【文章內(nèi)容簡介】 那么對于功率器件來說就需要承受很多的能量來對發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量補(bǔ)償，為了減少這種情況對功率器件造成的損害，我們要求只有風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到準(zhǔn)許功率變換器件工作的最低轉(zhuǎn)速后，功率器件才能開始工作，在此之前變換器是不參與工作的。定子側(cè)要想達(dá)到并網(wǎng)的要求，不僅頻率要與電網(wǎng)頻率要保持相同，如果幅值與電網(wǎng)不同也會對電網(wǎng)產(chǎn)生不好的影響，還有就是我們知道兩個波形如果相位不同，最后疊加到一起的結(jié)果甚至可能與我們想要的結(jié)果是完全相反的[24]。因此，對于功率器件來說要在這三點(diǎn)上對定子側(cè)的波形進(jìn)行調(diào)節(jié)。直到每個條件都滿足要求后才能并網(wǎng)。相比于其他并網(wǎng)方式，該控制方式不僅方法簡單，易于實現(xiàn)，又由于并網(wǎng)前定子開路，只有電壓沒有電流，所以并網(wǎng)的瞬間，由于電流的存在而給電網(wǎng)帶來的影響是非常小的[25]。 帶負(fù)載并網(wǎng)方式如下圖是并網(wǎng)前帶負(fù)載運(yùn)行的原理圖，從圖中我們可以看出，跟上一種并網(wǎng)方式不同的是，該方式下并網(wǎng)前定子側(cè)不僅有電壓的存在，而且還有電流的存在，定子側(cè)是閉環(huán)的回路而不是開路，并且有能量的消耗。兩種方式相比較，此方式控制更為復(fù)雜。圖27并網(wǎng)前帶負(fù)載控制結(jié)構(gòu)原理圖 Taking the structure of the load control principle diagram before interconnection兩種并網(wǎng)方式都是無沖擊并網(wǎng)，對于帶負(fù)載并網(wǎng)，并網(wǎng)后可以進(jìn)行兩種運(yùn)行方式，一種是繼續(xù)帶負(fù)載運(yùn)行，這種方式會使一部分的功率消耗在負(fù)載上。第二種是將負(fù)載切除運(yùn)行，這種方式會將全部功率注入電網(wǎng)。 兩種并網(wǎng)方式的比較并網(wǎng)前不論進(jìn)行的是哪種控制，其方案的好壞都要從兩方面進(jìn)行考慮，第一就是并網(wǎng)前對其進(jìn)行調(diào)節(jié)使其定子側(cè)滿足并網(wǎng)條件的控制策略，哪個更容易實現(xiàn)，且效果穩(wěn)定。第二就是并網(wǎng)時哪種方式對電網(wǎng)的有害影響相對較少。基于上述原因進(jìn)行比較。并網(wǎng)前空載運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速完全由風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸來帶動，而此時風(fēng)機(jī)對風(fēng)能的捕獲能力只由槳距系統(tǒng)來進(jìn)行控制，因此這個時候?qū)︼L(fēng)機(jī)的調(diào)速能力的要求相對來說比較高[26]。而對于帶獨(dú)立負(fù)載的情況則不一樣，由于定子側(cè)有負(fù)載回路的存在，該回路不斷消耗能量，因此，整個系統(tǒng)的能量由風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)能來決定的同時，也由定子側(cè)的回路共同決定。因此減少了風(fēng)機(jī)的負(fù)擔(dān)。但是從控制上來說其控制策略也更加復(fù)雜，實現(xiàn)起來難度比較大，需要不斷對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和實時的補(bǔ)償，需要檢測的量要有很多，而這個過程又很容易出現(xiàn)誤差，所以控制精度不如第一種方式好[27]?；谝陨显虮疚牟捎貌⒕W(wǎng)前空載控制的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。 并網(wǎng)后雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)控制方式研究風(fēng)電系統(tǒng)的控制是比較復(fù)雜的，不僅分為并網(wǎng)前、并網(wǎng)后控制，當(dāng)系統(tǒng)接入電網(wǎng)后的控制方式也根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同劃分為不同的控制策略。 變速恒頻系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域上一節(jié)介紹了在并網(wǎng)前對電機(jī)的控制，但在實際的控制中，要根據(jù)風(fēng)速以及飛輪轉(zhuǎn)速的不同，對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，通常我們將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速劃分為三個不同的階段，即風(fēng)機(jī)剛剛開始起風(fēng)階段、達(dá)到額定風(fēng)速前的加速階段、進(jìn)行功率控制的恒功率階段[28]。（1）開始起風(fēng)階段當(dāng)環(huán)境中的風(fēng)速從零開始增加時，此時的發(fā)電機(jī)獨(dú)自運(yùn)行，其并不與電網(wǎng)連接也不進(jìn)行能量交換。只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速要求后，才能進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行。開始運(yùn)行階段主要是提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，為了能夠最大限度的利用風(fēng)能，系統(tǒng)通過變槳調(diào)節(jié)對風(fēng)能進(jìn)行“捕獲”。（2）并網(wǎng)后但是風(fēng)速并未達(dá)到最大轉(zhuǎn)速階段當(dāng)風(fēng)速達(dá)到并網(wǎng)要求后，控制定子側(cè)與電網(wǎng)連接，此后便有了能量流動，通過功率器件的控制使定子向電網(wǎng)提供能量。風(fēng)力機(jī)的速度越快我們得到的電能越多，但是任何一個系統(tǒng)都不能無限度的加速運(yùn)行下去，速度的無限增加不代表利用效果的不斷上升。在這一階段我們分為兩種控制方式，即速度不斷增加的加速控制區(qū)和速度恒定不變的恒速控制區(qū)。對于一個固定的風(fēng)力系統(tǒng)來說，其對風(fēng)能的利用效果根據(jù)每個系統(tǒng)本身的特性的不同而不同，并且對于同一個系統(tǒng)來說，其槳距系數(shù)不同對風(fēng)能的利用效果也不一樣，對于該系統(tǒng)并網(wǎng)前是進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，并網(wǎng)后對其進(jìn)行定槳距調(diào)節(jié)，也就是說當(dāng)系統(tǒng)的速度不斷增加時，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一值，使得在該槳距下對風(fēng)能的利用系數(shù)最大即Cpmax，而對應(yīng)該系數(shù)的最佳轉(zhuǎn)速只有一個，因此為了使系統(tǒng)對風(fēng)能的利用達(dá)到最好的效果，我們要確保風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在最佳轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行[29]。因此，這一階段首先是速度不斷增加的過程，同時對風(fēng)能的利用不斷提高。當(dāng)速度達(dá)到一定值后，系統(tǒng)對風(fēng)能的利用達(dá)到最大值，若是速度再繼續(xù)增加，則對風(fēng)能的利用將不斷減小，為此，第二階段是使轉(zhuǎn)速恒定不變的控制，此時系統(tǒng)對風(fēng)能的利用效果最好。（3）對功率進(jìn)行調(diào)節(jié)不論是轉(zhuǎn)速增加還是轉(zhuǎn)速恒定調(diào)節(jié)，其實最終我們都是要向電網(wǎng)提供能量，因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變后，其功率仍是不斷增加的，定子側(cè)所吸收的功率，等于發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率加上功率變換器發(fā)出的功率之和，而不論是電機(jī)還是功率變換器，其發(fā)出的功率都不是無限增加的，都有其最大值，因此我們要根據(jù)系統(tǒng)的性能，控制發(fā)出功率超過其能承受的最大值。也就是說，當(dāng)功率達(dá)到最大值后我們又要對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以使功率的最大值保持在一定值不變。 能量流動分析眾所周知風(fēng)力機(jī)是對風(fēng)能進(jìn)行捕獲的裝置，是整個系統(tǒng)重要的能量來源，對風(fēng)能捕獲的效果直接影響著整個系統(tǒng)的效率。風(fēng)力機(jī)通過葉片吸收風(fēng)能，葉片通過轉(zhuǎn)軸與雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，當(dāng)葉片吸收風(fēng)能而旋轉(zhuǎn)時，會通過軸承帶動電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動，這就完成了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為動能的過程，運(yùn)動的轉(zhuǎn)子與定子之間由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生電磁力，由此在定子側(cè)產(chǎn)生電能。但是整個系統(tǒng)中跟能量有關(guān)系的不僅僅是風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，還有另一個系統(tǒng)，那就是轉(zhuǎn)子側(cè)的功率調(diào)節(jié)器，該部分的功率是雙向流動的，其既可以從電網(wǎng)吸收能量供給發(fā)電機(jī)，也可以從風(fēng)機(jī)中吸收能量，并將該部分能量回饋到電網(wǎng)上[30]。當(dāng)忽略系統(tǒng)中的各種損耗，只考慮正常的能量關(guān)系時可得到如下方程： (27)（1）當(dāng)0時，此時風(fēng)機(jī)從外界捕獲的能量，一部分能量傳輸給電機(jī)，另一部能量通過功率器件反饋回電網(wǎng)如圖28(a)。（2）當(dāng)0時，此時風(fēng)機(jī)從外界捕獲的能量，功率器件從電網(wǎng)吸收的能量為，與兩部分能量共同傳輸給電機(jī)其能量和為如圖28(b)。 (a) 0時=+ (b) 0時=－圖28系統(tǒng)功率流動圖 System power flow diagram由此，可以看出雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組的功率的流動是雙向的，且變頻器功率器件的能量流動僅為系統(tǒng)能量的很小的一部分[31]，這點(diǎn)也是該系統(tǒng)的又一優(yōu)勢所在。 系統(tǒng)運(yùn)行分析 根據(jù)上圖28所示，現(xiàn)在來分析一下當(dāng)風(fēng)速變化時風(fēng)力機(jī)以及雙饋電機(jī)是怎樣進(jìn)行功率最大追蹤的。起初的風(fēng)速比較低為，其為，可知系統(tǒng)以角速度恒速運(yùn)行，此時功率為，當(dāng)風(fēng)速突然發(fā)生變化，由變?yōu)楹?，由于慣性的存在飛輪的轉(zhuǎn)速依然保持在，因此此時功率由原來的點(diǎn)，上升到曲線對應(yīng)的B點(diǎn)也就是功率由上升到。由于能量守恒原理我們知道，如果輸入的能量大于輸出的能量，那么整個系統(tǒng)就不可能保持原來的狀態(tài)，多余的能量就會使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷上升，直到整個系統(tǒng)的輸入輸出再次保持平衡，由圖中可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)時，功率再次達(dá)到平衡，此時對風(fēng)能的利用也再一次達(dá)到最好的效果，即=。在整個過程中，功率的變化曲線為，轉(zhuǎn)速的變化曲線為。該過程是可逆的，當(dāng)風(fēng)速由到時，功率及轉(zhuǎn)速的變化過程正好與上述過程相反，分別由圖中的點(diǎn)運(yùn)動到，由點(diǎn)運(yùn)動到。 由上述分析可知道，其實該系統(tǒng)相當(dāng)一個閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)速的不同，某一風(fēng)速下的作為參考值，給定的功率的參考值與實際輸出的功率值進(jìn)行比較，一旦兩者的差值不為零，那么系統(tǒng)的平衡就會被打破，轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，直到參考值與給定值的差值再次相等，系統(tǒng)再一次恢復(fù)平衡[32]。這樣的動態(tài)調(diào)節(jié)來使風(fēng)機(jī)始終能保持對風(fēng)能的利用效果最好。圖29功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線 Curve of power and speed 本章小結(jié)本章主要是對風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性、運(yùn)行區(qū)域等進(jìn)行分析，最后對風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與建模。針對風(fēng)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，對雙饋電機(jī)在整個系統(tǒng)中的作用以及運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，對并網(wǎng)前的系統(tǒng)的控制進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且將兩種并網(wǎng)前的控制方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析與比較，最后得出了空載并網(wǎng)的優(yōu)勢。對于并網(wǎng)后系統(tǒng)的控制區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，并且對每一個區(qū)域的控制方式進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對能量在風(fēng)機(jī)、電機(jī)、電網(wǎng)中的流動的過程做了細(xì)致的分析。最后對系統(tǒng)是怎樣進(jìn)行最大風(fēng)能追捕進(jìn)行了分析，并對其過程進(jìn)行了詳細(xì)說明。第3章 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型與仿真模型的建立雙饋式發(fā)電機(jī)同感應(yīng)電機(jī)類似，系統(tǒng)均是非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，所以建立數(shù)學(xué)方程時一般均為理性模型，我們假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組三相對稱，空間諧波、鐵芯損耗，溫升變化等均不計[33]；忽略磁路飽和以及外界環(huán)境對電機(jī)繞組的影響。 三相靜止坐標(biāo)下的雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型雙饋電機(jī)被等效為如圖33所示電路圖。、是定子三相繞組的軸線，其在空間中的位置是固定的。A軸為坐標(biāo)參考軸。、是轉(zhuǎn)子三相繞組的軸線，其在空間的位置是不斷變化的，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組的軸線也會隨之旋轉(zhuǎn)[34]。當(dāng)轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)時，軸和定子軸間的角度差為該叫為空間角位移。各軸線正方向取為對應(yīng)繞組磁鏈的正方向。定子電壓、電流的正方向按照發(fā)電機(jī)慣例表示，正值電流產(chǎn)生負(fù)值磁鏈；轉(zhuǎn)子電壓、電流正方向按照發(fā)動機(jī)的慣例標(biāo)示，正值電流產(chǎn)生正值磁鏈[35]。圖31雙饋電機(jī)等效模型 DFIG equivalent model 俯仰軸模型的建立圖31中，表示定子上的各個參量的值，標(biāo)示轉(zhuǎn)子上的各個參量的值。定子上繞組分布是對稱的且任一相的阻值都為，轉(zhuǎn)子上繞組分布是對稱的且任一相的阻值都為。得，定、轉(zhuǎn)子的電壓方程分別為： (31) (32)用矩陣的形式表示為： 或?qū)懗? (33)式中：—定、轉(zhuǎn)子相電壓值；—定、轉(zhuǎn)子相電流值；—各相繞組的全磁鏈；—定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻；—微分算子。 磁鏈方程互感的情況較為復(fù)雜，該電機(jī)內(nèi)部主要的互感有兩種：一是、自身內(nèi)部及、自身內(nèi)部各相彼此之間，產(chǎn)生的自感，其彼此之間的空間位置固定，故其值為常量[36]；另一個是定、轉(zhuǎn)子彼此之間因為相對的位置的變化而引起的互感，其值與位移的函數(shù)相關(guān)。也是造成系統(tǒng)非線性的主要原因。磁鏈方程表達(dá)式為：或?qū)懗? (34)式中，自感：===+；互感：===+。對于各相內(nèi)的彼此之間的互感，由于各相是對稱的互差，其值為： (35)于是有： ====== (36) ====== (37) 運(yùn)動方程機(jī)械運(yùn)動方程可以表示為 (38)其中： —為風(fēng)機(jī)提供的拖動轉(zhuǎn)矩；—為轉(zhuǎn)動慣量；—阻尼系數(shù)；—為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)；—為轉(zhuǎn)子角速度；—為定、轉(zhuǎn)子角度差，且。通常，假設(shè)=0，=0，則 (39) 轉(zhuǎn)矩方程 轉(zhuǎn)矩方程為 (310)由以上推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，該坐標(biāo)系上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受控量的結(jié)果受制于多個變量，并且多個受控量彼此之間還有相互影響，在這種情況下，并不適合我們對系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行控制，于是我們希望通過等價變換，將其簡化。 坐標(biāo)變換如圖34(a)所示、的位置是固定的，當(dāng)在不斷旋轉(zhuǎn)的時候，其與、之間的互感根據(jù)的位置不同而產(chǎn)生相應(yīng)的改變。這種實時變化的參數(shù)，對于我們對系統(tǒng)的分析很不利，要想辦法將實時變化的量，轉(zhuǎn)換成固定量。 (a)靜止坐標(biāo)系 (b)靜止坐標(biāo)系 (c)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖32等效繞組模型 Winding equivalent model磁勢是空間中真實存在的矢量，而電壓、電流和磁鏈這三個物理量在空間中是并不存在的。盡管電流不是在空間中真實存在的，但電流的大小卻可以直接決定磁動勢的大小，它們的幅值成正比。因此，從數(shù)學(xué)的角度看，我們也可以把電流看做成空間矢量。也就是說，對于雙饋電機(jī)來說，其定子磁動勢直接由定子電流決定，我們可以把定子電流看成是真實存在的空間矢量。那么電壓又是與電流相關(guān)的量，由此其也可以看做是空間中存在的矢量[37]。矢量控制就是對空間上存在的物理量進(jìn)行實時控制，可以將其進(jìn)行分解，分解的方式有很多，其中我們要選擇彼此之間沒有影響的空間量進(jìn)行分解的話，對于我們以后的控制會有很多的好處。也可以達(dá)到將復(fù)雜的問題簡單化的目的，空間上的任意一個量都可以用任意多相坐標(biāo)系進(jìn)行表示，當(dāng)然最簡單的就是用兩相坐標(biāo)來表示。一般有兩種變換方式，第一種是在變換時可以采取模不變的變換策略，該策略的優(yōu)點(diǎn)是變換前后繞組匝數(shù)相等，缺點(diǎn)是變換前后不滿足功率不變和磁勢不變的約束。第二種是功率平衡為變換的首要標(biāo)準(zhǔn)，為了達(dá)到這個目的，變換前后匝數(shù)一定不會相等。其實對于正交變換只是坐標(biāo)上的變換而已沒有任何特定的物理意義。經(jīng)過試驗證明第一種方法，即變換前后膜不變的策略，推導(dǎo)出的系統(tǒng)與真實電機(jī)的物理特征最相似，本文也采用了這一研究成果。我們知道，電機(jī)的繞組是對稱分布的位置就像圖34(a)所分布的，當(dāng)對其通以對稱的正弦變化的電流、時，其合成的作用效果是產(chǎn)生如圖的空間磁勢，其值的集合是正弦變化的。 變換向圖34(a)通以對稱的按照正弦變化的、時，其合成的作用效果是產(chǎn)生如圖的磁勢，同樣的磁場用如圖34(b)所示的兩相坐標(biāo)也可以產(chǎn)生。其效果相同。（1）變換矩陣變換矩陣為 (311)（2）逆變換矩陣逆變換矩陣為 (312) 變換圖34(a)中的、是交流量，其值隨著時間而不斷變化，而坐標(biāo)軸是靜止不動的。產(chǎn)生合成磁動勢。如圖34(c)也是相互垂直的但是與34(b)不同的是、中通入的是直流電流和，并且軸不是靜止不動的，而是不斷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，此時也會產(chǎn)生合成磁動勢，當(dāng)與和軸的位置固定不變，而讓整個坐標(biāo)軸以速度旋轉(zhuǎn)時，效果與34(b)等效。（1）變換矩陣 變換矩陣為 (313)（2）逆變換矩陣 逆變換矩陣為 (314) 到變換由與的變化可得（1）到的變換矩陣 (315)（2）到的變換矩陣 (316) 坐標(biāo)下的雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型開始我們建立的電機(jī)模型是在下