【導(dǎo)讀】近年來(lái)，風(fēng)能作為一種可再生綠色能源，受到了廣泛關(guān)注。因此深入分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，成為進(jìn)一。步開(kāi)發(fā)風(fēng)能所迫切需要解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)我國(guó)目前應(yīng)用比較廣泛的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁同。步電機(jī)進(jìn)行比較，可以看出雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。后，本文建立了雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。是對(duì)輸出功率和電壓質(zhì)量的影響。

　　

【正文】 機(jī)、無(wú)功功率控制系統(tǒng)、變頻器及其控制系統(tǒng)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。在 節(jié)和 節(jié)已經(jīng)給出了風(fēng)力機(jī)和槳距角控制系統(tǒng)的模型，這里將主要描述雙饋異步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型和控制系統(tǒng) 模型。 關(guān)于變頻器及其控制系統(tǒng)的模型在此不做詳細(xì)介紹。 風(fēng) 速 模 型 風(fēng) 力 機(jī) 模 型 軸 系 模 型漿 距 角控 制基 頻 電 網(wǎng)雙 饋 異 步 發(fā) 電機(jī) 模 型變 流 與 保 護(hù)系 統(tǒng)轉(zhuǎn) 速 控制電 壓 控 制 系統(tǒng)wV wP mP ,ePQ?ge nS refP rIre fQfV 圖 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 27 （ 1） 雙饋異步發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型 [13] 雙饋電機(jī)電 壓和磁鏈方程是按照電動(dòng)機(jī)正方 向的規(guī)定，并且在定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下建立的，方程用標(biāo)幺值 表示為： = p += p += p += p + +d s d s q s s d sq s q s d s s q sd r d r q r r d rq r q r d r r q rU k k r IU k k r IU k sk r IU k sk r I??????? () =+=+=+=+ds ss ds m drqs ss qs m qrdr rr dr m dsqr rr qr m qsk X I x Ik X I x Ik X I x Ik X I x I??????? () 式 中： dsU 表示定子電壓的 d 軸分量、 qsU 表示定子電壓的 q 軸分量 ； drU表示轉(zhuǎn)子外加電壓的 d 軸分量、 qrU 示轉(zhuǎn)子外加電壓的 q 軸分量； P = d/dt表示微分 算子， dsk 表示定子磁鏈的 d 軸分量， qsk 表示定子磁鏈的 q 軸分量 ；drk 示轉(zhuǎn)子磁鏈的 d 軸分量， qrk 表示轉(zhuǎn)子磁鏈的 q 軸分量 ； dsI 表示定子繞組電流的 d 軸分量、 qsI 表示定子繞組電流的 q 軸分量， drI 表示轉(zhuǎn)子繞組電流的 d 軸分量， qrI 表示轉(zhuǎn)子繞組電流的 q 軸分 量；其中公式中的 ssX 、 rrX分別為： ss s mX X X??, rr r mX X X??。 忽略定子側(cè)的電阻和電磁暫態(tài)過(guò)程（即 0, 0ds qs spk pk r? ? ?),得到雙饋異步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)基本方程如下所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 28 === p += p + +d s q sq s d sd r d r q r r d rq r q r d r r q rUkUkU k sk r IU k sk r I??????? () =+=+=+=+ds ss ds m drqs ss qs m qrdr rr dr m dsqr rr qr m qsk X I x Ik X I x Ik X I x Ik X I x I??????? () 將式（ 2,20）代入式（ ），得出： 0 0 00= + ss+ds dsss mqs qsss mm m r rr rrdr drm m rr r rrqr qrUIXxXxpx sx r pX Xsx px X r pX? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? () 令 = +j= +j= +j= +js ds qsr dr qrs ds qsr dr qrU U UU U UI I II I I??????? () 經(jīng)整理得出： = ( p+ js) + ( p+ js) Xsss s mm r r rrrUIjX jxxr? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? () 設(shè) 39。 mrrrxE j kx? () 239。 ss rr mrrX X xx X ?? () 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 29 39。0 rrd rXT r? () 那么雙饋機(jī)的動(dòng)態(tài)方程可表示如下 : j XsUSI E 圖 雙饋電動(dòng)機(jī)等值電路 以下是將 39。 rsEU、 、 I 分別用 dq 分量進(jìn)行表示 0039。 139。 39。 ( 39。)39。39。 139。 39。 ( 39。)39。dmqr q d s s qsr r dq mdr q q s s dsr r ddE x U sE E X x Idt X TdE x U sE E X x Idt X T? ??? ? ? ? ? ?? ????? ??? ? ? ? ????? （ ） qd39。= 39。I 39。=x39。Id qsssExUE????? () 如果風(fēng)電機(jī)組是在定子磁場(chǎng)定向矢量控制下， ds=0U ，則由發(fā)電機(jī)定子繞組電壓和電流決定的電磁轉(zhuǎn)矩 eM ，公式表示如下： e=Is qsMU （ ） 式中 sU 是定子繞組電壓幅值， qsI 定子電流 q 軸分量。 當(dāng)電力系統(tǒng)處于暫態(tài)過(guò)程中時(shí)，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩固定不變時(shí)，產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩的主要原因就是電磁轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)變化需調(diào)速或者轉(zhuǎn)速有偏差時(shí)，則要通過(guò)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 30 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。另外，改變電磁轉(zhuǎn)矩 eM 可以達(dá)到調(diào)速的效果，這要通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的外接電源 drU 和 qrU 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在矢量控制下，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速和無(wú)功功率是通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流的dq 軸分量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，但是雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓 drU 和 qrU 是控制變量，因此，要想使得對(duì)電流分量的控制 轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓 分量的控制，就必須得出轉(zhuǎn)子電壓和 電流之間存在的關(guān)系。 下面寫(xiě)出雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程，以便推導(dǎo)轉(zhuǎn)子電壓與電流之間存在的關(guān)系。 =p +=p + +dr dr qr r drqr qr dr r qrU k sk r IU k sk r I????? （ ） =+dr rr dr m dsqr rr qr m qsk X I x Ik X I x I????? （ ） 將（ ）代入式（ ），得 ( ) ( )( ) ( )dr r r dr m ds r r qr m qs r drqr r r dr m qs r r dr m ds r qrU p X I x I s X I x I r IU p X I x I s X I x I r I? ? ? ? ????? ? ? ? ??? （ ） 經(jīng)過(guò)整理得出： 2222( ) ( )( ) ( )mmd r r r d r r r q r r d rs s s sm m mq r r r q r r r d r ss s s s s sxxU p x I s x I r IXXx x s xU p x I s x I UX X X? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ??? （ ） 令 239。 mrr ssxXXX?,則得出 : 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 31 =( r +X39。 p) I 39。 I=( r +X39。 p) I + 39。 I +dr r dr qrmqr r qr dr sssU sXsxU sX UX????? ()通過(guò)式 ()可以將對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制轉(zhuǎn)換為對(duì)轉(zhuǎn)子電壓的控制。 雙饋異步電機(jī)的電磁暫態(tài)方程由式 ()和式 ()組成的方 程組來(lái)表示，其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程有如下表示： me1= (M M )jdsdt T () 式中： s 是電機(jī)轉(zhuǎn)差， mM 是發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩， jT 是轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù) , eM 可由式 ()得出，表示發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 雙饋異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由式 ()和式 ()組成，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。其中，控制系統(tǒng)提供了槳距角β和轉(zhuǎn)子電壓 dq 軸分量。 （ 2） 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)由三部分組成：轉(zhuǎn)速控制、無(wú)功功率控制以及槳距角控制。在雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型中，轉(zhuǎn)子繞組電壓 dq 軸分量 drU 和 qrU 以及槳距角β是控制變量，風(fēng)速 v、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及無(wú)功功率控制設(shè)定值是輸入變量，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)外接電源的電壓 dq 軸分量drU 和 qrU 可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和無(wú)功功率控制。 ① 轉(zhuǎn)速控制 通過(guò)調(diào)節(jié)雙饋異步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，即改變電磁轉(zhuǎn)矩要通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電流 q 軸分量來(lái)進(jìn)行。圖 為轉(zhuǎn)速控制傳遞函數(shù)框圖，比例積分控制器放大倍數(shù)用 rK 表示，時(shí)間常數(shù)用 表示。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 32 +refr ? ?? qrI? qr re fI qrI 1r rK Ts? 圖 轉(zhuǎn)速控制傳遞函數(shù)框圖 ② 無(wú)功功率控制 恒定功率因數(shù)控制和恒定電壓控制組成丁無(wú)功功率控制，本文中主要介紹恒功率因數(shù)控制 (實(shí)際產(chǎn)品多應(yīng)用恒定功率因數(shù)控制 )。 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)無(wú)功功率為： = ( I )sms s d rss ssUxQU Xx () 若采用恒功率因數(shù)控制時(shí)，則有 = tanssQP? （ ） 式中：ψ是功率因數(shù)角。 因?yàn)椋? = tands qsII? （ ） 所以得到： = ta nsdr qrmUIIx ? () 其中，對(duì) drI 的控制是開(kāi) 環(huán)控制，由式 ()得知 drI 可跟蹤 qrI 的變化，從而維持恒定的功率因數(shù)。圖 為恒功率因數(shù)控制 的 傳遞函數(shù)框圖，一階慣性環(huán)節(jié)平滑輸出減小了 drI 波動(dòng)的幅度， QT 是慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 33 +ta n ?1mx11qTs? 圖 恒功率因數(shù)控制傳遞函數(shù)框圖 變流器模型 由第二章雙饋發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論分析可以看出，雙饋發(fā)電機(jī)分別處于亞同步 和超同步運(yùn)行工況時(shí)，轉(zhuǎn)子能量可以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)之間雙 向流動(dòng) ，因此接在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電源必須是一個(gè)能量能夠雙向流動(dòng)的變流器。本文采用的是雙 PWM 全控 IGBT 變流器，這種變流器可以通過(guò)矢量控制，實(shí)現(xiàn)能量的雙