要對它進(jìn)行建模，根據(jù)式26和式29，我們得到如圖72的風(fēng)力機(jī)模型。從第三章的推導(dǎo)我們可知：其中，同理可以推導(dǎo)：所以在定子電壓定向坐標(biāo)系下： （65）5 Matlab/Simulink仿真模型搭建計算機(jī)仿真的開發(fā)平臺是仿真建模軟件,在以控制策略研究為目的的仿真研究中,Matlab/Simulink以其友好的界面、強(qiáng)大的分析功能、完備的模塊庫而得到廣泛使用30。其次是雙饋電機(jī)輸出無功功率控制，以保證所并電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文系統(tǒng)的無功功率設(shè)計為零，主要來控制功率因數(shù)為1的最大功率跟蹤。 圖 43網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 網(wǎng)側(cè)變換器（高功率因數(shù)整流器）數(shù)學(xué)模型圖 44網(wǎng)側(cè)變換器圖64為網(wǎng)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)，可得其數(shù)學(xué)模型為： （62）式中為開關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為：按照同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行PARK變換，可以得到同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型： （63）如果將電網(wǎng)電壓定向在d軸，則： （64） 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可以影響系統(tǒng)用功功率，是用以實現(xiàn)雙饋電機(jī)及整個風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制，其控制的有效性將直接影響到雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。假如能對交流側(cè)輸入的有功功率進(jìn)行有效的控制，就能夠穩(wěn)定直流母線處的電壓。網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器都采用可以四象限運(yùn)行的PWM變換器，則轉(zhuǎn)子繞組不僅可以從電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率，也能把能量饋入電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)能夠運(yùn)行在超同步運(yùn)行狀態(tài)和亞同步運(yùn)行狀態(tài)，這使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速度范圍大大的拓寬，能在更大的風(fēng)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率跟蹤。雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)繞組和電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器來提供勵磁，從大的方面說，目前，雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所用變頻裝置通常有交交變頻器25 26或交直交變頻器27 28。4 雙PWM變換器有多種用于驅(qū)動雙饋電機(jī)的變換器，從課題的需要出發(fā)，本文選用背靠背式雙PWM變換器。如果我們采用定子磁鏈定向，從式59可知，因為R存在，所以和U不是精確的垂直，這就使得在按照磁鏈定向的直角坐標(biāo)系下，U在兩個坐標(biāo)軸上都有長度不為零的投影，那么從式543知，無法實現(xiàn)和的解耦，這就是沒有選擇定子磁鏈定向的原因，自然，選擇定子電壓定向就不會出現(xiàn)這個情況。電角度，精確對稱，它們產(chǎn)生的磁動勢呈正弦規(guī)律分布在氣隙中；2. 各繞組的互感和自感都是恒定不變的；3. 不考慮磁路飽的和鐵心損耗；4. 忽略溫度與頻率變化對繞組電阻的影響。所以： （527） （528）我們將上式寫成矩陣的形式，得 （529）為了我保證變幻前后的總功率不變，可以得到的值為代入上邊矩陣表達(dá)式，得 （530）從式530可以知道，三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系的變化矩陣， （531）在合成磁動勢相等的條件下，電壓變換矩陣、磁鏈變換矩陣與電流變換矩陣相同。三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系之間是簡單的三角函數(shù)關(guān)系。從機(jī)電能量之間的的轉(zhuǎn)化關(guān)系，能夠得到式526所示的電磁轉(zhuǎn)矩的方程：= （526） 坐標(biāo)變換因為感應(yīng)電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，如果我們給發(fā)電機(jī)直接加電壓或電流，是不可能對轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)的，但是如果以定子電壓這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量作為參考系，用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下不變的量來代替靜止坐標(biāo)系中的變量，這樣就可以在直流電機(jī)模型的基礎(chǔ)上研究交流電機(jī)的物理模型，最后就能夠像控制直流電機(jī)一樣控制交流電機(jī)了。為簡單起見，我們把它用分塊矩陣的形式來表達(dá)： （517）其中： （518） （519） （520） （521） （522） （523） （524）和是互為轉(zhuǎn)置的兩個分塊矩陣，它們隨著的變化而變化，各個元素都是的函數(shù)，所以發(fā)電機(jī)是個非線性的系統(tǒng)。定子和轉(zhuǎn)子繞組它們各自三相之間的相對位置是不變的，所以互感值也不會改變。因為定子和轉(zhuǎn)子繞組都是對稱的，我們可以認(rèn)為各相定子繞組的漏感相同，各相轉(zhuǎn)子繞組的漏感也相同，是定子的主電感，是定子繞組的每相漏感，是轉(zhuǎn)子的主電感，是轉(zhuǎn)子繞組的漏感，因為折算并沒有改變定、轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)，所以我們可以認(rèn)為：。定子電壓方程： （56）轉(zhuǎn)子電壓方程： （57）把定、轉(zhuǎn)子電壓方程寫在一起可用矩陣表示為： （58）或?qū)懗桑? （59）式中： ——定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；——定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；——各組繞組的全磁鏈；——定子和轉(zhuǎn)子的繞組電阻；——微分算子。 有功功率的關(guān)系圖53給出了在忽略機(jī)組機(jī)械摩擦損耗、鐵耗的狀態(tài)下雙饋電機(jī)有功功率的關(guān)系。此時，發(fā)電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)既不從電網(wǎng)吸收功率，也不發(fā)出功率，轉(zhuǎn)子勵磁電流為直流量23。通過上面的原理我們知道了雙饋發(fā)電機(jī)如何滿足系統(tǒng)要能實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電要求的機(jī)理。如果給轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組加上率為的對稱三相電壓，也會形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場： （52）當(dāng)然，轉(zhuǎn)速是相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。在交流勵磁的變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，因為變頻器輸出的只是是轉(zhuǎn)差頻率，所以其所提供的只是電機(jī)額定容量的一小部分，減小了變頻器的容量體積和投資。這是因為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度不總是維持在同步轉(zhuǎn)速，基于這個原因雙饋電機(jī)被稱為異步發(fā)電機(jī)，但是，從勵磁這方面來講，雙饋發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)一樣，它就具有專門的勵磁繞組。在這些變速驅(qū)動環(huán)境中如果采用同步發(fā)電機(jī)作常規(guī)方式的運(yùn)行就無法實現(xiàn)恒頻發(fā)電，而如果采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，就能夠通過對輸入電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得從定子輸出的電能保持恒定的頻率，否則也是不可能掛接電網(wǎng)的。有另一種簡化首段，叫坐標(biāo)變換，它所作用的對象是矢量，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也叫做矢量控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖32所示。在某一時刻各繞組上電壓矢量如圖31所示，我們可以得到如式31的數(shù)學(xué)表達(dá)： （31）其中，k是個待定系數(shù)，根據(jù)時刻的不同而改變?？臻g矢量是為了研究的數(shù)學(xué)表達(dá)簡單和方便而來的，因為，它把三相交變的物理量表達(dá)成了一個合成的空間矢量，從量的數(shù)量來看，變量數(shù)得到了大大減少，它是一個以電源角頻率為角速度做恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，這樣，電壓、電流、磁鏈描述起來就簡單了。 葉尖速比另外，我們有必要刻畫風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快與慢，為此提出了用風(fēng)輪葉片葉尖的運(yùn)動速度除以實時風(fēng)速來度量，稱其為葉尖速比，其表達(dá)式如式（）： （24）其中，R是風(fēng)機(jī)葉片半徑，是風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速，v是風(fēng)速。整個風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率都由風(fēng)力機(jī)決定，并且它還會直接的影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定、可靠、安全的運(yùn)行，是風(fēng)電系統(tǒng)中的很關(guān)鍵的功能器件。提高效率和減小載荷是變速風(fēng)力機(jī)控制的兩個主要目標(biāo)19。2 風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)中的重要的一個部分，在整個發(fā)電過程中充當(dāng)風(fēng)能捕捉的第一個環(huán)節(jié)，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機(jī)時，一部分動能作為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，中間會經(jīng)過齒輪增速環(huán)節(jié)。目前，我國新增大型風(fēng)電機(jī)組中，絕大部分仍為雙饋異步式。由于雙饋異步發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位通過勵磁變換器來控制，定子側(cè)的輸出功率得到間接調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)有個缺點是不能有效的隔離雙饋發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的聯(lián)系，使得風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)故障非常敏感；另外，在出現(xiàn)故障時，小功率勵磁變換器對整個的雙饋發(fā)電機(jī)組控制了能力也受到一定的限制，導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)的故障穿越能力比較弱，如圖13所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)處于亞同步狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過勵磁變換器，從電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，即發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子勵磁電流建立的磁場其旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)方向相反，此時，轉(zhuǎn)子繞組通過勵磁變換器往電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間沒有功率的交換，此時，勵磁變換器給轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，雙饋發(fā)電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)。其定子直接掛接在電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子通過三相交直交變換器實現(xiàn)交流勵磁，電功率則可以通過轉(zhuǎn)子、定子雙通道和電網(wǎng)實現(xiàn)交換如圖12所示。此類發(fā)電機(jī)主要由電機(jī)本體和冷卻系統(tǒng)兩大部分組成。10 11 12 13隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機(jī)在利用可再生能源發(fā)電方式中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在風(fēng)力發(fā)電的領(lǐng)域。表 11 風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)路線比較發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)類型優(yōu)點缺點異步發(fā)電異步發(fā)電機(jī)簡單、可靠、成熟。這種變速恒頻的發(fā)電方式還可以使得風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)之間形成良好的柔性連接關(guān)系，這比起傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式，具有更容易實現(xiàn)并網(wǎng)操作和穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點。當(dāng)這些因素發(fā)生變化時，的值也會相應(yīng)的跟著變化，風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行工況，尤其是它的效率也將發(fā)生變化。未來中國將在沿海等電力負(fù)荷較大的地區(qū)建立一批分布式風(fēng)電基地。中國正在促進(jìn)能源消費結(jié)構(gòu)向更加可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)型，到2015年，%。但對于大型風(fēng)電場,風(fēng)電場的退出會導(dǎo)致系統(tǒng)更大的功率缺額,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電因其原動力的隨機(jī)性、波動性和難以準(zhǔn)確預(yù)測性,大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)對電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度、分析控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量均產(chǎn)生了一定的影響。世界風(fēng)能市場裝機(jī)建設(shè)資金達(dá)450億歐元，提供50萬個就業(yè)崗位。20世紀(jì)90年代起，歐洲制定了《風(fēng)電發(fā)展計劃》，確立了風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)：2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到40GW，并要求其成員國基于此發(fā)展目標(biāo)制定本國的發(fā)展目標(biāo)與計劃。風(fēng)能是一種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。伴隨著人類社會的高速發(fā)展，對能源的需求日益增加，一些傳統(tǒng)能源也漸漸枯竭，比如煤炭、石油，并且這些資源在地球上的儲量是一定的，總有一天會被開采殆盡（加入數(shù)據(jù)局說明，煤炭和石油的儲量和還能用多少年年）。風(fēng)的能量是由太陽輻射能轉(zhuǎn)換來的，太陽以每小時4,423,000,000 MW的能量輻射地球。 30 定子電壓定向 316 雙PWM變換器 35 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 35 整流逆變器的工作原理 36 網(wǎng)側(cè)變換器（高功率因數(shù)整流器） 37 網(wǎng)側(cè)變換器（高功率因數(shù)整流器）數(shù)學(xué)模型 37 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器 38 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型 397 Matlab/Simulink仿真模型搭建 41 系統(tǒng)運(yùn)行所在電網(wǎng)環(huán)境 41 風(fēng)力機(jī)模型 41 三相靜止和兩相靜止坐標(biāo)系之間的變換 42 IGBT組 43 PWM脈波的產(chǎn)生 43 PLL鎖相環(huán) 50 網(wǎng)側(cè)變換器（整流器）控制 52 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制 548 仿真結(jié)果分析 59總結(jié) 66參考文獻(xiàn) 68附錄 71英文原文 72中文譯文 78致 謝 8621 緒論 風(fēng)力發(fā)電的意義能量是構(gòu)成客觀世界的三大要素(物質(zhì)、能量和信息)之一1。109 MW，107 MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍2。風(fēng)能是一種非常具有開發(fā)潛力的可再生能源，近年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視3。 國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀歐洲風(fēng)電發(fā)展迅猛。根據(jù)世界兩大風(fēng)能專業(yè)機(jī)構(gòu)“歐洲風(fēng)能協(xié)會(EWEA)”和“全球風(fēng)能委員會(GWEC)”最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2009年全球風(fēng)電市場發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到37500MW，相當(dāng)于23臺第三代核反應(yīng)堆核電機(jī)組(EPR)發(fā)電量，風(fēng)電增長率高達(dá)31%。風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模以及風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的份額都逐漸增大,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)相互影響越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛關(guān)注和深入研究。在風(fēng)電場容量相對較小并且分散接入電網(wǎng)時,風(fēng)電場被視作分布式電源,在系統(tǒng)故障時可立刻退出運(yùn)行。中國2010年至2020年能源需求增長約為每年超過4%?！笆濉逼陂g，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)執(zhí)行“集中式+分布式”并重的發(fā)展戰(zhàn)略。風(fēng)能利用系數(shù)(見第二章)反映了風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的效率，它是一個和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速、和槳距角都有關(guān)系的一個量。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的變速恒頻發(fā)電方式