【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的輸出電壓控制[13]。4. 建立了矢量控制能在在電網(wǎng)正常條件下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的良好控制。不平衡電網(wǎng)電壓下的雙dq電流控制策略可以有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡所引起的電磁轉(zhuǎn)矩，直流電壓和輸向電網(wǎng)總功率的脈動(dòng),增強(qiáng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行能力[7]。5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對(duì) PS．VS子功能與 NS. VR子功能的容量分配算法。通過(guò) Matlab／Simulink對(duì) 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(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)電壓非對(duì)稱狀態(tài)下雙饋風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)并網(wǎng)條件的明顯提升[16]。 研究的主要內(nèi)容由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有變流器容量小、效率高、并網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)異常尤其是電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行，提出了更嚴(yán)格的要求，本文著重分析了雙饋風(fēng)機(jī)的建模和它在不平衡情況下的輸出特性。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：首先主要研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)基本模塊，包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。分別建立了它們的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Simulink進(jìn)行了仿真；簡(jiǎn)要分析了它們的輸出特性。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(yùn)行原理及其輸出特性。首先通過(guò)坐標(biāo)變換了方法對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，給出了電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓方程，磁鏈方程，電磁轉(zhuǎn)矩方程以及機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程，利用這些方程，搭建了雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析了雙饋電機(jī)在正常情況下的輸出特性。其次，給出了不平衡度計(jì)算方法，建立了不衡度計(jì)算模塊，接入到所建立的電機(jī)模型中，調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)分別運(yùn)行在不平衡度為3%和5%的情況下，比較分析兩種情況下，電機(jī)輸出特性的變化情況，得出了一些有用的結(jié)果。最后，分析了雙饋電機(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。利用對(duì)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(fù)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。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)力發(fā)電機(jī)在不平衡情況下的輸出特性。35第2章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立 第2章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立 風(fēng)速模型的建立 本文采用最簡(jiǎn)單的風(fēng)速模型進(jìn)行分析，這種風(fēng)速模型一般包括四種分量：基本風(fēng)，階躍風(fēng)，陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。數(shù)學(xué)公式表達(dá)為: (21)式中各分量具體含義如下：(1) 為基本風(fēng)分量，是風(fēng)速模型的平均風(fēng)速；(2) 為陣風(fēng)分量，表示突然變化的風(fēng)速成份，數(shù)學(xué)模型表示為： (22)其中，、為陣風(fēng)開始和持續(xù)時(shí)間，為陣風(fēng)的最大風(fēng)速；(3) 為階躍風(fēng)分量，描述的是漸變的風(fēng)速，數(shù)學(xué)模型為： (23)其中，、為階躍風(fēng)的開始、保持和終止時(shí)間，為階躍風(fēng)的峰值；(4) 為隨機(jī)風(fēng)分量，用matlab里面的白噪聲表示。根據(jù)以上三個(gè)式子建立simulink下的風(fēng)速仿真模型，如圖21所示。在仿真中設(shè)定參數(shù)如下：基本風(fēng)；陣風(fēng)最大風(fēng)速，開始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間；階躍風(fēng)最大風(fēng)速，開始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，終止時(shí)間。仿真時(shí)間為50s。得出的風(fēng)速仿真波形圖如圖21到24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(shí)情況下的風(fēng)速變化情況，其中包含時(shí)刻在波動(dòng)的白噪聲，偶爾突然增大瞬間又減小的陣風(fēng)，增大后能保持一段時(shí)間的階躍風(fēng)，以及一直保持的基本風(fēng)。圖21 風(fēng)速模型總圖圖22 陣風(fēng)模塊仿真圖圖23 階躍風(fēng)模塊圖24 風(fēng)速模型仿真圖 風(fēng)力機(jī)模型的建立風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的重要部分，它以風(fēng)能作為輸入，輸出機(jī)械能。而它輸出機(jī)械能的效率取決于風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。由于發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)是通過(guò)齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)聯(lián)接，可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，即： (24)式中，是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。由上式可見(jiàn)[17]，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩等于發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。如果風(fēng)力機(jī)處在風(fēng)速不變化的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速就能隨著風(fēng)速發(fā)生變化，風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩跟隨風(fēng)速不斷變化一直到平衡狀態(tài)，所以，風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能。 風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性由，風(fēng)輪捕獲功率P、葉尖速比、功率系數(shù)、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩表示，分別如下 (25) (26) (27) (28)式中，v為主導(dǎo)風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪葉片半徑，m；為空氣密度。對(duì)于，根據(jù)文獻(xiàn)[17]取值如下： (29) (210)式中，，。由式(29)可見(jiàn)，當(dāng)槳矩角恒定時(shí)，在不同風(fēng)速的情況下，只需要控制風(fēng)力機(jī)使其能保持在最佳的葉尖速比下運(yùn)行，就可以確保風(fēng)力機(jī)取得最佳功率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲功率。一般。將(25)到(210)綜合起來(lái)用matlab搭建的仿真圖見(jiàn)25到28圖。仿真時(shí)，風(fēng)力機(jī)處于靜態(tài)時(shí)，槳距角為,風(fēng)力機(jī)半徑R為15m，所模擬的風(fēng)速為0到15m/s，仿真時(shí)間為50s。先假設(shè)風(fēng)速與風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速成正比K，在仿真時(shí)調(diào)節(jié)K值，使葉尖速比與捕獲功率達(dá)到最大，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[17]可知，當(dāng)最佳葉尖速比為8時(shí)，捕獲功率最大，所以調(diào)K值，使仿真圖中代表葉尖速比的近于8即可。圖25 風(fēng)力機(jī)內(nèi)部模塊仿真圖圖26 風(fēng)力機(jī)外部模塊仿真圖圖27 Cp計(jì)算模塊圖28 轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果圖 29 捕獲功率的仿真結(jié)果 本章小結(jié)本章主要研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)基本模塊，包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。對(duì)于風(fēng)速模型采用常用的四個(gè)分量進(jìn)行模擬，對(duì)于風(fēng)力機(jī)模型則需要調(diào)節(jié)參數(shù)使其工作在最佳狀態(tài)。然后Simulink進(jìn)行了仿真，簡(jiǎn)要分析了它們的輸出特性。第3章 雙饋風(fēng)機(jī)的建模與輸出特性 第3章 雙饋風(fēng)機(jī)的建模與輸出特性 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機(jī)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。鼠籠式感應(yīng)電機(jī)在變頻調(diào)速時(shí)僅由定子側(cè)供電，而雙饋感應(yīng)電機(jī)則不同，它由轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)一起饋送電能，所以稱為“雙饋”發(fā)電機(jī)。由于雙饋電機(jī)由轉(zhuǎn)子側(cè)提供交流勵(lì)磁，所以雙饋電機(jī)也稱作異步化同步電機(jī)或交流勵(lì)磁同步電機(jī)。圖31 變速恒頻雙饋風(fēng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖31表示了雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的連接情況，雙饋電機(jī)定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流器與電網(wǎng)連接，電機(jī)側(cè)變流器控制電機(jī)的運(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)變流器控制電機(jī)與電網(wǎng)的能量交換。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)風(fēng)速變化引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電機(jī)側(cè)變流器可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來(lái)實(shí)時(shí)控轉(zhuǎn)子電流的頻率，從而使電機(jī)定子頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻運(yùn)行。以代表轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，代表定子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)時(shí)，電機(jī)處于超同步速運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋送電能；當(dāng)時(shí)，電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，交直交變流器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)時(shí)，勵(lì)磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)電機(jī)作為普通隱極式同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率，保證定子電流頻率恒定不變，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型雙饋電機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變性的多變量系統(tǒng)，模型較為復(fù)雜，系統(tǒng)分析和求解十分困難，而且對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也十分不利。而通過(guò)坐標(biāo)變換可以使原來(lái)三相坐標(biāo)下基波正弦變量變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，這樣分析就變得簡(jiǎn)單。而三相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步聚：首先是三相靜止坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)，利用的是clarke變換矩陣： (31)然后是兩相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，利用的是Park變換矩陣： (32)進(jìn)行坐標(biāo)變換后就可以進(jìn)行雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常情況下的數(shù)學(xué)建模。通過(guò)對(duì)正常情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)分析，建立在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)下雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓方程，磁鏈方程，電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。(1) 電壓方程 (33)式中：，，分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量