基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

題目基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

院系

機(jī)械工程系

專業(yè)班級(jí)

學(xué)生姓名

指導(dǎo)教師

二〇一六年六月

基于Simulink的風(fēng)力發(fā)電組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘要

現(xiàn)如今全球人口不斷增長(zhǎng)而且經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增加，傳統(tǒng)能源的使用導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其價(jià)格日益上漲，并且化石能源燃燒產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境、危害人體健康、導(dǎo)致全球變暖[2]。風(fēng)能是一種可再生能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是可再生能源開發(fā)中技術(shù)成熟程度、規(guī)?；_發(fā)程度、商業(yè)化程度最高的發(fā)電方式。風(fēng)能是清潔無(wú)污染的可再生能源，而且風(fēng)能資源分布廣泛，總量十分可觀。全球可利用的風(fēng)能約為2×107MW，比地球上可開發(fā)的水能總量大10倍，風(fēng)能將成為21世紀(jì)的主要能源之一[3]。

本文主要介紹了風(fēng)力發(fā)電的主要原理，簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)模型，最后著重介紹雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理以及建模。由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文還介紹了Simulink的建模方式，以及簡(jiǎn)要介紹在Simulink環(huán)境下對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的建模過(guò)程，對(duì)建模過(guò)程中需要對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行介紹。

最后將雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到對(duì)應(yīng)電網(wǎng)與風(fēng)力機(jī)的相關(guān)輸出特性，還有風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的關(guān)系圖。觀察風(fēng)力機(jī)在不同工作狀態(tài)下的風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩特征。仿真的結(jié)果證明，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真是比較符合實(shí)際的，仿真結(jié)果具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、Simulink、仿真

SimulationofthewindturbinecontrolsystembasedonSimulink

Abstract

Astheglobalpopulationgrowthandeconomicdevelopmentontheincreaseofenergydemand,theuseoftraditionalenergyisfacingincreasinglysevereenergyshortageandenvironmentalissues.Forfossilenergyisscarcityandirrefragable，thesereasonmakeitspricerising,andfossilfuelcombustionproducesharmfulgas,pollutetheenvironment,endangerhumanbodyhealth,andleadtoglobalwarming.Windenergyisakindofrenewableenergy,andwindpowerisrenewableenergywithtechnologymaturity,scaledevelopmentdegree,inmostwaysofpowergeneration.Windenergyisacleanpollution-freerenewableenergyandwindenergyresourcesarewidelydistributed,theamountisveryconsiderable.Globaluseofwindpowerisabout2×107MW,largerthantheamountofwateronearthcandevelop10times,windpowerwillbecomeoneofthemainenergyinthe21stcentury.

Windpowerismainlyintroducedinthispaper,themainprincipleofsimpleintroducedthepneumaticandmechanicalsystemmodelofwindturbine,inthebackwithemphasisontheprincipleofthedouble-fedinductionwindgeneratorandmodeling.DuetotheuseofMATLAB/Simulinkmodelingmethod,thispaperalsointroducedtheSimulinkmodeling,aswellasabriefintroductiontoinSimulinkenvironmentofdoubly-fedasynchronouswindturbinecontrolsystemmodelingprocess,tobeusedintheprocessofmodelingelementsarebrieflyintroduced。

Finallymakedoubly-fedasynchronouswindturbinesimulationsystemrunning，getthecorrespondinggriddataandthecharacteristicsofthewindturbine,andwindspeedandwindturbinetorquediagram.Observerthecharacteristicsunderdifferentworkingconditionsofwindspeedandwindturbinetorque，thesimulationresultsshowthatthesimulationofdouble-fedinductionwindgeneratorishaspracticalguidingsignificance.

Keywords：windturbine、double-fedgenerator、controlsystem、Simulink、simulation

目錄

摘要

I

Abstract

II

1緒論

1

1.1引言

1

1.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展史以及國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1

1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的簡(jiǎn)單分類

3

1.4風(fēng)力機(jī)的仿真技術(shù)的作用

3

1.5雙饋發(fā)電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

3

1.6本文的主要研究?jī)?nèi)容

4

2風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)

6

2.1概述

6

2.2風(fēng)速模型

6

2.3風(fēng)輪模型

8

§2.4本章小結(jié)

9

3雙饋發(fā)電機(jī)組的原理以及控制策略

10

3.1概述

10

3.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理

10

3.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及功率的關(guān)系

12

3.4PWM換流器的數(shù)學(xué)模型

13

3.4.1PWM換流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

14

3.5雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

14

3.5.1概述

14

3.5.2換流器的控制策略

15

3.6本章小結(jié)

17

4基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)與仿真

18

4.1概述

18

4.2Simulink對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)仿真的介紹

18

4.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真過(guò)程

19

4.4仿真結(jié)果

27

4.5本章小結(jié)

29

第五章總結(jié)與展望

30

參考文獻(xiàn)

31

致謝

33

附錄一

34

1緒論

1.1引言

現(xiàn)如今全球人口不斷增長(zhǎng)而且經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增加，傳統(tǒng)能源的使用導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。煤、石油、天然氣等化石能源的不斷減少使其價(jià)格不斷增加，按照已探明的能源儲(chǔ)量和未來(lái)能源的消費(fèi)速度來(lái)看，化石能源可能在40-200年內(nèi)逐漸耗盡[4]。因此，尋求清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是現(xiàn)在世界面臨的重要問(wèn)題。

替代性能源包括水能、核能以及可再生能源。水能和核能雖然是現(xiàn)階段低碳能源的首選，但是水電開發(fā)總量有限而且影響自然環(huán)境，核電有核泄漏以及處理核廢料的問(wèn)題[5]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，開發(fā)取之不盡用之不竭的可再生能源才是解決未來(lái)能源與環(huán)境的根本途徑。

可再生能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、氫能等。而風(fēng)能是目前可再生能源中運(yùn)用技術(shù)最成熟，商業(yè)化程度最高的的一種可再生能源。風(fēng)能是清潔無(wú)污染額可再生能源，而且風(fēng)能的資源分布廣泛，總量十分巨大。

今年來(lái)風(fēng)電一直保持著世界增長(zhǎng)最快能源的地位.丹麥到2020年和2050年風(fēng)力發(fā)電比例將提高到42%和100%；歐盟的總體目標(biāo)則是在2020年和2050年由風(fēng)力發(fā)電提供總發(fā)電量的17.5%和50%；美國(guó)的目標(biāo)則是到2030年風(fēng)力發(fā)電占總電力供應(yīng)的30%[6]。而我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)量為世界第一，到2020年和2050年，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量將在2020年達(dá)到200GW在2050年達(dá)到1000GW，而發(fā)電量則能達(dá)到總發(fā)電的5%和17%，風(fēng)電將成為中國(guó)的五大電源之一[7]。

1.2風(fēng)力發(fā)電發(fā)展史以及國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)能在十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)六十年代末時(shí)期，其開發(fā)程度只是在小規(guī)模開發(fā)的狀態(tài)。美國(guó)的Brush風(fēng)力發(fā)電機(jī)和丹麥的Cour風(fēng)力發(fā)電機(jī)被視為風(fēng)力發(fā)電的先驅(qū)[8]。風(fēng)力發(fā)電在1973年的石油危機(jī)后由小型化開發(fā)逐漸向大中型規(guī)?；l(fā)展。這一段時(shí)間由于發(fā)生了兩次能源危機(jī)，許多政府開始支持風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展。丹麥的Tvind2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)革命的佼佼者[9]。

丹麥?zhǔn)鞘澜缟系谝粋€(gè)利用風(fēng)力發(fā)電的國(guó)家。相繼荷蘭、美國(guó)等也進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行[10]。從2001年到2009年全球裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率為26.2％，截止至2009年12月31日累計(jì)裝機(jī)容量為160084MW。2009年新增裝機(jī)容量38103MW，相比2008年全球范圍裝機(jī)容量增長(zhǎng)31％，這一增長(zhǎng)率創(chuàng)下了歷年之最。預(yù)計(jì)2020年的世界風(fēng)力發(fā)電量將占全世界總發(fā)電量的15%[11]。

目前世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的速度超過(guò)其他新能源的發(fā)展，未來(lái)風(fēng)力發(fā)電很可能成為全球電力的主要來(lái)源之一。為了使風(fēng)力發(fā)電更廣泛的讓人們知曉和發(fā)展，全球各國(guó)政府相繼推出了許多優(yōu)惠的政策，覆蓋面極廣，主要包括：提供低利率貸款，投資補(bǔ)貼，優(yōu)先原則，硬性規(guī)定新能源須占有一定的比例等措施。多種形式的優(yōu)惠措施更加促進(jìn)了各國(guó)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展。在過(guò)去幾年中，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)供應(yīng)商數(shù)量大幅增加[12]。2009年，全球整個(gè)行業(yè)提供約38103MW電力。陸地風(fēng)力發(fā)電比海上風(fēng)力發(fā)電在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃難度小和建設(shè)成本較低，但海上風(fēng)力資源較好，且不占用寶貴的土地資源，對(duì)環(huán)境影響較小，因此具有良好的發(fā)展前景[13]。英國(guó)是世界上最大的海水風(fēng)力發(fā)電國(guó)家，在可再生能源利用領(lǐng)域處于龍頭地位。根據(jù)英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)PLC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，英國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2012年2月17日晚21時(shí)20分風(fēng)力發(fā)電瞬時(shí)達(dá)到3.4GW，創(chuàng)歷史新高，而且這一數(shù)字還有望持續(xù)。

國(guó)地大物博，地理位置位于陽(yáng)光充沛的溫帶、亞熱帶地區(qū)，受東亞、南亞季風(fēng)影響。所以，風(fēng)能資源的儲(chǔ)量大、分布面廣，其中發(fā)展最好的地區(qū)位于北部和東南沿海。此外，中國(guó)的內(nèi)陸湖泊或其他特殊地形條件的影響，一些地區(qū)還擁有豐富的風(fēng)能資源[14]。中國(guó)北部和西部風(fēng)力資源豐富，主要的地區(qū)包括內(nèi)蒙古，甘肅，新疆，河北，吉林等地，最高可達(dá)150GW。另外，沿海岸地區(qū)最豐富的是江蘇，山東，浙江等地，最高可達(dá)10GM。我國(guó)全國(guó)大約有60%的地區(qū)為多風(fēng)地帶，全年平均風(fēng)速為3m/s及以上的時(shí)間達(dá)3000h，只是陸地上可開發(fā)的風(fēng)能資源就達(dá)253GW[15]。此外，我國(guó)具有漫長(zhǎng)的海岸線，海上的風(fēng)能資源約為750GW，所以在海上風(fēng)電也具有好的發(fā)展前景。而根據(jù)BTM的研究，隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)增加高度，這種潛力將更加巨大。到2030年，風(fēng)能有可能將取代煤炭和水力，成為中國(guó)最主要的能源之一[16]。

近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電快速、有效地增長(zhǎng)，根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的最新數(shù)據(jù)顯示，截止2011年年末，全球風(fēng)力發(fā)電總量已經(jīng)達(dá)到2億3800萬(wàn)千瓦，近10年間增加了10倍[17]。數(shù)據(jù)顯示，全球風(fēng)力發(fā)電設(shè)備容量在去年一年期間增加了近21%，約41230MW，而截止2001年年末的發(fā)電總量?jī)H為23900MW。從風(fēng)力發(fā)電總量上看，中國(guó)達(dá)62730MW位列首位；美國(guó)(46910MW)和德國(guó)(29910MW)名列第二、三位。中國(guó)目前是全球最大的風(fēng)電市場(chǎng)，也是全球最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)基地。

據(jù)我國(guó)專家估算，我國(guó)可開發(fā)利用風(fēng)能至少十幾億千瓦，快速推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的必要途徑之一[18]。目前我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電仍處于起步階段，缺少設(shè)計(jì)制造的技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，缺乏具有國(guó)有化或自主創(chuàng)新的風(fēng)電技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。設(shè)置合理的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，結(jié)合市場(chǎng)的要求，推進(jìn)新選新能源及其技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。從發(fā)展的角度來(lái)看，研究開發(fā)多極低速發(fā)電機(jī)、無(wú)齒輪箱、變速恒頻等新風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，有利于風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，其發(fā)展前景十分廣闊[19]。

現(xiàn)在我國(guó)24個(gè)省市建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)，內(nèi)蒙古、河北、甘肅等地規(guī)模浩大的國(guó)家級(jí)風(fēng)電基地進(jìn)入快速成長(zhǎng)期東海大橋海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)也于2010年在上海正式投入運(yùn)行，成為除了歐洲之外最大海上風(fēng)電場(chǎng)。在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)方面，2010年有4家中國(guó)企業(yè)進(jìn)入了世界風(fēng)電裝備制造業(yè)10強(qiáng)，并開始出口海外[20]。

1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的簡(jiǎn)單分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)，控制方式從單一的定槳距、定速控制向變槳距、變速恒頻發(fā)展。根據(jù)機(jī)械功率調(diào)節(jié)、齒輪箱傳動(dòng)模式、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)類型，可對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行以下三種分類[21]。

按機(jī)械功率調(diào)節(jié)方式分類可分為定槳距控制和變槳距控制，主動(dòng)失速控制。而按照傳動(dòng)形式分類則可分為高傳動(dòng)比齒輪箱型，直接驅(qū)動(dòng)型，中傳動(dòng)比齒輪箱（半直驅(qū)）型。

1.4風(fēng)力機(jī)的仿真技術(shù)的作用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真技術(shù)在諸多方面都有關(guān)鍵應(yīng)用，如風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、性能測(cè)試與研究，而且在對(duì)風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算、運(yùn)行、分析等各方面都可以進(jìn)行仿真，以節(jié)約成本[22]。

風(fēng)能特性仿真是是風(fēng)電仿真中的基礎(chǔ)，這種仿真主要反映風(fēng)能的地域特性，位置、時(shí)間變化特性還有空氣動(dòng)力載荷大小等[1]。

風(fēng)力機(jī)組成部件的仿真設(shè)計(jì)，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇與設(shè)置，風(fēng)機(jī)塔架等受力部件的設(shè)計(jì)等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真，建立特定的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行仿真操作，可以得到風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，以及輸出的波動(dòng)，從而我們可以根據(jù)這些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

控制系統(tǒng)仿真，建立待檢驗(yàn)的控制系統(tǒng)的仿真模型和控制對(duì)象的仿真模型并連接成有機(jī)的整體。改變仿真風(fēng)電機(jī)的風(fēng)能參數(shù)或是工作狀態(tài)，測(cè)試在不同運(yùn)行狀態(tài)下控制系統(tǒng)的動(dòng)作特性和工作效果，尋找控制系統(tǒng)的不足，改進(jìn)模型。

風(fēng)電場(chǎng)仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和不同的環(huán)境因素，建立整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型。進(jìn)而研究風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)可行性，和不同運(yùn)行下對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

1.5雙饋發(fā)電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

本次課題主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，現(xiàn)如今，全球的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中多數(shù)采用的都是雙饋發(fā)電機(jī)，因此我們就需要對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真研究。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一款集機(jī)電學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)，機(jī)械學(xué)，控制工程學(xué)為一體的高科技產(chǎn)品，其發(fā)展對(duì)提高科技進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的作用。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)子可以連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率比較高，由于是變槳距控制作用在風(fēng)輪葉片上的應(yīng)力作用可以得到改善。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的換流器容量為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定容量的25%-30%，這樣換流器的成本就比較低。采用雙饋發(fā)電機(jī)組的功率因素高，并網(wǎng)簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有沖擊電流[4]。

雙饋異步發(fā)電機(jī)之所以性能優(yōu)越是因?yàn)橥瑫r(shí)具有異步與同步發(fā)電機(jī)的特性，Double-FedInductionGenerator（DFIG）被稱為交流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)、同步感應(yīng)發(fā)電機(jī)[5]。雙饋異步發(fā)電機(jī)之所以有著一些傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不具有的優(yōu)勢(shì)，在于DFIG與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)有不同的轉(zhuǎn)子繞組、勵(lì)磁結(jié)構(gòu)以及不同的勵(lì)磁控制策略。DFIG與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比，實(shí)行了交流勵(lì)磁，因而勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位均可調(diào)節(jié)，控制起來(lái)就會(huì)更加靈活，不僅可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制。正因?yàn)榫邆湟陨线@些傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，雙饋異步發(fā)電機(jī)在水電站、抽水蓄能電站、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電站等獲得廣泛應(yīng)用[6]。

雙饋電機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓適應(yīng)性的研究倍受關(guān)注，因?yàn)殡p饋電機(jī)相比傳統(tǒng)的異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，在1.5MW以上級(jí)別的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中是居于主導(dǎo)地位，而且現(xiàn)階段大功率風(fēng)電場(chǎng)包括近海風(fēng)電場(chǎng)多采用雙饋型電機(jī)這一機(jī)型。主要用于雙饋電機(jī)的控制的勵(lì)磁控制技術(shù)經(jīng)歷了空間矢量控制階段，之后就是磁場(chǎng)定向矢量控制理論。雙饋電機(jī)的勵(lì)磁控制技術(shù)在實(shí)踐中不斷進(jìn)步，形成了現(xiàn)在的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。隨著微機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，雙饋發(fā)電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越成熟[7]。二三十年前開始發(fā)展的雙饋電機(jī)的發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟，他們開發(fā)了大型變速恒頻發(fā)電機(jī)組，還有更加先進(jìn)的兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略現(xiàn)如今不斷優(yōu)化，特別是在最大風(fēng)能的的追蹤上有著很大的發(fā)展[8]。在高于額定風(fēng)速時(shí)采用變槳距恒功率控制策略。在當(dāng)今的風(fēng)電場(chǎng)中由于大部分的機(jī)型都是雙饋異步發(fā)電機(jī)，因而在對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的改進(jìn)以及發(fā)展會(huì)有更高的要求，特別是在雙饋發(fā)電機(jī)的維護(hù)以及無(wú)沖擊并網(wǎng)方面，我們要做的還有更多。

1.6本文的主要研究?jī)?nèi)容

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展史的介紹，以及國(guó)內(nèi)的風(fēng)電發(fā)展概況的簡(jiǎn)要介紹表明現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)主要是運(yùn)用雙饋發(fā)電機(jī)組，而發(fā)展雙饋發(fā)電機(jī)則是現(xiàn)在的主要目標(biāo)，因此對(duì)基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真就顯得很重要。

簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模塊和運(yùn)行方式，對(duì)其氣動(dòng)與機(jī)械原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

主要介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵性模塊，就是雙饋發(fā)電機(jī)，在這部分，文章詳細(xì)介紹了雙饋發(fā)電機(jī)的原理以及控制策略，其中著重介紹了轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略。

最后一部分介紹了本次課題的重點(diǎn)，就是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程的介紹。其中重點(diǎn)介紹了仿真過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置以及各個(gè)參數(shù)的意義。

2風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)

2.1概述

風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)通過(guò)風(fēng)力機(jī)時(shí)產(chǎn)生力，力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，從而可利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)，而如果對(duì)其準(zhǔn)確建模則需要采用葉素理論，其過(guò)程較為復(fù)雜。我們通常采用簡(jiǎn)化建模的方法建立風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)模型[23]。

圖2-1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理圖

2.2風(fēng)速模型

威布爾分布

風(fēng)場(chǎng)選址通?？紤]所選地址的風(fēng)速分布情況，這對(duì)企業(yè)十分重要，由于風(fēng)速分布特點(diǎn)與風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)電量估算有直接關(guān)系，因此風(fēng)場(chǎng)風(fēng)的變化通常使用威布爾（weibull）分布來(lái)表示。

雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)[24]通常適用于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù)，分布結(jié)果通常比較符合實(shí)際情況，根據(jù)某個(gè)高度的風(fēng)速威布爾函數(shù)曲線可以推算各種高度的威布爾函數(shù)擬合曲線，這樣就可以大大的減少工作量。

雙參數(shù)威布爾分布，其概率密度為

f（v）=kc（vc）k-1e-(vc)k（2-1）

其中v——風(fēng)速

K——形狀參數(shù)

C——尺度參數(shù)

由風(fēng)速的密度函數(shù)可以求得其積分分布函數(shù)

F(v)=0+∞f(v)dv=1-e-(vc)k（2-2）

平均風(fēng)速為

v=0∞vf（v）dv（2-3）

根據(jù)風(fēng)速的歷史數(shù)據(jù)，可以按照不同的情況選擇不同的方法對(duì)威布爾參數(shù)進(jìn)行估算，可以選擇極大似然估計(jì)法、最小二乘法、平均風(fēng)速和最大風(fēng)速等方法[10]。

（1）用最小二乘法估算，根據(jù)風(fēng)速的威布爾分布，最小二乘法最終擬合的結(jié)果為Y=bx+a

其中a=xi2yi-xixiyinxi2-(xi)2,b=-xiyi+nxiyinxi2-(xi)2（2-4）

(2)根據(jù)平均風(fēng)速v和標(biāo)準(zhǔn)差sv估算威布爾分布有

v=1Nvi,Sv=1N(vi-v)2（2-5）

式中vi是計(jì)算時(shí)段中每次的風(fēng)速觀測(cè)值

N為觀測(cè)次數(shù)

其中伽馬函數(shù)可采用以下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

τ（1+1k)=(0.568+0.434k)1k（2-6）

(3)運(yùn)用平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估算威布爾分布。任選一時(shí)間的10min最大風(fēng)速值作為最大風(fēng)速，設(shè)定vmax為T時(shí)間內(nèi)10min平均最大風(fēng)速的觀測(cè)值，則最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率為

vmaxc=(lnT)1Kτ(1+1K)（2-7）

K的求解比較復(fù)雜，而通過(guò)大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，k值在1.0-2.6的范圍變動(dòng)，而此時(shí)τ(1+1K)≈0.9

k=ln（lnT)ln(0.90Vmaxvc=vτ1+1k（2-8）

組合風(fēng)模型：

風(fēng)速這種統(tǒng)計(jì)分布在全球隨地點(diǎn)變化而變化，這取決于許多因素，氣候條件、地貌特征。因此威布爾分布是變化的。因?yàn)橥紶柗植寄M需要大量的實(shí)地考察參數(shù)，對(duì)于大部分的風(fēng)力發(fā)電模型不具有通用性。如果需要模擬的風(fēng)力發(fā)電模型有著比較小的時(shí)間尺度，那么我們可以使用比較簡(jiǎn)單的組合風(fēng)風(fēng)速模型來(lái)進(jìn)行描述。

為了比較精確地描述風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，風(fēng)速變化的模型常把組合風(fēng)分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)四種風(fēng)[12]。

其組合風(fēng)為v(t)=v+vg+vr（t）+vn(t)

式中v基本風(fēng)風(fēng)速，m/s

vg陣風(fēng)風(fēng)速，m/s

vr（t）漸變風(fēng)風(fēng)速，m/s

vn(t)隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速，m/s

1基本風(fēng)速

v=cτ1+1k（2-9）

2陣風(fēng)

vg=0vgmax201-cos2πt-tglTg（2-10）

式中Tg陣風(fēng)周期

tgl陣風(fēng)開始時(shí)間

vgmax陣風(fēng)幅度

3漸變風(fēng)

對(duì)風(fēng)速的漸變變化特性用漸變風(fēng)來(lái)模擬，即

vr（t）=0vrmaxvrmaxt-tr1tr2-tr1（2-11）

2.3風(fēng)輪模型

風(fēng)能是由空氣流動(dòng)產(chǎn)生的能量，有流體力學(xué)可知，氣流的動(dòng)能為

E=12mv2（2-12）

那么單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)風(fēng)輪的氣流所具有的動(dòng)能，就是風(fēng)功率為

Pw=12ρVv2=12ρSv3（2-13）

按照以上的公式我們可以得到，如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)能就會(huì)增加8倍。然而風(fēng)力機(jī)無(wú)法帶走風(fēng)的所有能量，風(fēng)能有一部分傳遞給了風(fēng)輪，剩下的被流過(guò)風(fēng)力機(jī)的氣流帶走。這就是我們所說(shuō)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp，所以風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率為

pm=12ρSv3Cp（2-14）

風(fēng)能利用系數(shù)（Cp）是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，代表風(fēng)輪從風(fēng)能種不活功率的能力，其與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、葉片槳距角（β）有關(guān)系[13]。而風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比（λ），即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比為

λ=Rtωtv（2-15）

Rt葉片的半徑

ωt葉片旋轉(zhuǎn)速度

普通風(fēng)力機(jī)可以分為定槳距和變槳距兩種運(yùn)行方式。定槳距的風(fēng)力機(jī)的主要特點(diǎn)就是風(fēng)輪的槳葉與輪轂是固定的剛性連接。而變槳距的風(fēng)力機(jī)主要是風(fēng)輪的葉片與輪轂通過(guò)軸承連接，調(diào)節(jié)功率時(shí)，葉片就相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)一個(gè)角度，就是改變?nèi)~片的槳距角[14]。通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角可以限制捕獲的風(fēng)電功率。當(dāng)功率在額定功率以下時(shí)，控制器將葉片槳距角至于0度附近么不做變化，可以認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)特性隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)超過(guò)額定功率時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作，調(diào)整葉片槳距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近[25]。

變槳舉風(fēng)力機(jī)與定槳距風(fēng)力機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：

由于變槳距風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，所以具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)。

對(duì)于定槳距風(fēng)力機(jī)，一般在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用效率較高，當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅下降。而變槳距風(fēng)力機(jī)，由于槳葉的槳距角可以控制，使得在額定功率點(diǎn)仍然擁有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。

變槳距風(fēng)力機(jī)由于能調(diào)整葉片角度，故輸出功率不受溫度、海拔、氣流密度的影響。

變槳距風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，槳葉可以轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而比定槳距風(fēng)力機(jī)更容易控制。

變槳距風(fēng)力機(jī)的輪轂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高。

2.4本章小結(jié)

本章主要簡(jiǎn)介了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的幾個(gè)重要的模塊，風(fēng)速模型，風(fēng)輪模型兩大主要的基本單元，在實(shí)際運(yùn)用中，這兩大基本模塊都對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建立有著重要的影響，風(fēng)速模型影響著風(fēng)電場(chǎng)的選址，以及每年的電網(wǎng)輸出量，而風(fēng)輪模型則關(guān)乎到風(fēng)力機(jī)的成本以及后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用。所以風(fēng)速以及風(fēng)輪模型在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有著重要的地位。

3雙饋發(fā)電機(jī)組的原理以及控制策略

3.1概述

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（DFIG）是最早的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，vestas公司的1.5mw雙饋機(jī)組樣機(jī)始建于1996年。至今，采用雙饋異步發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然是市場(chǎng)的主流機(jī)型。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中如今通常采用雙饋異步發(fā)電機(jī)可以連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，可改善作用于風(fēng)輪槳葉上的應(yīng)力狀況，而且換流器的容量為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定容量的25%-30%，換流器成本較低。雙饋異步發(fā)電機(jī)的功率因素高，并網(wǎng)簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有沖擊電流。

3.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理

圖3-1恒頻異步雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

DFIG的結(jié)構(gòu)和功率流向如圖3-1所示，采用的是繞線式異步發(fā)電機(jī)，其定子直接連入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)雙PWM（脈寬調(diào)頻）換流器與電網(wǎng)相連。發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的總功率有定子側(cè)的輸出功率和轉(zhuǎn)子猜測(cè)通過(guò)換流器的滑差功率組成，因此我們才稱其為雙饋發(fā)電機(jī)。在圖3-1所示的雙PWM換流器中，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器（RotorSideConverter，RSC）與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，網(wǎng)側(cè)換流器（GridSideConverter,GSC）直接與電網(wǎng)相連。

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的主要功能是，在轉(zhuǎn)子繞組中加入交流勵(lì)磁，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)輸出電壓的恒頻恒壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吳新鴻基并網(wǎng)。通過(guò)矢量控制實(shí)現(xiàn)DFIG的有功功率、無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)。還可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和定子側(cè)功率因素的調(diào)節(jié)。

網(wǎng)側(cè)變換器的主要功能就是，保持直流母線電壓的穩(wěn)定，將滑差功率傳輸至電網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率控制。

DFIG定子繞組直接與電網(wǎng)連接，流過(guò)工頻的三相對(duì)稱交流電流，產(chǎn)生角速度為ωe的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)雙PWM換流器接入電網(wǎng)，流過(guò)流過(guò)頻率可調(diào)的三相交流電流，產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子以滑差角速度ωsl旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。DFIG運(yùn)行時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)保持相對(duì)靜止以實(shí)現(xiàn)機(jī)電電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，因此

ωe=ωr+ωsl（3-1）

ωe發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

ωr同步轉(zhuǎn)速

ωsl滑差角速度

根據(jù)轉(zhuǎn)差率公式可得定子轉(zhuǎn)子電流頻率?e、?r關(guān)系為

?e=pnn60±?r=?rs（3-2）

DFIG的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖3-2所示，定子電壓電流與轉(zhuǎn)子電壓電流正方向安電動(dòng)機(jī)慣例，并將轉(zhuǎn)子側(cè)的量折算到定子側(cè)。根據(jù)等效電路，可以得到DFIG的基本方程式為

圖3-2DFIG的等效電路圖

E=Im?jXmUs=E+IsRs+jXσsUrs=E+IrRrs+jXσrIr=Im-Is（3-3）

式中Us、Ur定子轉(zhuǎn)子電壓相量

E氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量

Is、Ir定子、轉(zhuǎn)子電流

Im勵(lì)磁電流相量

Rs、Rr定子、轉(zhuǎn)子電阻

Xσs、Xm定子、轉(zhuǎn)子漏抗和互抗，定子電抗Xs=Xσs+Xm，轉(zhuǎn)子電抗Xr=Xσr+Xm

從等效電路和基本方程式中可以看出，雙饋電機(jī)就是在普通繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中增加了一個(gè)變頻電源，不僅可以微電機(jī)提供勵(lì)磁，還可以調(diào)節(jié)雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤控制。

3.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及功率的關(guān)系

異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差特性決定了輸出功率，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s小于0時(shí)，發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)向電網(wǎng)饋入功率。當(dāng)風(fēng)速比較小時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)從電網(wǎng)吸收功率。而雙饋電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋入功率，在超同步和亞同步是，均可向電網(wǎng)發(fā)電，但是轉(zhuǎn)子側(cè)功率的方向不同[23]。以下分析DFIG各功率之間的關(guān)系。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出總的電磁功率為Pe，定子側(cè)向電網(wǎng)輸出的功率為Ps，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)換流器向電網(wǎng)輸出的功率為Pr。由式（3-1）可知，電網(wǎng)頻率恒定，可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率?r來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。DFIG在調(diào)速過(guò)程中，雙PWM換流器流過(guò)的有功功率為滑差功率，忽略定子與轉(zhuǎn)子回路中的損耗，則定子與轉(zhuǎn)子側(cè)功率存在的關(guān)系為

Pr=-sPs（3-4）

Pr即為滑差功率。由式（3-4）可知，DFIG的調(diào)速范圍越寬，則所需要的換流器容量就越大。DFIG輸出的電磁功率為

Pe=Ps+Pr=（1-s）Ps（3-5）

根據(jù)調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差率的正負(fù)，我們可以將DFIG分為三種工作狀態(tài)，即亞同步狀態(tài)（s大于0）、同步狀態(tài)（s等于0）、超同步狀態(tài)（s小于0）。在三種不同的工作狀態(tài)下PWM換流器也以不同的狀態(tài)向電網(wǎng)饋入饋出能量。在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，定子轉(zhuǎn)子功率以及總功率的關(guān)系如圖3-3所示

圖3-3定子轉(zhuǎn)子功率，總功率關(guān)系圖

亞同步狀態(tài)。此刻ωr小于ωe，轉(zhuǎn)差率大于0，式(3-2)為正，頻率為?r的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，Pr小于0，電網(wǎng)有換流器向轉(zhuǎn)子饋入功率，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩小于定子側(cè)的功率。

超同步狀態(tài)。此時(shí)ωr大于ωe，轉(zhuǎn)差率小于0，式（3-2）為負(fù)，頻率為頻率為?r的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率由轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)流出，此時(shí)輸出的電磁功率大于定子側(cè)的輸出功率。

同步狀態(tài)。此刻ωr等于ωe，?r=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與發(fā)電機(jī)同步。Pe≤Ps。

DFIG

S大于0

S小于0

S=0

運(yùn)行狀態(tài)

亞同步速

超同步速

直流勵(lì)磁

定子側(cè)功率流向

向電網(wǎng)注入有功

向電網(wǎng)注入有功

向電網(wǎng)注入有功

轉(zhuǎn)子測(cè)功率流向

從電網(wǎng)吸收有功

向電網(wǎng)注入有功

無(wú)有功流動(dòng)

表3-1DFIG運(yùn)行狀態(tài)功率分布表

3.4PWM換流器的數(shù)學(xué)模型

DFIG通過(guò)電力電子變換設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)其功率的控制以及變恒頻運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大風(fēng)能跟蹤控制，DFIG需要滿足在一定的范圍內(nèi)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，這就要求轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的頻率可調(diào)節(jié)。DFIG在超同步和亞同步狀態(tài)下均可以發(fā)電運(yùn)行，這就要求轉(zhuǎn)子要采用雙向流動(dòng)的換流器進(jìn)行勵(lì)磁。采用PWM控制技術(shù)的電壓源型換流器（voltagesourceconverter，VSC）由于該裝置的主電路拓?fù)涑墒?，控制靈活、技術(shù)可靠，目前是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的主流換流器類型。

根據(jù)DFIG的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，換流器轉(zhuǎn)子通過(guò)兩個(gè)背靠背的電壓源類型PWM換流器接入電網(wǎng)，雙PWM換流器在保持直流母線電壓恒定的情況下，可根據(jù)控制需求獨(dú)立互逆地運(yùn)行于整流或是逆變狀態(tài)。當(dāng)DFIG處于超同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)饋出能量。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器RSC處于整流工作狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)換流器GSC處于逆變工作狀態(tài)。當(dāng)DFIG處于亞同步時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)饋入能量，RSC處于逆變工作狀態(tài)，GSC處于整流狀態(tài)。

雙PWM換流器的主電路完全相同，但在整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)中的功能不同，因此具體的控制方法也不同。通常轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用定子電壓或磁鏈定向的矢量控制，而網(wǎng)側(cè)換流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制。

3.4.1PWM換流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

這里僅對(duì)此數(shù)學(xué)模型作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。為了方便，我們引入開關(guān)函數(shù)的概念。假設(shè)Si為第i（i=a，b，c）相的開關(guān)函數(shù)，則將Si表示成如下形式

Si=1i相上橋臂導(dǎo)通0i相下橋臂導(dǎo)通

PWM換流器的主電路可以由以下的狀態(tài)方程來(lái)描述

Lcdiadt=usa-Rcia-uc_aoLcdibdt=usb-Rcib-uc_boLcdicdt=usc-Rcic-uc_co（3-6）

式中Rc、Lc換流器交流側(cè)電阻和電感

usa、usb、usc電網(wǎng)三相電壓

ia、ib、ic換流器交流側(cè)電流

uc_ao、uc_bo、uc_co換流器交流輸出對(duì)交流電源中性點(diǎn)的電壓，可表示為

uc_ao=uc_an+uc_nouc_bo=uc_bn+uc_nouc_co=uc_cn+uc_no（3-7）

3.5雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了其最基本的組成元件，還有元件模塊的連接方式，就是各模塊之間的控制了，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制模塊比較復(fù)雜，其由各種控制單元組成，各個(gè)控制單元都是有機(jī)組成的。

3.5.1概述

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包含有許多子系統(tǒng)，例如氣動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)通常都含有時(shí)間常數(shù)。而一般電氣系統(tǒng)的響應(yīng)速度要比機(jī)械系統(tǒng)快很多。由于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電力電子裝置的存在，各個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)差別很大，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)比通常的控制系統(tǒng)要復(fù)雜的多。

風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而發(fā)電機(jī)及其環(huán)流其控制系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這兩個(gè)轉(zhuǎn)化的子系統(tǒng)相互協(xié)同工作，以確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠正常工作。風(fēng)力機(jī)控制屬于機(jī)械控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，其包含兩個(gè)相互耦合的控制器：最大功率追蹤控制器和槳距角控制器，其相應(yīng)的輸出為電磁功率參考值和槳距角參考值，這兩個(gè)參數(shù)是分別負(fù)責(zé)DFIG換流器的電磁功率設(shè)定和風(fēng)力機(jī)的槳距角控制。DFIG的換流器控制屬于電氣控制，動(dòng)態(tài)相應(yīng)快，包括兩個(gè)相互解耦的PWM換流器控制器：轉(zhuǎn)子側(cè)換流器RSC控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)組的有功功率和定子側(cè)無(wú)功功率獨(dú)立控制，其有功功率控制跟蹤風(fēng)力機(jī)控制給出的功率指令，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的間接控制，這樣可以使機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速，捕獲最大風(fēng)能。網(wǎng)側(cè)換流器GSC控制器則實(shí)現(xiàn)直流母線的電壓控制，，這是兩個(gè)換流器實(shí)現(xiàn)解耦控制的關(guān)鍵。并網(wǎng)控制器除了控制風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)和停機(jī)過(guò)程，在運(yùn)行中根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的調(diào)度指令以及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況和約束條件，給計(jì)策和網(wǎng)側(cè)換流器發(fā)無(wú)功指令，并可限定風(fēng)力機(jī)的功率捕獲。

3.5.2換流器的控制策略

PWM換流器的控制可分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制以幅相控制為代表。其控制簡(jiǎn)單，一般無(wú)順=瞬時(shí)的電流反饋，但是動(dòng)態(tài)相應(yīng)比較慢，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)波動(dòng)比敏感。直接電流控制以瞬時(shí)電流反饋為特點(diǎn)，包括固定開關(guān)頻率電流控制、滯環(huán)電流控制以及高性能的矢量控制（VOC）和直接功率控制（DPC）等。

轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制策略:

在雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制中，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用矢量控制技術(shù)將DFIG轉(zhuǎn)子電流分解為相互解耦的有功分量和無(wú)功分量，分別進(jìn)行獨(dú)立控制。如圖3-4所示。

圖3-4轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的矢量控制策略

根據(jù)動(dòng)態(tài)模型式可得

Ψr=LmLsΨs+σLrIr(3-8)

Is=1LsΨs-LmIr(3-9)

Ur=RrIr+σLrdIrdt+LmLsdΨsdt+jωslσLrIr+LmLsΨs(3-10)

為實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦，需將同步旋轉(zhuǎn)的dq軸進(jìn)行定向。由于轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓幅值和頻率是變化的，而網(wǎng)側(cè)電壓較為穩(wěn)定，通常將d周定向到定子側(cè)的電壓或磁鏈上。

整個(gè)控制系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)組成的串級(jí)控制系統(tǒng)，有功的串級(jí)控制環(huán)和無(wú)功的串級(jí)控制環(huán)相互獨(dú)立，并行控制。在功率外環(huán)中，電磁轉(zhuǎn)矩參考值由風(fēng)力機(jī)控制層中的MPPT控制給定，而無(wú)功參考值則由風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)控制給定，電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功反饋值可以通過(guò)定子側(cè)的電壓和電流計(jì)算得到。

網(wǎng)側(cè)換流器的控制:

網(wǎng)側(cè)換流器的控制目標(biāo)是為了保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定和交流側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行，直流電壓的穩(wěn)定即意味著直流功率的平衡，這就是轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)雙PWM換流器可以獨(dú)立控制的關(guān)鍵。網(wǎng)側(cè)換流器將滑差功率送入電網(wǎng)，在轉(zhuǎn)差率比較小時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器有一定功率裕量，可以為電網(wǎng)提供無(wú)功支持。網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略如圖3-5所示

圖3-5網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略

網(wǎng)側(cè)換流器通常采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，即同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與電網(wǎng)電壓矢量Ug重合。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)換流器交流側(cè)的瞬時(shí)有功和無(wú)功為

Pg=12ugdigd+ugqigq=32ugdigd

Qg=12ugqigd-ugdigq=-32ugdigq(3-11)

Pg、Qg網(wǎng)側(cè)換流器從電網(wǎng)吸收的有功功率和無(wú)功功率

ugd、ugq網(wǎng)側(cè)換流器并網(wǎng)點(diǎn)電壓的dq軸分量

igd、igq網(wǎng)側(cè)換流器交流側(cè)電流的dq軸分量

由3-11可知直流環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為

CdcdUdcdt=Idc_g-Idc_r=Pg-PrUdc(3-12)

3.6本章小結(jié)

在這一章中主要介紹了恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，其中包括總體的控制思路，從功率的關(guān)系開始，一直到兩個(gè)換流器的控制策略，其中轉(zhuǎn)子定子的功率關(guān)系反映了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)也反映出雙饋發(fā)電機(jī)的三種不同的工作狀態(tài)。而在后文中，則是著重介紹了兩個(gè)換流器的控制策略，即轉(zhuǎn)子側(cè)換流器，還有網(wǎng)側(cè)換流器，這兩個(gè)換流器則是雙饋電機(jī)的靈魂，所謂“雙饋”就是源于這兩個(gè)換流器。所以這兩個(gè)換流器的控制策略就顯得十分重要。

4基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)與仿真

4.1概述

本章主要是結(jié)合理論對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際的仿真運(yùn)行，仿真軟件使用MATLAB/simulink，下面簡(jiǎn)要介紹一下Simulink模塊。

Simulink是基于MATLAB的圖形化仿真設(shè)計(jì)環(huán)境。簡(jiǎn)單的說(shuō)，Simulink是MATLAB提供對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析的一個(gè)軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是所進(jìn)程的。Simulink使用圖形化的系統(tǒng)模塊對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行描述，并在此基礎(chǔ)上采用MATLAB計(jì)算引擎對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行求解。

Simulink提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型有模塊組成的框圖來(lái)表示，在實(shí)際使用時(shí)，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作便可以完成建?！，F(xiàn)在的Simulink模塊庫(kù)十分強(qiáng)大，在Simulink的領(lǐng)域下，我們可以對(duì)航空、航天、通信、控制、信號(hào)處理、電力系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域進(jìn)行仿真處理。

而本次的仿真內(nèi)容則是對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的仿真，通過(guò)對(duì)其仿真我們可以的出相關(guān)的電壓，電流數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析便可得到最終的結(jié)論。

4.2風(fēng)電系統(tǒng)通用模型的介紹

任意類型的風(fēng)電機(jī)組的通用動(dòng)態(tài)模型一般由風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型、風(fēng)電機(jī)組的軸系模型（包括風(fēng)力機(jī)軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸）、槳距角控制模型、發(fā)電機(jī)模型及其控制保護(hù)系統(tǒng)等部分組成.

如圖4-1所示f為電網(wǎng)頻率，Is為定子電流，Ir為轉(zhuǎn)子電流，P為有功功率，Pref為有功功率參考值，Q為無(wú)功功率，Qref為無(wú)功功率參考值，Us為定子電壓，Ur為轉(zhuǎn)子電壓，Uref為定子電壓參考值，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，ωt為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，θg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角，β為槳距角，βref為槳距角參考值。

風(fēng)速

ωgθg

發(fā)電機(jī)模型

Tm

空氣動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)械軸系模型

Te

Ur

PQ

Usf

IsIr

ωtωg

ωt

β

βref

槳距角控制模型

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)

QrefUref

Pref

圖4-1風(fēng)力機(jī)通用動(dòng)態(tài)模型圖

4.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真過(guò)程

根據(jù)MATLAB/Simulink的例程，建立基于雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型。建立仿真模型首先就是要將系統(tǒng)中的元件在Simulink的模塊庫(kù)中找到，由于元件數(shù)量太多，這里對(duì)模塊庫(kù)的元件提取不在作介紹附錄1就是建模完成后的整體圖

附錄1顯示了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從風(fēng)力機(jī)到變壓器到直流母線到電網(wǎng)，顯示的很清楚而圖4-4與圖4-5顯示了風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)的輸入與反饋

圖4-4電網(wǎng)輸出

圖4-5風(fēng)力機(jī)輸出

圖4-4與圖4-5分別對(duì)應(yīng)的是電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的輸入圖，由于程序是在系統(tǒng)內(nèi)嵌的所以我們可以在設(shè)置完系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)后直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。以下介紹對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真過(guò)程介紹。

雙擊雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組模塊，我們可以打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖4-6所示

圖4-6風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置圖

Externalmechanicaltorque：外部機(jī)械轉(zhuǎn)矩，它是以風(fēng)電機(jī)組額定功率和發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)值的標(biāo)值。當(dāng)此項(xiàng)被選中后，風(fēng)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)輸入量為機(jī)械轉(zhuǎn)矩（Tm），不被選中時(shí)，風(fēng)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)輸入量為風(fēng)速。

Nominalwindturbinemechanicaloutputpower：風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的額定功率（單位W）

Trackingcharacteristicspeeds:功率曲線中跟蹤點(diǎn)的速度（單位p.u）

PoweratpointC:c點(diǎn)的功率（單位p.u）

WindspeedatpointC:跟蹤點(diǎn)C的風(fēng)速（單位m/s）

Pitchanglecontrollergain[Kp]:槳距角控制增益。

Maximumpitchangle（deg）：最大槳距角（單位：度）

Maximumrateofchangeofpitchangle：槳距角最大變化率（單位：度/s）

在設(shè)置完風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，就可以點(diǎn)開generator選項(xiàng)，開始設(shè)置發(fā)電機(jī)的選項(xiàng)。如圖4-7所示

圖4-7發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖

Nominalpower,line-to-linevoltageandfrequency:發(fā)電機(jī)的額定功率（單位：V.A）、線電壓（單位：V）和頻率（單位：Hz）

Stator[Rs,Lls]:定子電阻和電抗（單位：p.u）

Rotor[Rr',Lls']:轉(zhuǎn)子的電阻和電抗（單位p.u）

MagnetizinginductanceLm：勵(lì)磁電抗（單位：p.u）

Inertiaconstant，frictionfactorandpairsofpoles：發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)（單位：s）、阻尼系數(shù)（單位：p.u）和極對(duì)數(shù)

Initialconditions：初始條件

在設(shè)置完發(fā)電機(jī)選項(xiàng)之后，我們將設(shè)置變換器（converters），設(shè)置串窗口如圖4-8所示

圖4-8換流器參數(shù)設(shè)置圖

Convertermaximumpower：變換器最大功率（單位p.u）

Grid-sidecouplinginductor[LR]:電網(wǎng)側(cè)變換器耦合電感（單位：p.u）

Couplinginductorinitialcurrents：耦合電感初始電流9(單位：p.u)

NominalDCbusvoltage：直流環(huán)節(jié)額定電壓（單位：V）

DCbuscapacitor：直流環(huán)節(jié)電容（單位：F）

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組有電壓控制和無(wú)功功率控制兩種控制模式。若在“display”下拉菜單中選擇“控制參數(shù)（controlparameters）”選項(xiàng)，在“運(yùn)行模式（modeofoperator）”中選擇“電壓控制（voltageregulation）”將顯示風(fēng)電機(jī)組在電壓控制模式下的參數(shù)對(duì)話框，如圖4-9所示

圖4-9控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

ReferencegridvoltageVref：電網(wǎng)參考電壓（單位：p.u）

ExternalreactivecurrentIq_refforgrid-sideconverterreference:電網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)功電流參考值。若被選中，可以通過(guò)外部信號(hào)控制電網(wǎng)側(cè)變換器的無(wú)功電流。

Grid-sideconvertergeneratedreactivecurrentreference(Iq_ref):電網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)功電流參考值。

Gridvoltageregulatorgains[KpKi]:電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)器增益。

DroopXs：斜率電抗值

Powerregulatorgains[KpKi]：有功功率調(diào)節(jié)器增益

DCbusvoltageregulatorgains[KpKi]：直流環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器增益

Grid-sideconvertercurrentregulatorgains[KpKi]：電網(wǎng)側(cè)變換器電流調(diào)節(jié)器增益

Rotor-sideconvertercurrentregulatorgains[KpKi]：轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流調(diào)節(jié)器增益

Maximumrateofchangeofreferencegridvoltage：電網(wǎng)電壓最大變化率參考值

Maximumrateofchangeofreferencepower：有功功率最大變化率參考值

Maximumrateofchangeofconverterreferencecurrents：變換器電流最大變化率參考值

以上是在系統(tǒng)控制中選擇電壓控制的參數(shù)設(shè)置，除了電壓控制外，我們還可以選擇“無(wú)功功率調(diào)節(jié)（Varregulation）”可以打開風(fēng)電機(jī)組在無(wú)功功率控制模式下的參數(shù)對(duì)話框，如圖4-10所示

圖4-10控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

External：表示外部無(wú)功功率參考值。

GeneratedreactivepowerQref：無(wú)功功率參考值（單位：p.u）

Reactivepowerregulatorgains[KpKi]：無(wú)功功率調(diào)節(jié)器增益

其他的參數(shù)設(shè)置和電壓控制模式相同。

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組模塊端子功能如下：

A、B、C為風(fēng)電機(jī)組中感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子三相電氣連接端子。

Wind（m/s）為風(fēng)速輸入（單位m/s）。

Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

Trip為控制風(fēng)電機(jī)組投切的邏輯輸入信號(hào)（1/0）1表示風(fēng)電機(jī)組斷開。

Vref為電壓參考值。

Qref為無(wú)功參考值

Iq_ref為q軸電流參考值

整個(gè)仿真系統(tǒng)包含雙饋風(fēng)電機(jī)組的29個(gè)內(nèi)部信號(hào)，可以通過(guò)母線選擇模塊（busselectorblock）分別獲取。雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組輸出信號(hào)如表4-1所示

信號(hào)

信號(hào)名稱

定義

1-3

Iabc（cmplx）（pu）

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)的流入風(fēng)電機(jī)組端口電流相量

4-6

Vabc（cmplx）（pu）

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)機(jī)電機(jī)組出口電壓相量（相電壓）

7-8

Vdq_stator（pu）

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值風(fēng)電機(jī)組定子直軸和交軸電流值

9-11

Iabc_stator（cmplx）（pu）

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的流入發(fā)電機(jī)定子的電流相量

12-13

Idq_stator(pu)

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)電機(jī)組定子直軸和交軸電流值

14-15

Vdq_stator（pu）

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子直軸和交軸電壓值

16-17

Idq_rotor(pu)

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子直軸和交軸電流值

18

Wr（pu）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

19

Tm（pu）

施加于發(fā)電機(jī)上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩

20

Te(pu)

以發(fā)電機(jī)額定容量作為基準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)值

21-22

Vdq_grid_conv(pu)

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)變流器直軸和交軸電壓值

23-25

Idq_grid_conv(pu)

以發(fā)電機(jī)額定電壓為基準(zhǔn)值的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)變流器直軸和交軸的電流相量

26

P（pu）

以發(fā)電機(jī)額定容量作為標(biāo)準(zhǔn)值的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率正值表示機(jī)組產(chǎn)生有功功率

27

Q（pu）

以發(fā)電機(jī)額定容量作為標(biāo)準(zhǔn)值的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率正值表示機(jī)組產(chǎn)生有功功率

28

Vdc（V）

變換器直流環(huán)節(jié)電壓

29

Pitch_angle(deg)

槳距角

表4-1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出信號(hào)

4.4仿真結(jié)果

在仿真中我選擇的是仿真1.5MW的風(fēng)電機(jī)組，以下為仿真結(jié)果

圖4-11變速變槳距風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

如圖4-11所示，為變速變槳距風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。對(duì)于變速變槳風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)速低于額定風(fēng)速的情況下，主要采用變速調(diào)節(jié)方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，得到最佳減速比，獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換功率；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)采用變槳距恒功率調(diào)節(jié)方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率基本上等于額定功率。上圖就是變速變槳距瘋咯及轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，變速變槳距的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系由A-B-C-D段，轉(zhuǎn)速低于A時(shí)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)無(wú)動(dòng)作，輸出功率為0；A-B段為風(fēng)力機(jī)快速啟動(dòng)階段；B-C段為風(fēng)力及變速控制時(shí)追蹤最大風(fēng)能功率曲線階段；C-D段風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不再增加，而轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增加；到達(dá)D點(diǎn)后，風(fēng)力機(jī)采用變槳距控制，維持額定功率不變。

圖4-12，和圖4-13表示的電網(wǎng)示波器和風(fēng)力機(jī)示波器的仿真結(jié)果

圖4-12電網(wǎng)示波器輸出

圖4-13風(fēng)力機(jī)輸出

兩次的仿真結(jié)果告訴我們，這個(gè)風(fēng)電仿真系統(tǒng)在50s內(nèi)的輸出是比較穩(wěn)定的，觀察兩個(gè)重要的仿真數(shù)據(jù)，就是有功和無(wú)功功率，在20秒之前，有功為負(fù)，無(wú)功功率約為0，這符合換流器工作時(shí)的特性，觀察風(fēng)力機(jī)的參數(shù)，設(shè)計(jì)輸出為1.5MW，而前20秒還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到這個(gè)水平，同時(shí)觀察風(fēng)力機(jī)槳距角的變化在20秒后槳距角發(fā)生突變，從0變?yōu)?.8左右，這是為了適應(yīng)風(fēng)速的變化，從而使風(fēng)力機(jī)的輸出較為穩(wěn)定。在20s以后風(fēng)力機(jī)的輸出基本上穩(wěn)定在1.5MW附近。這就說(shuō)明仿真的結(jié)果符合實(shí)際。

4.5本章小結(jié)

本章主要討論了關(guān)于實(shí)際建立1.5MW風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際仿真算例，從開始建立仿真模型，到最終的得出仿真結(jié)果，也就是風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)的輸出信號(hào)，其過(guò)程需要非常細(xì)致而認(rèn)真的工作，而在仿真操作過(guò)程中我們則需要對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，其中包括對(duì)風(fēng)力機(jī)本身、換流器、發(fā)電機(jī)、控制方式的設(shè)置。其中不同的控制方式（電壓控制和無(wú)功控制）會(huì)得到不同的仿真結(jié)果。這些操作過(guò)程對(duì)我們以后在進(jìn)行仿真模擬是有著指導(dǎo)意義。而課題本身則是具有對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行實(shí)地考察有指導(dǎo)意義，特別是在以后進(jìn)行的大規(guī)模的風(fēng)電仿真。

第五章總結(jié)與展望

本片論文主要討論了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的仿真，前一部分主要介紹了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展史，還有就國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。在后面主要介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的氣動(dòng)與機(jī)械原理。而本文重點(diǎn)介紹了雙饋發(fā)電機(jī)組的控制策略，而這里的重點(diǎn)便是兩個(gè)換流器的控制策略，控制策略是雙饋電機(jī)最重要的部分。在介紹完控制策略后便利用Simulink建立了風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，開始對(duì)其仿真運(yùn)行，仿真結(jié)果顯示，該模擬系統(tǒng)是比較穩(wěn)定的。

在仿真過(guò)程中，熟練利用Simulink的simpower模塊庫(kù)以及通用模塊庫(kù)，雖然建立仿真模型的過(guò)程十分繁雜，但是在這里能夠鍛煉我們的細(xì)致觀察能力，在建立完成模型后，就開始了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，在仿真過(guò)程中選擇的是1.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，所以在對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的過(guò)程中總的設(shè)計(jì)功率就是1.5MW，在完成選擇后，就要對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，有風(fēng)力機(jī)，發(fā)電機(jī)，變換器，以及控制方式。

設(shè)置完成后可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，輸入源的風(fēng)度是系統(tǒng)只給的風(fēng)速，執(zhí)行完整個(gè)流程后我們?cè)趦蓚€(gè)子系統(tǒng)中（也就是電網(wǎng)和風(fēng)力機(jī)）的到兩組仿真曲線圖，上面詳細(xì)的反映了在50s的仿真過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)。電網(wǎng)示波器顯示的電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)三個(gè)三相變壓器變壓后的輸出電壓信號(hào)、有功、無(wú)功信號(hào)等，風(fēng)力機(jī)示波器，主要顯示的是風(fēng)速、發(fā)電機(jī)有功無(wú)功信號(hào)，轉(zhuǎn)速、槳葉槳距角等信號(hào)。

本次論文的結(jié)果對(duì)以后更加深入研究最大風(fēng)能的捕捉，風(fēng)速波動(dòng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出的特性，以及在電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的輸出特性，還有就是無(wú)沖擊并網(wǎng)等課題時(shí)有著基礎(chǔ)性的知道意義。而本文不足的就是由于水平有限沒(méi)有深入對(duì)DFIG的三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型、還有同步坐標(biāo)系下模型的矢量形式進(jìn)行研究。還有就是對(duì)雙PWM換流器中的定子磁鏈定向和電壓定向的矢量控制沒(méi)有進(jìn)行深入的探究。

現(xiàn)如今世界能源面臨巨大威脅，能源可再生化，清潔化是我們亟待解決的問(wèn)題，核能的高污染性，讓我們不的不去開發(fā)新型能源。而在新型能源院中風(fēng)能則是最理想的可再生能源，可以說(shuō)風(fēng)能的利用用率高，可開發(fā)范圍廣，對(duì)環(huán)境的影響小，雖說(shuō)一次性投資大，但是日后的收益十分可觀，所以風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)在商業(yè)化、規(guī)?；_發(fā)的最佳新型能源。本篇論文主要探討的是雙饋恒頻變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，而在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)上有許多不足亟待改進(jìn)，例如輪轂的自造精度高，維護(hù)比較困難，減小并網(wǎng)時(shí)的電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊等。在風(fēng)力發(fā)電方面我們還有許多要做的。希望本篇論文能夠?yàn)橐院蟮娘L(fēng)力發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)提供有效的幫助。

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致謝

這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在教授的指導(dǎo)下完成的。從前期知識(shí)的儲(chǔ)備與積累，到具體的任務(wù)，再到后面的疑難指導(dǎo)，都凝聚了老師對(duì)我的諄諄教導(dǎo)和備至關(guān)懷。在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)遇比較迷茫的時(shí)候，不知道該從何入手時(shí)，老師悉心指導(dǎo)，為我指明了前進(jìn)的道路，最后能將畢業(yè)論文順利完成。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度和開闊的知識(shí)視野為我提供了很多珍貴的啟示，讓我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中收獲頗豐。讓我明白了無(wú)論是做課題還是做設(shè)計(jì)，都要一步一步踏踏實(shí)實(shí)的前進(jìn)，做好每一步的規(guī)劃，不能像無(wú)頭蒼蠅一