畢業(yè)論文-基于永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制

1緒論1.1研究風(fēng)力發(fā)電的意義通常來(lái)說(shuō)大多數(shù)的電廠是基于水力或者火力發(fā)電機(jī)組。認(rèn)識(shí)到這些發(fā)電控制單元在保持電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證其穩(wěn)定，以及控制其電壓和頻率上起到一個(gè)至關(guān)重要的作用是很必要的。在過(guò)去的幾年中，一體化可再生能源發(fā)電提供了一個(gè)新的市場(chǎng)，一些國(guó)家為了緩解關(guān)于環(huán)境的社會(huì)壓力用其替代了火電廠使能源能清潔。水電則是一種非常清潔的可再生能源，但是它的弊端也有很多，造價(jià)高、受地域性限制而且其是否對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境有影響仍然有待考證。所以水能在電網(wǎng)中占得比重并不是很高。核能在許多發(fā)達(dá)國(guó)家占的比例變的越來(lái)越多，一些國(guó)家甚至達(dá)到了77%[1]。一般來(lái)說(shuō)核電站對(duì)環(huán)境的影響并不是很大，但它還是有潛在的危險(xiǎn)，因?yàn)槿绻穗娬景l(fā)生事故其結(jié)果往往是無(wú)法挽回的，而且核能在大多數(shù)人眼中是一種危險(xiǎn)的能源，這對(duì)其發(fā)展帶來(lái)了很多阻礙。值得一提的是日本福島核電站的事故讓許多國(guó)人對(duì)核電站產(chǎn)生了深深的抵觸。因此發(fā)展新的并且安全的能源成為了每個(gè)國(guó)家都在努力探尋的道路，如潮汐能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等等。隨然這也能源還沒有完全的被開發(fā)出來(lái)，但是在未來(lái)其畢將給人來(lái)的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。風(fēng)能是一種十分清潔的能源，風(fēng)是由氣壓變化造成的空氣流動(dòng)，是一種可再生能源，在歐洲的一些國(guó)家風(fēng)能已經(jīng)成為了主要的發(fā)電來(lái)源，合理利用風(fēng)能不但可以減緩了化石能源來(lái)帶的能源危機(jī)，并且也幾乎對(duì)環(huán)境沒有傷害。中國(guó)的風(fēng)能資源非常豐富，具有非常大的潛能約為1000~1500GW，與其他國(guó)家相比，我過(guò)的風(fēng)能資源與美國(guó)接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印度、德國(guó)。西班牙[2]。根據(jù)2011年3月我國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)發(fā)布了《2011年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》報(bào)告顯示:2011年中國(guó)(不包括臺(tái)灣地區(qū))新增的裝機(jī)容量17630.9MW,總的裝機(jī)容量可達(dá)到62364.2MW，這兩個(gè)指標(biāo)均位居全球第一位，這說(shuō)明我國(guó)已經(jīng)成為世界第一風(fēng)能大國(guó)[3]。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展人類從兩千年前便對(duì)風(fēng)能加以利用，如風(fēng)車、帆船等等。風(fēng)力發(fā)電始于丹麥19世紀(jì)末期P.LaCour。他發(fā)現(xiàn)了如何有效的利用風(fēng)能即高轉(zhuǎn)速少葉片。而且他的學(xué)生也發(fā)明了交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)。但由于風(fēng)力發(fā)電并不是很穩(wěn)定以及昂貴的造價(jià)均使得風(fēng)力發(fā)電并沒有廣泛的推廣。如今，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，僅在2011年，全世界對(duì)風(fēng)力發(fā)電的投資達(dá)到500億歐元。目前風(fēng)能在所有能源中所占比例約為3%，預(yù)計(jì)在2020遍將會(huì)達(dá)到12%，在2050年甚至?xí)_(dá)到30%[4]。由此看來(lái)在世界范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究至關(guān)重要。1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為很多類型，如定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)與定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及同步異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等。其由發(fā)電機(jī)、塔架、變流器、槳葉等部分組成。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是由風(fēng)能通過(guò)槳葉與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，然后通過(guò)變流器并入電網(wǎng)。由于本文主要研究對(duì)象是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)，因此下面由不同控制類型來(lái)介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型。1.3.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組20世紀(jì)90年代，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為恒速恒頻發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)殡娋W(wǎng)的頻率恒定，所以發(fā)電機(jī)只能在很小的范圍內(nèi)變化，所以稱之為恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如下圖1.1所示.鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)軟啟動(dòng)器軟啟動(dòng)器電網(wǎng)變壓器齒輪箱電網(wǎng)變壓器齒輪箱補(bǔ)償電容補(bǔ)償電容圖1-1恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因?yàn)檗D(zhuǎn)速恒定，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有辦法根據(jù)風(fēng)俗的變化而調(diào)節(jié)，即只能在一個(gè)一定得風(fēng)速下才能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。因?yàn)轱L(fēng)速的原因，風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都會(huì)在50轉(zhuǎn)/分，所以發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)之間需要一個(gè)之輪箱來(lái)提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單齒輪箱本身非常笨重而且故障率很高且造價(jià)高，給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)都帶來(lái)了較多的問題。因此需要補(bǔ)償電容鼠籠式異步感應(yīng)電機(jī)的成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可靠性高，所以被大部分采用。1.3.2變速恒頻發(fā)電機(jī)組因?yàn)楹闼俸泐l發(fā)電的風(fēng)能利用系數(shù)不高，所以產(chǎn)生了變速恒頻發(fā)電技術(shù)。由于風(fēng)發(fā)電電機(jī)轉(zhuǎn)速可變,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)風(fēng)速的變化而變化,延長(zhǎng)了其使用壽命。變速恒頻技術(shù)可以根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保持最大的風(fēng)能捕獲。早期的變速恒頻是由變槳距來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)在不同風(fēng)速下的葉片的功角來(lái)改變轉(zhuǎn)速。但由于葉片的成本較高，改變功角時(shí)損失了一些風(fēng)能，所以如今的研究熱點(diǎn)是調(diào)整電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩從而改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。1.3.3永磁同步發(fā)電機(jī)組直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)組是近些年來(lái)發(fā)展十分迅速的一種發(fā)電機(jī)組。永磁同步發(fā)電機(jī)組的低俗特性良好，并且不需要齒輪箱，從而提高了風(fēng)能的利用率。由于科技的發(fā)展永磁材料的價(jià)格也逐漸降低，因此永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)展也的得到了促進(jìn)。1.4并網(wǎng)濾波器常規(guī)的濾波器有L和LC濾波器。而采用LCL濾波器代替L濾波器對(duì)入網(wǎng)電流進(jìn)行濾波已成為變換器并網(wǎng)的趨勢(shì)，相比于L濾波器，LCL濾波器具有體積小，成本低，整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)Matlab/Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其優(yōu)良的性能2LCL濾波器設(shè)計(jì)2.1LCL濾波器的結(jié)構(gòu)LCL濾波器是一個(gè)三階的濾波系統(tǒng)，它是整流器側(cè)電感，濾波電容，網(wǎng)測(cè)電感組成。因?yàn)殚_關(guān)管的頻率有限，然而全額逆變器通過(guò)的功率較大，所以開關(guān)的頻率不能設(shè)置的很大，否則可能會(huì)引發(fā)變頻器的燒毀，但頻率很低時(shí)則會(huì)誒濾波帶來(lái)困難。結(jié)構(gòu)圖如2-1所示C為直流母線電容，Rg與Ri是線路與濾波電感中的的阻抗，一般設(shè)置為0。Lg與Rg是電網(wǎng)的濾波電感和電阻，Li與Ri是變頻器側(cè)的點(diǎn)感和電阻ea、eb、ec則是電網(wǎng)的三相電壓。圖2-1LCL濾波器的結(jié)構(gòu)圖下圖則是LCL濾波器的傳遞函數(shù)，其中Rg與Ri的值為0，忽略不計(jì)。圖2-2傳遞函數(shù)從中可得出如下關(guān)系式如下：網(wǎng)測(cè)電流與網(wǎng)測(cè)電壓間的關(guān)系式如下：一些諧波會(huì)在變流器開關(guān)的開與斷中產(chǎn)生。所以濾波器的性能也與其對(duì)諧波消除的能力有關(guān)，如果將角頻率設(shè)定為，則通過(guò)上式可得出LCL型濾波器的諧波等效電感為：而相對(duì)于L型濾波器而言的諧波等效電感為：若L與相等，則由于電感量越大諧波消除的效果越好。LCL型相比于L型有更大的衰減利用Matlab畫出的LCL與L的波特圖可以看的出來(lái)，在低頻時(shí)兩種濾波器的濾波性能差別不大，而在高頻時(shí)，LCL型濾波器的電感量比L型濾波器的電感量小，因此可以點(diǎn)少濾波器的成本，還可以減少系統(tǒng)的損耗。圖2-3波特圖在本文中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，發(fā)電功率很大，所以諧波含量很大，如果采用L型濾波器的話要想有很好的濾波效果，就要將電抗器的阻值調(diào)的很大，因策造價(jià)也會(huì)相應(yīng)提高。相比于L型濾波器，LCL型濾波器由于不需要很大的電感量，所以在成本與體積上較L型濾波器而言均有很大的優(yōu)勢(shì)。在使用LCL濾波器后，對(duì)于并網(wǎng)電流控制有著不同的策略：網(wǎng)測(cè)電流反饋控制{3,24}和逆變器側(cè)電力反饋控制以及多電流反饋控制等等，他們的差別是由于電阻，電感以及電容的影響，所以需要使用不同的電流進(jìn)行控制。綜上所述，本文則采用LCL濾波系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分析與控制。2.2LCL濾波器的設(shè)計(jì)2.2.1LCL濾波器的設(shè)計(jì)原則不一樣的電感與電容會(huì)系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響，并網(wǎng)電流諧波也會(huì)受到LCL濾波器。之所以設(shè)計(jì)LCL濾波器是為了盡可能的削弱電流諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。不但要考慮制造成本，設(shè)備體積，系統(tǒng)損耗等各種因素。因此LCL濾波器的設(shè)計(jì)原則大體為：LCL濾波中電容的大小受額定功率下功率因數(shù)的限制。電容上吸收的無(wú)功功率應(yīng)小于額定功率的5%。電感上的電壓降應(yīng)該小于網(wǎng)側(cè)額定電壓的10%。這是因?yàn)檩^大的壓降會(huì)使得直流母線需要更高的電壓才能完成電能從變換器側(cè)到電網(wǎng)側(cè)的輸送。這不但會(huì)使系統(tǒng)損耗與制造成本增加，還會(huì)增加對(duì)器件抗壓能力的要求。當(dāng)諧振頻在倍系統(tǒng)額定頻率與倍開關(guān)頻率的范圍時(shí)，能有效避免在低頻段和高頻段內(nèi)出現(xiàn)的諧振問題。阻尼電阻的損耗要盡可能得小，從而提高系統(tǒng)的效率。而且阻尼電阻的數(shù)值需要有效地避免諧振的發(fā)生。不一樣的參數(shù)組合會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率產(chǎn)生很大的影響，所以本文通過(guò)以上的4條設(shè)計(jì)原則來(lái)設(shè)計(jì)LCL濾波器。2.2.2濾波電容的設(shè)計(jì)濾波電容的作用是為了消除高次諧波，從而減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，濾波電容可以將諧波導(dǎo)入大地，防止其進(jìn)入電網(wǎng)。由可以看得出來(lái)，當(dāng)C越大時(shí)，越小，就使得高次諧波流通的更為順利，不過(guò)過(guò)大的C會(huì)使電容吸收很多的無(wú)功功率，使得系統(tǒng)功率因數(shù)降低。所以在本文設(shè)計(jì)濾波電容時(shí)需要考慮這兩方面的因素來(lái)選取參數(shù)。根據(jù)原則2可知濾波電容的大小，其中P為額定功率，f為額定頻率，為電網(wǎng)側(cè)的電壓：因此C的大小應(yīng)該小于=33.5然而本文將會(huì)提出弱C過(guò)小將會(huì)使得Lg與Li的值變大，所以C的值也不宜過(guò)小。所以本文暫時(shí)將C的大小設(shè)定為20.2.2.3Lg+Li數(shù)值的確定一般在對(duì)基波電流進(jìn)行分析時(shí)，都會(huì)忽略電容支路的影響，因?yàn)楫?dāng)f較低時(shí)諧波很難通過(guò)電容（由可知）。所以一般會(huì)忽略電容的影響。圖2-4等效電路由此可知，因此應(yīng)該在奧正最大并網(wǎng)電流的情況下，確定濾波電感的數(shù)值。圖2-5矢量圖從上矢量圖可以看出，在電壓端點(diǎn)在A點(diǎn)時(shí)，時(shí)Ui最小，而當(dāng)時(shí)Ui最大。在電壓端點(diǎn)在B點(diǎn)時(shí)，則系統(tǒng)在單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)下工作。在電壓端點(diǎn)在D點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)則在整流狀態(tài)下工作。再次看來(lái)只要有足夠的電壓，就可以實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)運(yùn)行。這個(gè)電壓的大小與直流母線電壓有關(guān)，而母線的耐壓值有限，所以輸出電壓也不會(huì)非常大，因此濾波電感就不會(huì)太大，其限制條件如下：因此可知L：對(duì)變換器而言，只有在交流測(cè)電壓值為，變化器就可以在線性區(qū)工作。其中為變化器側(cè)線電壓的峰值，為直流母線電壓。此時(shí)：Ui-p為變換器側(cè)的峰值電壓,Ug-p為電網(wǎng)側(cè)額定峰值電壓,為最大相峰值電流。因此：其中m可以為，因此可得出為了減少系統(tǒng)的成本，電感值不宜過(guò)大，而太小的電感也會(huì)使電流紋波變大，不但會(huì)使系統(tǒng)損失許多功率，還會(huì)降低濾波的效果。其大小由L決定，所以一般情況下L會(huì)有以下最小的值：綜上所述，大于Lmin的前提下，L越小系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高，濾波效果越好。因?yàn)槿绻鸏小于Lmin，會(huì)增加諧波含量，而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及損耗造成影響。因此L必須要在此范圍內(nèi)才會(huì)使其有最好運(yùn)行狀態(tài)。因此結(jié)論如下：2.2.4電感的設(shè)計(jì)諧振是在任何系統(tǒng)同中都要避免的一種現(xiàn)象，在加入LCL濾波器后會(huì)在提高高頻衰減效果的同時(shí)必然生成了一個(gè)諧振點(diǎn)，這一諧振點(diǎn)會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)危險(xiǎn)因素，一旦發(fā)生諧振，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)很多不穩(wěn)定的因素。如果要避免此現(xiàn)象的發(fā)生，就要使開關(guān)頻率與倍頻遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，一般選取1/2的開關(guān)f作為諧振點(diǎn)的頻率。而且還要保證低頻不會(huì)衰減過(guò)大，f要10倍的基波頻率，因此：從而推出：設(shè)定，則其傳遞函數(shù)為因此衰減率為：

衰減比d表明了此濾波器對(duì)諧波的衰減性能，d的值越小越能說(shuō)明濾波器對(duì)諧波的濾波效果好。在本文中d取。Li為濾波電感，其公式如下：為最大紋波電流，本文取0.2倍的額定相電流。又因上文以設(shè)定，可求出Lg進(jìn)而推導(dǎo)出，然后根據(jù)其數(shù)值判斷是否有效的避免了諧振。2.2.5阻尼電阻設(shè)計(jì)因?yàn)橹C振的存在會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害，上文的設(shè)計(jì)是可以減少寫真的發(fā)生，但無(wú)法徹底消除諧振，因此要串聯(lián)阻尼電阻，是能量消除在阻尼電阻上，防止發(fā)生諧振，即無(wú)源阻尼法。無(wú)源阻尼法控制簡(jiǎn)單不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更改。因此本文使用無(wú)源阻尼法。圖2-6在有無(wú)阻尼電阻時(shí)的比較從上圖可以看得出來(lái)，在系統(tǒng)中加入阻尼電阻以后，減弱了系統(tǒng)高頻段的衰弱效果，因此阻尼對(duì)安祖的選擇最好不要太大，不然會(huì)影響濾波的效果。不過(guò)在加入阻尼電阻以后諧波的峰值得到有效的抑制，有效地消除了諧波的產(chǎn)生。一般選擇的阻值為C的容抗的，因此：設(shè)，系統(tǒng)有功功率為100kW，并網(wǎng)額定電流為84A，網(wǎng)測(cè)線電壓為690V，直流電壓的給定值為1100V，開關(guān)頻率3000Hz.根據(jù)之前的公式可得出3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制3.1變換器的控制本文則采用雙變流器系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)定子電流的大小是由機(jī)側(cè)變流器控制的，而網(wǎng)側(cè)變流器則來(lái)控制直流母線的電壓與并入電網(wǎng)的電流。其中網(wǎng)側(cè)變流器是為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電系統(tǒng)和變流器可以得到及時(shí)的保護(hù)，因?yàn)樗梢钥刂撇⒕W(wǎng)電流的大小和相位，保證直流母線在恒定的電壓下運(yùn)行，并且還可以實(shí)心單位功率因數(shù)并網(wǎng)，其對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的作用，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障。而機(jī)側(cè)變流器是為了實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制，因?yàn)樗梢钥刂妻D(zhuǎn)速（通過(guò)控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩）。因?yàn)椴煌膬?chǔ)能環(huán)節(jié)，網(wǎng)側(cè)變流器又可以有一下的分支。電流型變化器，它的中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為電感，單在本文的發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，一切的能量均要通過(guò)儲(chǔ)能電感，因此儲(chǔ)能電感的值需要很大，才能滿足需求，即滿足波紋電流的要求，如果這樣的話，則會(huì)對(duì)制造與其運(yùn)輸帶來(lái)很大的困難。不僅如此，電流型逆變器的交流側(cè)還存在一些振蕩問題，還有電流畸變帶來(lái)的問題。相對(duì)而言電壓型變流器來(lái)說(shuō)，它是用電容來(lái)儲(chǔ)存能量的，相比于電容，電感的制作相對(duì)來(lái)說(shuō)更為困難，也更加難以控制。所以絕大部分的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都是用電壓型變換器。3.1.1PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型PWM逆變器的儲(chǔ)能元件是電容，它將從機(jī)側(cè)變流器整流來(lái)的能量存儲(chǔ)在其中。、、是電網(wǎng)的三相電壓，通過(guò)6個(gè)控制開關(guān)來(lái)使其通斷。對(duì)輸出三相電壓的大小及其相位的控制是由網(wǎng)側(cè)變流器做到的。它最重要的作用就是控制并網(wǎng)電流，從而保證母線電壓的穩(wěn)定。圖3-1PWM的結(jié)構(gòu)圖由上圖可得出方程：如果、、代表著三相開關(guān)的狀態(tài)，s=0則代表上橋臂開關(guān)斷開，下橋臂導(dǎo)通。s=1時(shí)相反。由此可得：然而在三相三線制的系統(tǒng)中，若電網(wǎng)電壓對(duì)稱的話，則，，因此根據(jù)上式可得出：換成矩陣形式可得：3.1.2電網(wǎng)電壓控制上文中的變量全都是時(shí)變交流量，若要控制這些交流量的話難度很大，精度也不高。但如果將交流量等效的變換為直流量的話就會(huì)得到比較好一些的控制效果。坐標(biāo)的變換一般分為兩種，等功率變換和等量變換。等量變換是指前一坐標(biāo)系中的通用矢量等同于變換后的坐標(biāo)系中的通用矢量。如果選用等功率變換的話變換前后的功率可以保持不變，單變換的矩陣必須是正交矩陣，等功率變化也可以叫做絕對(duì)變換。這兩種變換的方法差別不大，本文則采用等兩坐標(biāo)變換。圖3-2坐標(biāo)變換圖根據(jù)上述變換原理，可推出其變換的矩陣為：若將兩個(gè)矩陣相乘可得：若系統(tǒng)為三相三線式的時(shí)候：式中為電壓旋轉(zhuǎn)角速度圖3-3控制框圖從上圖可得知，每一條路的電流與電壓，都要受到另一條路的影響，每條路之間都存在著交叉耦合的現(xiàn)象，因此不可以僅通過(guò)對(duì)電壓的控制來(lái)直接控制電流。電網(wǎng)電壓的相位幅值是可以通過(guò)檢測(cè)檢測(cè)出來(lái)的。對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的控制其實(shí)就是控制電流的相位和幅值，而并網(wǎng)電流是由逆變器輸出電壓來(lái)控制的。為了直接控制電流，可以先檢測(cè)出與的大小，以及，通過(guò)計(jì)算的出耦合量的大小，在根據(jù)一些特有的控制取消掉耦合量的影響：因此上式可簡(jiǎn)化為：因此，通過(guò)、、解耦，可以做到對(duì)、的控制，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提升。通常情況下，對(duì)并網(wǎng)控制都是調(diào)整并網(wǎng)的有功與無(wú)功功率，這些都是通過(guò)控制電流與電壓的相差角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而可以選擇電網(wǎng)電壓的軸作為參考方向，以超前d軸的軸建立坐標(biāo)系，從而的到方程如下：一般來(lái)說(shuō)，在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，需要調(diào)整并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出與有功輸出，并網(wǎng)逆變器一般工作與單位功率因數(shù)下。不同情況的運(yùn)行要求下可以通過(guò)調(diào)整逆變器的輸出電壓與相位來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的四象限工作，進(jìn)而滿足系統(tǒng)的要求。3.2發(fā)生故障時(shí)變流器的控制3.2.1電網(wǎng)發(fā)生故障后對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響電網(wǎng)是會(huì)發(fā)生故障的，然而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，也會(huì)受到電網(wǎng)故障的影響。電網(wǎng)的常見故障主要是電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落。在很短的時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)的電壓的最大值與正常范圍的不一樣，就叫做電網(wǎng)電壓跌落。電網(wǎng)電壓跌落，不同的組織對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的解釋有著不同的標(biāo)準(zhǔn)。電網(wǎng)電壓的跌落的時(shí)常是不確定的，有些時(shí)候會(huì)持續(xù)數(shù)周，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落的時(shí)候會(huì)伴隨著一些諸如電壓幅值的降低的現(xiàn)象有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的改變。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)樽兞髌髋c電網(wǎng)直接相連，所以電壓跌落發(fā)生時(shí)受到的影響也是非常大的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身是有一定得故障運(yùn)行能力的，也就是說(shuō)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)如電壓跌落，風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然可以并網(wǎng)運(yùn)行一些時(shí)間。風(fēng)力機(jī)在故障發(fā)生后可以繼續(xù)并網(wǎng)的時(shí)間長(zhǎng)短是與電壓跌落的程度有關(guān)的，具體數(shù)值可看下圖。圖3-4對(duì)低電壓穿越的要求在電網(wǎng)電壓跌落程度在10以內(nèi)時(shí)，電網(wǎng)要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行的能力，且不與電網(wǎng)分離；當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落在10到80之間時(shí)，系統(tǒng)需要風(fēng)力機(jī)還需要根據(jù)電壓跌落的程度繼續(xù)對(duì)電網(wǎng)發(fā)送功率一些時(shí)間。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落的程度達(dá)到80%時(shí)，系統(tǒng)則需要風(fēng)力級(jí)可以自主并網(wǎng)運(yùn)行625；當(dāng)電壓跌落的程度在左右時(shí)，系統(tǒng)則需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)能保證2以上的自主并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間。電網(wǎng)電壓跌落會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有著許多潛在的危害，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶一些來(lái)很嚴(yán)重的影響，其中最為主要的問題就是功率的不平衡。當(dāng)變流器的網(wǎng)側(cè)電壓沒有出現(xiàn)異常的時(shí)候，從機(jī)側(cè)輸送來(lái)的能量通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器流入電網(wǎng)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)輸入網(wǎng)側(cè)的電流大小，可以確保直流母線電容上的電壓在限定工作范圍內(nèi)工作。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，若依然要使通過(guò)開關(guān)然后輸入進(jìn)如電網(wǎng)的電流處在正常的工作范圍之內(nèi)，則由P=V可得，這時(shí)候風(fēng)力機(jī)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率非常低，而剩下的能量會(huì)在母線上擠壓，從而使母線的電急劇壓升高；若想要保證母線的電壓工作在安全范圍內(nèi)，則因?yàn)殡妷合陆惦娏鞅厝簧撸虼肆魅腚娋W(wǎng)的電流值一定會(huì)極大的增加。若出現(xiàn)上述的二種情況都會(huì)使變流器在高于額定電壓或者高于額定電流的情況下工作，從而降低了變流器的壽命，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的燒毀。所以為了保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，必須要對(duì)系統(tǒng)在電壓跌落時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，并解決其問題。3.2.2.故障發(fā)生時(shí)的保護(hù)方法直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器和電網(wǎng)直接相連，所以其受到電網(wǎng)的的影響比其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)嚴(yán)重得多嚴(yán)重。電網(wǎng)造成的影響主要有一下三種，分別為相位的偏移，電壓跌落，以及電網(wǎng)電壓不平衡。其中對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性威脅最大的就是電網(wǎng)電壓的跌落和相位偏移引發(fā)的發(fā)電系統(tǒng)的功率不平衡。由于電網(wǎng)電壓跌落的持續(xù)時(shí)間非常短，一般來(lái)說(shuō)在1秒以內(nèi)。然后風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法減少機(jī)側(cè)對(duì)功率的輸出。因?yàn)樵陔娋W(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，會(huì)降低對(duì)電網(wǎng)功率表的輸送。根據(jù)下方公式可知，這會(huì)導(dǎo)致母線電容的功率提高從而導(dǎo)致母線的電壓升高，從而影響了變流器的正常工作。因此一定要想辦法將這些多余的功率消耗掉，防止這些功率對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危害。一般來(lái)說(shuō)有兩種方法來(lái)解決這一現(xiàn)象，第一種是在直流母線電容上并聯(lián)卸荷電阻然后讓這些能量在這些電阻上消耗掉如下圖所示：圖3-5采用卸荷電阻而第二種方法則是通過(guò)一些儲(chǔ)能設(shè)備將這部分功率儲(chǔ)存起來(lái)，在電網(wǎng)正常運(yùn)行以后，再將存儲(chǔ)的能量重新傳入電網(wǎng)，這些儲(chǔ)能設(shè)備一般采用超級(jí)電容來(lái)存儲(chǔ)這些能量。圖3-6采用儲(chǔ)能設(shè)備如果使用卸荷電阻的方案成本較低，方法簡(jiǎn)單，僅僅需要與母線電容并聯(lián)的電阻的開關(guān)的閉合與斷開即可，通過(guò)電阻不斷地消耗功率，從而確保了變流器的工作電壓和工作電流并不超過(guò)其最大值。但這種方法有一個(gè)致命的缺點(diǎn)那就是不節(jié)能，這種方法將這些功率白白被浪費(fèi)在了卸荷電阻上，降低了系統(tǒng)的能量利用率，同時(shí)電阻在消耗功率的同時(shí)還會(huì)散發(fā)輸大量的熱能，這對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一些影響。然而帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就可以完美的解決這一問題。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，多出來(lái)的功率會(huì)經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能回路儲(chǔ)存于巨型電容中，當(dāng)電網(wǎng)故障被消除后，其還可以將之前存儲(chǔ)到的能量反饋回電網(wǎng)。這種解決辦法可以有效地解決能源的浪費(fèi)問題，而且還可以提高能量的利用率，但其缺點(diǎn)就是它需要再增加一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。然而在大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)生電壓跌落時(shí)多出來(lái)的功率很大，所以儲(chǔ)能環(huán)節(jié)需要容量非常大、進(jìn)而增加了制造成本；而且電網(wǎng)發(fā)生故障的頻率也并不是很多、持續(xù)的時(shí)間也不是很長(zhǎng)，所以儲(chǔ)能環(huán)節(jié)并沒有有效的利用、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。了解了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)之后，本文采用成本較低、運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定的卸荷電阻來(lái)保護(hù)網(wǎng)側(cè)變流器。一般來(lái)說(shuō)有兩種卸荷電路，第一種是開關(guān)與電阻直接相連，如下圖所示：圖3-7第一種電路第二種是將開關(guān)管和卸荷電阻構(gòu)成一個(gè)電路，通過(guò)這種方式可以有效地減少在開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)電流對(duì)電路的傷害。結(jié)構(gòu)圖如下：圖3-8第二種電路3.2.3卸荷電阻的控制及選取在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，輸入電網(wǎng)功率會(huì)變少，這時(shí)因?yàn)橛兄绷髂妇€的電壓外環(huán)的控制，其電壓并不會(huì)馬上受到影響，這將導(dǎo)致通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的電流增加。若電網(wǎng)的電壓跌落的程度并不是很嚴(yán)重、持續(xù)的時(shí)間不是很長(zhǎng)，或者網(wǎng)側(cè)變流器的電流沒有超過(guò)變流器最大限制工作電流，直流母線的電壓值就不會(huì)改變，這樣的話卸荷電阻開關(guān)不動(dòng)作。{3,43}若電網(wǎng)的電壓跌落發(fā)生的較為嚴(yán)重而且時(shí)間很長(zhǎng)，通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的電流達(dá)到了變流器最大限制工作電流，這時(shí)候通控制變流器開關(guān)，控制了電流的繼續(xù)上升并不會(huì)超過(guò)其限制值，然后魚蝦的功率則只能在母線的電容上累積，進(jìn)而使母線電壓持續(xù)升高。當(dāng)母線電壓持續(xù)升高并超過(guò)最大允許工作電壓之后，控制器輸出控制信號(hào)會(huì)控制卸荷電阻的通斷，釋放掉累積的能量，避免母線電壓過(guò)高損壞變流器[5]。還有一種卸荷電阻的控制是通過(guò)控制功率來(lái)進(jìn)而控制電阻的通斷。先檢測(cè)出電流和電壓的大小計(jì)算得到機(jī)側(cè)輸入與網(wǎng)側(cè)輸出的功率大小，然后比對(duì)輸入輸出功率的大小，最后通過(guò)控制器來(lái)控制開關(guān)斷開與導(dǎo)通。文獻(xiàn){3,43}中對(duì)上述的方法進(jìn)行了仿真，分析了電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的電壓和輸出功率的波形，然后得出了對(duì)這三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。如果使用電壓滯環(huán)信號(hào)的控制方法會(huì)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)使得母線電壓在最大值附近發(fā)生震蕩，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響；而采用檢測(cè)功率信控制方式則會(huì)造成電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候輸入電網(wǎng)的功率變低，許多能量消耗在卸荷電阻上，使電阻的發(fā)熱增多。這不但不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，還是系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性遍地。從多方面因素考慮，本文中電阻的控制采用PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。卸荷電阻的大小是由故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)工作電壓與電流以及需要消耗的功率來(lái)決定的。設(shè)、分別是電網(wǎng)額定電壓與額定并網(wǎng)電流。在電網(wǎng)的電壓跌落產(chǎn)生的時(shí)候,電網(wǎng)電壓將跌落到，而的電流上升到，因此其并網(wǎng)功率為：若保持不變，則可以得到如下方程：其中為發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落后，直流母線的電容上累積的功率。為了保持直流母線電壓能夠穩(wěn)定，這些能量需要通過(guò)卸荷電阻消耗掉。設(shè)定直流母線的電壓的最大限定為，則卸荷電阻的阻值為：設(shè)的值為1500V，，電流裕度為1.2現(xiàn)考慮電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下的電阻選取，即對(duì)電網(wǎng)電壓跌落到20%時(shí)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。設(shè)，n=0.2，因此有：確定卸荷電阻的阻值后，通過(guò)控制連接在卸荷電阻上的開關(guān)管的通斷來(lái)控制其工作，實(shí)現(xiàn)直流母線功率過(guò)載時(shí)對(duì)直流母線電容和開關(guān)器件的保護(hù)作用。3.3仿真為了確定以上方法是否可行，本文在在中搭建了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)的模型。在電網(wǎng)正常運(yùn)行的時(shí)后，并網(wǎng)控制方法還是使用單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制，通過(guò)空間矢量控制法來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)側(cè)逆變器不但可以控制輸出電流的相位和頻率從而與電網(wǎng)的連接，還能保證直流母線電壓的穩(wěn)定。本文的方案的并網(wǎng)控制是采用電壓定向矢量控制的方法，也就是把同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸按照電網(wǎng)電壓矢量定向，然后將逆變器的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髁?，從而可以達(dá)到更好的控制效果。同時(shí)還引入了電流前饋進(jìn)行解耦控制，從而可以實(shí)現(xiàn)、的單獨(dú)控制?？刂齐娐啡缦聢D所示。圖3-9網(wǎng)側(cè)逆變器的結(jié)構(gòu)圖直流母線電壓控制器是由PI調(diào)節(jié)來(lái)控制的，它可以保證直流母線電壓的穩(wěn)定；內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器可以用來(lái)控制輸出電流的大小與相位。由于Matlab/Simulink軟件無(wú)法提供恒功率模塊，因此模擬電網(wǎng)電壓跌落時(shí)輸入逆變器功率不變而輸出逆變器功率減小。因此為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)輸入逆變器的功率不變的運(yùn)行情況的仿真，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)及機(jī)側(cè)變流器模型作為恒功率源。如下圖所示。給定風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速不變，確保發(fā)電機(jī)輸出的功率恒定，之后通過(guò)與網(wǎng)側(cè)變流器的連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真。圖3-10機(jī)側(cè)結(jié)構(gòu)圖把第二章中計(jì)算出的LCL濾波器的數(shù)值代入這個(gè)仿真模型中，就可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓的重構(gòu)與濾波。風(fēng)力機(jī)及永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)如下表所示。網(wǎng)側(cè)變流器模型采用三相橋式全控電路，利用空間矢量控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的逆變并網(wǎng)。正常運(yùn)行時(shí)，從發(fā)電機(jī)側(cè)變流器過(guò)來(lái)的功率經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器以單位功率因數(shù)并網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落造成電網(wǎng)電壓降低時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器的電流與直流母線電壓將上升，通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與斷開與卸荷電阻的動(dòng)作來(lái)保證逆變器電流及直流母線電壓不會(huì)超過(guò)其限定值，在恢復(fù)電網(wǎng)時(shí)改變電流的相位實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功輸入。風(fēng)機(jī)參數(shù)PMSG參數(shù)空氣密度極對(duì)數(shù)12對(duì)風(fēng)輪半徑15m定子磁鏈1.1Wb基本風(fēng)速10m/s額定轉(zhuǎn)速20rad/s槳距角0o額定功率100kW等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定子電阻0.362最大風(fēng)能捕獲系數(shù)0.31定子電感6.5mH圖3-11永磁同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)電壓跌落深度20%30%40%50%80無(wú)功電流/額定電流40%60%80%100%100%表4-1以下三組波形為網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)工作下的波形，分別是電網(wǎng)電壓跌落到額定電壓70%、50%、20%時(shí)的波形圖。在下圖中，電網(wǎng)電壓在0.1的時(shí)候發(fā)生深度為30的跌落，在第