【正文】 立完成設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力； 3．設(shè)計說明書一份（不少于 2 萬字）， A0 圖紙一張；英文資料翻譯不少于5 千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計撰寫規(guī)范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)； 4. 完成相關(guān)的實驗，并反映在論文中。 本科畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 電網(wǎng)電壓不對稱時雙饋風(fēng)機輸出特性分析 DDD 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位： 電力工程系 學(xué) 號 090103030124 學(xué)生 姓名 DDD 專 業(yè) 班 級 0D9 電力 3 班 題 目 題目名稱 電網(wǎng)電壓不對稱時雙饋風(fēng)機輸出特性分析 題目性質(zhì) ：工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ） ； 理論研究型（ √ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。 目標(biāo)：給出理論分析和 Matlab 仿真分析結(jié)果。 研究電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG、網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的等效數(shù)學(xué)模型 建立網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器的數(shù)學(xué)模型 選取適當(dāng)?shù)目刂颇繕?biāo)，研究協(xié)調(diào)控制下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。然后利用坐標(biāo)變換的方法研究了 雙饋 風(fēng)力發(fā)電機正常情況下的 dq 坐標(biāo)下的 數(shù)學(xué)建模 ,并通過 Matlab 仿真軟件研究了它在正常情況下的輸出特性。 在 Matlab 現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電模塊中加入不平衡，研究了與電網(wǎng)連接的雙饋風(fēng) 機在不平衡情況下的輸出特性。此外人們大量使用煤炭、石油和天然氣對大自然造 成嚴(yán)重破壞，并且嚴(yán)重污染地球環(huán)境。 我國的風(fēng)能資源十分豐富，可用來開發(fā)的風(fēng)力資源的地區(qū)占全國面積的 60%以上。背靠背變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器 (Grid Side Converter，簡稱 GSC)和電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器 (Machine Side Converter，簡稱MSC)構(gòu)成，其中電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制來實現(xiàn)對直流母線電壓和電網(wǎng)電流的，電機側(cè)變流器采用定子磁鏈定向 (Stator Flux Oriented，簡稱 SFO)或定子電壓定向 (Stator Voltage Oriented，簡稱 SVO)的矢量控制實現(xiàn)對雙饋電機定子輸出有功功率、無功功率的調(diào)節(jié)。 當(dāng)前文獻所研究 的主要是在正常平衡電網(wǎng)電壓下的理論，對于不平衡電網(wǎng)電壓下研究的還比較少。電網(wǎng)電壓不平衡條件下，基于電網(wǎng)電壓平衡設(shè)計的電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)包含負序分量，直流母線電壓出現(xiàn)波動，影響直流母線電容的壽命 。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化時實時第 1 章 緒論 3 調(diào)節(jié)風(fēng) 輪機的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪機在大部分情況下都能按照最佳效率運行，從而提高風(fēng)力發(fā)電機組的運行 效率， 變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)捕獲 風(fēng)能的能力比 定 速恒頻風(fēng)力發(fā)電系多出 28%[3]，并且減小了風(fēng)輪機的機械應(yīng)力。雙饋弄變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以提高風(fēng)能捕獲能力和轉(zhuǎn)換效率，改善并優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機組的運行條件，是一種優(yōu)化的具有良好應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電解決方案。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 20xx 年 2 月國家電網(wǎng)公司己頒布風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)新規(guī)定 [5]， 規(guī)定中明確強調(diào)電網(wǎng)電壓允許長時間存在最大不平衡度 2%的小值穩(wěn)態(tài)不平衡情況 ， 要求風(fēng)電機組能夠承受一定程度的負序電流不脫網(wǎng) ,還應(yīng)能承受穩(wěn)態(tài)最大達 2%的不平衡電壓而不跳閘 ,即風(fēng)電場并網(wǎng)點的負序電壓不平衡度 2%、短時 4%的情況下 ,風(fēng)電場中的風(fēng)電機組應(yīng)能持續(xù)不脫網(wǎng)正常運行 [6]。 其主要研究成如下： 1. 針對電網(wǎng)電壓不對稱故障狀態(tài)下傳統(tǒng)控制策略的缺點，在增強型鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上建立了 DHG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進的控制策略，采用的是抑制轉(zhuǎn)子電流負序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉(zhuǎn)子電流的諧波含量 ，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動和電網(wǎng)功率的二次紋 波 [11]。 3. 逆變器采用 PI 調(diào)節(jié)理論上能 實現(xiàn)無靜差的輸出電壓 控制 [13]。通過 Matlab／ Simulink 對 PS． VS 控制及 NS． VR 控制的綜合控制仿真結(jié)果表明，該控 制策略實現(xiàn)了風(fēng)電場電網(wǎng)電壓非對稱狀態(tài)下雙饋第 1 章 緒論 5 風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)并網(wǎng)條件的明顯提升 [16]。 然后， 研究了電網(wǎng)電壓正常情況下，雙饋 風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的運行原理及其輸出特性。利用對稱分量的方法，建立了 DFIG 在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分 別由各自正，負序分量表示的 DFIG電 壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 DFIG 的等效電路模型。 根據(jù)以上三個式子建立 simulink 下的風(fēng)速仿真模型，如圖 21 所示。 從仿真圖上可以看到，這樣的風(fēng)在一定程度上可以反應(yīng)真實情況下的風(fēng)速變化情況，其中包含時刻在波動的白噪聲，偶爾突然增大 瞬間又減小第 2 章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機模型的建立 7 的 陣 風(fēng)， 增大后能保持一段時間的階躍風(fēng)，以及一直保持的基本風(fēng)。由上式可見[17]，當(dāng)發(fā)電機處于靜態(tài)運行時，風(fēng)力機輸出的轉(zhuǎn)矩 aT 等于發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩 eT 。 由式 (29)可見，當(dāng)槳矩角 ? 恒定時，在不同風(fēng)速的情況下，只需要控制風(fēng)力機使其能保持在最佳的葉尖速比下運行，就可以確保風(fēng)力機取得最佳功率系數(shù) (λ,)PC ? ，實現(xiàn)風(fēng)能的最 大捕獲功率。先假設(shè)風(fēng)速與風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速成正比 K，在仿真時調(diào)節(jié) K 值，使葉尖速比與捕獲功率達到最大，通過查閱文獻 [17]可知，當(dāng)最佳葉 尖速比為 8 時，捕獲功率最大，所以調(diào) K 值，使仿真圖中代表葉尖速比的 λ 近于 8 即可。 第 3 章 雙饋風(fēng)機的建模與輸出特性 13 第 3 章 雙饋風(fēng)機的建模 與輸出特性 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行原理 雙饋異步風(fēng)力發(fā) 電機在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機相似，定子采用三相 分布式 繞組，轉(zhuǎn)子側(cè) 也采用三相分布式 交流繞組。由于定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，所以它的頻率不變，而轉(zhuǎn)子側(cè)受風(fēng)速變化的影 響。 當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時 ， 可以通過控制電機轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率 ， 保證定子電流頻率恒定不變 ， 實現(xiàn)變速恒頻發(fā) 電。通過對正常情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機分析，建立 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (dq)下雙饋電機的 數(shù)學(xué)模型，建立了 雙饋風(fēng)力發(fā)電機電壓方程，磁鏈方程，電磁轉(zhuǎn)矩方程 和運動方程。 rL 為 dq 坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子繞組等效為兩相繞組的自感，且 r m lrL L L??。 其中線電壓的基波有效值可以利用俌利葉變換模塊設(shè)定為電網(wǎng)電壓頻率取得。 第 3 章 雙饋風(fēng)機的建模與輸出特性 21 00 K r p mD i s c r e t e ,T s = 5 e 0 0 5 s .p o w e r g u ini si rU s a b cU a b cU n b a l a n c e_ r a t eU n b a l e n c e d e g r e e8 . 8 5T LP sU a b cG r i d[ V a b c ]Q sP sU a _ b _ c0D i s p l a yu s _ a b cu r du r qT Li s _ a b ci r _ a b cw rD F I G 圖 315 加入不平衡度計算模塊時的 DFIG 1f ( u )f ( u ) K K K s i g n a lm a g n i t u d ea n g l es i g n a lm a g n i t u d ea n g l es i g n a lm a g n i t u d ea n g l eF o u r i e r1 圖 316 不平衡度計算模塊 0 . 10 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 4 0 004 0 0Usabc/vt / s 圖 317 不平衡度為 3%時定子電壓波形 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 4 0 004 0 0Usabc/vt / s 圖 318 不平衡度為 10%時定子電壓波形 在圖 317 和 318 中，通過降低 A 相電壓來使電壓不平衡，該不平衡發(fā)生在 開始 結(jié)束， A 相電壓降低的越多，不平衡度越大。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 2 0 0 002 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0t / sPs和QsQ sP s 圖 324 不平衡度為 3%時定子側(cè)有功和無功功率的波形 Ps和Qs0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 40 . 5 4 0 0 0 2 0 0 002 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0t / sQ sP s 圖 325 不平衡度為 10%時定子側(cè)有功和無功功率的波形 圖 324 和 325 分別表示了不平衡度為 3%和 10%時定子側(cè)有功和無功功率的波形，可以看到不平衡度時功率出現(xiàn)在脈動，而且不平衡度越大脈動越大，這樣的脈動會給整個發(fā)電系統(tǒng)帶來損耗增大、發(fā)熱增多、過壓、過流等問題。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 第 4 章 不平衡情況下雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型 對稱分量法 在對稱分量法中，任意三相電壓都可以分解為三相對稱的 正序分量 af? ，bf? ， cf? 與負序分量 af? ， bf? ， cf? 以及三個相等的零序分量，但由于目前所用的雙饋風(fēng)機采用的大都是三相三線制接線方式，系統(tǒng)中無零序分量通路，所以在這里不考慮零序分量。正轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)()dq? 坐 標(biāo)第以及反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn) ()dq? 坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換關(guān)系如下： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 11,jjd q d qF F e F F e???? ??????? (414) ,d q d qF F e F F e?? ?? ??? (415) 1122,jjd q d q d q d qF F e F F e???? ? ? ??? (416) 其中， 11t??? 上標(biāo) ―+‖、 ―‖分別是正、反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 第 4 章 不平衡情況下雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型 29 ? ? ()r r r r r r rU u ju u u j u u? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?。 ? ? ()r r r r r r rI I jI I I j I I? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?。 將式 (421)、 (422)和 (423)代入式 (419)和 (420)中，整理后，可得正、反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq? 、 dq? 中分別由各自的正，負序分量表示的雙饋電燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 機電壓、磁鏈方程如下： 1sdqs d q s s d q s d qrdqr d q r r d q s l r d qdU R I jdtdU R I jdt? ??? ????? ? ?? ? ???? ? ?? ? ?? ? ? ????? ? ? ??? (424) sdq s sdq m rdqrdq m sdq r rdqL I L IL I L I?? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ?????? (425) 1sdqs d q s s d q s d qrdqr d q r r d q s l r d qdU R I jdtdU R I jdt? ??? ????? ? ?? ? ???? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? ? ? ??? (426) sdq s sdq m rdqrdq m sdq r rdqL I L IL I L I?? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ?????? (427) 式中， 1sl r? ? ?? ?? ? 為反 轉(zhuǎn) 滑差角頻率， 1sl r? ? ???為正轉(zhuǎn)滑