雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略的研究

1、 目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景及意義11.1.1可再生能源開發(fā)的必要性11.1.2風(fēng)能的開發(fā)利用21.2 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢21.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的發(fā)展趨勢31.2.2并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的種類31.2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展51.3 變速恒頻發(fā)電的優(yōu)點6第2章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和基本原理82.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點82.2 風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲原理82.3 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理92.4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)功率流動特點112.5 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組矢量勵磁控制142.6 坐標(biāo)變換技術(shù)15第3章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立173.1

2、 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及仿真模型173.1.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型173.1.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的仿真模型213.2 雙pwm電壓型變流器的數(shù)學(xué)模型223.2.1網(wǎng)側(cè)pwm變流器的數(shù)學(xué)模型223.2.2 雙pwm電壓型變流器直流環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型253.3 網(wǎng)側(cè)變流器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制設(shè)計263.4 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的定子磁鏈定向矢量控制設(shè)計27結(jié)束語31參考文獻(xiàn)32致謝34 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略的研究摘要：隨著人們對能源危機(jī)及環(huán)境污染的日益重視，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，如何有效的提高機(jī)組容量與運(yùn)行效率、最大限度地利用風(fēng)能已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。在各種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方

3、案中，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)點逐漸成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電的主流。 本文首先詳細(xì)分析了解了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點以及基本原理，包括風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲原理、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電原理及其功率流動特點、轉(zhuǎn)子勵磁變流器的矢量控制原理等。然后根據(jù)電機(jī)學(xué)中異步電機(jī)的相關(guān)知識推導(dǎo)了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型以及運(yùn)動方程；在對雙pwm電壓型變流器原理分析基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了網(wǎng)側(cè)pwm變流器在三相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型；為了便于控制系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用坐標(biāo)變換技術(shù)將所建數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下；基于坐標(biāo)變換技術(shù)和電機(jī)矢量控制理論，進(jìn)行了電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制設(shè)計和定子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子側(cè)變

4、流器矢量控制設(shè)計的研究；最后利用以上所建模型和已有的成熟的模塊在matlab/simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了亞同步速和超同步速時電機(jī)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(jié)果表明所設(shè)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(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理論分析和控制策略設(shè)計的正確性與可行性。關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；雙饋發(fā)電機(jī)；矢量控制abstractwith attachment importance to energy source scarcity and environment pollution the wind electric p

5、ower generation has developed dramatically all over the world. how to enhance unit capacity and operation effectively and use the wind energy becomes important matter of the wind electric power generation. in various system alternatives, variable speed constant frequency doubly-fed induction generat

6、or (dfig) becomes mainstream for its advantages.this paper first detailed analysis about the structural characteristics and the basic principles of the double-fed wind power generation system, including the principles of the maximum wind energy capture, the variable speed constant frequency operatio

7、n principle and power flow characteristics of the doubly-fed induction generator, the vector control theory of the rotor excitation inverter, and so on. then according to the knowledge about induction motor in electrical machines, the equations of motion and the mathematical models of double-fed ind

8、uction generator in three-phase static coordinate system was derived; based on the principle of dual pwm voltage source converter , the mathematical model of grid side pwm converter in three-phase static coordinate system was derived; in order to facilitate the control system design, the coordinate

9、transformation technology was used for converting the established mathematical model into a two-phase rotating coordinate system; based on coordinate transformation techniques and motor vector control theory, some study of grid voltage oriented grid side converter vector control design and the stato

10、r flux-oriented rotor side converter vector control design have done; finally, based on the above model and the existing mature module in matlab / simulink environment, the system simulation model was build, and the sub-synchronous speed and super synchronous speed when the motor speed constant freq

11、uency independent active and reactive power generation and regulation was simulated, the simulation results show that the designed system in the realization of a variable speed constant frequency generation, meanwhile, the full decoupling control of p, q was realized and it proved accuracy and feasi

12、bility of analysis of doubly-fed induction wind power system and the control strategy design.keywords: wind power; variable speed constant frequency; vector controli本文檔僅供參考請于下載后24小時刪除直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略的研究第1章 緒論1.1 課題背景及意義1.1.1可再生能源開發(fā)的必要性能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活所必須的重要物質(zhì)基礎(chǔ),對社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和物質(zhì)文化生活水平極為重要。過去建立在煤炭、石油、天然氣等不可再生能源

13、基礎(chǔ)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(yán)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(jì)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(jì)社會走可持續(xù)發(fā)展之路和保護(hù)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(yīng)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社會未來能源的基石,

14、是目前大量燃用的化石能源的替代能源。在當(dāng)今的世界能源結(jié)構(gòu)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(fèi)構(gòu)成中,石油占39.9%,天然氣占23.2%,煤占27%,三者合計高達(dá)90.1%,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加以及社會生活水平的提高,預(yù)計未來世界能源消費(fèi)量將以每年的速度增長。根據(jù)目前國際上通行的能源預(yù)測方法,石油資源將在40年內(nèi)枯竭,天燃?xì)赓Y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(rèn)的理想替代能源。（2）新能源和可再生能

15、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(hù)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(jié)構(gòu)的措施,以解決這一與能源消費(fèi)相關(guān)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(dá)國家20多億無電、缺能人口和特殊用途解決供電、用能問題的現(xiàn)實能源。1.1.2風(fēng)能的開發(fā)利用風(fēng)能作為太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式,是一種不

16、產(chǎn)生任何污染物排放的可再生的自然資源。風(fēng)能的開發(fā)利用己有數(shù)千年歷史。在蒸氣機(jī)發(fā)明以前,風(fēng)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(fēng)帆船就在尼羅河上航行。中國是最早使用帆船和風(fēng)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(yīng)安全和保護(hù)環(huán)境等的驅(qū)動,自20世紀(jì)70年代中期以來,世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家都重視風(fēng)能的開發(fā)利用。特別是自20世紀(jì)90年代初以來,現(xiàn)代風(fēng)能最主要的利用形式-風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展十分迅速,世界風(fēng)電機(jī)裝機(jī)容量的年平均增長率超過了30%,從1993年的216萬kw上升到2003年的4030萬kw

17、。歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)計,歐洲年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將超過1億kw,占?xì)W洲總發(fā)電量的20%。隨著風(fēng)力資源開發(fā)的進(jìn)展,世界風(fēng)電機(jī)的裝機(jī)容量到2020年預(yù)計會達(dá)到12.45億kw,發(fā)電量占世界電力消費(fèi)量的12%。因此,風(fēng)能將是世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色能源,是人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要新動力源。把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)電是最具競爭力、最有發(fā)展前景的一項可再生能源技術(shù),21世紀(jì)將會在能源供應(yīng)中發(fā)揮越來越重要的作用,研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將會對我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化及推動我國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢近年來，全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅猛，風(fēng)電機(jī)組的可靠

18、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(fēng)電機(jī)組的單機(jī)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(shù)從有齒輪箱的結(jié)構(gòu)發(fā)展到直接驅(qū)動。1.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的發(fā)展趨勢世界上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)開發(fā)，近十年來取得了驚人的進(jìn)步，其中最顯著的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化。目前，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在世界上40多個國家陸地和近海并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)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(jī)組的單機(jī)容量從55kw增加到2500kw，風(fēng)電成本從20美分/kwh持續(xù)下降到3美分/kwh，運(yùn)行可靠性的發(fā)電成本接近常規(guī)火電。目前，mw級風(fēng)電機(jī)組已成為風(fēng)電市場中的主流機(jī)型。2005年世界風(fēng)電市

19、場統(tǒng)計報告表明，1997年以前mw級風(fēng)電機(jī)組的市場份額還不及10%，2001年則超過一半，2003年已達(dá)到70.5%，2005年高達(dá)76%。近年來，近海風(fēng)能資源的開發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到5mw，6mw風(fēng)電機(jī)組也已研制成功。20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的舊式機(jī)組單機(jī)容量僅為2060kw，而今天在風(fēng)電市場上銷售的商業(yè)化機(jī)組容量一般為6002500kw。目前單機(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組是由德國repower公司生產(chǎn)的，容量為5mw。預(yù)計2010年將開發(fā)出10mw的風(fēng)電機(jī)組。對容量在2mw以上的機(jī)組歐洲主要考慮在海上安裝。1.2.2并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的種類并網(wǎng)運(yùn)行

20、的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一項新能源技術(shù)，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(jī)與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。當(dāng)前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有以下幾種功率凋節(jié)控制技術(shù)：(1)定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)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(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)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(jī)的功率輸出。為了提高風(fēng)電機(jī)

21、組在低風(fēng)速時的效率，通常采用雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當(dāng)風(fēng)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(fēng)機(jī)葉片比較），槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。(2)變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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)方法為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到運(yùn)行條件時，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到45度，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時，再調(diào)節(jié)到零度，直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過程中，當(dāng)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(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額

22、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(jī)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(fēng)速的大小而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時在高風(fēng)速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高。(3)主動失速調(diào)節(jié)型變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)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)。在低風(fēng)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(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)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

23、功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出。機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；在額定風(fēng)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(fēng)力機(jī)獲取能量，保證發(fā)電機(jī)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(yīng)快速變化的風(fēng)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(fēng)電機(jī)組技術(shù)分為雙饋式和直驅(qū)式兩大類。雙饋式技術(shù)的主要特點是風(fēng)輪可變速變槳運(yùn)行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。其優(yōu)點是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高。

24、因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)要采用交流勵磁變速恒頻發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式技術(shù)采用了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)直接耦合的傳動方式，發(fā)電機(jī)多采用多極同步電機(jī)，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅(qū)技術(shù)使風(fēng)電機(jī)組的可靠性和效率都進(jìn)一步得到了提高。1.2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種：同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)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(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)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(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。多采用籠型感應(yīng)電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。(

25、2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)雖然目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的感應(yīng)發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點越來越引起人們的重視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速保護(hù)并保持一個恒定的最佳葉尖比k，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)cp保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率。例如目前已投入應(yīng)用的一項變速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位來追求cp最優(yōu)和輸出。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(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步感應(yīng)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

26、改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的，有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)系統(tǒng)相結(jié)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(guān)注的變速恒頻發(fā)電方案是交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，它通常使用繞線式感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由于繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)有滑環(huán)、電刷存在，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)不適合運(yùn)行環(huán)境比較惡劣的風(fēng)力發(fā)電裝置。無刷雙饋電機(jī)由兩臺繞線式感應(yīng)電機(jī)組成，兩轉(zhuǎn)子的同軸連接省去了滑環(huán)和電刷。無刷雙饋發(fā)電機(jī)可在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的條件下，通過控制勵磁機(jī)的勵磁電流頻率來確保發(fā)電機(jī)輸出電頻率保持50hz不變。因此，無刷雙饋發(fā)電機(jī)可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固可靠，比較適合風(fēng)力發(fā)電等

27、運(yùn)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(jī)運(yùn)行在中速區(qū)和高速區(qū)時，勵磁機(jī)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(cè)則應(yīng)該是可控的5。1.3 變速恒頻發(fā)電的優(yōu)點變速恒頻發(fā)電是20世紀(jì)70年代中期逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。它將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)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(jī)變化的風(fēng)力發(fā)電，以及艦船、飛機(jī)、車輛等變速主軸驅(qū)動的特殊發(fā)電場合中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出了卓越的運(yùn)行性能，成為電力技術(shù)研究中的熱點。在發(fā)電過程中讓風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的

28、方法稱為變速恒頻。變速恒頻的特點是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)葉尖速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能。同時在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多的優(yōu)越性。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速運(yùn)行時，由風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪所吸收，以動能的形式儲存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力；當(dāng)風(fēng)速下降時，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/p>

29、送入電網(wǎng)。在這里，風(fēng)輪的加速、減速對風(fēng)能的階躍性變化起到了緩沖作用，使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件承受的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。變速運(yùn)行還有一個好處是，可以降低風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速運(yùn)行時的噪音，并可使風(fēng)輪設(shè)計突破原有的框框。采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)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(yùn)行6。采用這種交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有如下優(yōu)點：(1)允許原動機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機(jī)械應(yīng)力。同時使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。(2)調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的

30、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(yīng)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(jī)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(jī)成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的主流發(fā)電機(jī)。第2章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和基本原理2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)，齒輪箱，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，變流器，控制器等，其主要作用是從風(fēng)中捕獲能量并將其轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)風(fēng)作用在葉片上帶動葉片的旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動，由于風(fēng)能密度低，葉片旋轉(zhuǎn)速度會比較慢，一般為10-30

31、轉(zhuǎn)分鐘，為了使其旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，在風(fēng)力機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)之間裝有一個變速箱來進(jìn)行變速，變速箱的變比由風(fēng)力機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求確定，變速箱的低速軸通過低速聯(lián)軸器和風(fēng)力機(jī)相連，而其高速軸通過高速聯(lián)軸器和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)從而將葉片吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)吸收機(jī)械能后在變流器的控制作用下，負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)規(guī)則的電能傳送至電網(wǎng)。2.2 風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲原理風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的首要部件，用以截獲流動空氣的動能，并將風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。它不僅決定整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效輸出功率，而且直接

32、影響機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能功率為： (2.1)式中： 空氣密度；v 風(fēng)速；a 風(fēng)力機(jī)掃掠面積；cp 風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度,r為風(fēng)輪半徑。由式(2-1)可見，在風(fēng)速給定的情況下，風(fēng)輪獲得的功率將取決于風(fēng)能利用系數(shù)cp。如果在任何風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)都能在cpmax點運(yùn)行，便可增加其輸出功率。可以看出,在同一個風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速會使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，要想追蹤popt曲線，必須在風(fēng)速變化時及時調(diào)整轉(zhuǎn)速m，保持最佳葉尖速比。當(dāng)達(dá)到起始風(fēng)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由零增大到發(fā)電機(jī)可以切入的轉(zhuǎn)速后，風(fēng)

33、力發(fā)電機(jī)組開始發(fā)電運(yùn)行，通過對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，cp不斷上升，直至cp=cpmax，進(jìn)入cp恒定區(qū)，這時機(jī)組在最佳狀態(tài)下運(yùn)行這段區(qū)域主要是發(fā)電機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)矩（即有功功率給定值）使轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速而變化，使=opt，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲8。對于每個風(fēng)速，都有一個相對應(yīng)的最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可得： （2.2）式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速；齒輪箱傳速比。2.3 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子上均放置對稱三相繞組，其定子與普通交流電機(jī)定子相似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉(zhuǎn)子側(cè)既可以輸入電能也可以輸出電能。因采用交流勵磁，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵磁電流的頻率有關(guān)，從而使得雙饋發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電磁

34、關(guān)系既不同于感應(yīng)電機(jī)又不同于同步電機(jī)。雙饋發(fā)電機(jī)在正常工作時，其定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)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(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓和電流的頻率，n1為定子磁場的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，n2為轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，nr為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。雙饋發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場在空間上保持相對靜止。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間上以1的速度旋轉(zhuǎn)時，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度2應(yīng)為： （2.3）其中，r為轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度，s為雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。勵磁變壓器 f1原動機(jī)勵磁變流器 n1 f2 n2圖2-3 雙饋發(fā)

35、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖按照通常轉(zhuǎn)差率的定義有： （2.4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度與s成正比。若雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和旋轉(zhuǎn)方向相同，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，那么二者的旋轉(zhuǎn)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(guān)系： （2.5）當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，只要改變通入電機(jī)轉(zhuǎn)子里面勵磁電流的頻率f2就可以保持電機(jī)定子側(cè)頻率f1不變，即保持電機(jī)輸出電壓的頻率恒定；通過改變通入電機(jī)轉(zhuǎn)子里面勵磁電流的幅值、相位就可以改變定子側(cè)電壓幅值 9-10。2.4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)功率流動特點電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置,各種電機(jī)中都存在一個機(jī)電耦合場-氣隙磁場。對雙饋發(fā)電機(jī)來

36、說,從轉(zhuǎn)子輸入的機(jī)械能,克服氣隙磁場中導(dǎo)體所受的電磁力而做功,使導(dǎo)體不斷地感應(yīng)電勢,從而源源不斷地發(fā)出電能,實現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)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： （2.6）同時，也可以從轉(zhuǎn)子方的功率來表示: （2.7）按照一般感應(yīng)電機(jī)的分析方法，對r2和u2進(jìn)行分解，可將上式改寫為： （2.8）式中： 勵磁系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)子的電功率； 軸上機(jī)械功率。 當(dāng)0<s<1時，軸上機(jī)械功率為負(fù)，表示它將消耗電磁功率并將其轉(zhuǎn)化機(jī)械功率從軸上輸出；當(dāng)s<0時，此項為正，表示它將把軸上的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電磁功率。對于傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電磁功率、總機(jī)械功率、轉(zhuǎn)子銅耗有如下關(guān)系： (

37、2.9) 顯然式(2-9)對雙饋電機(jī)并不適合，但如果認(rèn)為廣義銅耗為： (2.10) 則由式(2-10)可得： (2.11) 所以： (2.12) 由此可得雙饋發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)輸入電機(jī)的功率： (2.13)雙饋電機(jī)由于轉(zhuǎn)子側(cè)可以輸入(出)入交流電，因此它具有了與一般感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)不同的特點。一般感應(yīng)電機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時處于電動狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子速高于同步轉(zhuǎn)速時處于發(fā)電狀態(tài)。而交流勵磁雙饋電機(jī)除具有上述兩種工作狀態(tài)以外，還具有另外兩種狀態(tài):即超同步電動工況和亞同步發(fā)電工況。在不同的工況運(yùn)行時，具有不同的功率傳遞關(guān)系。忽略電機(jī)定轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵損耗及各種機(jī)械摩擦損耗等，只研究電磁功率pem、機(jī)

38、械功率pmec=(1-s)pem和轉(zhuǎn)差功率ps=spem流向確定其運(yùn)行狀態(tài)。(1) 轉(zhuǎn)子運(yùn)行于亞同步速的電動狀態(tài)電磁功率pem>0，此功率的流動方向是從定子電源到電機(jī)；機(jī)械功率pmec>0，電機(jī)輸出給機(jī)械負(fù)載；轉(zhuǎn)差功率ps<0 這部分功率回饋給轉(zhuǎn)子外接電源，這種情況屬于電動運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性轉(zhuǎn)矩。(2) 轉(zhuǎn)子運(yùn)行于亞同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率pem<0，功率由電機(jī)回饋到定子電源；機(jī)械功率pmec=(1-s)pem<0，原動機(jī)輸入給電機(jī)；轉(zhuǎn)差功率ps0，轉(zhuǎn)子外接電源輸入給電機(jī)，這種情況下電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩。(3) 轉(zhuǎn)子運(yùn)行于超同步速的電動狀態(tài)電磁功率

39、pem>0，功率由定子電源輸給電機(jī)；機(jī)械功率pmec=(1-s)pem>0，電機(jī)輸出給機(jī)械負(fù)載；轉(zhuǎn)差功率ps0，轉(zhuǎn)子外接電源輸入電功率，這種情況屬于電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性轉(zhuǎn)矩。(4) 轉(zhuǎn)子運(yùn)行于超同步速的定子回饋制動狀態(tài)電磁功率pem<0，功率由電機(jī)回饋給定子電源；機(jī)械功率pmec=(1-s)pem<0，由原動機(jī)輸入給電機(jī)；轉(zhuǎn)差功率ps>0，回饋給轉(zhuǎn)子外接電源的功率，這種情況下電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩11-15。由以上分析可見，雙饋發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行于不同的工作狀態(tài)，對于風(fēng)力發(fā)電中的雙饋電機(jī)來說，主要運(yùn)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

40、示。當(dāng)0<s<1，即亞同步速運(yùn)行時，電磁功率分別由轉(zhuǎn)子勵磁電源和原動機(jī)提供，當(dāng)s<0時，即電機(jī)超同步速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子勵磁電源不僅不發(fā)出功率，相反還要從原動機(jī)吸收一個轉(zhuǎn)差功率。但無論如何，轉(zhuǎn)子勵磁電源功率始終保持為轉(zhuǎn)差功率，這為勵磁電源設(shè)計提供了理論依據(jù)。風(fēng)機(jī)變流器風(fēng)機(jī)變流器 p1 p1 a）亞同步速發(fā)電工況 b）超同步速發(fā)電工況圖2.4 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率流動圖 2.5 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組矢量勵磁控制 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組采用交流勵磁,良好的調(diào)節(jié)特性、運(yùn)行的靈活性及可靠性需要能充分發(fā)揮電機(jī)運(yùn)行特點的勵磁控制系統(tǒng)。在最大風(fēng)能追蹤過程中,當(dāng)風(fēng)速一定時,要保持風(fēng)能利用系數(shù)cp

41、 = cpmax的最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率來改變其電磁阻轉(zhuǎn)矩,可以調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速。因此,發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)是風(fēng)電機(jī)組變速運(yùn)行控制的關(guān)鍵。采用標(biāo)量控制,由于定子端口有功功率、無功功率計算復(fù)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?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)。 矢量控制技術(shù)是通過電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把感應(yīng)電機(jī)的定子電流分解成磁場定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里的勵磁電流分量和與之相垂直的轉(zhuǎn)矩分量，然后分別對它們進(jìn)行解耦控制，可以實現(xiàn)與直流電機(jī)一樣的控制性能。雙饋系統(tǒng)的矢量控制結(jié)構(gòu)通常將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和

42、無功分量，并對之進(jìn)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(zhuǎn)矩和其他矢量之間的復(fù)雜關(guān)系，需要使坐標(biāo)軸定向在某個矢量上。一般在雙饋系統(tǒng)可以選擇的定向矢量有定子磁鏈、氣隙磁鏈、定子電壓以及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的坐標(biāo)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: （2.14） 獲得實現(xiàn)p,q獨立可調(diào)的d-q坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子分量電壓表達(dá)式后,通過2r/3s旋轉(zhuǎn)變換可獲得發(fā)電

43、機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)過程中忽略定子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(shè)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(yùn)行條件下動態(tài)響應(yīng)較好,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,動態(tài)響應(yīng)變差15-16。2.6 坐標(biāo)變換技術(shù)（1）3s/2s變換（三相靜止/二相靜止坐標(biāo)變換）由三相靜止坐標(biāo)系a-b-c到兩相靜止坐標(biāo)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： （2.15）（2）2s/2r坐標(biāo)變換（二相靜止/二相

44、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換）兩相靜止坐標(biāo)系-到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換簡稱2s/2r坐標(biāo)變換。設(shè)軸與d軸之間的夾角為,為隨時間變化的函數(shù),求得變化矩陣如下： （2.16）（3）3s/2r坐標(biāo)變換（三相靜止/二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換）綜合上述兩個矩陣,可得3s/2r變換矩陣： （2.17）其反變換矩陣為： （2.18）式中,為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸與三相靜止坐標(biāo)軸a的夾角,d-q坐標(biāo)相對于a-b-c坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角速度為。第3章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立3.1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及仿真模型3.1.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型本節(jié)介紹雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型時，定子側(cè)

45、采用發(fā)電機(jī)慣例，定子電流以流出為正；轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子電流以流入為正。為便于分析問題，假定電機(jī)運(yùn)行于以下理想狀態(tài)：（1）定轉(zhuǎn)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(rèn)為定轉(zhuǎn)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(yīng),忽略定轉(zhuǎn)子繞組的溫升。（4）雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)全部折算到定子側(cè),折算后的定轉(zhuǎn)子每相匝數(shù)都相等。仿造三相感應(yīng)發(fā)電機(jī)的研究方法進(jìn)行繞組折算，根據(jù)規(guī)定的正方向，得到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：1.電壓方程（

46、1）定子繞組電壓方程 （3.1）（2）轉(zhuǎn)子繞組電壓方程 （3.2）其中，u1，u2分別為定子和轉(zhuǎn)子相電壓瞬時值；i1，i2分別為定子和轉(zhuǎn)子相電流瞬時值，1，2分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組磁鏈；r1，r2分別為定子和轉(zhuǎn)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）改寫成三相靜止坐標(biāo)系下的矩陣形式為： （3.3）2.磁鏈方程為了書寫方便，將磁鏈方程表示表示成矩陣形式為： （3.4）式中： （3.5）3.轉(zhuǎn)矩方程 （3.6）4.運(yùn)動方程 （3.7）5.功率方程發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出的瞬時功率為： （3.8）以上為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時定轉(zhuǎn)子

47、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(qiáng)耦合的特點，在這種情況下，對其進(jìn)行研究分析和控制設(shè)計都較為困難。為此，應(yīng)用坐標(biāo)變換理論，將三相靜止坐標(biāo)系下的方程轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系下，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：1.電壓方程（1）定子繞組電壓方程 （3.9）（2）轉(zhuǎn)子繞組電壓方程 （3.10）式中： ud1,uq1,ud2,uq2分別為定轉(zhuǎn)子電壓的dq軸分量。 id1,iq1,id2,iq2分別為定轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量。 d1,q1,d2,q2分別為定轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量。2.磁鏈方程（1）定子磁鏈方程 （3.11）（2）轉(zhuǎn)子磁鏈方程 （3.12）3.轉(zhuǎn)矩方程 （3

48、.13）4.運(yùn)動方程 （3.14）5.功率方程定子的有功、無功功率分別為： （3.15）轉(zhuǎn)子的有功、無功功率分別為： （3.16） 以上就是同步坐標(biāo)系下的全部雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,利用這些模型我們可以建立用以仿真的感應(yīng)發(fā)電機(jī)狀態(tài)方程17。3.1.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的仿真模型通過發(fā)電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,我們可以得到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在同步坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程： （3.17） （3.18）式中： a中s=1-2，被稱為轉(zhuǎn)差角速度。 3.2 雙pwm電壓型變流器的數(shù)學(xué)模型本文中轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)采用背靠背雙pwm電壓型變流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-3所示。 p2 pdc1 pdc2 pf pcf +df

49、ig c udc 電網(wǎng) _ 轉(zhuǎn)子側(cè)pwm變流器 網(wǎng)側(cè)pwm變流器圖3-5 背靠背雙pwm電壓源變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中p2為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)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(zhuǎn)子側(cè)變流器的直流輸入功率氣為網(wǎng)側(cè)變流器的直流輸出功率,即負(fù)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(jié)構(gòu)和開關(guān)動作過程相同，在轉(zhuǎn)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(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。本節(jié)主要研究網(wǎng)側(cè)電壓源變流器的數(shù)學(xué)模型和背靠

50、背變流器中間直流環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。3.2.1網(wǎng)側(cè)pwm變流器的數(shù)學(xué)模型在三相系統(tǒng)中，最常用的結(jié)構(gòu)是三相半橋結(jié)構(gòu)，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(cè)，橋臂采用功率開關(guān)管和二極管并聯(lián)，直流側(cè)接大電容，作平波與儲能用。在建立模型前，作如下假設(shè)：(1)電網(wǎng)電勢是理想的三相正弦波；(2)網(wǎng)側(cè)電感為線性，且不考慮飽和；(3)實際的功率開關(guān)管由理想開關(guān)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(cè)負(fù)載由電阻r和直流電勢e串連表示。采用開關(guān)函數(shù)建立模型，定義三相橋臂開關(guān)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(guān)管不能同時導(dǎo)通

51、，即在同一時刻只有一個導(dǎo)通，一個關(guān)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： （3.19）式（3-18）中，uno是直流側(cè)負(fù)端n到三相中點o的電壓。當(dāng)va導(dǎo)通而va'關(guān)斷時，開關(guān)函數(shù)sa=l，此時uan=udc；當(dāng)va關(guān)斷而va'導(dǎo)通時，開關(guān)函數(shù)sa=0，此時uan=0。即有uan=saudc，式（3-18）可改寫為： （3.20）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： （3.21）則式（3-19）可表達(dá)為： （3.22）對于圖3-4所示的電路中的濾

52、波電容c，有： （3.23）聯(lián)立式（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(dá)式為： （3.24）上式中以上我們得到了電壓型pwm變流器三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,，但其交流側(cè)均為時變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計，為此我們應(yīng)用坐標(biāo)變換理論，將其轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： （3.25） 式中： ud、uq、id、iq網(wǎng)側(cè)dq軸的電壓和電流； udc輸出的直流電壓； sd，sqd-q坐標(biāo)系下的等效開關(guān)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(xué)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： （3.26） 結(jié)合圖3-5中的功率流向,各功率之間的關(guān)系可推導(dǎo)如下： （3.27）又： （3.28）聯(lián)立式（3-26）和式（3-27）得： （3.29）同理,對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,在忽略線路損耗和功率器件損耗的情況下,運(yùn)用交流側(cè)與直流側(cè)的功率平