【正文】 中，比例積分環(huán)節(jié)的Kp=,Ki=5。根據(jù)圖715，我們可以得到式71： （71）其中是dq坐標(biāo)系與abc坐標(biāo)系之間的夾角，是電網(wǎng)電壓矢量的實時相位角當(dāng)或接近于零的時候，我們可以明顯的看出此時電壓矢量已經(jīng)和旋轉(zhuǎn)地坐標(biāo)系d軸重合，也就是，電網(wǎng)電壓矢量的相位角得到鎖定。 （76）對于不同的扇區(qū)，可以根據(jù)工作時間的值，計算出各個扇區(qū)對應(yīng)的工作時間表，如表75所示，仿真模型如圖711所示。 （71）由正弦定理得： （72）通過上式得： （73），間隙時間我們通過兩種基本的零矢量信號來填補： （74）其他扇區(qū)的求解過程和第一個扇區(qū)是相同的，這樣就可以得到八種基本矢量的作用時間，通過控制不同的開關(guān)時間我們就可以得到我們所需要的脈沖信號，對PWM進行控制。表 51逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量表相電壓矢量表達式矢量標(biāo)號A相B相C相00000000010100111001101110000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 51電網(wǎng) 風(fēng)力機模型風(fēng)力機通過輸入風(fēng)速得到輸出轉(zhuǎn)矩，進一步來驅(qū)動齒輪箱帶動發(fā)電機轉(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行建模，根據(jù)式26和式29，我們得到如圖72的風(fēng)力機模型。其次是雙饋電機輸出無功功率控制，以保證所并電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，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。假如能對交流側(cè)輸入的有功功率進行有效的控制，就能夠穩(wěn)定直流母線處的電壓。雙饋發(fā)電機的定子側(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。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。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。從機電能量之間的的轉(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)電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，如果我們給發(fā)電機直接加電壓或電流，是不可能對轉(zhuǎn)速進行精確的調(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模型的基礎(chǔ)上研究交流電機的物理模型，最后就能夠像控制直流電機一樣控制交流電機了。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。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。此時，發(fā)電機處于同步運行狀態(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。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。這是因為雙饋發(fā)電機轉(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被稱為異步發(fā)電機，但是，從勵磁這方面來講，雙饋發(fā)電機和同步發(fā)電機一樣，它就具有專門的勵磁繞組。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。空間矢量是為了研究的數(shù)學(xué)表達簡單和方便而來的，因為，它把三相交變的物理量表達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。整個風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率都由風(fēng)力機決定，并且它還會直接的影響風(fēng)電機組的穩(wěn)定、可靠、安全的運行，是風(fēng)電系統(tǒng)中的很關(guān)鍵的功能器件。2 風(fēng)力機風(fēng)力機是風(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)力機時，一部分動能作為機械能傳給發(fā)電機，中間會經(jīng)過齒輪增速環(huán)節(jié)。由于雙饋異步發(fā)電機定子直接與電網(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)電機和電網(wǎng)的聯(lián)系，使得風(fēng)電機組對電網(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)電機組控制了能力也受到一定的限制，導(dǎo)致雙饋發(fā)電機風(fēng)電機組電網(wǎng)的故障穿越能力比較弱，如圖13所示。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。10 11 12 13隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機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。這種變速恒頻的發(fā)電方式還可以使得風(fēng)電機組和電網(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)定運行的優(yōu)點。未來中國將在沿海等電力負荷較大的地區(qū)建立一批分布式風(fēng)電基地。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。世界風(fēng)能市場裝機建設(shè)資金達450億歐元，提供50萬個就業(yè)崗位。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。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。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。 國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀歐洲風(fēng)電發(fā)展迅猛。風(fēng)力機單機容量和風(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。中國2010年至2020年能源需求增長約為每年超過4%。風(fēng)能利用系數(shù)(見第二章)反映了風(fēng)力機吸收風(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。 幾種發(fā)電系統(tǒng)的比較常見的發(fā)電系統(tǒng)分為很多種類，表11將其做了簡單的比較。雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的核心部件。根據(jù)電機學(xué)的原理，如果要實現(xiàn)穩(wěn)定的電機能量的轉(zhuǎn)換，就要要求發(fā)電機的定子、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止，即，要求轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場相對于空間的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速之差或和）等于定子的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。再加上我國對稀土永磁材料的限量開發(fā)保護政策，更將妨礙永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組的發(fā)展，2009年永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組的市場份額約為17％16。 在風(fēng)機的運行過程中，除葉輪本身的直徑及功率系數(shù)和啟動轉(zhuǎn)矩系數(shù)外，葉輪吸收的機械功率以及啟動轉(zhuǎn)矩受風(fēng)速的影響比較大18，如圖21所示：圖 21不同風(fēng)速下電機轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系圖21中， 隨著風(fēng)速的增大，捕捉最大風(fēng)能的電機轉(zhuǎn)速是不同的，它是隨著風(fēng)速的最大而增大，圖中虛線給出了不同風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率的曲線我們的目標(biāo)就是系統(tǒng)在變風(fēng)速下能維持或始終接近那條虛線。 （22）我們可以由此得出風(fēng)力機輸出的機械功率為： （23）其中，是風(fēng)輪的直徑。把繞組的空間位置信息和電壓值得大小結(jié)合起來，很容易定義一個電壓矢量，一個有大小有方向的量，如圖31所示。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的特點在很多發(fā)電機運行的環(huán)境當(dāng)中，驅(qū)動發(fā)電機的原動機轉(zhuǎn)速是隨時間一直變化著的，比如水利發(fā)電，水輪機的轉(zhuǎn)速會隨著水位高度的不同發(fā)生相應(yīng)的變化；同樣在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速的變化使得風(fēng)力機轉(zhuǎn)速也在變化。–同步感應(yīng)發(fā)電機；–異步化發(fā)電機。 （53）根據(jù)轉(zhuǎn)差率的表達式，可以得到其轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率： （54）從式54能夠看出，如果想做到恒定頻率電能的輸出，只需保證轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電流頻率為就行了。我們可以看出，雙饋電鋸不同于平常的繞線式異步電機的地方在于，它增加了轉(zhuǎn)子側(cè)的附加電動勢，這個變化使得雙饋點的調(diào)速更加靈活，范圍更加寬。其中除主對角線元素以外的元素表達的都是和其下標(biāo)一致的定子和轉(zhuǎn)子之間的互感，而主對角線上的元素是和它的下標(biāo)一致的繞組的自感。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子繞組的軸線重合時，互感值是最大的，為，所以： （516）將上式代入到磁鏈方程，就可以得到更進一步的磁鏈方程。在坐標(biāo)變換的過程中應(yīng)保持磁通矢量和旋轉(zhuǎn)角速度不變，這就可認(rèn)為兩種坐標(biāo)系下的磁動勢等效了。在研究發(fā)電機數(shù)學(xué)模型時，作以下假設(shè)：1. 忽略電流電壓在空間的諧波，三相繞組在空間上互差120176。圖 07定子電壓d軸定向矢量圖特別是對于兆瓦級的發(fā)電機來說，由于其本身的大電感，定子繞組的電壓降可以忽略不計，所以在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下： （544）現(xiàn)在把定子電壓矢量定在d軸上如圖56所示，得 （545）所以： （546）， （547）我們繼續(xù)處理磁鏈方程： （548）得到定子電流： （549）從而得出功率的進一步表達式： （550）將式（541）、（549）代入式（538），可得轉(zhuǎn)子電壓： （551）其中，將式（549）代入式（550），可得定子功率： （552） 當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)運行后，定子端的功率就是其輸出功率的絕對值，所以雙饋發(fā)電機的輸出功率為： （553）從式（553）我們能夠看出，經(jīng)過定子電壓定向的處理后，有功功率和無功功率實現(xiàn)了成功解耦，只要控制就可以控制有功功率，只要控制有關(guān)而就可以控制無功功率。它是了雙饋電機能更好的最大功率跟蹤風(fēng)能而設(shè)計的。由此可以知道，應(yīng)該把整個網(wǎng)側(cè)變換器的控制環(huán)節(jié)應(yīng)分為兩部分，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，圖63是控制框圖。其實，是通過控制變頻器加在轉(zhuǎn)子上的附加電壓來達到控制轉(zhuǎn)子電流的目的的，所以，需知道轉(zhuǎn)子電流與變頻器加在轉(zhuǎn)子上的附加電壓之間的關(guān)系。圖 53三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系的變換根據(jù)式535，我們可以得到如圖73的仿真模型，根據(jù)式536，我們可以得到dq坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的控制框圖，如圖74。因此我們以這八個空間向量作為基本矢量，根據(jù)平行四邊形矢量合成法則，合成我們所需要的中間矢量。在圖77中，可以知道空間平面被分成了6個扇區(qū)，所以算法的第一步要判斷矢量所在的扇區(qū)。T/(T1+T2)，T2=T2圖 515電壓矢量在三種坐標(biāo)系下圖 516PLL工作原理圖在Matlab/Simulink的SimPowerSystems/ExtraLibrary/Disctete Control Blocks中有三相的PLL，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖717：圖 517三相PLL模型 網(wǎng)側(cè)變換器（整流器）控制對于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的網(wǎng)側(cè)部分，采用電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)形式。轉(zhuǎn)子側(cè)采用閉環(huán)控制的方式，從電網(wǎng)測量的電流經(jīng)坐標(biāo)變換直接得到d、q軸的分量，與電流給定比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，在分別與兩個前饋輸入量作和，得到d、q軸的電壓給定。功率的計算很簡單，就是電流與電壓的乘積再乘以一個電壓與電流相位差叫的三角函數(shù)值。對比著看圖84和圖85，可以知道當(dāng)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時電機轉(zhuǎn)子電流為負向序產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，用以維持定子輸出電能頻率的恒定，此時轉(zhuǎn)子通過變頻器從電網(wǎng)吸收電能；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子電流為正向序，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的磁場，同樣維持了輸出電能頻率的恒定。正好相反，說明轉(zhuǎn)子功率為負，從電網(wǎng)吸收能量。第一章也給出了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體拓撲結(jié)構(gòu)，使本論文所要分析的問題有了一個整體的輪廓。第四章通過曲線圖動態(tài)分析了在風(fēng)速改變時進行最大功率跟蹤的一個過程。重點分析了，最大風(fēng)力跟蹤曲線和電機在幾種不同運行狀態(tài)的波形。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG），電壓矢量，單位功率因數(shù)，空間矢量調(diào)制。二 直接轉(zhuǎn)矩的核心轉(zhuǎn)矩控制是通過改變轉(zhuǎn)子電壓的頻率，幅值，相位和相序來改變電機轉(zhuǎn)速。在次同步運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子和定子磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)為逆時針方向旋轉(zhuǎn)。舉一個例子，圖4示出了當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶课挥谏葏^(qū)S1時，電機在次同步狀態(tài)下運行時的狀況。從扇