【正文】
坐標(biāo), 利用的是 clarke 變換矩陣: 3 / 21112 223 33022ssC???????????? (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: 2 / 2sr cos sinC sin cos????? ????? (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 。 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 是一個非線性、強(qiáng)耦合、時變性的多變量系統(tǒng),模型較為復(fù)雜,系統(tǒng)分析和求解十分困難,而且對控制系統(tǒng)的設(shè)計也十分不利。當(dāng) rsnn? 時, 電機(jī)處于超同步速運行狀態(tài) ,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反 ,此時定 、 轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋送電能 ;當(dāng) srnn? 時 ,電機(jī)處于亞同步 運行狀態(tài),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(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)子提供交流勵磁 , 定子向電網(wǎng)饋出電能 ;當(dāng) rsnn? 時, 0rf ? , 勵磁變燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 14 頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁 , 此時電機(jī)作為普通隱極式同步發(fā)電機(jī)運行 。當(dāng)風(fēng)速變化引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時,電機(jī)側(cè)變流器可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來實時控轉(zhuǎn)子電流的頻率,從而使電機(jī)定子頻率穩(wěn)定,實現(xiàn)雙饋風(fēng) 力發(fā) 電系統(tǒng)的變速恒頻運行。 風(fēng) 力 機(jī)D F I G齒 輪 箱 雙 饋 感 應(yīng) 電 機(jī)直 流 母 線電 機(jī) 側(cè) 變 流 器電 網(wǎng) 側(cè) 變 流 器變 壓 器L電 網(wǎng) 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)通過變流器與電網(wǎng)連接,電機(jī)側(cè)變流器控制電機(jī)的運行,電網(wǎng)側(cè)變流器控制電機(jī)與電網(wǎng)的 能量交換。鼠籠式感應(yīng)電機(jī)在變頻調(diào)速時僅由定子側(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)。然后 Simulink 進(jìn)行了仿真, 簡要分析了它們的輸出特性。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 10 4P3T a2C p1yBCpS u b s y s t e mP r o d u c t 3P r o d u c t 2P r o d u c t 1P r o d u c t K G a i n 1u ( 1 ) ^ 3F c n 5u ( 1 ) ^ 2F c n 41 / u ( 1 )F c n 31 / u ( 1 )F c n 2u ( 1 ) ^ 3F c n 1u ( 1 ) ^ 2F c n5w4B3v2R1pλ 圖 25 風(fēng)力機(jī)內(nèi)部模塊仿真圖 1 . 2 2 5ppRvBwCpT aPf e n g l i j it V w sS u b s y s t e m 2S c o p e 1S c o p e0R 11 5R K G a i n0 . 4 7 9 6D i s p l a y 18 . 0 2 5D i s p l a yC l o c k 圖 26 風(fēng)力機(jī)外部模 塊仿真圖 第 2 章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立 11 1C p K G a i n 4 2 1G a i n 30 . 4G a i n 2 K G a i n 1 K G a i nf ( u )F c n 2f ( u )F c n 11 / u ( 1 )F c nA d d 1A d d2B1λ 圖 27 Cp 計算模塊 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 00123456789x 1 04時 間 s轉(zhuǎn)矩 n*m 圖 28 轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0012345678x 1 05時 間 s捕獲功率W 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)組的兩個基本模塊,包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。仿真時, 采用空氣密度為 ,風(fēng)力機(jī)處于靜態(tài)時,槳距角為 0? ,風(fēng)力機(jī)半徑 R 為 15m,所模擬的風(fēng)速為 0 到 15m/s,仿真時間為 50s。一般 ? ?λ, ? ? 。 對于 (λ,)PC ? , 根據(jù)文獻(xiàn) [17]取值如下: ? ? 51λ21 3 4 61λ , λλ CP CC C C C e C????? ? ? ????? (29) 311 1 0 .0 3 5λ λ 0 .0 8 1?????? (210) 式中, 1 ? , 2 116C? , 3 ? , 4 5C? , 5 21C? , 6 0C? 。如果風(fēng)力機(jī)處在風(fēng)速不變化的環(huán)境下運行時,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 aT 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)組的動態(tài)性能。由于發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)是通過齒輪箱直接驅(qū) 動聯(lián)接,可以用簡單的數(shù)學(xué)模型表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動態(tài)特性,即: rr a etdJ T Td? ?? (24) 式中, r? 是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪 轉(zhuǎn)動的 角速度, rad/s; rJ 為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量, ;eT 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩, kNm? 。 S c o p etVw gz h e n g f e n gtVw sj i e y u e f e n g1 5V w bC l o c kB a n d L i m i t e dW h i t e N o i s eA d d 圖 21 風(fēng)速模型總圖 1V w gt 2 Gt 2 Gt 1 Gt 1 G C V G m a xS w i t c h 1S w i t c hf ( u )F c nD i v i d e0C o n s t a n t 20C o n s t a n t 1A d d 1A d d1t 圖 22 陣風(fēng)模塊仿真圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 1V w st st st 2 st 2 st 1 st 1 s C V s m a xS w i t c h 3S w i t c h 2S w i t c hP r o d u c t1 u ( 1 ) / u ( 2 )F c n 10C o n s t a n t 1A d d 3A d d 2A d d 1A d d1t 圖 23 階躍風(fēng)模塊 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 01 01 52 02 5時 間 s風(fēng)速m/s 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 。得出的風(fēng)速仿真波形圖如圖 21 到 24 所示。在仿真中設(shè)定參數(shù)如下:基本風(fēng) 15 /WBV m s? ; 陣風(fēng)最大風(fēng)速 6/GmaxV m s? , 開始時間 1 4Gts? , 持續(xù)時間 2 10Gts? ;階躍風(fēng) 最大風(fēng)速 4/SmaxV m s? , 開始時間 1 20Sts? ,持續(xù)時間 3Sts? ,終止時間 2 25Sts? 。數(shù)學(xué)公式表達(dá)為 : W W B W G W S W NV V V V V? ? ? ? (21) 式中各分量具體含義如下: (1) WBV 為基本風(fēng)分量,是風(fēng)速模型的平均風(fēng)速 ; (2) WGV 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: 1 1 211 1 2220122G G GWG G m a x GG G GGGt t o r t t tV Vt tc o s t t t ttt?? ? ?????? ??? ? ? ? ? ?????? ????? (22) 其中, 1Gt 、 2Gt 為陣風(fēng)開始和持續(xù)時間 , GmaxV 為陣風(fēng)的最大風(fēng)速; (3) WSV 為階躍風(fēng)分量,描述的是漸變的風(fēng)速,數(shù)學(xué)模型為: 12212122201S S SSW S Sm ax S SSSSm ax S S St t or t t tttV V t t tttV t t t t? ? ??? ????? ? ? ?? ??????? ? ? ?? (23) 其中, 1St 、 St 、 2St 為 階躍風(fēng)的開始、保持和終止時間, SmaxV 為階躍風(fēng)的峰值; (4) WNV 為隨機(jī)風(fēng)分量,用 matlab 里面的白噪聲表示。 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。 最后,分析了雙饋電機(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。首先通過坐標(biāo)變換了方法對雙饋電機(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)電運動方程,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。 分別建立了它們的數(shù)學(xué)模型 , 運 用 Simulink 進(jìn)行了仿真; 簡要分析了它們的輸出特性。 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,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。 5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對 PS. VS 子功能與 NS. VR 子功能的容量分配算法。 4. 建立了矢量控制能在在電網(wǎng)正常條件下可以實現(xiàn)對電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的良好控制。網(wǎng)側(cè)逆變器 控制 內(nèi)環(huán)采用電流前饋控制,并控制負(fù)序電流為零,外環(huán)采用電壓環(huán)穩(wěn)定直流電壓[9]。 2. 針對電網(wǎng)電壓不對稱時負(fù)序電流對定子側(cè)有功功率、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩和直流側(cè)電壓的影響,提出電流正序分量跟蹤控制策略,并在轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制 中對電網(wǎng)電壓的正、負(fù)序分量分別處理。此外,基于 比例諧振調(diào)節(jié)器 [11]和高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的運行研究也有相應(yīng)報道。 現(xiàn)有文獻(xiàn)對不平衡電網(wǎng)電壓條件下電網(wǎng)側(cè)變流器的建模和控制已有研究 [78],對不對稱電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行控制和故障穿越也有所研究 [910],對雙環(huán)控制策略進(jìn)行了深入探討 [1113]。由此看出,設(shè)計 DFIG 電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的變流器的控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的非常有必要的。 在目前的商業(yè)運營中, MW 級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品主要有雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和 永磁同步電機(jī)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),由于雙饋電機(jī)所需的變流器容量較小,既能滿足風(fēng)輪機(jī)調(diào)速范圍的要求又降低了變流器的容量,具有較強(qiáng)的價格優(yōu)勢,并且通過采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕軌驖M足電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過背靠背式 PWM 變流器控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài),一方面,由于雙饋感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的電磁關(guān)系,雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器只需控制轉(zhuǎn)差功率就可以調(diào)節(jié)雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對風(fēng)能的最大捕獲,與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比,雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量大大減?。毫硪环矫?,通過改變電機(jī)側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電流幅值和相位來分別調(diào)節(jié)雙饋電機(jī)定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率,從而實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行。此外變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還可以實現(xiàn)電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組間的柔性連接,使并網(wǎng)操作 更容易 實現(xiàn) 。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行方式作為依據(jù)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻( Va riable Speed Constant Frequency, 簡稱 VSCF)風(fēng)力發(fā)電和 恒速恒頻( Constant Speed Constant Frequency, 簡稱 CSCF)風(fēng)力發(fā)電 [2]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸向電網(wǎng)的總有功功率和無功功率 也包含脈動,會給整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶來損耗增大、發(fā)熱過多、過壓、過流等問題。如果風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)未考慮電壓不平衡的情況,不平衡的定子電壓 將會引起定子電流的不平衡、轉(zhuǎn)子電流畸變,導(dǎo)致定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱,電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動,從而引發(fā)機(jī)械振動,對機(jī)械設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運行造成影響,同時電機(jī)定子輸出的有功功率和無功功率中也都包含脈動。而在實際電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般分布在一些偏遠(yuǎn)地區(qū),這些地區(qū)一般處在電