【正文】 ，可用來開發(fā)的風(fēng)力資源的地區(qū)占全國面積的60%以上。所以，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，創(chuàng)造新的關(guān)鍵技術(shù)，對我國風(fēng)力發(fā)電電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和學(xué)術(shù)價值。背靠背變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器(Grid Side Converter，簡稱GSC)和電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(Machine Side Converter，簡稱MSC)構(gòu)成，其中電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制來實現(xiàn)對直流母線電壓和電網(wǎng)電流的，電機(jī)側(cè)變流器采用定子磁鏈定向(Stator Flux Oriented，簡稱SFO)或定子電壓定向(Stator Voltage Oriented，簡稱SVO)的矢量控制實現(xiàn)對雙饋電機(jī)定子輸出有功功率、無功功率的調(diào)節(jié)。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制以雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型為依據(jù)建立，電網(wǎng)側(cè)變流器的控制以電壓型PWM變流器的數(shù)學(xué)模型建立，在電網(wǎng)電壓平衡時，采用傳統(tǒng)矢量控制方案可使雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；但當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，轉(zhuǎn)統(tǒng)矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。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)一般處在電網(wǎng)線路的末端，電網(wǎng)通常比較薄弱，與骨干電網(wǎng)相距較遠(yuǎn)，且偏遠(yuǎn)地區(qū)周邊用電設(shè)備情況相當(dāng)復(fù)雜，在風(fēng)電場與電網(wǎng)的公共連接點經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡的情況，同時由于電網(wǎng)各相阻抗的不對稱性、線路絕緣老化、線路破損等原因，會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的公共連接點出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。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(yùn)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。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。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式作為依據(jù)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻（Variable 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]。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)。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(yùn)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(yùn)行。在目前的商業(yè)運(yùn)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?，能夠滿足電網(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。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(yùn)行的非常有必要的。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(yùn)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]。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(yùn)行研究也有相應(yīng)報道。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。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]。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。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。 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(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。分別建立了它們的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Simulink進(jìn)行了仿真；簡要分析了它們的輸出特性。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(yùn)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。最后，分析了雙饋電機(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。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。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。在仿真中設(shè)定參數(shù)如下：基本風(fēng)；陣風(fēng)最大風(fēng)速，開始時間，持續(xù)時間；階躍風(fēng)最大風(fēng)速，開始時間，持續(xù)時間，終止時間。得出的風(fēng)速仿真波形圖如圖21到24所示。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。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： (24)式中，是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s；為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量，；為發(fā)電機(jī)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，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)組的動態(tài)性能。對于，根據(jù)文獻(xiàn)[17]取值如下： (29) (210)式中。一般。仿真時，風(fēng)力機(jī)處于靜態(tài)時，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，仿真時間為50s。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)組的兩個基本模塊，包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。然后Simulink進(jìn)行了仿真，簡要分析了它們的輸出特性。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)。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(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)變流器控制電機(jī)與電網(wǎng)的能量交換。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(yùn)行。當(dāng)時，電機(jī)處于超同步速運(yùn)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)時，電機(jī)處于亞同步運(yùn)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)時，勵磁變頻器向轉(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(yùn)行。 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。而三相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)需要經(jīng)過兩個步聚：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)