雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真技術研究(共54頁)

1、沈陽工業(yè)大學碩士學位論文格式規(guī)范PAGE - -PAGE I 論文(lnwn)雙饋風力發(fā)電(fdin)系統(tǒng)仿真技術研究摘 要 隨著一些地區(qū)風電供應比例的急劇(jj)增加,大規(guī)模風電場對地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的影響愈發(fā)顯著。風力發(fā)電機的低電壓穿越技術越來越受關注。文中首先介紹了低電壓穿越技術的概念、國外的相應標準,繼而分析比較了有關此技術的雙饋感應發(fā)電機建模問題、各種常見的實現(xiàn)低電壓穿越的技術手段及改進控制策略。最后描述了具備此技術的風電場對電力系統(tǒng)的影響。 根據(jù)(gnj)電機學中異步電機的相關(xinggun)知識推導了雙饋感應發(fā)電機在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型以及運動方程；在對雙PWM電壓型變流

2、器原理分析基礎上，推導了網(wǎng)側PWM變流器在三相靜止坐標系下數(shù)學模型；為了便于控制系統(tǒng)設計，應用坐標變換技術將所建數(shù)學模型轉換到兩相旋轉坐標系下；基于坐標變換技術和電機矢量控制理論，進行了電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側變流器矢量控制設計和定子磁鏈定向的轉子側變流器矢量控制設計的研究；進行了亞同步速和超同步速時電機變速恒頻發(fā)電和有功無功獨立調(diào)節(jié)的仿真研究，仿真結果表明所設計的系統(tǒng)在實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電的同時，實現(xiàn)了P、Q的完全解耦控制，驗證了雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)理論分析和控制策略設計的正確性與可行性。關鍵字：風力發(fā)電；變速恒頻；雙饋發(fā)電機；矢量控制目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l

3、_Toc265173517 摘 要 PAGEREF _Toc265173517 h I HYPERLINK l _Toc265173519 第1章 緒論(xln) PAGEREF _Toc265173519 h 1 HYPERLINK l _Toc265173520 1.1課題背景(bijng)及意義 PAGEREF _Toc265173520 h 1 HYPERLINK l _Toc265173521 1.1.1可再生能源開發(fā)(kif)的必要性 PAGEREF _Toc265173521 h 1 HYPERLINK l _Toc265173522 1.1.2風能的開發(fā)利用 PAGEREF _

4、Toc265173522 h 2 HYPERLINK l _Toc265173523 1.2國內(nèi)外風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc265173523 h 2 HYPERLINK l _Toc265173524 1.2.1風力發(fā)電機組容量的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc265173524 h 3 HYPERLINK l _Toc265173525 1.2.2并網(wǎng)風力發(fā)電機組的種類 PAGEREF _Toc265173525 h 3 HYPERLINK l _Toc265173526 1.2.3風力發(fā)電機的發(fā)展 PAGEREF _Toc265173526 h 5 HYPERLI

5、NK l _Toc265173527 1.3變速恒頻發(fā)電的優(yōu)點 PAGEREF _Toc265173527 h 6 HYPERLINK l _Toc265173528 1.4本課題主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc265173528 h 7 HYPERLINK l _Toc265173529 第2章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結構特點和基本原理 PAGEREF _Toc265173529 h 8 HYPERLINK l _Toc265173530 2.1雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構特點 PAGEREF _Toc265173530 h 8 HYPERLINK l _Toc265173531 2.2風力機最大

6、風能捕獲原理 PAGEREF _Toc265173531 h 8 HYPERLINK l _Toc265173532 2.3雙饋感應發(fā)電機的運行原理 PAGEREF _Toc265173532 h 11 HYPERLINK l _Toc265173533 2.4雙饋感應發(fā)電機功率流動特點 PAGEREF _Toc265173533 h 12 HYPERLINK l _Toc265173534 2.5轉子勵磁變流器的結構特點 PAGEREF _Toc265173534 h 15 HYPERLINK l _Toc265173535 2.6 變速恒頻雙饋風電機組矢量勵磁控制 PAGEREF _Toc

7、265173535 h 16 HYPERLINK l _Toc265173536 2.7 坐標變換技術 PAGEREF _Toc265173536 h 17 HYPERLINK l _Toc265173537 第3章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立 PAGEREF _Toc265173537 h 20 HYPERLINK l _Toc265173538 3.1雙饋感應發(fā)電機數(shù)學模型及仿真模型 PAGEREF _Toc265173538 h 20 HYPERLINK l _Toc265173539 3.1.1雙饋感應發(fā)電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc265173539 h 20 HYPE

8、RLINK l _Toc265173540 3.1.2雙饋感應發(fā)電機的仿真模型 PAGEREF _Toc265173540 h 24 HYPERLINK l _Toc265173541 3.2 雙PWM電壓型變流器的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc265173541 h 29 HYPERLINK l _Toc265173542 3.2.1網(wǎng)側PWM變流器的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc265173542 h 29 HYPERLINK l _Toc265173543 3.2.2 雙PWM電壓型變流器直流環(huán)節(jié)的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc265173543 h 33 HYPERLINK

9、 l _Toc265173544 3.3 網(wǎng)側變流器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制設計 PAGEREF _Toc265173544 h 33 HYPERLINK l _Toc265173545 3.4 轉子側變流器的定子磁鏈定向矢量控制設計 PAGEREF _Toc265173545 h 35 HYPERLINK l _Toc265173546 3.5 變速恒頻雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真模型 PAGEREF _Toc265173546 h 42 HYPERLINK l _Toc265173547 第4章 仿真結果 PAGEREF _Toc265173547 h 44 HYPERLINK l _To

10、c265173548 第5章 結論 PAGEREF _Toc265173548 h 49 HYPERLINK l _Toc265173549 參考文獻 PAGEREF _Toc265173549 h 50 HYPERLINK l _Toc265173550 致 謝 PAGEREF _Toc265173550 h 52PAGE 56 HYPERLINK l _Toc169054081 第1章 緒論(xln)1.1課題背景(bijng)及意義1.1.1可再生能源開發(fā)(kif)的必要性能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活所必須的重要物質基礎,對社會、經(jīng)濟發(fā)展和物質文化生活水平極為重要。過去建立在煤炭、石油、

11、天然氣等不可再生能源基礎上的能源體系推動了人類社會發(fā)展的同時,也給人類社會帶來了嚴重的后果,譬如資源日益枯竭,環(huán)境不斷惡化,由能源爭奪引起的國與國之間、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟糾紛,甚至沖突和戰(zhàn)爭。因此,人類必須尋求一種清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。這樣,可再生的、儲量豐富的、無污染和無公害的各種可再生的新能源就逐漸成為正在趨于枯竭的、非再生的、有污染和有公害的不可再生能源的替代品。不論是從經(jīng)濟社會走可持續(xù)發(fā)展之路和保護人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來審視,還是從為世界多億無電、缺能人口和特殊用途解決現(xiàn)實的能源供應問題出發(fā),發(fā)展新能源與可再生能源將有重大戰(zhàn)略意義。（1）新能源與可再生能源是人類

12、社會未來能源的基石,是目前大量燃用的化石能源的替代能源。在當今的世界能源結構中,人類所利用的能源主要是不可再生的石油、天然氣和煤炭等化石能源。在1997年的世界一次能源消費構成中,石油占39.9%,天然氣占23.2%,煤占27%,三者合計高達90.1%,隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加以及社會生活水平的提高,預計未來世界能源消費量將以每年的速度增長。根據(jù)目前國際上通行的能源預測方法,石油資源將在40年內(nèi)枯竭,天燃氣資源將在60年內(nèi)用光,煤炭資源也只能使用220年。所以人類必須未雨綢繆,及早尋求新的替代能源,而新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境,是國際社會公認的理想替代能源。（

13、2）新能源和可再生能源清潔干凈、污染物排放很少,是與人類賴以生存的地球的生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源?；茉吹拇罅块_發(fā)利用是造成大氣和其他類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源的同時,保護好人類賴以生存的地球的生態(tài)與環(huán)境,己經(jīng)成為一個全球性的重大問題。目前,世界各國都在紛紛采取提高能源效率和改善能源結構的措施,以解決這一與能源消費相關的重大環(huán)境問題。這就是所謂的能源效率革命和清潔能源革命,也就是我們所說的節(jié)約能源和發(fā)展新能源和可再生能源。（3）新能源與可再生能源是不發(fā)達國家(f d u ji)20多億無電、缺能人口和特殊用途解決供電、用能問題(wnt)的現(xiàn)實能源。1.1.2風

14、能(fn nn)的開發(fā)利用風能作為太陽能的一種轉化形式,是一種不產(chǎn)生任何污染物排放的可再生的自然資源。風能的開發(fā)利用己有數(shù)千年歷史。在蒸氣機發(fā)明以前,風能就曾作為重要的動力,用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。在幾千年前,埃及的風帆船就在尼羅河上航行。中國是最早使用帆船和風車的國家之一,至少在三千年前的商代就出現(xiàn)了帆船。受化石能源資源日趨枯竭、能源供應安全和保護環(huán)境等的驅動,自20世紀70年代中期以來,世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都重視風能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來,現(xiàn)代風能最主要的利用形式-風力發(fā)電的發(fā)展十分迅速,世界風電機裝機容量的年平均增長率超過了3

15、0%,從1993年的216萬kW上升到2003年的4030萬kW。歐洲風能協(xié)會預計,歐洲年風力發(fā)電裝機容量將超過1億kW,占歐洲總發(fā)電量的20%。隨著風力資源開發(fā)的進展,世界風電機的裝機容量到2020年預計會達到12.45億kW,發(fā)電量占世界電力消費量的12%。因此,風能將是世紀最有發(fā)展前景的綠色能源,是人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要新動力源。把風能轉變?yōu)殡娔苁秋L能利用中最基本的一種方式。風電是最具競爭力、最有發(fā)展前景的一項可再生能源技術,21世紀將會在能源供應中發(fā)揮越來越重要的作用,研究風力發(fā)電技術將會對我國大型風力發(fā)電機組國產(chǎn)化及推動我國風力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展有著重要意義1。1.2國內(nèi)外風力

16、發(fā)電技術的發(fā)展趨勢近年來，全球風電技術發(fā)展迅猛，風電機組的可靠性大大提高，發(fā)電成本顯著降低，逐步接近常規(guī)能源發(fā)電的水平。風電機組的單機容量逐步加大，從早期的失速調(diào)節(jié)向變速變槳恒頻發(fā)展；傳動技術從有齒輪箱的結構發(fā)展到直接驅動。1.2.1風力(fngl)發(fā)電機組容量的發(fā)展趨勢世界上風力發(fā)電的技術開發(fā)，近十年來取得了驚人的進步，其中最顯著的是風力發(fā)電機的大型化。目前，中、大型風力發(fā)電機組已在世界上40多個國家陸地和近海并網(wǎng)運行，風電增長率高于其它電源增長率的趨勢仍在繼續(xù)。商業(yè)化機組的單機容量從55kW增加到2500kW，風電成本從20美分/kWh持續(xù)下降到3美分/kWh，運行可靠性的發(fā)電成本接近常規(guī)

17、火電。目前，MW級風電機組已成為風電市場中的主流機型。2005年世界風電市場統(tǒng)計報告表明，1997年以前MW級風電機組的市場份額還不及10%，2001年則超過一半，2003年已達到70.5%，2005年高達76%。近年來，近海風能資源的開發(fā)進一步加快了大容量風電機組的發(fā)展，世界上已運行的最大風電機組單機容量已達到5MW，6MW風電機組也已研制成功。20世紀80年代生產(chǎn)的舊式機組單機容量僅為2060kW，而今天在風電市場上銷售的商業(yè)化機組容量一般為6002500kW。目前單機容量最大的風電機組是由德國Repower公司生產(chǎn)的，容量為5MW。預計2010年將開發(fā)出10MW的風電機組。對容量在2MW

18、以上(yshng)的機組歐洲主要考慮在海上安裝。1.2.2并網(wǎng)(bn wn)風力發(fā)電機組的種類并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術是20世紀80年代興起的一項新能源技術，一開始就受到世界各國的高度重視，因而迅速實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，特別是隨著計算機與控制技術的飛速發(fā)展，風力發(fā)電控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展。風力發(fā)電機組主要有風力機和發(fā)電機組成。當前并網(wǎng)型風力發(fā)電機組有以下幾種功率凋節(jié)控制技術：(1)定槳距失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當風速高于額定風

19、速時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，來限制發(fā)電機的功率輸出。為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速感應發(fā)電機。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。其缺點是葉片重量大（與變槳距風機葉片比較），槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。(2)變槳距調(diào)節(jié)(tioji)型風力發(fā)電機組變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。其調(diào)節(jié)(tioji)方法為：當風電機組達到運行條件時，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到45度，當轉速達到一定時，再調(diào)節(jié)到零度，直到

20、風力機達到額定轉速并網(wǎng)發(fā)電；在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在零度位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風速的大小而進行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風能轉化為電能，同時在高風速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。(3)主動失速(sh s)調(diào)節(jié)型變速變槳風力發(fā)電機組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風力發(fā)電機組相結合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。

21、在低風速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機組功率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出。機組運行在額定風速以下時，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機反力轉矩使轉速跟隨風速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；在額定風速以上時，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風力機獲取能量，保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來響應快速變化的風速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動作，提高傳動系統(tǒng)的柔性。變速變槳風電機組技術分為雙饋式和直驅式兩大類。雙饋式技術的主要特點是風輪可變速變槳運行，傳動系統(tǒng)采用

22、齒輪箱增速和雙饋感應發(fā)電機并網(wǎng)。其優(yōu)點是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度的吸收風能，因而效率較高。因此，風力發(fā)電機組中的發(fā)電機要采用交流勵磁變速恒頻發(fā)電機。直驅式技術采用了風輪與發(fā)電機直接耦合的傳動方式，發(fā)電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅技術使風電機組的可靠性和效率都進一步得到了提高。1.2.3風力(fngl)發(fā)電機的發(fā)展(fzhn)目前(mqin)風力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種：同步發(fā)電機和感應發(fā)電機。感應發(fā)電機作為并網(wǎng)型發(fā)電設備的方案可分為兩類：恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)4。(1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)恒速運行的風力機轉速

23、不變，而風速經(jīng)常變化，因此葉尖比k不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片)，Cp值往往與最大值相差很大，使風力機常常運行于低效狀態(tài)。多采用籠型感應電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機。(2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)雖然目前風力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的感應發(fā)電機都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行的重要優(yōu)點越來越引起人們的重視。從風力機的運行原理可知，這就要求風力機的轉速正比于風速保護并保持一個恒定的最佳葉尖比k，從而使風力機的風能利用系數(shù)Cp保持最大值不變，風力發(fā)電機組輸出最大的功率。例如目前已投入應用的一項變速技術是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉子電流的大小和相位來追求Cp最優(yōu)和

24、輸出。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有多種，如交-直-交系統(tǒng)、變流勵磁發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋電機系統(tǒng)、開關磁阻電機系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步感應變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)等。這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻的，有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機系統(tǒng)相結合而實現(xiàn)變速恒頻的，它們各有特點，適用場合也不一樣。近來國內(nèi)外比較關注的變速恒頻發(fā)電方案是交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，它通常使用繞線式感應電機作為發(fā)電機，由于繞線式感應發(fā)電機有滑環(huán)、電刷存在，這種摩擦接觸式結構不適合運行環(huán)境比較惡劣的風力發(fā)電裝置。無刷雙饋電機由兩臺繞線式感應電機組成，兩轉子的同軸連接省去了滑環(huán)和電刷。無刷雙饋發(fā)電機可在轉子

25、轉速變化的條件下，通過控制勵磁機的勵磁電流頻率來確保發(fā)電機輸出電頻率保持50Hz不變。因此，無刷雙饋發(fā)電機可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。無刷雙饋發(fā)電機結構簡單，堅固可靠，比較適合風力發(fā)電等運行環(huán)境比較惡劣的發(fā)電系統(tǒng)使用。若無刷雙饋發(fā)電機運行在中速區(qū)和高速區(qū)時，勵磁機經(jīng)變流器向電網(wǎng)輸出能量。要利用這部分能量，變流器的整流側則應該是可控的5。1.3變速(bin s)恒頻發(fā)電(fdin)的優(yōu)點變速恒頻發(fā)電是20世紀70年代中期逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)。它將電力電子技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術引入發(fā)電機控制之中，改變了以往恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電概念，在變水頭的水力發(fā)電、能量隨機變化的風力發(fā)

26、電，以及艦船、飛機、車輛等變速主軸驅動的特殊發(fā)電場合中獲得了越來越廣泛(gungfn)的應用，并表現(xiàn)出了卓越的運行性能，成為電力技術研究中的熱點。在發(fā)電過程中讓風力機轉速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻的特點是風力機和發(fā)電機的轉速可在很大的范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風力機轉速可變，可以通過適當?shù)目刂?，使風力機葉尖速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能。同時在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外，這種風力機在結構上和實用中還有很多的優(yōu)越性。當風力發(fā)電機采取變

27、速運行時，由風速躍升所產(chǎn)生的巨大風能，部分被加速旋轉的風輪所吸收，以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力；當風速下降時，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉變?yōu)殡娔?，送入電網(wǎng)。在這里，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到了緩沖作用，使風力機內(nèi)部能量傳輸部件承受的應力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應力的產(chǎn)生，從而使風電機組的運行更加平穩(wěn)和安全。變速運行還有一個好處是，可以降低風力機在低風速運行時的噪音，并可使風輪設計突破原有的框框。采用變速恒頻發(fā)電技術，可使發(fā)電機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作及運行

28、6。采用這種交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機系統(tǒng)有如下優(yōu)點：(1)允許原動機在一定范圍內(nèi)變速運行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機械應力。同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率。(2)調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率；調(diào)節(jié)勵磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應用矢量控制可實現(xiàn)有、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。(3)需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。(4)可以(ky)實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。正因為這些優(yōu)點，使得交流勵磁雙饋發(fā)電機成為變速恒頻風力發(fā)電領域應用(yngyng)的主流發(fā)電機。1.4本課題(kt)主要研究內(nèi)容交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)是目前具有廣泛應

29、用前景的變速恒頻風力發(fā)電技術。由于勵磁變流器只傳遞轉差功率，降低了變流器的容量，從而降低了變流器成本，尤其適合兆瓦級風力發(fā)電應用。通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率，能夠實現(xiàn)發(fā)電機同步轉速上下較大范圍內(nèi)的變速恒頻運行。在風速變化的情況下，實時調(diào)節(jié)風力機轉速，使其始終運行在最佳轉速上，實現(xiàn)了最大風能追蹤控制：通過矢量變換控制，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功和無功功率，不僅能夠補償電網(wǎng)的無功需求，還能提高電力系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。本課題研究方案采用交流勵磁的繞線式雙饋感應發(fā)電機(DFIG)，首先學習了解交流勵磁變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的相關工作原理，建立雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型，然后在MATLAB中用S

30、IMULINK搭建其仿真模型；基于坐標變換技術和電機矢量控制理論，進行了電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側變流器矢量控制設計和定子磁鏈定向的轉子側變流器矢量控制設計的研究；結MATLAB中其他已有成熟模塊建立雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，仿真了在風速發(fā)生變化時，通過變流器調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率，使系統(tǒng)輸出電能保持恒定頻率，通過矢量變換控制，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功和無功功率。第2章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結構特點和基本原理2.1雙饋風力(fngl)發(fā)電系統(tǒng)結構特點圖2-1 雙饋風力(fngl)發(fā)電系統(tǒng)結構雙饋風力(fngl)發(fā)電系統(tǒng)結構圖如圖2-1所示。系統(tǒng)包括風力機，齒輪箱，雙饋感應發(fā)電機，變流器，

31、控制器等，其主要作用是從風中捕獲能量并將其轉換成電能。當風作用在葉片上帶動葉片的旋轉從而產(chǎn)生相應的轉矩，該轉矩驅動輪軸轉動，由于風能密度低，葉片旋轉速度會比較慢，一般為10-30轉分鐘，為了使其旋轉速度達到雙饋感應發(fā)電機的轉速要求，在風力機和雙饋感應發(fā)電機之間裝有一個變速箱來進行變速，變速箱的變比由風力機和雙饋發(fā)電機的轉速要求確定，變速箱的低速軸通過低速聯(lián)軸器和風力機相連，而其高速軸通過高速聯(lián)軸器和雙饋感應發(fā)電機的轉子相連，帶動發(fā)電機的轉子旋轉從而將葉片吸收的風能轉換成機械能。雙饋感應發(fā)電機吸收機械能后在變流器的控制作用下，負責將機械能轉換成符合電網(wǎng)規(guī)則的電能傳送至電網(wǎng)。2.2風力機最大風能(

32、fn nn)捕獲原理風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉換的首要部件，用以截獲流動空氣的動能，并將風力機葉片迎風(yng fng)掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉換為機械能。它不僅決定整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接影響機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行，是風力發(fā)電系統(tǒng)中關鍵部件之一。根據(jù)貝茲理論(lln)，風力機捕獲的風能功率為： (2-1)式中： 空氣密度；v 風速；A 風力機掃掠面積；Cp 風力機的功率系數(shù)；它是葉尖速比和漿葉節(jié)距角的函數(shù)，其中，m為風力機機械角速度,R為風輪半徑。由式(2-1)可見，在風速給定的情況下，風輪獲得的功率將取決于風能利用系數(shù)Cp。如果在任何風速下，風力機都能在Cpmax點運

33、行，便可增加其輸出功率。根據(jù)圖2-1b)，在任何風速下，只要使得風輪的葉尖速比 = opt ，就可維持風力機在Cpmax下運行。因此，風速變化時，只要調(diào)節(jié)風輪轉速，使其葉尖速比保持opt不變，就可獲得最佳的風能利用系數(shù)。由式(2-1)可知風力發(fā)電機組的輸出功率是風速的立方函數(shù)，即風速越大，機組輸出的電功率越大。然而，實際系統(tǒng)中存在兩個限制：一是電氣回路中各電氣裝置及元件的最大功率限制，二是風力機組的各轉動部件尤其是風輪，存在一個轉速上限。風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)Cp的無因次性能曲線來表示，如圖2-2a)所示。風能利用系數(shù)Cp是風機葉尖速比的函數(shù)，同時也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)，理論上最大為

34、0.593，也稱為Betz極限。從圖中可以看出，當槳葉節(jié)距角逐漸增大時，該曲線將顯著減小。若保持節(jié)距角不變，圖2-2a)的一簇曲線就變成了圖2-2b)的一條曲線7。 b）c）圖2-2 風力機特性(txng)曲線圖2-2c）是一組在不同(b tn)風速(v1v2v3)下風力機的輸出功率特性(txng)，Popt曲線是各風速下最大輸出功率點的連線,即最佳功率曲線。風力機運行在Popt曲線上將會輸出最大功率Pmax，其值為： (2-2)式中：可以看出,在同一個風速下，不同轉速會使風力機輸出不同的功率，要想追蹤Popt曲線，必須在風速變化時及時調(diào)整轉速m，保持最佳葉尖速比。當達到起始風速后，風輪轉速由

35、零增大到發(fā)電機可以切入的轉速后，風力(fngl)發(fā)電機組開始發(fā)電運行，通過對發(fā)電機的轉速的控制，Cp不斷(bdun)上升，直至Cp=Cpmax，進入(jnr)Cp恒定區(qū)，這時機組在最佳狀態(tài)下運行這段區(qū)域主要是發(fā)電機組機械轉矩（即有功功率給定值）使轉速隨著風速而變化，使=opt，實現(xiàn)最大風能捕獲8。對于每個風速，都有一個相對應的最佳風機轉速，可得： （2-3）式中：電機轉速；齒輪箱傳速比。2.3雙饋感應發(fā)電機的運行原理雙饋發(fā)電機結構類似于繞線式感應電機，其定子和轉子上均放置對稱三相繞組，其定子與普通交流電機定子相似，只是轉子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉子側既可以輸入電能也可以輸出電能。因采用交流

36、勵磁，轉子的轉速與勵磁電流的頻率有關，從而使得雙饋發(fā)電機的內(nèi)部電磁關系既不同于感應電機又不同于同步電機。雙饋發(fā)電機在正常工作時，其定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉子繞組經(jīng)一個頻率、幅值、相位可調(diào)的三相變頻電源供電，如圖2-3。圖2-3中f1、f2分別為雙饋發(fā)電機定、轉子電壓和電流的頻率，n1為定子磁場的旋轉轉速，即同步轉速，n2為轉子磁場相對于轉子的旋轉轉速，nr為雙饋發(fā)電機轉子的轉速。雙饋發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場在空間上保持相對靜止。當定子旋轉磁場在空間上以1的速度旋轉時，則轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉速度2應為： （2-4）其中，r為轉子機械旋轉角速度，s為雙饋發(fā)電機的轉差率。

37、勵磁變壓器 f1原動機勵磁變流器 n1 f2 n2圖2-3 雙饋發(fā)電機結構(jigu)簡圖按照通常(tngchng)轉差率的定義有： （2-5）轉子轉差角速度與s成正比。若雙饋發(fā)電機的轉子轉速低于同步轉速，那么轉子旋轉磁場和旋轉方向(fngxing)相同，如果轉子的轉速高于同步轉速，那么二者的旋轉方向相反。根據(jù)=2f 推出勵磁電流頻率和定子電流頻率之間存在如下關系： （2-6）當雙饋發(fā)電機的轉速發(fā)生變化時，只要改變通入電機轉子里面勵磁電流的頻率f2就可以保持電機定子側頻率f1不變，即保持電機輸出電壓的頻率恒定；通過改變通入電機轉子里面勵磁電流的幅值、相位就可以改變定子側電壓幅值 9-10。2.

38、4雙饋感應發(fā)電機功率流動特點電機是一種機電能量轉換裝置,各種電機中都存在一個機電耦合場-氣隙磁場。對雙饋發(fā)電機來說,從轉子輸入的機械能,克服氣隙磁場中導體所受的電磁力而做功,使導體不斷地感應電勢,從而源源不斷地發(fā)出電能,實現(xiàn)機械能到電能的轉換。根據(jù)功率守恒，經(jīng)氣隙傳遞的電磁功率從定子方表示為： （2-7）同時，也可以(ky)從轉子方的功率來表示: （2-8）按照一般感應(gnyng)電機的分析方法，對R2和U2進行(jnxng)分解，可將上式改寫為： （2-9）式中： 勵磁系統(tǒng)輸入轉子的電功率； 軸上機械功率。 當0s1時，軸上機械功率為負，表示它將消耗電磁功率并將其轉化機械功率從軸上輸出；當

39、s0，此功率的流動方向是從定子電源到電機；機械功率Pmec0，電機輸出給機械負載；轉差功率Ps0 這部分功率回饋給轉子外接電源，這種情況屬于電動運行狀態(tài)，電磁轉矩為拖動性轉矩。(2) 轉子運行于亞同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率Pem0，功率由電機回饋到定子電源；機械功率Pmec=(1-s)Pem0，功率由定子電源輸給電機；機械功率Pmec=(1-s)Pem0，電機輸出給機械負載；轉差功率Ps0，轉子外接電源輸入電功率，這種情況屬于電磁轉矩為拖動性轉矩。(4) 轉子運行于超同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率Pem0，功率由電機回饋給定子電源；機械功率Pmec=(1-s)Pem0，回饋給轉子外接電

40、源的功率，這種情況下電磁轉矩為制動性轉矩11-15。由以上分析可見，雙饋發(fā)電機可以運行于不同的工作狀態(tài)，對于風力發(fā)電中的雙饋電機來說，主要運行于亞同步速定子回饋制動和超同步速定子回饋制動狀態(tài)，其圖功率流動如圖2-4所示。當0s1，即亞同步速運行時，電磁功率分別由轉子勵磁電源和原動機提供，當s0時，即電機超同步速運行時，轉子勵磁電源不僅不發(fā)出功率，相反還要從原動機吸收一個轉差功率。但無論如何，轉子勵磁電源功率始終保持為轉差功率，這為勵磁電源設計提供了理論依據(jù)。風機變流器風機變流器 P1 P1 a）亞同步(tngb)速發(fā)電工況 b）超同步速發(fā)電工況圖2-4 雙饋風力發(fā)電(fdin)系統(tǒng)中的功率流動

41、圖2.5轉子勵磁變流器的結構(jigu)特點 交流勵磁用雙PWM變流器主電路如圖2-5所示，圖中U1a、U1b和U1c為三相電網(wǎng)電壓，U2a、U2b和U2c為轉子三相繞組的反電勢，L1、R1分別為交流進線電感和等效電阻，L2、R2分別為轉子一相繞組的漏感和電阻，C為濾波穩(wěn)壓電容。 由圖2-5可見變流器的兩個PWM變流器的主電路結構完全相同，在轉子不同的能量流向狀態(tài)下交替實現(xiàn)整流和逆變的功能。因而在分析中只能分別區(qū)分為電網(wǎng)側變流器和轉子側變流器。雙PWM變流器是利用濾波穩(wěn)壓電容C的電壓作為控制信號，對于交流勵磁發(fā)電機當其運行于亞同步時，轉子繞組吸收滑差功率，此時轉子側電壓有低于給定電壓的趨勢，網(wǎng)

42、側變流器便工作于PWM整流狀態(tài)。當發(fā)電機運行于超同步狀態(tài)時，滑差功率由轉子繞組流向電網(wǎng)，該能量有使轉子側電壓有高于給定電壓的趨勢，網(wǎng)側變流器便工作于PWM逆變狀態(tài)。圖2-5 雙PWM變流器主電路(dinl)2.6 變速恒頻雙饋風電機組矢量(shling)勵磁控制 變速恒頻雙饋風電機組采用交流勵磁,良好的調(diào)節(jié)特性、運行(ynxng)的靈活性及可靠性需要能充分發(fā)揮電機運行特點的勵磁控制系統(tǒng)。在最大風能追蹤過程中,當風速一定時,要保持風能利用系數(shù)Cp = Cpmax的最佳轉速運行。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率來改變其電磁阻轉矩,可以調(diào)節(jié)機組轉速。因此,發(fā)電機有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)是風電機組變速運行

43、控制的關鍵。采用標量控制,由于定子端口有功功率、無功功率計算復雜,不僅控制性能的動態(tài)特性較差而且不利于數(shù)字實現(xiàn),難以實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)。通過矢量變換能夠實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)。 矢量控制技術是通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把感應電機的定子電流分解成磁場定向旋轉坐標系里的勵磁電流分量和與之相垂直的轉矩分量，然后分別對它們進行解耦控制，可以實現(xiàn)與直流電機一樣的控制性能。雙饋系統(tǒng)的矢量控制結構通常將轉子交流量分解成有功分量和無功分量，并對之進行閉環(huán)控制。通常為了簡化雙饋矢量控制系統(tǒng)的電磁轉矩和其他矢量之間的復雜關系，需要使坐標軸定向在某個矢量上。一般在雙饋系統(tǒng)可以選擇的定向

44、矢量有定子磁鏈、氣隙磁鏈、定子電壓以及轉子電流等。其中，比較常用的是以定子磁鏈和氣隙磁鏈為定向矢量的控制方法。在本文中為了實現(xiàn)dq軸變量之間的解耦,采用了定子磁鏈定向,使以同步速1旋轉的坐標軸d與定子磁場矢量相重合。在電網(wǎng)頻率f 恒定的條件下,保持電壓Um為恒值即可實現(xiàn)定子磁場定向,=1,q1=0,s=d1。解耦的有功和無功分量方程如下: （2-15） 獲得(hud)實現(xiàn)P,Q獨立(dl)可調(diào)的d-q坐標系中轉子分量(fn ling)電壓表達式后,通過2r/3s旋轉變換可獲得發(fā)電機轉子三相電壓來控制變流器,產(chǎn)生所需的勵磁電壓。該勵磁控制模型精度較高,由于定子頻率為恒頻,使得在推導過程中忽略定子

45、電阻不會帶來較大的誤差,并且以定子磁場定向時,控制系統(tǒng)可以變得較為簡單。但由于假設定子電壓理想,即頻率與電壓幅值恒定,且不考慮定子勵磁電流的動態(tài)特性,該系統(tǒng)僅在正常運行條件下動態(tài)響應較好,當電網(wǎng)發(fā)生故障時,動態(tài)響應變差15-16。2.7 坐標變換技術（1）3s/2s變換（三相靜止/二相靜止坐標變換）由三相靜止坐標系A-B-C到兩相靜止坐標系-的變換簡稱3s/2s變換。選擇A軸和軸重合,按照磁勢和功率不變的原則,得如下變換矩陣： （2-16）（2）2s/2r坐標變換（二相靜止/二相旋轉坐標變換）兩相靜止坐標系-到兩相旋轉坐標系d-q的變換簡稱2s/2r坐標變換。設軸與d軸之間的夾角為,為隨時間變

46、化的函數(shù),求得變化矩陣如下： （2-17）（3）3s/2r坐標變換（三相靜止/二相旋轉坐標變換）綜合上述兩個矩陣(j zhn),可得3s/2r變換矩陣： （2-18）其反變換(binhun)矩陣為： （2-19）式中,為兩相旋轉坐標軸與三相靜止(jngzh)坐標軸A的夾角,d-q坐標相對于A-B-C坐標的旋轉角速度為。第3章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立3.1雙饋感應發(fā)電機數(shù)學模型及仿真(fn zhn)模型3.1.1雙饋感應(gnyng)發(fā)電機的數(shù)學模型本節(jié)介紹雙饋感應發(fā)電機在三相靜止坐標系和兩相同步旋轉(xunzhun)坐標系下的數(shù)學模型，在建立數(shù)學模型時，定子側采用發(fā)電機慣例，定子電流以

47、流出為正；轉子側采用電動機慣例，轉子電流以流入為正。為便于分析問題，假定電機運行于以下理想狀態(tài)：（1）定轉子的三相繞組對稱在空間上互差120,所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分部,只考慮氣隙基波磁場的作用,氣隙諧波磁場只在差漏抗中加以考慮,認為定轉子具有光滑的表面而忽略齒諧波的作用。（2）忽略鐵損和鐵磁的非線性。（3）忽略繞組的集膚效應,忽略定轉子繞組的溫升。（4）雙饋電機的轉子參數(shù)全部折算到定子側,折算后的定轉子每相匝數(shù)都相等。仿造三相感應發(fā)電機的研究方法進行繞組折算，根據(jù)規(guī)定的正方向，得到雙饋感應發(fā)電機在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型如下：1.電壓方程（1）定子繞組電壓方程 （3-1）（2）

48、轉子繞組電壓方程 （3-2）其中，u1，u2分別為定子和轉子相電壓瞬時值；i1，i2分別為定子和轉子相電流瞬時值，1，2分別為定子和轉子繞組磁鏈；R1，R2分別為定子和轉子繞組電阻值；p為微分算子，代替微分符號d/dt。將式（3-1）和式（3-2）改寫成三相(sn xin)靜止坐標系下的矩陣形式為： （3-3）2.磁鏈方程(fngchng)為了書寫方便(fngbin)，將磁鏈方程表示表示成矩陣形式為： （3-4）式中： （3-5）3.轉矩方程 （3-6）4.運動方程 （3-7）5.功率(gngl)方程發(fā)電機定子(dngz)側輸出的瞬時功率為： （3-8）以上為雙饋感應發(fā)電機三相靜止坐標系下的數(shù)

49、學模型，由于電機轉子旋轉運動時定轉子間的互感隨著它們之間的相對位置發(fā)生變化，因此其具有非線性時變性、強耦合的特點，在這種情況下，對其進行(jnxng)研究分析和控制設計都較為困難。為此，應用坐標變換理論，將三相靜止坐標系下的方程轉換到d-q坐標系下，得到兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型如下：1.電壓方程（1）定子繞組電壓方程 （3-8）（2）轉子繞組電壓方程 （3-9）式中： ud1,uq1,ud2,uq2分別為定轉子電壓的dq軸分量。 id1,iq1,id2,iq2分別為定轉子電流的dq軸分量。 d1,q1,d2,q2分別為定轉子磁鏈的dq軸分量。2.磁鏈方程（1）定子磁鏈方程 （3-10）（

50、2）轉子磁鏈方程 （3-11）3.轉矩方程(fngchng) （3-12）4.運動(yndng)方程 （3-13）5.功率(gngl)方程定子的有功、無功功率分別為： （3-14）轉子的有功、無功功率分別為： （3-15） 以上就是同步坐標系下的全部雙饋感應發(fā)電機的數(shù)學模型,利用這些模型我們可以建立用以仿真的感應發(fā)電機狀態(tài)方程17。3.1.2雙饋感應發(fā)電機的仿真模型通過發(fā)電機在d-q坐標系下的數(shù)學模型,我們可以得到雙饋感應發(fā)電機在同步坐標系下的狀態(tài)方程： （3-16） （3-17）式中： A中s=1-2，被稱為(chn wi)轉差角速度。 根據(jù)以上狀態(tài)方程，利用MATLAB的SIMULINK環(huán)

51、境搭建雙饋感應發(fā)電機仿真模型如圖3-1所示。其中generator模塊(m kui)封裝了雙饋感應發(fā)電機仿真的具體實現(xiàn)細節(jié)，如圖3-2所示。圖3-3（a）（b）和圖3-4（a）（b）分別為generator中封裝的發(fā)電機定轉子仿真模型。圖3-1雙饋感應發(fā)電機仿真(fn zhn)模塊圖3-2 generator內(nèi)部(nib)仿真模型（a）（b）圖3-3 發(fā)電機定子(dngz)部仿真模型（a）（b）圖3-4 發(fā)電機轉子部仿真(fn zhn)模型3.2 雙PWM電壓(diny)型變流器的數(shù)學模型本文中轉子勵磁(l c)系統(tǒng)采用背靠背雙PWM電壓(diny)型變流器，其拓撲結構如圖3-3所示。 P2

52、Pdc1 Pdc2 Pf Pcf +DFIG C udc 電網(wǎng) _ 轉子側PWM變流器 網(wǎng)側PWM變流器圖3-5 背靠背雙PWM電壓源變流器拓撲結構圖中P2為雙饋電機轉子側吸收的有功功率；Pf為背靠背PWM變流器從電網(wǎng)吸收的有功功率；Pcf表示流過電容電流的有功功率,在忽略電容損耗的情況下,這部分能量被儲存在電容器中；Pdc1為轉子側變流器的直流輸入功率氣為網(wǎng)側變流器的直流輸出功率,即負載功率。在第二章的原理分析中可知背靠背PWM變流器的兩個PWM變流器的主電路結構和開關動作過程相同，在轉子不同的能量流向狀態(tài)下交替實現(xiàn)整流和逆變的功能。因而在分析中只能分別區(qū)分為電網(wǎng)側變流器和轉子側變流器。本節(jié)

53、主要研究網(wǎng)側電壓源變流器的數(shù)學模型和背靠背變流器中間直流環(huán)節(jié)的數(shù)學模型。3.2.1網(wǎng)側PWM變流器的數(shù)學模型在三相系統(tǒng)中，最常用的結構是三相半橋結構，電壓通過變壓器給變流器供電，經(jīng)電感濾波后，接入三相橋交流側，橋臂采用功率開關管和二極管并聯(lián)，直流側接大電容，作平波與儲能用。在建立模型前，作如下假設：(1)電網(wǎng)電勢是理想的三相正弦波；(2)網(wǎng)側電感為線性，且不考慮飽和；(3)實際的功率開關管由理想開關與損耗電阻串連等效表示；(4)為描述整流器的雙向傳輸，三相PWM變流器直流側負載由電阻R和直流電勢E串連表示。由此得到網(wǎng)側PWM變流器的主電路拓撲結構如圖3-6。圖3-6 網(wǎng)側PWM變流器的主電路拓

54、撲(tu p)結構 圖中，uk，ik(k=a、b、c)分別(fnbi)為交流側三相電壓和電流，L和R1分別(fnbi)為進線電感及其等效電阻，C為濾波電容。采用開關函數(shù)建立模型，定義三相橋臂開關函數(shù)Sk(k=a、b、c)：由變流器工作原理我們知道，每個橋的上下橋臂的開關管不能同時導通，即在同一時刻只有一個導通，一個關斷，所以有Sk+Sk=1。根據(jù)上圖，采用基爾霍夫電壓定律建立三相PWM變流器的單相回路方程為： （3-18）式（3-18）中，uNO是直流側負端N到三相中點O的電壓。當Va導通而Va關斷時，開關函數(shù)Sa=l，此時uaN=udc；當Va關斷而Va導通時，開關函數(shù)Sa=0，此時uaN=

55、0。即有uaN=Saudc，式（3-18）可改寫為： （3-19）對于三相對稱電源的三相無中線系統(tǒng)，ia+ib+ic=0，且ua+ub+uc=0，那么由式（3-19）可得： （3-20）則式（3-19）可表達(biod)為： （3-21）對于圖3-4所示的電路中的濾波(lb)電容C，有： （3-22）聯(lián)立式(l sh)（3-21）和式（3-22），引入狀態(tài)變量X=ia,ib,ic,udc,于是得到PWM變流器的狀態(tài)方程表達式為： （3-23）上式中以上我們得到了電壓型PWM變流器三相靜止坐標系下的數(shù)學模型,，但其交流側均為時變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設計，為此我們應用坐標變換(binhun)理

56、論，將其轉換為d-q坐標系下的數(shù)學模型為： （3-24） 式中： ud、uq、id、iq網(wǎng)側dq軸的電壓(diny)和電流； udc輸出(shch)的直流電壓； Sd，Sqd-q坐標系下的等效開關函數(shù)； 電網(wǎng)電壓的角頻率。3.2.2 雙PWM電壓型變流器直流環(huán)節(jié)的數(shù)學模型由電工理論可知,對直流濾波電容C的儲存能量可按式（3-25）計算,即： （3-25） 結合圖3-5中的功率流向,各功率之間的關系可推導如下： （3-26）又： （3-27）聯(lián)立式(l sh)（3-26）和式（3-27）得： （3-28）同理,對轉子側變流器,在忽略線路損耗和功率器件損耗的情況下,運用(ynyng)交流側與直流側

57、的功率平衡關系可得： （3-29）3.3 網(wǎng)側變流器的電網(wǎng)(dinwng)電壓定向矢量控制設計 由第2章的理論分析可以知道雙饋發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的網(wǎng)側變流器的控制目標是在實現(xiàn)能量雙向流動的同時，使直流側電壓恒定，且有良好的動態(tài)響應能力，電網(wǎng)側的輸入電流為正弦波，功率因數(shù)可調(diào)。因此可采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略。由上一節(jié)推導出的電壓型PWM變流器在d-q坐標系下的數(shù)學模型，即式（3-24）得： （3-30）可以看出輸入電流的d軸分量和q軸分量之間存在耦合，如果假定理想的變流器終端輸入電壓為： （3-31）則將式(3-31)代入式(3-30)整理成： （3-32）由式（3-32）可知如果通過引入電

58、流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓作為前饋補償，就可使電流的d軸分量和q軸分量充分解耦，因此通過電壓和電流雙閉環(huán)來設計系統(tǒng)。其控制框圖如圖3-7所示。首先將三相坐標系下的電壓坐標變換并采集數(shù)據(jù)后，判斷矢量工作的扇區(qū)及作用的時間，以此作為功率管的開關(kigun)信號。通過給定指令電壓與實際直流側輸出電壓比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出電流的有功分量指令id*，id*和iq*與交流側實際(shj)電流比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到指令電壓ud*、uq*，經(jīng)過電網(wǎng)電壓、電感電壓交叉分量的前饋補償后，將其送入PWM合成器，作為控制PWM開關的指令電壓，為實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，必須(bx)使電流矢量與電動勢矢量同相位，即iq等于0。圖

59、3-7 PWM變流器控制框圖3.4 轉子側變流器的定子磁鏈定向(dn xin)矢量控制設計 發(fā)電機并網(wǎng)(bn wn)運行時，無窮大電網(wǎng)電壓頻率近似為定值，即發(fā)電機始終是在工頻50Hz下運行，在這樣的頻率下，通常電機定子繞組的電阻可以忽略不計。此時，定子繞組總磁鏈與定子電壓的矢量之間的相位正好相差90，因此在實際應用中，以定子電壓矢量或者以定子繞組總磁鏈為參考矢量，可使控制系統(tǒng)變得相對簡單。本文以定子磁鏈定向來進行雙饋電機的閉環(huán)控制設計。在3.1節(jié)中我們已經(jīng)得到了雙饋發(fā)電機在兩相同(xin tn)步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，為了實現(xiàn)其dq軸變量之間的解耦，可采用定子磁鏈定向，使以同步轉速n1旋轉的

60、坐標軸d與定子綜合磁鏈1相重合，則有： （3-33） 由于發(fā)電機定子繞組直接接電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓較高，在這種情況下可忽略定子電阻壓降，對于發(fā)電機慣例，有： （3-34）即相電壓矢量將比磁鏈矢量滯后90，正好落在q軸的負方向上，由于定子接入恒定電網(wǎng)，電網(wǎng)綜合矢量為常數(shù)，采用模不變矩陣，在兩軸坐標系中，相電壓的綜合矢量的模仍為三相系統(tǒng)的相電壓幅值，因此： （3-35） 式（3-35）中Um三相系統(tǒng)相電壓幅值。由此可得： （3-36）在3.1節(jié)所建立(jinl)的雙饋感應發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上，將式(3-33)代入式(3-10)，得到轉子(zhun z)勵磁電流方程為： （3-37）將式（3-37）代入