1、 本科畢業設計（論文）電網電壓不對稱時雙饋風機輸出特性分析DDD燕 山 大 學2013 年 6 月 本科畢業設計（論文）電網電壓不對稱時雙饋風機輸出特性分析學院（系）： 電氣工程學院 專 業： 電力系統及其自動化 學生 姓名： DDD 學 號： 090103030124 指導 教師： EEE 答辯 日期： 2013年6月23日 燕山大學畢業設計（論文）任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：電力工程系 學號090103030124學生姓名DDD專 業班 級0D9電力3班題目題目名稱電網電壓不對稱時雙饋風機輸出特性分析題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（

2、）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）。題目類型1.畢業設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ ） 主要內容設計內容：電網電壓平衡條件下，雙饋異步風力發電系統的數學模型和控制策略；建立電網電壓不平衡條件下雙饋異步風力發電機系統的模型；采用電網電壓不平衡條件下DFIG的數學模型，選取適當的控制目標，設計基于PR諧振調節器不平衡控制策略；研究電網電壓不平衡度大小對雙饋風電機組輸出特性的影響。目標：給出理論分析和Matlab仿真分析結果。基本要求1遵守畢業設計期間的紀律，按時答疑；2獨立完成設計任務，培養基本的科

3、研能力；3設計說明書一份（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，符合畢業設計撰寫規范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現行標準；4. 完成相關的實驗，并反映在論文中。參考資料1. 鄧雅不平衡電網電壓下雙饋風力發電系統變流器控制策略研究。北京：北京交通大學2. JBHu，YKHeModeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditionsElectric Power Systems Research，2009，79：273-2813. 相關國內外文獻

4、周 次14周58周912周1316周1718周應完成的內容查閱相關文獻；建立風速模型和風力機模型；完成開題報告和文獻綜述。研究電網電壓不平衡條件下DFIG、網側變換器和轉子側變換器的等效數學模型建立網側和轉子側的變換器的數學模型選取適當的控制目標，研究協調控制下雙饋風力發電系統的輸出特性。論文撰寫答辯指導教師：DDD職稱：教授 2012年12月15日系級教學單位審批： 年 月 日摘要摘要隨著雙饋風力發電機組裝機容量的擴大和電網對風力發電并網的要求愈加嚴格，雙饋風力發電系統的研究由電網電壓正常情況下的并網運行控制，轉向電網電壓不平衡下的運行研究。本文以雙饋風機不平衡情況下的輸出特性為主要研究對象

5、，對風力發電機主要模塊進行了建模仿真，分析了各種不平衡度下雙饋風機的輸出特性，得到了一些具有實際意義的成果。首先研究了風速和風力機的數學模型，分別研究了它們的輸出特性。然后利用坐標變換的方法研究了雙饋風力發電機正常情況下的dq坐標下的數學建模,并通過Matlab仿真軟件研究了它在正常情況下的輸出特性。又通過文獻了解了不平衡度的計算方法，搭建了不平衡度計算模塊。研究了在不同的不平衡度下，雙饋風力發電機轉速，電磁轉矩，以及定子電流等參數的輸出特性。最后，用對稱分量法研究了不平衡條件下，雙饋風機的數學模型，建立了正反轉同步旋轉坐標系中，分別由各自正，負序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程。在Matl

6、ab現有的風力發電模塊中加入不平衡，研究了與電網連接的雙饋風機在不平衡情況下的輸出特性。關鍵詞雙饋風力發電機；不平衡；dq坐標I 燕山大學本科生畢業設計（論文）AbstractWith the double-fed wind turbine installed capacity expansion and the quality of wind power generation requirements become more stringent. The study of doubly-fed wind power generation system has changed from the

7、 control of normal circumstances to the study of unbalance grid voltage . In 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 of DFIG under unbalanced output characteristics ,a

8、nd 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 mathematical modeling of dq coordinate under normal circums

9、tances. 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 different imbalance, the doubly-fed wind generator speed,

10、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 rotating coordinate system, respectively, by the res

11、pective 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; unbalanced; dq coordinatesI 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論1

12、1.1 課題背景11.1.1 選題的依據和意義11.1.2 研究不平衡電網下風力發電機特性的意義11.2 國內外研究動態21.2.1 變速恒頻風力發電的發展21.2.2 不對稱電網下DFIG變流器的控制31.3 研究的主要內容5第2章 風速模型和風力機模型的建立62.1 風速模型的建立62.2 風力機模型的建立82.3 本章小結12第3章 雙饋風機的建模與輸出特性133.1 雙饋風力發電機的運行原理133.2 雙饋風力發電機的數學模型143.3 不平衡度的計算方法153.4 雙饋電機正常情況下的仿真163.5 雙饋電機不平衡情況下的仿真203.6 本章小結24第4章 不平衡情況下雙饋風機的數學

13、模型264.1 對稱分量法264.2 不平衡條件下雙饋風機的數學模型284.3 與電網連接的雙饋風機不平衡情況下的仿真314.4 本章小結34結論35參考文獻37致謝39附錄40III第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 選題的依據和意義能源是人類經濟社會生活不可缺少的一部分，隨著社會的進步，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重破壞，并且嚴重污染地球環境。環境惡化和能源危機使新能源的尋求成為亟待解決的問題。風是一種安全、清潔、充足，大多來自太陽能，屬于能不斷提供的可再生能源。全球風能儲量巨大，任何國

14、家和地區都有分布，通過調查估算可以轉換為電能的風力資源約53萬億kWh每年，大約為20年后全球電力需求的兩倍1。我國的風能資源十分豐富，可用來開發的風力資源的地區占全國面積的60%以上。然而我國風力發電的核心技術與創造能力與國外的風力發電技術相比，仍然有很大的差距，這制約著我國風電行業的大力發展。所以，研究風力發電機組，創造新的關鍵技術，對我國風力發電電產業的迅速發展，具有重要的經濟價值和學術價值。1.1.2研究不平衡電網下風力發電機特性的意義目前DFIG風電機組的變速恒頻運行主要是通過對轉子側背靠背變流器采用dq軸解耦控制來實現的。背靠背變流器由電網側變流器(Grid Side Conver

15、ter，簡稱GSC)和電機轉子側變流器(Machine Side Converter，簡稱MSC)構成，其中電網側變流器采用電網電壓定向的矢量控制來實現對直流母線電壓和電網電流的，電機側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)的矢量控制實現對雙饋電機定子輸出有功功率、無功功率的調節。這些傳統矢量控制均假設電網電壓理想，即三相電網電壓幅值相等，相位互差120。電機轉子側變流器的控制以雙饋電機數學模型為依據建立，電網側變流器的控制以電壓型PWM變流器的數學模型建立，在電網電壓平衡時，采

16、用傳統矢量控制方案可使雙饋風力發電系統獲得良好的動態和穩態性能；但當電網電壓不平衡時，轉統矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。當前文獻所研究的主要是在正常平衡電網電壓下的理論，對于不平衡電網電壓下研究的還比較少。而在實際電網中風力發電機一般分布在一些偏遠地區，這些地區一般處在電網線路的末端，電網通常比較薄弱，與骨干電網相距較遠，且偏遠地區周邊用電設備情況相當復雜，在風電場與電網的公共連接點經常出現電網電壓不平衡的情況，同時由于電網各相阻抗的不對稱性、線路絕緣老化、線路破損等原因，會導致風力發電機與電網的公共連接點出現不平衡現象。當電網電壓不平衡時，通過變壓器在DFIG機端產生一定的不平衡電

17、壓，此時電網電壓和電機定子電壓包含負序分量，會對雙饋風力發電系統的正常運行造成影響。如果風力發電的控制系統未考慮電壓不平衡的情況，不平衡的定子電壓將會引起定子電流的不平衡、轉子電流畸變，導致定子繞組和轉子繞組發熱，電磁轉矩發生脈動，從而引發機械振動，對機械設備的持續穩定運行造成影響，同時電機定子輸出的有功功率和無功功率中也都包含脈動。電網電壓不平衡條件下，基于電網電壓平衡設計的電網側變流器的交流側包含負序分量，直流母線電壓出現波動，影響直流母線電容的壽命。雙饋風力發電系統輸向電網的總有功功率和無功功率也包含脈動，會給整個風力發電系統帶來損耗增大、發熱過多、過壓、過流等問題。1.2 國內外研究動

18、態1.2.1變速恒頻風力發電的發展風力發電簡單來說就是通過風輪機及其控制系統將風能轉化為機械能，通過發電機及其控制系統將機械能轉化為電能的過程。以風力發電機運行方式作為依據將風力發電系統分為變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency，簡稱VSCF）風力發電和恒速恒頻（Constant Speed Constant Frequency，簡稱CSCF）風力發電2。變速恒頻風力發電系統可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化時實時調節風輪機的轉速，使風輪機在大部分情況下都能按照最佳效率運行，從而提高風力發電機組的運行效率，變速風力發電系統捕獲風能的能力比定速恒頻風力發電

19、系多出28%3，并且減小了風輪機的機械應力。此外變速恒頻風力發電技術還可以實現電網與風電機組間的柔性連接，使并網操作更容易實現。目前新安裝的風力發電系統中，大多采用基于雙饋感應電機的雙饋風力發電系統以及基于永磁同步電機的直驅型風力發電系統。雙饋風力發電系統通過背靠背式PWM變流器控制雙饋感應發電機的運行狀態，一方面，由于雙饋感應電機定、轉子之間的電磁關系，雙饋感應電機轉子側變流器只需控制轉差功率就可以調節雙饋感應電機的轉速，實現對風能的最大捕獲，與直驅型風力發電系統相比，雙饋風力發電系統的變流器容量大大減小：另一方面，通過改變電機側變流器輸出的轉子電流幅值和相位來分別調節雙饋電機定子側輸出的有

20、功功率和無功功率，從而實現雙饋風力發電系統的單位功率因數運行。雙饋弄變速恒頻風力發電系統可以提高風能捕獲能力和轉換效率，改善并優化風力發電機組的運行條件，是一種優化的具有良好應用前景的風力發電解決方案。在目前的商業運營中，MW級變速恒頻風力發電產品主要有雙饋風力發電系統和永磁同步電機直驅型風力發電系統，由于雙饋電機所需的變流器容量較小，既能滿足風輪機調速范圍的要求又降低了變流器的容量，具有較強的價格優勢，并且通過采用適當的控制策略，能夠滿足電網對風力發電系統的要求，雙饋風力發電機組在變速恒頻風力發電系統中得到廣泛的應用。1.2.2 不對稱電網下DFIG變流器的控制風力發電機組裝機容量的不斷提高

21、，風電容量在總電網容量中所占的比重越來越大，這種沒有考慮電網電壓不平衡控制的雙饋風力發電機在不平衡的電網電壓下會產生功率波動和機械振動，影響所在區域電網的穩定性，在某些情況下不得不將風力發電機從系統中解裂，從而引起局部地區停電。由此看出，設計DFIG電機側和電網側的變流器的控制系統保證系統的穩定運行的非常有必要的。2009年2月國家電網公司己頒布風電場接入電網技術新規定5，規定中明確強調電網電壓允許長時間存在最大不平衡度2%的小值穩態不平衡情況，要求風電機組能夠承受一定程度的負序電流不脫網,還應能承受穩態最大達2%的不平衡電壓而不跳閘,即風電場并網點的負序電壓不平衡度2%、短時4%的情況下,風

22、電場中的風電機組應能持續不脫網正常運行6。現有文獻對不平衡電網電壓條件下電網側變流器的建模和控制已有研究7-8，對不對稱電網電壓下雙饋風力發電機的運行控制和故障穿越也有所研究9-10，對雙環控制策略進行了深入探討11-13。外文文獻中也都提到了DFIG變流器的控制14-15。此外，基于比例諧振調節器11和高壓直流輸電系統在電網電壓不平衡下的運行研究也有相應報道。其主要研究成如下：1. 針對電網電壓不對稱故障狀態下傳統控制策略的缺點，在增強型鎖相環的基礎上建立了DHG轉子側變流器的改進的控制策略，采用的是抑制轉子電流負序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉子電流的諧波含量，電磁轉矩的脈動和電網功

23、率的二次紋波11。2. 針對電網電壓不對稱時負序電流對定子側有功功率、無功功率、電磁轉矩和直流側電壓的影響，提出電流正序分量跟蹤控制策略，并在轉子側和網側變換器的控制中對電網電壓的正、負序分量分別處理。轉子側變流器采用正序電流跟蹤的滯環控制，實現了電流的無差跟蹤。網側逆變器控制內環采用電流前饋控制，并控制負序電流為零，外環采用電壓環穩定直流電壓9。3. 逆變器采用PI調節理論上能實現無靜差的輸出電壓控制13。4. 建立了矢量控制能在在電網正常條件下可以實現對電機側和電網側變流器的良好控制。不平衡電網電壓下的雙dq電流控制策略可以有效抑制電網電壓不平衡所引起的電磁轉矩，直流電壓和輸向電網總功率的

24、脈動,增強雙饋風力發電機組在電網電壓不平衡下的運行能力7。5. 根據電網電壓跌落幅度對 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果表明，該控 制策略實現了風電場電網電壓非對稱狀態下雙饋風力發電 系統并網條件的明顯提升16。1.3 研究的主要內容由于雙饋風力發電機組具有變流器容量小、效率高、并網靈活等優點，雙饋風力發電機組在容量變速恒頻風力發電系統中應用廣泛，電網對風力發電系統在電網異常尤其是電網電壓不平衡下的運行，提出了更嚴格的要求，本文著重分析了雙饋風機的建模和它在不平衡情況下的輸出特性。論文主要研

25、究內容如下：首先主要研究了風力發電機組的兩個基本模塊，包括風速模型和風力機模型。分別建立了它們的數學模型，運用Simulink進行了仿真；簡要分析了它們的輸出特性。然后，研究了電網電壓正常情況下，雙饋風力發電系統的運行原理及其輸出特性。首先通過坐標變換了方法對雙饋電機進行了數學建模，給出了電機在dq坐標系下的電壓方程，磁鏈方程，電磁轉矩方程以及機電運動方程，利用這些方程，搭建了雙饋電機的數學模型，分析了雙饋電機在正常情況下的輸出特性。其次，給出了不平衡度計算方法，建立了不衡度計算模塊，接入到所建立的電機模型中，調節電壓使電機分別運行在不平衡度為3%和5%的情況下，比較分析兩種情況下，電機輸出特

26、性的變化情況，得出了一些有用的結果。最后，分析了雙饋電機不平衡情況下的數學建模。利用對稱分量的方法，建立了DFIG在正轉和反轉坐標系中分別由各自正，負序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉坐標系下DFIG的等效電路模型。在Matlab現有的風力發電模塊中加入不平衡，研究了與電網連接的雙饋風力發電機在不平衡情況下的輸出特性。35第2章 風速模型和風力機模型的建立 第2章 風速模型和風力機模型的建立2.1 風速模型的建立 本文采用最簡單的風速模型進行分析，這種風速模型一般包括四種分量：基本風，階躍風，陣風和隨機風。數學公式表達為:(2-1)式中各分量具體含義如下：(1) 為基本風分量，

27、是風速模型的平均風速；(2) 為陣風分量，表示突然變化的風速成份，數學模型表示為：(2-2)其中，、為陣風開始和持續時間，為陣風的最大風速；(3) 為階躍風分量，描述的是漸變的風速，數學模型為：(2-3)其中，、為階躍風的開始、保持和終止時間，為階躍風的峰值；(4) 為隨機風分量，用matlab里面的白噪聲表示。根據以上三個式子建立simulink下的風速仿真模型，如圖2-1所示。在仿真中設定參數如下：基本風；陣風最大風速，開始時間，持續時間；階躍風最大風速，開始時間，持續時間，終止時間。仿真時間為50s，白噪聲模塊采樣時間為0.1s。得出的風速仿真波形圖如圖2-1到2-4所示。從仿真圖上可以

28、看到，這樣的風在一定程度上可以反應真實情況下的風速變化情況，其中包含時刻在波動的白噪聲，偶爾突然增大瞬間又減小的陣風，增大后能保持一段時間的階躍風，以及一直保持的基本風。圖2-1 風速模型總圖圖2-2 陣風模塊仿真圖圖2-3 階躍風模塊圖2-4 風速模型仿真圖2.2 風力機模型的建立風力機是風力發電的重要部分，它以風能作為輸入，輸出機械能。而它輸出機械能的效率取決于風速以及風機的風能利用系數。由于發電機和風力機是通過齒輪箱直接驅動聯接，可以用簡單的數學模型表示風力發電機的動態特性，即：(2-4)式中，是風力機風輪轉動的角速度，rad/s；為風輪的轉動慣量，kg.m2；為發電機轉矩，。由上式可見

29、17，當發電機處于靜態運行時，風力機輸出的轉矩等于發電機電磁轉矩。如果風力機處在風速不變化的環境下運行時，風力機的轉速就能隨著風速發生變化，風力機的輸出轉矩與發電機電磁轉矩跟隨風速不斷變化一直到平衡狀態，所以，風力機的靜態輸出轉矩影響著風力發電機組的動態性能。 風力機的靜態特性由，風輪捕獲功率P、葉尖速比、功率系數、風力機轉矩系數、風力機轉矩表示，分別如下(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中，v為主導風速，m/s；R為風輪葉片半徑，m；為空氣密度。對于，根據文獻17取值如下：(2-9)(2-10)式中，。由式(2-9)可見，當槳矩角恒定時，在不同風速的情況下，只需要控制風力機使其能保持

30、在最佳的葉尖速比下運行，就可以確保風力機取得最佳功率系數，實現風能的最大捕獲功率。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，采用空氣密度為1.225kg/m3，風力機處于靜態時，槳距角為,風力機半徑R為15m，所模擬的風速為0到15m/s，仿真時間為50s。先假設風速與風輪機轉速成正比K，在仿真時調節K值，使葉尖速比與捕獲功率達到最大，通過查閱文獻17可知，當最佳葉尖速比為8時，捕獲功率最大，所以調K值，使仿真圖中代表葉尖速比的近于8即可。圖2-5 風力機內部模塊仿真圖圖2-6 風力機外部模塊仿真圖圖2-7 Cp計算模塊圖2-8 轉矩的仿真結

31、果圖 2-9 捕獲功率的仿真結果2.3 本章小結本章主要研究了風力發電機組的兩個基本模塊，包括風速模型和風力機模型。對于風速模型采用常用的四個分量進行模擬，對于風力機模型則需要調節參數使其工作在最佳狀態。然后Simulink進行了仿真，簡要分析了它們的輸出特性。第3章 雙饋風機的建模與輸出特性 第3章 雙饋風機的建模與輸出特性3.1 雙饋風力發電機的運行原理 雙饋異步風力發電機在結構上與繞線式異步電機相似，定子采用三相分布式繞組，轉子側也采用三相分布式交流繞組。鼠籠式感應電機在變頻調速時僅由定子側供電，而雙饋感應電機則不同，它由轉子側和定子側一起饋送電能，所以稱為“雙饋”發電機。由于雙饋電機由

32、轉子側提供交流勵磁，所以雙饋電機也稱作異步化同步電機或交流勵磁同步電機。圖3-1 變速恒頻雙饋風機的拓撲結構圖3-1表示了雙饋風機與電網的連接情況，雙饋電機定子側直接與電網連接，轉子側通過變流器與電網連接，電機側變流器控制電機的運行，電網側變流器控制電機與電網的能量交換。由于定子側直接與電網連接，所以它的頻率不變，而轉子側受風速變化的影響。當風速變化引起電機的轉速變化時，電機側變流器可以根據電機的轉速變化來實時控轉子電流的頻率，從而使電機定子頻率穩定，實現雙饋風力發電系統的變速恒頻運行。以代表轉子的轉速，代表定子的轉速。當時，電機處于超同步速運行狀態，轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉方向與轉子旋轉

33、方向相反，此時定、轉子均向電網饋送電能；當時，電機處于亞同步運行狀態，轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉方向與轉子旋轉方向相同，交-直-交變流器向轉子提供交流勵磁，定子向電網饋出電能；當時，勵磁變頻器向轉子提供直流勵磁，此時電機作為普通隱極式同步發電機運行。當發電機轉速變化時，可以通過控制電機轉子勵磁電流頻率，保證定子電流頻率恒定不變，實現變速恒頻發電。3.2 雙饋風力發電機的數學模型雙饋電機在ABC三相靜止坐標下的數學模型是一個非線性、強耦合、時變性的多變量系統，模型較為復雜，系統分析和求解十分困難，而且對控制系統的設計也十分不利。而通過坐標變換可以使原來三相坐標下基波正弦變量變換成兩相旋轉坐標系

34、下的直流分量，這樣分析就變得簡單。而三相靜止坐標變換到兩相旋轉坐標需要經過兩個步聚：首先是三相靜止坐標到兩相靜止坐標，利用的是clarke變換矩陣：(3-1)然后是兩相靜止坐標到兩相旋轉坐標系，利用的是Park變換矩陣：(3-2)進行坐標變換后就可以進行雙饋風力發電機的正常情況下的數學建模。通過對正常情況下雙饋風力發電機分析，建立在同步旋轉坐標系(dq)下雙饋電機的數學模型，建立了雙饋風力發電機電壓方程，磁鏈方程，電磁轉矩方程和運動方程。(1) 電壓方程(3-3)式中：，分別為定子、轉子電壓的d、q軸分量；，分別為定子、轉子電流的d、q軸分量；，分別為定子、轉子磁鏈的d、q軸分量；、分別為定、

35、轉子磁鏈的角速度；為dq坐標系相對于轉子的電角速度，稱為轉差角速度。(2) 磁鏈方程(3-4)式中,為dq坐標系下定、轉子同軸等效繞組間的互感，且;為dq坐標系下定了繞組等效為兩相間繞組的互感，且;為dq坐標系下轉子繞組等效為兩相繞組的自感，且;(3)電磁轉矩方程(3-5)(4)機電運動方程(3-6)(5)功率方程(3-7)3.3 不平衡度的計算方法在文獻18中，介紹了多種不平衡度的計算方法，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

36、值可以利用俌利葉變換模塊設定為電網電壓頻率取得。3.4 雙饋電機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，各個模塊的情況分別如下圖：圖3-2 雙饋風機外部結構圖3-3 DFIG內部模塊圖3-4 定子電壓模塊圖3-5 轉子電壓模塊圖3-6 磁鏈計算模塊圖3-7 機電運動模塊仿真參數如下，定子三相交流電壓頻率為50Hz，幅值380V，初始相位角了0，電機的極對數為2，而轉子電壓設為0，定子電阻為4.26，轉子電阻為3.24，轉子電感為0.670H，定子電感為0.666H，定轉子互感為0.65H，負載轉矩為8.84Hm，轉子的轉動慣量為0.02Nm2。在正常情況下各

37、項運行結果如下：圖3-8 電網電壓平衡時定子側電壓波形圖3-9 電網電壓平衡時定子電流波形圖3-10 電網電壓平衡時轉子電流波形圖3-12 電網電壓平衡時轉速波形圖3-13 電網電壓平衡時電磁轉矩波形圖3-14 電網電壓平衡時定子側有功和無功功率的波形3.5 雙饋電機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算模塊，然后設置不平衡度為3%和10%，分別觀察定子電壓，定子電流，轉速，以及有功無功的輸出波形。在仿真中發生不平衡的時間為0.2到0.4s，仿真時間為0.5s。圖3-15 加入不平衡度計算模塊時的DFIG圖3-16 不平衡度計算模塊圖3-17 不平衡度為3%時定子電壓波形圖3-

38、18 不平衡度為10%時定子電壓波形在圖3-17和3-18中，通過降低A相電壓來使電壓不平衡，該不平衡發生在0.2s開始0.4a結束，A相電壓降低的越多，不平衡度越大。圖3-19 不平衡度為3%時定子電流波形圖3-20 不平衡度為10%時定子電流波形圖3-19和3-20表示了不平衡度為3%和10%時時定子電流的波形，從圖上可以看到不平衡度越大，電流畸變越大，這種電流在實際中會導致定子繞組發熱，影響電機壽命。圖3-21 不平衡度為3%時電機轉速波形圖3-22 不平衡度為10%時電機轉速波形圖3-23 不平衡度為3%時電機轉速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1

39、0%時電機轉速的波形，可以看到發生不平衡時電機轉速有較大的波動，尤其是當不平衡度為10%時轉速波動幅值達到了500轉，這對發電機運行是很不利的。再具體分析不平衡度為3%，0.2s到0.4s發生不平衡時電機轉速的波動情況，可以看到其波動周期為0.01s，即頻率為100HZ，是電網電壓頻率的2倍，這就是后面分析的關于不平衡情況下電機運行的2倍頻波動。圖3-24 不平衡度為3%時定子側有功和無功功率的波形圖3-25 不平衡度為10%時定子側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%時定子側有功和無功功率的波形，可以看到不平衡度時功率出現在脈動，而且不平衡度越大脈動越大，

40、這樣的脈動會給整個發電系統帶來損耗增大、發熱增多、過壓、過流等問題。3.6 本章小結本章研究了電網電壓正常情況下，雙饋風力發電系統的運行原理及其輸出特性。首先通過坐標變換了方法對雙饋電機進行了數學建模，給出了電機在dq坐標系下的電壓方程，磁鏈方程，電磁轉矩方程以及機電運動方程，利用這些方程，搭建了雙饋電機的數學模型，分析了雙饋電機在正常情況下的輸出特性。給出了不平衡度計算方法，建立了不衡度計算模塊，接入到所建立的電機模型中，調節電壓使電機分別運行在不平衡度為3%和5%的情況下，比較分析兩種情況下，電機輸出特性的變化情況，得出了一些有用的結果。第4章 不平衡情況下雙饋風機的數學模型 第4章 不平

41、衡情況下雙饋風機的數學模型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正序分量，與負序分量，以及三個相等的零序分量，但由于目前所用的雙饋風機采用的大都是三相三線制接線方式，系統中無零序分量通路，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，和分別表示為負序分量的初相位和幅值，而下標“+”和“-”分別表示正序和負序分量。利用式(3-1)中的三相靜止坐標到兩相靜止坐標的轉換公式將式(4-1)變換后，得到：(4-4)其中，定義(4-5)(4-6)則有(4-7)將

42、式(4-2)和式(4-3)分別代入式(4-5)和式(4-6)中，有(4-8)(4-9)而在兩相靜止的坐標系中，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)，并參考歐拉公式(，就可以導出如下關系：(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系中的正序空間矢量和負序的空間矢量，并且它們都是時間函數。在討論前，先定義有一個正轉同步旋轉坐標系以的角速度沿逆時針旋轉，而反轉同步坐標系以的角速度順時針旋轉。正轉同步速旋轉坐標第以及反轉同步速旋轉坐標系間的坐標變換關系如下：(4-14)(4-15)(4-16)其

43、中，上標“+”、“-”分別是正、反轉同步速旋轉坐標系。利用式(4-14)對(4-11)式，分別進行正、反轉同步速旋轉的坐標變換，有(4-17)(4-18)式中表示正轉同步旋轉坐標系中的正序分量，是直流量；表示正轉同步旋轉坐標中系的負序分量，是二倍頻的交流量；表示反轉同步旋轉坐標系中的負序分量，是直流量；表示反轉同步旋轉坐標系中的正序分量，是二倍頻的交流量。由式(4-17)和式(4-18)可見，電網電壓不平衡條件下，任意電磁量在正、反轉同步旋轉坐標系中表現為，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機的數學模型首先令式(3-3)中的，即可得到不平衡電網電壓下兩相靜止坐標系中矢量形

44、式的以饋電機定、轉子電壓和磁鏈方程(4-19)(4-20)式中，;由式(4-15)和式(4-17)可求得正，反轉同步旋轉坐標系、中，以各自的正、負序分量表達的靜止坐標系中的定、轉子電流、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、反轉同步旋轉坐標系、中分別由各自的正，負序分量表示的雙饋電機電壓、磁鏈方程如下：(4-24)(4-25)(4-26)(4-27)式中，為反轉滑差角頻率，為正轉滑差角頻率。然后根據式(4-24)和(4-25)可得正轉同步旋轉坐標系中雙

45、饋風力發電機的正序分量等效電路，如圖4-1。同理，根據式(4-26)和(4-27)，可得反轉同步旋轉坐標系中雙饋風力發電機的負序分量等效電路，如圖4-2所示。圖 4-1 正轉同步旋轉坐標中DFIG的正序分量等效電路圖 4-2 反轉同步旋轉坐標中DFIG的負序分量等效電路令,則可得(3-3)可得不平衡電網電壓條件下，正轉同步旋轉坐標系中包括正、負分量在內的矢量形式DFIG定、轉子電壓和磁鏈方程(4-28)(4-29)根據式(4-17)，可知式(4-28)和式(4-29)中，4.3 與電網連接的雙饋風機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

46、，進行仿真。仿真分析：雙饋電機額定功率1.5MW，額定電壓690V，額定頻率50Hz,功率因數0.9；網側變換器進線電感L=2mH，進線電阻R=0.01，直流側電容C=18000F，直流電壓設定1200V。采用標么值，基準容量1.5/0.9MVA,基準電壓690V，電網電壓不平衡度為5%，系統在0.4s發生不平衡。觀察，在不平衡情況下電機與電網連接點的電壓和電流、直流母線電壓、定轉子電流的變化情況。圖4-3 雙饋電機接入電網仿真圖4-4 電網電壓不平衡時風機與電網連接點的電壓圖4-5 電網電壓不平衡時風機與電網連接點的電流圖4-6電網電壓不平衡時直流母線電壓的波形圖4-7 電網電壓不平衡時電機

47、定子側電流波形圖4-8 電網電壓不平衡時電機轉子側電流波形從4-6中可以看到當電網電壓發生不平衡時直流母線電壓出現波動，這將會影響母線電容的壽命。當0.4s發生電網電壓不平衡時，電網連接點的電壓和電流、直流母線電壓、定轉子電流均出現在波動，這對電機的運行十分不利。4.4 本章小結本章分析了雙饋電機不平衡情況下的數學建模。利用對稱分量的方法，建立了DFIG在正轉和反轉坐標系中分別由各自正，負序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉坐標系下DFIG的等效電路模型。在Matlab現有的風力發電模塊中加入不平衡，研究了與電網連接的風力機在不平衡情況下的輸出特性。結論 結論隨著雙饋型變速恒頻風

48、力發電系統在電風中所占比重增大，增強雙饋風力發電系統在電網電壓不平衡下的運行能力越來越重要，電網對于風力發電的穩定性要求越來越高，對于雙饋風力發電機的研究不能僅僅停留在正常情況，不平衡情況下風力發電機的研究成為主要的研究課題。本文運用 Simulink/Matlab 軟件，將變速恒頻風力發電系統的各個組成部分不平衡情況下的運行，進行了數學建模和仿真分析。首先對變速恒頻風力發電系統的基本模塊進行了數學建模和 Simulink 仿真包括風速、風輪、傳動系統以及雙饋異步發電機的數學建模和仿真。這幾個模塊共同組成了風力發電系統的風力機系統和發電機系統，是風力發電系統最核心的要素。風速的建模用了經典的4

49、分量模型，即風速是基本風、陣風、階躍風和隨即風的線性疊加。這個模型的優點是可以運用陣風和階躍風，簡單、有效地模擬出任意時刻的風速變化。它的缺點是與實際情況也許相差較大。風力機的建模采用了簡化的經驗公式。根據文獻中的分析，采用簡化經驗公式與運用動量葉素理論求解的結果基本一致，是比較可靠的。雙饋異步發電機的數學建模以及 Simulink 仿真是這一部分的重點，因為對發電機的理解和建模關系到整個風力發電系統并網控制及發電控制的思路和策略。利用坐標變換的方法對雙饋風機運行建模，加深了對發電機電磁關系的理解和掌握，并進行了簡單的仿真。然后查閱文獻了解了不平衡度的計算方法，建立了不平衡度計算模塊，加入到所

50、建立了雙饋電機模型中。調節電網電壓，使雙饋風機分別工作在不平衡度為3%和10%的條件下，觀察雙饋電機的輸出特性,分析得出了一些簡單的結論。最后，運用對稱分量法研究了不平衡條件下，雙饋風機的數學模型，建立了正反轉同步旋轉坐標系中，分別由各自正，負序分量表示的DFIG電壓，和磁鏈方程。在Matlab現有的風力發電模塊中加入不平衡，研究了與電網連接的風力機在不平衡情況下的輸出特性。41參考文獻 參考文獻1 錢伯章.世界能源消費現狀和可再生能源發展趨勢(上) J. 節能與環保, 2006,(3)。8-11.2 劉其輝,賀益康,卞松江.變速恒頻風力發電機空載并網控制J.中國電機工程學報,2004, 24(3):6-11.3 Data, R, Ranganathan, V.T. Variable-