【正文】 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(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)及整個(gè)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。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(jì)算機(jī)仿真的開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kù)而得到廣泛使用30。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(hào)都是通過(guò)組成橋的IGBT管子的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)生成的，它們雖然產(chǎn)生的知識(shí)一個(gè)一個(gè)的方形電壓波形，但是在一個(gè)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(gè)電量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在Matlab/Simulink的SimPowerSystems/Power Electronics，中有這個(gè)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(guò)來(lái)就是整流狀態(tài)，這會(huì)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 58電壓矢量合成圖我們以扇區(qū)I為例，來(lái)簡(jiǎn)單的解釋一下我們利用這八個(gè)基本矢量合成其他目標(biāo)矢量的過(guò)程。任意電壓空間矢量在兩相靜止坐標(biāo)系下都可以分解為分量。T/(T1+T2)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)三相電網(wǎng)電壓電流的測(cè)量、坐標(biāo)變換和PLL環(huán)節(jié)的相角得到實(shí)時(shí)電壓電流的d、q軸分量，和d、q軸的給定比較后經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)送入電壓內(nèi)環(huán)，再經(jīng)坐標(biāo)變換得到加到網(wǎng)側(cè)變換器上的三相電。再進(jìn)行兩相旋轉(zhuǎn)到三相靜止的坐標(biāo)變換就得到了轉(zhuǎn)子變換器所需的三相電。我們可以用圖727所示的模型來(lái)求得系統(tǒng)實(shí)時(shí)的有功和無(wú)功功率。這就說(shuō)明在最大功率跟蹤的過(guò)程中，控制系統(tǒng)和變頻器很好的完成了任務(wù)。以上是表征系統(tǒng)內(nèi)部性能的波形，更重要的是我們還要看一下雙饋發(fā)電機(jī)往電網(wǎng)輸送電能的波形。有利于論文的進(jìn)行。第五章是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，從電磁學(xué)的角度分析了雙饋發(fā)電機(jī)的工作原理，給出了其等效電路圖，也給出了描述雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括電壓方程、磁鏈方程、和運(yùn)動(dòng)方程。從轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流波形的相位上能夠分析出變換器的幾種不同的工況，從轉(zhuǎn)子繞組電流的相序改變可以讀出發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變，這個(gè)結(jié)果和變換器與風(fēng)速的狀態(tài)都一致，這說(shuō)明本設(shè)計(jì)完成了目標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期效果。一 引言在過(guò)去的幾十年，可再生能源資源成為全球發(fā)電的一部分，在電力生產(chǎn)中占有重要的一席之地。DTC的配置比起磁場(chǎng)定向控制（FOC）就簡(jiǎn)單的多了，這引起了許多研究人員的興趣。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程如下：（1）其中是定子電感，是轉(zhuǎn)子電感，是定子和轉(zhuǎn)子的互感。如圖2（a）所示，當(dāng)是中的一個(gè)電壓矢量時(shí)減小（減?。?dāng)?shù)扔陔妷菏噶繒r(shí)增加（）。通過(guò)施加V3或V4來(lái)減小扭矩（θ將減?。?，施加V0或V7來(lái)增加了轉(zhuǎn)矩（θ會(huì)增加）。施加角γ將會(huì)大于90176。這里，和是6個(gè)轉(zhuǎn)子電壓空間矢量，另外和是兩個(gè)零電壓矢量。d表示轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸，這里，是定子磁鏈的同步角速度，是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，為轉(zhuǎn)差角速度。用仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該策略的有效性。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器控制直流母線和電網(wǎng)之間的電流來(lái)保持直流母線電壓恒定。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，逆變器的容量低，極大的減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。第八章我們就得到了最后的仿真結(jié)果，證明此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大功率跟蹤，在調(diào)試過(guò)程中遇到了挺多的問(wèn)題，有許多參數(shù)的調(diào)試需要花上很長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)期望的波形出現(xiàn)時(shí)也證明了系統(tǒng)的優(yōu)良性、付出也得到了回報(bào)。為后面需要的控制策略的應(yīng)用提供了一個(gè)必要的基礎(chǔ)。解釋了變速恒頻發(fā)電這種主流發(fā)電方法，自然引出了本文一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容雙饋發(fā)電機(jī)。圖 612超同步運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電壓圖 613超同步運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流從圖812和圖814結(jié)合圖85圖86，可以看出電壓電流相位互差180176。并且根據(jù)圖83可知，在這個(gè)過(guò)程中，直流母線的電壓一直比較穩(wěn)定。圖 526無(wú)功功率控制模塊我們需要計(jì)算有功功率來(lái)判斷系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了功率跟蹤風(fēng)速的目標(biāo)，另外，也要看一下系統(tǒng)輸出的無(wú)功，如果系統(tǒng)能使送往電網(wǎng)的無(wú)功盡量保持在零附近，就說(shuō)明系統(tǒng)所發(fā)的電能質(zhì)量很好。圖 521d、q軸電壓分量到控制其所需三相電 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制根據(jù)式56，可進(jìn)行轉(zhuǎn)子側(cè)控制的設(shè)計(jì)增加和作為前饋輸入，實(shí)現(xiàn)了電壓解耦。圖716是其工作原理框圖。若出現(xiàn)飽和即T1+T2T，則T1=T1圖 59SVPWM工作框圖（1）判斷矢量所在的扇區(qū)。圖 57電壓矢量的空間分布與扇區(qū)分配我們使用SVPWM控制的最終目的是獲得一個(gè)圓形的選擇電壓矢量軌跡，但是逆變器只能夠產(chǎn)生八個(gè)基本的電壓矢量。 三相靜止和兩相靜止坐標(biāo)系之間的變換坐標(biāo)變換的目的只有一個(gè)，那就是讓問(wèn)題的分析和系統(tǒng)的控制變的簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，可以使交流異步電機(jī)產(chǎn)生直流電機(jī)模型的部分，把調(diào)節(jié)交流量的任務(wù)轉(zhuǎn)化成調(diào)節(jié)直流量。 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型，為了能夠?qū)o(wú)功功率和有功功率進(jìn)行精確的控制，必須借鑒交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中的矢量控制技術(shù)通過(guò)坐標(biāo)變換的方法使得轉(zhuǎn)子電流的無(wú)功功率分量和有功功率分量得到解耦，再分別控制這兩個(gè)電流分量，做到對(duì)雙饋電機(jī)無(wú)功功率和有功功率的解耦控制，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的目的。輸入功率因數(shù)的控制就是對(duì)輸入電流無(wú)功功率分量的控制。背靠背雙PWM變換器主要由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器、電網(wǎng)側(cè)變換器和中間的濾波電容、直流母線以及控制器構(gòu)成。由磁鏈和電壓的微分關(guān)系可知，此時(shí)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子磁鏈亦是不變的了。同樣我們可以得到： （536） 雙饋發(fā)電機(jī)dq坐標(biāo)系下的的數(shù)學(xué)模型。從氣隙旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)來(lái)說(shuō)，三項(xiàng)繞組在通上三相交流電的時(shí)候能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，兩項(xiàng)繞組也能產(chǎn)生等效的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。因?yàn)槿嗬@組在空間互差對(duì)稱分布，假設(shè)氣隙磁通是在空間呈正弦分布的，那么互感就是： （514）所以： （515）定子和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感，我們可以認(rèn)為它是定子與轉(zhuǎn)子繞組之間夾角的余弦函數(shù)。磁鏈方程式為： （510）或統(tǒng)一表示為： （511）在式511中是個(gè)龐大的6*6的電感矩陣，下標(biāo)同為大寫(xiě)字母的是定子內(nèi)部的自感，同為小寫(xiě)字母的是轉(zhuǎn)子內(nèi)部的自感。 雙饋電機(jī)等效電路圖圖 03雙饋電機(jī)等效電路圖由上圖和基爾霍夫電壓定律，我們可以很容易得到如下雙饋電機(jī)的電壓方程： （55）——定子側(cè)電壓，——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，——定子側(cè)電阻，——定子側(cè)漏抗，——經(jīng)繞組折算后的轉(zhuǎn)子電壓，——轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)的等效電阻，——轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的等效電抗，——?jiǎng)?lì)磁電抗，——定子側(cè)電流。于是，若發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速是，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為是，如果我們能夠使，見(jiàn)式53，那么其定子側(cè)的輸出電壓頻率也會(huì)始終為常數(shù)，這也是雙饋發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻發(fā)電的最核心的原因。因此，雙饋電機(jī)可稱為：–交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）所謂雙饋電機(jī),雙饋的意思就是轉(zhuǎn)子繞組可以將電能饋入電網(wǎng)也可以從電網(wǎng)吸收能量，同樣定子繞組也可以從電網(wǎng)吸收電能和向電網(wǎng)饋送電能（當(dāng)然作為發(fā)電機(jī)，定子繞組在電機(jī)運(yùn)行時(shí)是一直向電網(wǎng)輸電的），一般定子繞組直接和電網(wǎng)相連,而轉(zhuǎn)子繞組會(huì)串接變頻器，它用來(lái)給雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子提參數(shù)可變的電流，以滿足系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電的需要（這個(gè)在后面章節(jié)詳細(xì)闡述）。圖 31電壓矢量圖在電機(jī)和發(fā)電機(jī)中矢量都是一樣的，在此，我們就直接說(shuō)成電機(jī)的電壓矢量了。因?yàn)樵陲L(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片的過(guò)程中，其風(fēng)能不可能為風(fēng)力機(jī)全部捕捉，所以可以定義風(fēng)能的利用系數(shù)來(lái)描述風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力大小。為了弄明白變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的基本的原理，就必須了解風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性、工作方式，其中包括在槳距角改變的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)的特性曲線。這樣以來(lái)，電網(wǎng)遇到故障期間永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組可以通過(guò)網(wǎng)側(cè)變換器的改進(jìn)控制（這里就不做深入探討了），不過(guò)由于它的成本比較高，體積比較大，運(yùn)輸機(jī)吊裝很困難，永磁材料還又有退磁的隱患，所以其整體技術(shù)不如雙饋異步發(fā)電機(jī)組成熟。圖 12交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了保證變速恒頻的運(yùn)行，在風(fēng)速變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)的變化時(shí)，應(yīng)該控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流的頻率，來(lái)保證定子輸出頻率的恒定。雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，按轉(zhuǎn)子類(lèi)型分為有刷和無(wú)刷兩種，無(wú)刷發(fā)電機(jī)即為鼠籠型發(fā)電機(jī)，由于鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制困難，無(wú)法最大限度的利用風(fēng)能，所以目前很少應(yīng)用；有刷發(fā)電機(jī)即為雙饋異步發(fā)電機(jī)，具備易于控制轉(zhuǎn)矩和速度、能工作在恒頻變速狀態(tài)、電機(jī)調(diào)速范圍大，可以工作在超同步運(yùn)行狀態(tài)和超容量運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)變流器的總額定功率可以降低到電機(jī)容量的1/3等優(yōu)點(diǎn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)有諸多的實(shí)現(xiàn)形式，有的采用電力電子裝置和發(fā)電機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，有的則通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻，其各自具有不同的特點(diǎn)，也適用于不同的場(chǎng)合，并表現(xiàn)出了卓越的運(yùn)行性能,成為電力技術(shù)研究中的熱點(diǎn)9。圖 11中國(guó)風(fēng)電資源分布 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電發(fā)電機(jī)及其變流器控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,其運(yùn)行狀況和控制技術(shù)決定著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量7。其中青海、甘肅、新疆和內(nèi)蒙可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量分別為1143萬(wàn)kW、2421萬(wàn)kW、3433萬(wàn)kW和6178萬(wàn)kW，是中國(guó)大陸風(fēng)能儲(chǔ)備最豐富的地區(qū)如圖11所示。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和世界各國(guó)在政策上對(duì)可再生能源發(fā)電的重視,風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展期。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是一種發(fā)展迅速的新興產(chǎn)業(yè)，是一種促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的產(chǎn)業(yè)，另外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也是一種跨行業(yè)的、綜合集成的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它涉及重型裝備制造業(yè)，電子信息產(chǎn)業(yè)等等。風(fēng)中所含能量大約占太陽(yáng)能夠提供總能量的1%到2%，太陽(yáng)輻射能量中的一部分被地球上的植物轉(zhuǎn)換成生物能，而被轉(zhuǎn)化的風(fēng)能總量大約是生物能的50~100倍。太陽(yáng)的輻射會(huì)引發(fā)地球表面受熱不均勻，從而引起大氣層中的壓力分布不均勻，空氣自然沿壓力差的方向運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。平均每裝一臺(tái)單機(jī)容量為1 MW的風(fēng)能發(fā)電機(jī)，每年可以減排2000噸二氧化碳、10噸二氧化硫、6噸二氧化氮。因此在不太遙遠(yuǎn)的未來(lái)，風(fēng)電將成為歐洲以至于世界的主要替代能源。 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源總量約為10()億kW。到2015年中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的商業(yè)運(yùn)行容量，要達(dá)到1億千瓦；到2020年時(shí)中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)到 ，%上升至9%左右456。變速恒頻發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn)，引起人們的廣泛關(guān)注，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了大型的風(fēng)電機(jī)組中，尤其是兆瓦級(jí)以上大容量系統(tǒng)。由于發(fā)電機(jī)的定子和電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子接交流勵(lì)磁變換器，在整個(gè)發(fā)電過(guò)程中，定、轉(zhuǎn)子都參與了饋電，所以被形象的稱之為“雙饋”發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器常采用背靠背式的三相兩電平電壓型的PWM變換器結(jié)構(gòu)，按照它們的位置，這兩個(gè)PWM變換器可以分別稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器。圖 13雙饋異步發(fā)電機(jī)組風(fēng)電系統(tǒng)圖 14永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)與此相反，永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)通過(guò)全功率變換器將永磁同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)隔離，所以電網(wǎng)故障不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直接影響，另外全功率變換器對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的控制能力也更強(qiáng)，如圖14所示。它的控制策略與運(yùn)行特性和系統(tǒng)所用發(fā)電機(jī)的類(lèi)型、風(fēng)力機(jī)的特性緊緊關(guān)系在一起。根據(jù)貝茨原理22，風(fēng)力機(jī)的輸入功率可以表示為： （21）式中，是風(fēng)力機(jī)所在空氣密度，單位：(kg/m3)；是風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃過(guò)的圓的面積，單位：(m2)；是空氣遇到風(fēng)機(jī)葉片前的速度，單位：(m/s)，就是沒(méi)有被風(fēng)機(jī)干擾前的速度。下面詳細(xì)介紹一下其原理和數(shù)學(xué)表達(dá)。圖 32矢量控制框圖4最大功率跟蹤當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在，機(jī)械功率和電磁功率在曲線上的A點(diǎn)平衡，此時(shí)如果風(fēng)速增加至由于機(jī)械慣性的緣故，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速依然會(huì)在，電磁功率不圖 01最大風(fēng)能跟蹤變，但機(jī)械功率就跳升到了B點(diǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)上升，機(jī)械功率沿曲線從B點(diǎn)爬升到C點(diǎn)，同時(shí)電磁功率從A點(diǎn)沿曲線上升至C點(diǎn)，以使系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。普通的異步發(fā)電機(jī)無(wú)法改變功率因數(shù)，而雙饋電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)一樣可調(diào)節(jié)功率因數(shù)。由式52可以知道，在頻率改變的時(shí)候，也跟著改變，另外，如果使電流的相序發(fā)生改變，自然，交變的電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)出現(xiàn)反向。最后是超同步運(yùn)行狀態(tài)，這和亞同步運(yùn)行狀態(tài)有許多相似之處，轉(zhuǎn)子繞組依然需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)地磁場(chǎng)，只是由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高，轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向應(yīng)該是和其旋轉(zhuǎn)方向相反的，這樣以用來(lái)抵消定子輸出電能的部分頻率達(dá)到恒頻發(fā)電的目的。 磁鏈方程定、轉(zhuǎn)子各繞組的磁鏈都由兩部分組成，有繞組內(nèi)部恒定不變的自感，還有繞組間隨定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置變化而變化的互感。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子與定子的位置也就隨時(shí)間不斷變化，這導(dǎo)致了每一相轉(zhuǎn)子繞組和每一相定子繞組之間的互感也在改變，它是一個(gè)關(guān)于的函數(shù)。坐標(biāo)變換就是由此被引入的，它使問(wèn)題得到了大大的簡(jiǎn)化，更重要的是使對(duì)系統(tǒng)的控制效果變得非常高。1. 兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換圖 06靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量在圖55中給出了αβ和dq坐標(biāo)系下的磁動(dòng)勢(shì)矢量，是每個(gè)繞組的數(shù)，磁動(dòng)勢(shì)矢量與其下表所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸重合，兩個(gè)按正弦曲線交變的電流和與以角速度旋轉(zhuǎn)的直流電流和產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等，由圖55可知，、和、應(yīng)滿足以下方程： （532）將其寫(xiě)成矩陣形式，如下： （533）從式533可以知道，從靜止兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系的變化矩陣，