【正文】 分別對(duì)扇區(qū)1到6中的非零轉(zhuǎn)子電壓矢量序列排序：/，/，/，/，/和/。三 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)控制轉(zhuǎn)子繞組的電路方程給出，如下：轉(zhuǎn)子功率因數(shù)為1意味著轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶看怪庇谵D(zhuǎn)子電流矢量 若轉(zhuǎn)子功率因數(shù)為1，則和之間的夾角等于九十度。如果轉(zhuǎn)子磁鏈的軌跡是個(gè)圓形的，隨著的增加而增加，反之亦然。放棄轉(zhuǎn)子磁鏈或定子的功率因數(shù)，取而代之的是用轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞組通過變頻雙向饋送能量，定子繞組直接連接到電網(wǎng)。s112額定風(fēng)速下的最大功率（pu）額定風(fēng)速下捕獲最大功率的轉(zhuǎn)速（pu）額定功率（MW）英文原文中文譯文雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種新型DTC控制策略87Narges Zarean 電氣工程系 Shahid Beheshti University, SBU 德黑蘭，伊朗 Hossein Kazemi 電氣工程系Shahid Beheshti University, SBU Tehran, Iran H_Kazemi摘要：在本文中，雙饋繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)被提出并應(yīng)用于變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。網(wǎng)側(cè)變換器，主要完成高功率因數(shù)整流，來維持直流母線電壓的穩(wěn)定，當(dāng)然，在雙饋電機(jī)于超同步和亞同步運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)候，兩個(gè)變換器的工作狀態(tài)整流和逆變之間相互切換。第三章介紹了一個(gè)重要的控制方法，矢量控制。圖 614系統(tǒng)輸出電壓圖 615系統(tǒng)輸出電壓細(xì)節(jié)圖 616系統(tǒng)輸出電流圖 617系統(tǒng)輸出電流細(xì)節(jié)圖818是系統(tǒng)輸出電壓的頻譜分析，圖819是系統(tǒng)輸出電流的頻譜分析。這像上面提到的，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定。圖 63直流母線電壓圖84是整個(gè)過程中轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值曲線。圖 524計(jì)算d軸電流給定電流環(huán)的仿真結(jié)構(gòu)如圖圖 525電流控制器有了轉(zhuǎn)子側(cè)d軸和q軸的控制量，依然要經(jīng)過坐標(biāo)變換來獲取變頻器要輸出的三相電壓，仿真圖和定子側(cè)一樣見圖710。圖 518基于（d軸）電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖直流電壓控制器如圖719，其中Kp=8,Ki=400。圖 514SVPWM時(shí)序圖 PLL鎖相環(huán)在整個(gè)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，我們需要進(jìn)行矢量控制電機(jī)調(diào)速、坐標(biāo)變換，在旋轉(zhuǎn)變換中，根據(jù)式534和圖718我們都可以知道需要一個(gè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓或電流的相角，以此作為一個(gè)坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)的輸入量，得到期望電量的d、q軸分量進(jìn)一步控制定、轉(zhuǎn)子變換器，控制直流母線電壓穩(wěn)定控制發(fā)電機(jī)功率，所以這個(gè)相角的獲得是至關(guān)重要的，我們可以使用鎖相環(huán)來提取這一信號(hào)。表 52各扇區(qū)與N的對(duì)應(yīng)關(guān)系扇區(qū)號(hào)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥN315462圖 510扇區(qū)判斷模型（2）基本電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算。基本矢量的作用時(shí)間可以由以下方法求得。我們通過控制這六個(gè)橋臂開關(guān)的不同順序，能夠產(chǎn)生不同的控制信號(hào)，如表73是在不同開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生的矢量信號(hào)。 系統(tǒng)運(yùn)行所在電網(wǎng)環(huán)境本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)所掛接的是一個(gè)120kv，工頻60Hz的電網(wǎng)，電網(wǎng)電源經(jīng)過120kv到25kv的變壓器、30km的傳輸線路、再25kv到575v的變壓器與風(fēng)電機(jī)組相連，如圖71。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和有功功率。 網(wǎng)側(cè)變換器（高功率因數(shù)整流器）因?yàn)閮蓚€(gè)變換器中間直流母線的隔離作用，它們功能獨(dú)立，其中網(wǎng)側(cè)的變換器，并不會(huì)直接作用到雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上，當(dāng)然也沒有直接對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，它的主要作用是控制直流母線電壓的穩(wěn)定，這就要求它能夠進(jìn)行高功率因數(shù)整流。 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖12。雙饋電機(jī)也是個(gè)異步感應(yīng)電機(jī)，一樣是個(gè)強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，從上一章節(jié)式543就可以看出和之間是有耦合的，因?yàn)槎ㄗ与娏鞯膁、q軸分量都出現(xiàn)在了有功和無功率的表達(dá)式中。圖中，都是各繞組的有效匝數(shù)，電流和匝數(shù)的乘積自然是磁動(dòng)勢。不計(jì)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械摩擦，我們得到式525所示的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系： （525）式中，——原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，——電磁轉(zhuǎn)矩，——系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，——電機(jī)的極對(duì)數(shù)，——電機(jī)的電角速度。兩相繞組之間只有互感。圖 04雙饋電機(jī)有功功率傳遞關(guān)系 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型 電壓方程表示定子三相繞組的電阻，表示轉(zhuǎn)子三相繞組的電阻。其次是同步運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)在某一固定風(fēng)速下，轉(zhuǎn)子經(jīng)過齒輪箱的驅(qū)動(dòng)正好達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)，轉(zhuǎn)子串接的變頻器只需向其提供直流勵(lì)磁就能夠使雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出和電網(wǎng)頻率相等的電能。的精確對(duì)稱繞組，電機(jī)的極對(duì)數(shù)是，依據(jù)物理學(xué)知識(shí)，如果三相對(duì)稱繞組上出現(xiàn)相應(yīng)的出現(xiàn)對(duì)稱三相電流，這個(gè)對(duì)稱三相電流會(huì)在空間形成一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，圓形磁場旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就是發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，我們用式子（51）來表達(dá)： （51）是電機(jī)的極對(duì)數(shù)，是電網(wǎng)頻率。 圖 02轉(zhuǎn)子側(cè)附加電動(dòng)勢雙饋發(fā)電機(jī)自身是個(gè)異步發(fā)電機(jī)，然而它也有同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)一些性質(zhì)。以上是以電壓這個(gè)電信號(hào)量為例來介紹合成電壓矢量的，電流、磁鏈也是同此理。對(duì)于一個(gè)具體的風(fēng)力機(jī)，風(fēng)速和可以從風(fēng)力獲取的功率的關(guān)系可以用如下公式表示 （25）其中：——從空氣中獲取的功率，——空氣密度，R——風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑，——風(fēng)速，——風(fēng)能利用率，它是葉尖速和槳距角的函數(shù)，葉尖的運(yùn)動(dòng)速度與槳距角和風(fēng)能利用效率有如下的關(guān)系： （26） （27）根據(jù)以上理論，可以將風(fēng)力機(jī)的特性表征為圖21和圖22：圖 21風(fēng)速轉(zhuǎn)速以及功率之間的關(guān)系圖 22槳距角對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的影響我們可以得到風(fēng)力機(jī)能夠輸出的最大功率： （28）其中由物理學(xué)知識(shí)，我們知道轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系式為P=Tw，據(jù)此我們可以計(jì)算出風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩為:3 （29）3矢量控制（VC）交流電機(jī)繞組的電磁量都是動(dòng)態(tài)變化的，當(dāng)把這些變量和其對(duì)應(yīng)繞組的空間位置聯(lián)系在一起時(shí)，我們就能夠得到空間矢量。 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制運(yùn)行除了與所用發(fā)電機(jī)類型有關(guān)外，首先還應(yīng)與作為機(jī)械能來源的風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性密切相關(guān)。與常規(guī)的異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制相似，早期的DFIG以矢量控制（VC）為主，后來漸漸發(fā)展到直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、直接功率控制（DPC）、多標(biāo)量控制1非線性控制等，其中以VC和DPC、DTC研究的比較多，應(yīng)用也較為廣泛。這樣以來控制最大轉(zhuǎn)差功率僅為發(fā)電機(jī)額定功率的30％左右，從而使得勵(lì)磁變換器的容量只是發(fā)電機(jī)本身容量的一小部分，大大的降低了變頻器的成本。本系統(tǒng)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，它是由齒輪箱來驅(qū)動(dòng)，齒輪箱是增速齒輪箱，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持在同步轉(zhuǎn)速附近，有利于提高電能質(zhì)量，和減小電能損耗。 雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly一FedInductionGenerator,DFIG)是轉(zhuǎn)差功率變換型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要發(fā)電機(jī)機(jī)型。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的變速恒頻發(fā)電方式是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向8。“十二五”期間，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。在風(fēng)電場容量相對(duì)較小并且分散接入電網(wǎng)時(shí),風(fēng)電場被視作分布式電源,在系統(tǒng)故障時(shí)可立刻退出運(yùn)行。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(huì)(EWEA)”和“全球風(fēng)能委員會(huì)(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(tái)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)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。 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。伴隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)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(chǔ)量是一定的，總有一天會(huì)被開采殆盡（加入數(shù)據(jù)局說明，煤炭和石油的儲(chǔ)量和還能用多少年年）。20世紀(jì)90年代起，歐洲制定了《風(fēng)電發(fā)展計(jì)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(jì)劃。風(fēng)力發(fā)電因其原動(dòng)力的隨機(jī)性、波動(dòng)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(duì)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。中國正在促進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向更加可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)型，到2015年，%。當(dāng)這些因素發(fā)生變化時(shí)，的值也會(huì)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。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(diǎn)缺點(diǎn)異步發(fā)電異步發(fā)電機(jī)簡單、可靠、成熟。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。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)處于亞同步狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子勵(lì)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(lì)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(shí)，即發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子勵(lì)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(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通過勵(lì)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(shí)，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(shí)，勵(lì)磁變換器給轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，雙饋發(fā)電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)。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。提高效率和減小載荷是變速風(fēng)力機(jī)控制的兩個(gè)主要目標(biāo)19。 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(dòng)速度除以實(shí)時(shí)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。在某一時(shí)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(gè)待定系數(shù)，根據(jù)時(shí)刻的不同而改變。在這些變速驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)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。在交流勵(lì)磁的變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，因?yàn)樽冾l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。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(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電要求的機(jī)理。 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。因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子繞組都是對(duì)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?yàn)檎鬯悴]有改變定、轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)，所以我們可以認(rèn)為：。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(gè)分塊矩陣，它們隨著的變化而變化，各個(gè)元素都是的函數(shù)，所以發(fā)電機(jī)是個(gè)非線性的系統(tǒng)。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。電角度，精確對(duì)稱，它們產(chǎn)生的磁動(dòng)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(duì)繞組電阻的影響。4 雙PWM變換器有多種用于驅(qū)動(dòng)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。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(shí)現(xiàn)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）