【正文】 械輸出功率以及輸出轉(zhuǎn)矩可用式(212)、式(213)表示： （212）(,)PrvC?????? （213）c/T?式中 表示風(fēng)輪的輸出機(jī)械功率； 表示風(fēng)輪的半徑（為常數(shù)） ； 表示空氣cPr ?密度（為常數(shù)） ； 表示風(fēng)速； 表示風(fēng)能利用系數(shù)； 表示葉尖比速； 表示風(fēng)vpC??輪槳葉節(jié)距角； 表示風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩； 表示風(fēng)輪角速度。cT根據(jù)式(212)、式(213)可知：若想計算風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩，必須知道風(fēng)能利用系數(shù) 。在應(yīng)用中主要利用查表法和公式法求得 。p(,)C?? p(,)C?1）查表法： 為 、 的函數(shù)，當(dāng) 、 取不同的值時，有相應(yīng)的 與之p???pC一一對應(yīng)。一般情況下 值由風(fēng)力機(jī)制造商提供，通過查表法能夠準(zhǔn)確的建立風(fēng)C力機(jī)模型。2）公式法：公式法由式(214)、(215) 給出： （214）55/p12346(,)(/ )iCi e???????? （215）9381i?公式（214 ）和公式（215）是根據(jù)風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作特性得出的擬合函數(shù)，其中 ~ 為擬合函數(shù)的相應(yīng)系數(shù)。本文采用公式法來計算風(fēng)能利用系數(shù) 。1C9 pC 傳動機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)主要包括輪轂和聯(lián)動軸，用于風(fēng)力機(jī)、齒輪箱與異步發(fā)電機(jī)之間的連接， 。輪轂輸出具有較大的慣性，可用一階慣性環(huán)節(jié)來模擬，如公式(216) 所示： （216）tct1()dT??式中 為輪轂的輸出轉(zhuǎn)矩； 為輪轂的慣性時間常數(shù)。tTt齒輪箱與聯(lián)動軸的作用是將風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出到異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)17 / 68換方程如式（217）所示： （217）2tm()dTt???式中 為齒輪箱輸入轉(zhuǎn)矩與輪轂輸出轉(zhuǎn)矩相同， 為齒輪箱輸出轉(zhuǎn)矩，tT mT為機(jī)械角速度， 為齒輪箱慣性時間常數(shù)。 ?2 異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型本文建模時采用的異步發(fā)電機(jī)分為兩個主要部分 [50]：電氣部分和機(jī)械部分。電氣部分由四階狀態(tài)方程表示，機(jī)械部分由二階狀態(tài)方程表示。電氣部分以二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系。由三相靜止坐標(biāo)系分解為 d 軸（直軸）和 q 軸（交軸）進(jìn)行建模，分解后的等效電路如圖 21圖 213 所示。U d sR r ( ω ω r ) φ q rR s ω φ q sL mL l s＇U d ri d si d r＇＇＇L l r＇圖 212 d 軸等效電路圖U q sR r ( ω ω r ) φ d rR s ω φ d sL mL l s＇U q ri q si q r＇＇＇L l r＇圖 213 q 軸等效電路圖根據(jù)圖 21圖 213 建立異步發(fā)電機(jī)的電氣部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如式(218)至式(223)所示： （218）qssqsdsdssssURit?????????18 / 68 （219）rqrrqrdrdrrdrq()URit????????????????? （220）()Tpi? （221）qs qrsd dsdmr qrsr0iLiLii????????????? ??????? （222）s1mL （223）r???機(jī)械部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如式(224)至式(226) 所示： （224）mem1()2dTFtH?? （225）t?? （226）? 式（218 ）至式（226 ）中各參數(shù)含義如表 21 所示。表 21 異步發(fā)電機(jī)模型參數(shù)含義參數(shù) 含義 參數(shù) 含義、sR1L定子電阻、定子漏電抗 、qs?d定子 d 軸、q 軸磁通量、r?r轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏電抗 、m??轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度、機(jī)械角度m感應(yīng)電抗 、eT電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、sLr?定子電抗、轉(zhuǎn)子電抗 r轉(zhuǎn)子電子角速度、qVi定子 q 軸電壓、電流 同步旋轉(zhuǎn)角速度、r?轉(zhuǎn)子 q 軸電壓、電流 H轉(zhuǎn)子和負(fù)載慣性常數(shù)、dsi定子 d 軸電壓、電流 p磁極對數(shù)、r?轉(zhuǎn)子 d 軸電壓、電流 J轉(zhuǎn)子和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量19 / 6qr??dr轉(zhuǎn)子 d 軸、q 軸磁通量 F 轉(zhuǎn)子負(fù)載粘滯摩擦系數(shù) 風(fēng)電場等值一般情況下風(fēng)電場有許多風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)型號不同并且所處位置不同，各處的風(fēng)速、風(fēng)向不同，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā)電功率有所不同。目前有許多風(fēng)電場等值方法 [51]，因本文對風(fēng)力發(fā)電的研究主要集中在參與系統(tǒng)調(diào)頻，各個風(fēng)機(jī)的差異對研究影響不大，為了減小計算量并使模型簡單化，本文使用一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)代替所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并采取如下等值原則：1）風(fēng)機(jī)規(guī)格相同， 為每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定容量， 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺數(shù)，nSn風(fēng)電場等效額定容量 計算如下：? （227）=nS??2）每臺風(fēng)機(jī)輸出功率相同，假設(shè)風(fēng)電場處處風(fēng)速風(fēng)向相同，每臺風(fēng)機(jī)輸出功率為 ， 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺數(shù)，風(fēng)電場等效輸出功率 計算如下：nP P? （228）nP???采用這種等值方法，在對所研究的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證時能夠充分的反應(yīng)出風(fēng)電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，并能夠簡化系統(tǒng)模型，提高系統(tǒng)仿真速度。 風(fēng)電場 Matlab/Simulink 仿真風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的 Matlab/Simulink 仿真模型如圖 214 所示。圖 214 風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模型該模型中風(fēng)力發(fā)電場容量 20MW，通過變壓器、傳輸線與無限大電源相連，風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速為 ，為了改善電壓質(zhì)量，在風(fēng)電場出口處并聯(lián)電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。風(fēng)速變化與風(fēng)電場出力的關(guān)系如圖 215 所示。20 / 680 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2022114172023262932與與與s與與與與與與MW與與與與與與與與 678910111213與與與m/s與與與與與與與圖 215 風(fēng)力發(fā)電出力隨風(fēng)速變化情況從圖 215 中可以看出，本文所建風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型對風(fēng)速的跟隨效果較好，可以根據(jù)風(fēng)速的變化快速做出調(diào)節(jié)，證明了所建風(fēng)機(jī)模型的有效性。 蓄電池及雙向 DC/DC 模型由于蓄電池電壓等級與直流母線不同，且為了實(shí)現(xiàn)蓄電池對直流母線電壓的控制，需要在蓄電池出口處增加變流器，本文所建立的儲能模塊主要包含蓄電池和雙向 DC/DC 變流器。 蓄電池模型蓄電池作為直流部分的主要模塊，起到了維持母線電壓、緩解直流側(cè)擾動的重要作用。蓄電池是一類利用氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化，對電能進(jìn)行存儲的設(shè)備，放電過程中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，充電過程中電能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，是目前在各個領(lǐng)域中使用最為廣泛的儲能設(shè)備。蓄電池的精確模型比較復(fù)雜，本文為了簡化模型，忽略蓄電池的充放電狀態(tài)，利用理想電壓源串聯(lián)電阻代替蓄電池模型。其等效電路如圖 216 所示。E 0R iU 0I 021 / 68圖 216 蓄電池簡化模型圖 216 中， 為理想電壓源的電勢， 為等效內(nèi)阻。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，參0EiR數(shù)恒定，適用于不考慮蓄電池動態(tài)特性的情況。該模型可以有效的減小整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高仿真的速度。該模型中，蓄電池的輸出電壓 與蓄電池的輸出0U電流 的關(guān)系如公式(229) 所示：0I （229）0i0URIE??? 雙向 DC/DC 模型為了實(shí)現(xiàn)蓄電池按照其容量狀態(tài)充放電和對直流母線電壓的控制，需要在蓄電池出口處加入雙向 DC/DC 變流器。其結(jié)構(gòu)如圖 217 所示蓄電池電容電阻 R 0I G B T 1I G B T 2電感降壓控制升壓控制直流母線控制器U b aU d c圖 217 雙向 DC/DC 變流器結(jié)構(gòu)圖圖 217 中 為蓄電池的輸出電壓， 為直流母線電壓，通過改變 IGBT1baUdcU和 IGBT2 的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對直流母線電壓的控制。當(dāng) 的值比額定電壓值小時，IGBT 1 關(guān)閉，IGBT 2 工作，電路處于升壓斬dc波狀態(tài)，蓄電池向外輸出功率。根據(jù)升壓斬波電路特性可得： （230）baoutdc0dco/()RI????? （231）tPU其中： 為蓄電池模塊輸出到直流母線電流， 為 IGBT 2 占空比， 為dcoI out?outP蓄電池模塊輸出功率。根據(jù)式（230） （231）可以推出：22 / 68 （232）2dcbaout dc0out()/1UPR???當(dāng) 的值比額定電壓值大時，IGBT 1 工作，IGBT 2 關(guān)閉，電路處于降壓斬dcU波狀態(tài)，蓄電池吸收功率。根據(jù)降壓斬波電路特性可得： （233）badc0dciin()I???? （234）inPU其中： 為直流母線輸入到蓄電池模塊的充電電流； 為 IGBT 1 占空比，dciI i為蓄電池模塊充電電流。inP根據(jù)式（233） （234）可以推出： （235）2dcbain0in()/PR????根據(jù)式（232）和式（235）可知，通過改變 IGBT 的工作狀態(tài)及占空比 ，?可以改變其充放電的功率，進(jìn)而改變直流母線電壓。具體控制流程如圖 218 所示。開始測量直流母線電壓母線電壓 U 0 ?是 否P I D 調(diào)節(jié)增加占空比τ = τ + Δτ 1P I D 調(diào)節(jié)減小占空比τ = τ Δτ 2P W M o u t = 0P w m i n 工作P W M i n = 0P w m o u t 工作測量蓄電池電壓并計算修正值 τ 3測量蓄電池電壓并計算修正值 τ 3τ = τ + Δτ 3 τ = τ + Δτ 4電池充電降壓斬波電池放電升壓斬波23 / 68圖 218 雙向 AC/DC 變流器控制流程圖 蓄電池模塊仿真為了驗(yàn)證所建立的蓄電池模型對系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的有效性，通過圖 219 所示的電路進(jìn)行模擬仿真。電阻RU 2U d c直流母線電流 I蓄電池模塊圖 219 蓄電池模塊性能驗(yàn)證電路 根據(jù)圖 219 可得： （236）??dc2/IUR??通過改變電壓 的值，模擬直流母線受到擾動，以此檢驗(yàn)蓄電池模塊調(diào)節(jié)直2U流母線電壓的效果。本文設(shè)定在 05s，5s10s，10s15s，15s20s 時 分別為2U4500V，4200V，3700V，3500V。其仿真結(jié)果如圖 220~圖 223 所示。圖 220 雙向 DCCD 測試結(jié)果圖 圖 221 雙向 DC/DC 電路控制信號24 / 68圖 222 控制信號 PWM 波形 圖 223 控制信號占空比圖 221 至圖 223 中 PWMin 代表輸入到 IGBT1 的控制信號，PWMout 代表輸入到 IGBT2 的控制信號。圖 220 可看出隨著電壓 U2 的改變，蓄電池充放電電流隨之改變，但是直流母線電壓保持恒定不變。圖 221 和圖 222 展示IGBTIGBT2 的工作狀態(tài)，在 010s，蓄電池模塊處于充電狀態(tài)， IGBT1 工作，IGBT2 關(guān)閉； 10s20s，蓄電池模塊處于放點(diǎn)狀態(tài)，IGBT2 工作，IGBT1 關(guān)閉。從圖 223 中可以看出，隨著蓄電池模塊充放電功率的改變，控制信號的占空比隨之改變。本文設(shè)計的雙向蓄電池出口雙向 DC/DC 變流器控制策略可以有效的維持直流母線電壓恒定。 雙向 AC/DC 變流器建模雙向 AC/DC 變流器是交直流混合微網(wǎng)中連接交流部分與直流部分的橋梁，其對實(shí)現(xiàn)交直流結(jié)合具有重大作用。隨著對交直流混合微網(wǎng)研究的深入，大功率的雙向 AC/DC 變流器越來越受到關(guān)注。三相電壓源電流控制型雙向 AC/DC 變流器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流正弦化，功率因數(shù)可調(diào)化和能量流動雙向化等功能。除了上述基本功能外，通過對雙向 AC/DC 變流器的控制還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對交直流交換功率和直流母線電壓的控制。由于電壓源電流控制只需根據(jù)交流側(cè)電壓狀態(tài)控制雙向 AC/DC 變流器的輸出電流即可跟蹤交流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)交直流結(jié)合的目的，且其控制方法相對簡單，所以本文采用電壓源電流控制方式，其結(jié)構(gòu)如圖 224 所示。25 / 68ABC控制器i ai ci bI a b cU a b cP W MU d cU d cL RCi d c i o圖 224 雙向 AC/D