電網(wǎng)電壓不對稱時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)輸出特性分析本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電網(wǎng)電壓不對稱時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)輸出特性分析DDD燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電力工程系 學(xué)號090103030124學(xué)生姓名DDD專 業(yè)班 級0D9電力3班題目題目名稱電網(wǎng)電壓不對稱時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)輸出特性分析題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容：電網(wǎng)電壓平衡條件下，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和控制策略；

2、建立電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的模型；采用電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG的數(shù)學(xué)模型，選取適當(dāng)?shù)目刂颇繕?biāo)，設(shè)計(jì)基于PR諧振調(diào)節(jié)器不平衡控制策略；研究電網(wǎng)電壓不平衡度大小對雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出特性的影響。目標(biāo)：給出理論分析和Matlab仿真分析結(jié)果?；疽?遵守畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的紀(jì)律，按時(shí)答疑；2獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力；3設(shè)計(jì)說明書一份（不少于2萬字），A0圖紙一張；英文資料翻譯不少于5千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫規(guī)范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；4. 完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并反映在論文中。參考資料1. 鄧雅不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

3、變流器控制策略研究。北京：北京交通大學(xué)2. JBHu，YKHeModeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditionsElectric Power Systems Research，2009，79：273-2813. 相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)周 次14周58周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱相關(guān)文獻(xiàn)；建立風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型；完成開題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述。研究電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG、網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的等效數(shù)學(xué)模型建立網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器的數(shù)學(xué)模型選取適當(dāng)?shù)目刂颇繕?biāo)，研究協(xié)調(diào)控制下雙饋風(fēng)

4、力發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。論文撰寫答辯指導(dǎo)教師：DDD職稱：教授 2012年12月15日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的擴(kuò)大和電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的要求愈加嚴(yán)格，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究由電網(wǎng)電壓正常情況下的并網(wǎng)運(yùn)行控制，轉(zhuǎn)向電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行研究。本文以雙饋風(fēng)機(jī)不平衡情況下的輸出特性為主要研究對象，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要模塊進(jìn)行了建模仿真，分析了各種不平衡度下雙饋風(fēng)機(jī)的輸出特性，得到了一些具有實(shí)際意義的成果。首先研究了風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分別研究了它們的輸出特性。然后利用坐標(biāo)變換的方法研究了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常情況下的dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)建模,并通過Matlab仿真軟件研

5、究了它在正常情況下的輸出特性。又通過文獻(xiàn)了解了不平衡度的計(jì)算方法，搭建了不平衡度計(jì)算模塊。研究了在不同的不平衡度下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，以及定子電流等參數(shù)的輸出特性。最后，用對稱分量法研究了不平衡條件下，雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立了正反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，分別由各自正，負(fù)序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程。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)機(jī)在不平衡情況下的輸出特性。關(guān)鍵詞雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；不平衡；dq坐標(biāo)AbstractWith the double-fed wind turbine installed capacity expansion and

6、 the quality of wind power generation requirements become more stringent. The study of doubly-fed wind power generation system this paper ,the case of DFIG unbalanced output characteristics as the main object of study, modeling and simulation the main modules of the wind turbine, analysis a variety

7、of DFIG under unbalanced output characteristics ,and obtained some meaningful results.This paper studied the wind speed and wind turbine mathematical models, separately studied their output characteristics. Then use the coordinate transformation method to study the doubly-fed wind turbines mathemati

8、cal modeling of dq coordinate under normal circumstances. And studied its simulation with Matlab software research it in normal circumstances the output characteristics. And through the literature to understand the imbalance calculation method, calculation module built imbalance. Studied at differen

9、t imbalance, the doubly-fed wind generator speed, electromagnetic torque and stator current and other parameters of output characteristics.Finally, with the symmetrical component method the mathematical model of DFIG was studied under unbalanced conditions, then established Reversible synchronous ro

10、tating coordinate system, respectively, by the respective positive and negative sequence component represented DFIG voltage and flux equations. In Matlab existing wind power modules added unbalanced studied grid-connected wind turbine in the case of unbalanced output characteristics.Keywords DFIG; u

11、nbalanced; dq coordinates 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 選題的依據(jù)和意義1 研究不平衡電網(wǎng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性的意義11.2 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展21.2.2 不對稱電網(wǎng)下DFIG變流器的控制31.3 研究的主要內(nèi)容5第2章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立62.1 風(fēng)速模型的建立62.2 風(fēng)力機(jī)模型的建立82.3 本章小結(jié)12第3章 雙饋風(fēng)機(jī)的建模與輸出特性133.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理133.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型143.3 不平衡度的計(jì)算方法153.4 雙饋電機(jī)正常情況下的仿真163.5 雙饋電

12、機(jī)不平衡情況下的仿真203.6 本章小結(jié)24第4章 不平衡情況下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型264.1 對稱分量法264.2 不平衡條件下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型284.3 與電網(wǎng)連接的雙饋風(fēng)機(jī)不平衡情況下的仿真314.4 本章小結(jié)34結(jié)論35參考文獻(xiàn)37致謝39附錄40第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 選題的依據(jù)和意義能源是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活不可缺少的一部分，隨著社會(huì)的進(jìn)步，全球能源需求量不斷的增加，而非可再生能源如煤、石油的儲(chǔ)量逐漸減少。此外人們大量使用煤炭、石油和天然氣對大自然造成嚴(yán)重破壞，并且嚴(yán)重污染地球環(huán)境。環(huán)境惡化和能源危機(jī)使新能源的尋求成為亟待解決的問題。風(fēng)是一種安全、清潔、充足，大多來自太

13、陽能，屬于能不斷提供的可再生能源。全球風(fēng)能儲(chǔ)量巨大，任何國家和地區(qū)都有分布，通過調(diào)查估算可以轉(zhuǎn)換為電能的風(fēng)力資源約53萬億kWh每年，大約為20年后全球電力需求的兩倍1。我國的風(fēng)能資源十分豐富，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。然而我國風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)與創(chuàng)造能力與國外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，仍然有很大的差距，這制約著我國風(fēng)電行業(yè)的大力發(fā)展。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(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。研究不平衡電網(wǎng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性的意義目前DFIG風(fēng)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行主要是通過對轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器采用dq軸解耦控制來實(shí)現(xiàn)的。背靠背變流器

14、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(shí)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(shí)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)。這些傳統(tǒng)矢量控制均假設(shè)電網(wǎng)電壓理想，即三相電網(wǎng)電壓幅值相等，相位互差120。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

15、PWM變流器的數(shù)學(xué)模型建立，在電網(wǎng)電壓平衡時(shí)，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(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；但當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)統(tǒng)矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。當(dāng)前文獻(xiàn)所研究的主要是在正常平衡電網(wǎng)電壓下的理論，對于不平衡電網(wǎng)電壓下研究的還比較少。而在實(shí)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(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡的情況，同時(shí)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(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平

16、衡時(shí)，通過變壓器在DFIG機(jī)端產(chǎn)生一定的不平衡電壓，此時(shí)電網(wǎng)電壓和電機(jī)定子電壓包含負(fù)序分量，會(huì)對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。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(huì)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(dòng)，從而引發(fā)機(jī)械振動(dòng)，對機(jī)械設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，同時(shí)電機(jī)定子輸出的有功功率和無功功率中也都包含脈動(dòng)。電網(wǎng)電壓不平衡條件下，基于電網(wǎng)電壓平衡設(shè)計(jì)的電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)包含負(fù)序分量，直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，影響直流母線電容的壽命。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(dòng)，會(huì)給整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶來損耗增大、

17、發(fā)熱過多、過壓、過流等問題。1.2 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電簡單來說就是通過風(fēng)輪機(jī)及其控制系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。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。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪機(jī)在大部分情況下都能按照最佳效率運(yùn)行，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，變速風(fēng)力發(fā)

18、電系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的能力比定速恒頻風(fēng)力發(fā)電系多出28%3，并且減小了風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械應(yīng)力。此外變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還可以實(shí)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(shí)現(xiàn)。目前新安裝的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及基于永磁同步電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。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(shí)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小：另一方面，通過改變電機(jī)側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電流幅值

19、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(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。雙饋弄變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以提高風(fēng)能捕獲能力和轉(zhuǎn)換效率，改善并優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件，是一種優(yōu)化的具有良好應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電解決方案。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(jià)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。 不對稱電網(wǎng)下DFIG變流器的控制風(fēng)

20、力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷提高，風(fēng)電容量在總電網(wǎng)容量中所占的比重越來越大，這種沒有考慮電網(wǎng)電壓不平衡控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不平衡的電網(wǎng)電壓下會(huì)產(chǎn)生功率波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，影響所在區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在某些情況下不得不將風(fēng)力發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中解裂，從而引起局部地區(qū)停電。由此看出，設(shè)計(jì)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。2009年2月國家電網(wǎng)公司己頒布風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)新規(guī)定5，規(guī)定中明確強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)電壓允許長時(shí)間存在最大不平衡度2%的小值穩(wěn)態(tài)不平衡情況，要求風(fēng)電機(jī)組能夠承受一定程度的負(fù)序電流不脫網(wǎng),還應(yīng)能承受穩(wěn)態(tài)最大達(dá)2%的不平衡電壓而不跳閘,即風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡

21、度2%、短時(shí)4%的情況下,風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能持續(xù)不脫網(wǎng)正常運(yùn)行6。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7-8，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9-10，對雙環(huán)控制策略進(jìn)行了深入探討11-13。外文文獻(xiàn)中也都提到了DFIG變流器的控制14-15。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(bào)道。其主要研究成如下：1. 針對電網(wǎng)電壓不對稱故障狀態(tài)下傳統(tǒng)控制策略的缺點(diǎn)，在增強(qiáng)型鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上建立了DHG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)的控制策略，采用的是抑制轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉(zhuǎn)子電流的諧波

22、含量，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電網(wǎng)功率的二次紋波11。2. 針對電網(wǎng)電壓不對稱時(shí)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。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用正序電流跟蹤的滯環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了電流的無差跟蹤。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。3. 逆變器采用PI調(diào)節(jié)理論上能實(shí)現(xiàn)無靜差的輸出電壓控制13。4. 建立了矢量控制能在在電網(wǎng)正常條件下可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的良好控制。不平衡電網(wǎng)電壓下的雙dq電流控制策略可以有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡所引起的電磁轉(zhuǎn)矩

23、，直流電壓和輸向電網(wǎng)總功率的脈動(dòng),增強(qiáng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行能力7。5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對 PSVS子功能與 NS. VR子功能的容量分配算法。通過 MatlabSimulink對 PSVS控制及 NSVR控制的綜合控制仿真結(jié)果表明，該控 制策略實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場電網(wǎng)電壓非對稱狀態(tài)下雙饋風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)并網(wǎng)條件的明顯提升16。1.3 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(diǎn)，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

24、情況下的輸出特性。論文主要研究內(nèi)容如下：首先主要研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)基本模塊，包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。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。然后，研究了電網(wǎng)電壓正常情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理及其輸出特性。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(dòng)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。其次，給出了不平衡度計(jì)算方法，建立了不衡度計(jì)算模塊，接入到所建立的電機(jī)模型中，調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)分別運(yùn)行在不平衡度為3%和5%的情況下，比

25、較分析兩種情況下，電機(jī)輸出特性的變化情況，得出了一些有用的結(jié)果。最后，分析了雙饋電機(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。利用對稱分量的方法，建立了DFIG在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分別由各自正，負(fù)序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的等效電路模型。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。第2章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立2.1 風(fēng)速模型的建立 本文采用最簡單的風(fēng)速模型進(jìn)行分析，這種風(fēng)速模型一般包括四種分量：基本風(fēng)，階躍風(fēng)，陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。數(shù)學(xué)公式表達(dá)為:(2-1)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

26、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：(2-2)其中，、為陣風(fēng)開始和持續(xù)時(shí)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：(2-3)其中，、為階躍風(fēng)的開始、保持和終止時(shí)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。根據(jù)以上三個(gè)式子建立simulink下的風(fēng)速仿真模型，如圖2-1所示。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(shí)間，持續(xù)時(shí)間；階躍風(fēng)最大風(fēng)速，開始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，終止時(shí)間。仿真時(shí)間為50s，白噪聲模塊采樣時(shí)間為0.1s。得出的風(fēng)速仿真波形圖如圖2-1到2-4所示。從仿真圖上可以看到，這樣的

27、風(fēng)在一定程度上可以反應(yīng)真實(shí)情況下的風(fēng)速變化情況，其中包含時(shí)刻在波動(dòng)的白噪聲，偶爾突然增大瞬間又減小的陣風(fēng)，增大后能保持一段時(shí)間的階躍風(fēng)，以及一直保持的基本風(fēng)。圖2-1 風(fēng)速模型總圖圖2-2 陣風(fēng)模塊仿真圖圖2-3 階躍風(fēng)模塊圖2-4 風(fēng)速模型仿真圖2.2 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。而它輸出機(jī)械能的效率取決于風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。由于發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)是通過齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，即：(2-4)式中，是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rads；為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，。由上式可見17，當(dāng)發(fā)電機(jī)

28、處于靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩等于發(fā)電機(jī)電磁轉(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(shí)，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(dòng)態(tài)性能。 風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性由，風(fēng)輪捕獲功率P、葉尖速比、功率系數(shù)、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩表示，分別如下(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中，v為主導(dǎo)風(fēng)速，ms；R為風(fēng)輪葉片半徑，m；為空氣密度。對于，根據(jù)文獻(xiàn)17取值如下：(2-9)(2-10)式中，。由式(2-9)可見，當(dāng)槳矩角恒定時(shí)，在不同風(fēng)速的情況下，只需要控制風(fēng)力機(jī)使其能保持在最佳的葉尖速比

29、下運(yùn)行，就可以確保風(fēng)力機(jī)取得最佳功率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲功率。一般。將(2-5)到(2-10)綜合起來用matlab搭建的仿真圖見2-5到2-8圖。仿真時(shí)，采用空氣密度為1.225kgm3，風(fēng)力機(jī)處于靜態(tài)時(shí)，槳距角為,風(fēng)力機(jī)半徑R為15m，所模擬的風(fēng)速為0到15ms，仿真時(shí)間為50s。先假設(shè)風(fēng)速與風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速成正比K，在仿真時(shí)調(diào)節(jié)K值，使葉尖速比與捕獲功率達(dá)到最大，通過查閱文獻(xiàn)17可知，當(dāng)最佳葉尖速比為8時(shí)，捕獲功率最大，所以調(diào)K值，使仿真圖中代表葉尖速比的近于8即可。圖2-5 風(fēng)力機(jī)內(nèi)部模塊仿真圖圖2-6 風(fēng)力機(jī)外部模塊仿真圖圖2-7 Cp計(jì)算模塊圖2-8 轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果圖 2-9 捕獲功

30、率的仿真結(jié)果2.3 本章小結(jié)本章主要研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)基本模塊，包括風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。對于風(fēng)速模型采用常用的四個(gè)分量進(jìn)行模擬，對于風(fēng)力機(jī)模型則需要調(diào)節(jié)參數(shù)使其工作在最佳狀態(tài)。然后Simulink進(jìn)行了仿真，簡要分析了它們的輸出特性。第3章 雙饋風(fēng)機(jī)的建模與輸出特性3.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機(jī)相似，定子采用三相分布式繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)也采用三相分布式交流繞組。鼠籠式感應(yīng)電機(jī)在變頻調(diào)速時(shí)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)。由于雙饋電機(jī)由轉(zhuǎn)子側(cè)提供交流勵(lì)磁，所以雙饋電機(jī)也稱作異步化同步電機(jī)或

31、交流勵(lì)磁同步電機(jī)。圖3-1 變速恒頻雙饋風(fēng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-1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。由于定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，所以它的頻率不變，而轉(zhuǎn)子側(cè)受風(fēng)速變化的影響。當(dāng)風(fēng)速變化引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電機(jī)側(cè)變流器可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來實(shí)時(shí)控轉(zhuǎn)子電流的頻率，從而使電機(jī)定子頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻運(yùn)行。以代表轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，代表定子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)時(shí)，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(shí)定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋送電能；當(dāng)時(shí)，電機(jī)處于

32、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(lì)磁，定子向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)時(shí)，勵(lì)磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)電機(jī)作為普通隱極式同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率，保證定子電流頻率恒定不變，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。3.2 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(gè)非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)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(jì)也十分不利。而通過坐標(biāo)變換可以使原來三相坐標(biāo)下基波正弦變量變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，這樣分析就變得簡單。而三相靜止坐標(biāo)變換到

33、兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)需要經(jīng)過兩個(gè)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：(3-1)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：(3-2)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。通過對正常情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)分析，建立在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)下雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓方程，磁鏈方程，電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。(1) 電壓方程(3-3)式中：，分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；，分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；，分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；、分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度；為dq坐標(biāo)系相對于轉(zhuǎn)子的電角速度，稱

34、為轉(zhuǎn)差角速度。(2) 磁鏈方程(3-4)式中,為dq坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，且;為dq坐標(biāo)系下定了繞組等效為兩相間繞組的互感，且;為dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子繞組等效為兩相繞組的自感，且;(3)電磁轉(zhuǎn)矩方程(3-5)(4)機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程(3-6)(5)功率方程(3-7)3.3 不平衡度的計(jì)算方法在文獻(xiàn)18中，介紹了多種不平衡度的計(jì)算方法，在這里選擇較為簡單常用的一種即可。本文選擇的是利用線電壓基波有效值來計(jì)算不平衡度，公式如下：(3-8)式中，其中、為線電壓基波有效值。在仿真中只需要改三相電壓值就可以改變電壓不平衡度。其中線電壓的基波有效值可以利用俌利葉變換模塊設(shè)定為電網(wǎng)電壓頻率取得。3.4

35、 雙饋電機(jī)正常情況下的仿真利用式(3-3)到(3-8)搭建了Matlab下的仿真模型，各個(gè)模塊的情況分別如下圖：圖3-2 雙饋風(fēng)機(jī)外部結(jié)構(gòu)圖3-3 DFIG內(nèi)部模塊圖3-4 定子電壓模塊圖3-5 轉(zhuǎn)子電壓模塊圖3-6 磁鏈計(jì)算模塊圖3-7 機(jī)電運(yùn)動(dòng)模塊仿真參數(shù)如下，定子三相交流電壓頻率為50Hz，幅值380V，初始相位角了0，電機(jī)的極對數(shù)為2，而轉(zhuǎn)子電壓設(shè)為0，定子電阻為4.26，轉(zhuǎn)子電阻為3.24，轉(zhuǎn)子電感為0.670H，定子電感為0.666H，定轉(zhuǎn)子互感為0.65H，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8.84Hm，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.02Nm2。在正常情況下各項(xiàng)運(yùn)行結(jié)果如下：圖3-8 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)定子側(cè)電壓波形

36、圖3-9 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)定子電流波形圖3-10 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)轉(zhuǎn)子電流波形圖3-12 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖3-13 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形圖3-14 電網(wǎng)電壓平衡時(shí)定子側(cè)有功和無功功率的波形3.5 雙饋電機(jī)不平衡情況下的仿真在圖3-2的仿真圖中加入不平衡度計(jì)算模塊，然后設(shè)置不平衡度為3%和10%，分別觀察定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速，以及有功無功的輸出波形。在仿真中發(fā)生不平衡的時(shí)間為0.2到0.4s，仿真時(shí)間為0.5s。圖3-15 加入不平衡度計(jì)算模塊時(shí)的DFIG圖3-16 不平衡度計(jì)算模塊圖3-17 不平衡度為3%時(shí)定子電壓波形圖3-18 不平衡度為10%時(shí)定子電壓波形在圖3-17和3-

37、18中，通過降低A相電壓來使電壓不平衡，該不平衡發(fā)生在0.2s開始0.4a結(jié)束，A相電壓降低的越多，不平衡度越大。圖3-19 不平衡度為3%時(shí)定子電流波形圖3-20 不平衡度為10%時(shí)定子電流波形圖3-19和3-20表示了不平衡度為3%和10%時(shí)時(shí)定子電流的波形，從圖上可以看到不平衡度越大，電流畸變越大，這種電流在實(shí)際中會(huì)導(dǎo)致定子繞組發(fā)熱，影響電機(jī)壽命。圖3-21 不平衡度為3%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖3-22 不平衡度為10%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖3-23 不平衡度為3%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速0.2s到0.4s波形圖3-22和圖3-23分別表示了不平衡度為3%和10%時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波形，可以看到發(fā)生不平衡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速有較

38、大的波動(dòng)，尤其是當(dāng)不平衡度為10%時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值達(dá)到了500轉(zhuǎn)，這對發(fā)電機(jī)運(yùn)行是很不利的。再具體分析不平衡度為3%，0.2s到0.4s發(fā)生不平衡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，可以看到其波動(dòng)周期為0.01s，即頻率為100HZ，是電網(wǎng)電壓頻率的2倍，這就是后面分析的關(guān)于不平衡情況下電機(jī)運(yùn)行的2倍頻波動(dòng)。圖3-24 不平衡度為3%時(shí)定子側(cè)有功和無功功率的波形圖3-25 不平衡度為10%時(shí)定子側(cè)有功和無功功率的波形圖3-24和3-25分別表示了不平衡度為3%和10%時(shí)定子側(cè)有功和無功功率的波形，可以看到不平衡度時(shí)功率出現(xiàn)在脈動(dòng)，而且不平衡度越大脈動(dòng)越大，這樣的脈動(dòng)會(huì)給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)帶來損耗增大、發(fā)熱增多、過壓

39、、過流等問題。3.6 本章小結(jié)本章研究了電網(wǎng)電壓正常情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理及其輸出特性。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(dòng)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。給出了不平衡度計(jì)算方法，建立了不衡度計(jì)算模塊，接入到所建立的電機(jī)模型中，調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)分別運(yùn)行在不平衡度為3%和5%的情況下，比較分析兩種情況下，電機(jī)輸出特性的變化情況，得出了一些有用的結(jié)果。第4章 不平衡情況下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型4.1 對稱分量法在對稱分量法中，任意三相電壓都可以分解為三相對稱的

40、正序分量，與負(fù)序分量，以及三個(gè)相等的零序分量，但由于目前所用的雙饋風(fēng)機(jī)采用的大都是三相三線制接線方式，系統(tǒng)中無零序分量通路，所以在這里不考慮零序分量。對于任意的三相電磁量，由對稱分量法得：(4-1)其中，(4-2)(4-3)式中，為電網(wǎng)電壓的角頻率；和分別表示為正序分量的初相位和幅值，和分別表示為負(fù)序分量的初相位和幅值，而下標(biāo)“+”和“-”分別表示正序和負(fù)序分量。利用式(3-1)中的三相靜止坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式將式(4-1)變換后，得到：(4-4)其中，定義(4-5)(4-6)則有(4-7)將式(4-2)和式(4-3)分別代入式(4-5)和式(4-6)中，有(4-8)(4-9)而在兩相

41、靜止的坐標(biāo)系中，定義電磁量的空間矢量F形式如下(4-10)把式(4-8)和式(4-9)代到(4-10)，并參考?xì)W拉公式(，就可以導(dǎo)出如下關(guān)系：(4-11)其中，(4-12)(4-13)式(4-12) 和(4-13)中和分別表示了在兩相靜止坐標(biāo)系中的正序空間矢量和負(fù)序的空間矢量，并且它們都是時(shí)間函數(shù)。在討論前，先定義有一個(gè)正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以的角速度沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而反轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系以的角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)第以及反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換關(guān)系如下：(4-14)(4-15)(4-16)其中，上標(biāo)“+”、“-”分別是正、反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。利用式(4-14)對(4-11)式，分別

42、進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換，有(4-17)(4-18)式中表示正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的正序分量，是直流量；表示正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中系的負(fù)序分量，是二倍頻的交流量；表示反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的負(fù)序分量，是直流量；表示反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的正序分量，是二倍頻的交流量。由式(4-17)和式(4-18)可見，電網(wǎng)電壓不平衡條件下，任意電磁量在正、反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為，直流量和二倍頻率交流分量之和。4.2 不平衡條件下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型首先令式(3-3)中的，即可得到不平衡電網(wǎng)電壓下兩相靜止坐標(biāo)系中矢量形式的以饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程(4-19)(4-20)式中，;由式(4-15)和式(4-1

43、7)可求得正，反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、中，以各自的正、負(fù)序分量表達(dá)的靜止坐標(biāo)系中的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓以及磁鏈方程(5-21)(5-22)(5-23)其中, , ;, , ;, , ;將式(4-21)、(4-22)和(4-23)代入式(4-19)和(4-20)中，整理后，可得正、反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、中分別由各自的正，負(fù)序分量表示的雙饋電機(jī)電壓、磁鏈方程如下：(4-24)(4-25)(4-26)(4-27)式中，為反轉(zhuǎn)滑差角頻率，為正轉(zhuǎn)滑差角頻率。然后根據(jù)式(4-24)和(4-25)可得正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正序分量等效電路，如圖4-1。同理，根據(jù)式(4-26)和(4-27)，可得反轉(zhuǎn)同

44、步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)序分量等效電路，如圖4-2所示。圖 4-1 正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中DFIG的正序分量等效電路圖 4-2 反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中DFIG的負(fù)序分量等效電路令,則可得(3-3)可得不平衡電網(wǎng)電壓條件下，正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中包括正、負(fù)分量在內(nèi)的矢量形式DFIG定、轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程(4-28)(4-29)根據(jù)式(4-17)，可知式(4-28)和式(4-29)中，4.3 與電網(wǎng)連接的雙饋風(fēng)機(jī)不平衡情況下的仿真利用Matlab中名為“wind_power_balance”的模塊，修改參數(shù)，進(jìn)行仿真。仿真分析：雙饋電機(jī)額定功率1.5MW，額定電壓690V，額定頻率50Hz,功率因數(shù)

45、0.9；網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)線電感L=2mH，進(jìn)線電阻R=0.01，直流側(cè)電容C=18000F，直流電壓設(shè)定1200V。采用標(biāo)么值，基準(zhǔn)容量1.50.9MVA,基準(zhǔn)電壓690V，電網(wǎng)電壓不平衡度為5%，系統(tǒng)在0.4s發(fā)生不平衡。觀察，在不平衡情況下電機(jī)與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓和電流、直流母線電壓、定轉(zhuǎn)子電流的變化情況。圖4-3 雙饋電機(jī)接入電網(wǎng)仿真圖4-4 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓圖4-5 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電流圖4-6電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)直流母線電壓的波形圖4-7 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)電機(jī)定子側(cè)電流波形圖4-8 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流波形從4-6中可以看到當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡

46、時(shí)直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，這將會(huì)影響母線電容的壽命。當(dāng)0.4s發(fā)生電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓和電流、直流母線電壓、定轉(zhuǎn)子電流均出現(xiàn)在波動(dòng)，這對電機(jī)的運(yùn)行十分不利。4.4 本章小結(jié)本章分析了雙饋電機(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。利用對稱分量的方法，建立了DFIG在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分別由各自正，負(fù)序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的等效電路模型。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)連接的風(fēng)力機(jī)在不平衡情況下的輸出特性。結(jié)論隨著雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電風(fēng)中所占比重增大，增強(qiáng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行能力越來越重要，電網(wǎng)對于風(fēng)

47、力發(fā)電的穩(wěn)定性要求越來越高，對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究不能僅僅停留在正常情況，不平衡情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究成為主要的研究課題。本文運(yùn)用 SimulinkMatlab 軟件，將變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分不平衡情況下的運(yùn)行，進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析。首先對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本模塊進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和 Simulink 仿真包括風(fēng)速、風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)以及雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)建模和仿真。這幾個(gè)模塊共同組成了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最核心的要素。風(fēng)速的建模用了經(jīng)典的4分量模型，即風(fēng)速是基本風(fēng)、陣風(fēng)、階躍風(fēng)和隨即風(fēng)的線性疊加。這個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)是可以運(yùn)用陣風(fēng)和階躍風(fēng)，簡單、有

48、效地模擬出任意時(shí)刻的風(fēng)速變化。它的缺點(diǎn)是與實(shí)際情況也許相差較大。風(fēng)力機(jī)的建模采用了簡化的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)文獻(xiàn)中的分析，采用簡化經(jīng)驗(yàn)公式與運(yùn)用動(dòng)量葉素理論求解的結(jié)果基本一致，是比較可靠的。雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)建模以及 Simulink 仿真是這一部分的重點(diǎn)，因?yàn)閷Πl(fā)電機(jī)的理解和建模關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制及發(fā)電控制的思路和策略。利用坐標(biāo)變換的方法對雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行建模，加深了對發(fā)電機(jī)電磁關(guān)系的理解和掌握，并進(jìn)行了簡單的仿真。然后查閱文獻(xiàn)了解了不平衡度的計(jì)算方法，建立了不平衡度計(jì)算模塊，加入到所建立了雙饋電機(jī)模型中。調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，使雙饋風(fēng)機(jī)分別工作在不平衡度為3%和10%的條件下，觀察雙饋電機(jī)的輸

49、出特性,分析得出了一些簡單的結(jié)論。最后，運(yùn)用對稱分量法研究了不平衡條件下，雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立了正反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，分別由各自正，負(fù)序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程。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)連接的風(fēng)力機(jī)在不平衡情況下的輸出特性。參考文獻(xiàn)1 錢伯章.世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和可再生能源發(fā)展趨勢(上) J. 節(jié)能與環(huán)保, 2006,(3)。8-11.2 劉其輝,賀益康,卞松江.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004, 24(3):6-11.3 Data, R, Ranganathan, V.T. Variable-speed wind power generantion us