直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模H56-850直驅(qū)型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、六相同步發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁控制器、不可控整流器、PWM逆變器等。風(fēng)力機(jī)中風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸把機(jī)械能輸入到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，經(jīng)由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變電能，最后通過發(fā)電機(jī)變流器控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻發(fā)電。由于H56-850直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制變流器系統(tǒng)電機(jī)側(cè)采用不可控整流，為此須同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制維持直流母線電壓，同時(shí)網(wǎng)側(cè)逆變器用以控制有功功率或轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能跟蹤控制。槳槳槳r*--i:槳槳槳槳"000Vi,._一。呷gabc00000000inV槳槳槳r*--i:槳槳槳槳"000Vi,._一。呷gabc00000000inVfV,,.sabCsabc」0000UdC0008000釧ur00000圖7直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2.1風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)用于截獲流動(dòng)空氣所具有的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械能，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)電能。由風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性可以得到，風(fēng)力機(jī)的輸出功率，P=3P=3T=2PACp（人,P）V3（1）葉尖速比人為，（2）風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩P1 P1 32R3苻=2pACpQ,p）k（3）式中Pw為風(fēng)機(jī)輸出功率，氣為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Tw為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，p為風(fēng)電場(chǎng)的空氣密度，A=R2為葉片面積，CpQ,&）為風(fēng)能利用系數(shù)，B為槳距控制角，vw為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速，R為葉片半徑。下圖為Matlab/Simulink中風(fēng)力機(jī)的模塊結(jié)構(gòu)框圖。W_wt(pu)圖8W_wt(pu)圖8風(fēng)力機(jī)模塊結(jié)構(gòu)—=氣max二CpmaxX^（4）圖8中風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為標(biāo)幺值，以風(fēng)能利用系數(shù)Cp—=氣max二CpmaxX^（4）①w_pu_rated風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)C時(shí),p）與槳距角p和葉尖速比人有關(guān)，可采用下式作為Cp的近似表達(dá)式為（來源于1998年Heier文章，系數(shù)須根據(jù)武隆的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行修正)，（5）Cp=CS+[-C4-C3(2.5+P)+C2a]c(-c?。?）A 1 CA= — 8 x+C7(2.5+P) 1+(2.5+P)3由于風(fēng)能利用系數(shù)Cp為最大值Cpmax且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為①wpurated時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率標(biāo)幺值Pw3pmax_rated小于1，可得風(fēng)力機(jī)輸出功率為，（6）P=KCV3=—w_rated_w_pu_Cpmax_rated（6）W2pw Vw_CpmaxCpmax "可

0354321-----ooooOe數(shù)系用利能風(fēng)5 7 9 11 1315171921 23葉尖速比A圖9風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比變化轉(zhuǎn)速⑦/pu0.60354321-----ooooOe數(shù)系用利能風(fēng)5 7 9 11 1315171921 23葉尖速比A圖9風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比變化轉(zhuǎn)速⑦/pu0.6C數(shù)0.4系用利能風(fēng)00.20 0.250.50.75 1 1.251.5 1.75 2轉(zhuǎn)速⑦/puVw=8m/sVw=9m/sVw=10m/sVw=11m/sVw=12m/s圖10風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比變化取C]=0.645,C2=116,C3=0.4,C4=5,C5=21,C6=0.00912,C7=0.08,C8=0.035,Cpmax=0.5,ACpmax=9-9495,Vw_Cpmax=11m/S,mw_pu_ratecT1'2pU,Pw_pu_Cpmax_rateJ=075pu,可得槳距角片0時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨葉尖速比A變化曲線如圖9所示，不同風(fēng)速下Cp和風(fēng)力機(jī)出力隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示，可見不同風(fēng)速下調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速即可雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的最大功率跟蹤。由于風(fēng)電系統(tǒng)中齒輪箱的存在，使得風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)軸系存在很大的柔性，由于傳動(dòng)軸系的柔性主要來源于低速傳動(dòng)軸，通常將高速傳動(dòng)軸的柔性忽略或者計(jì)入低速傳動(dòng)軸中，將齒輪箱的慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中，這樣將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別等效為一個(gè)質(zhì)量塊，可以建立兩個(gè)質(zhì)量塊的風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組軸系模型，如圖11所示。其運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)模型如下式，Ks"+Dmutuai(氣^g)^=K0+D (=K0+D (①-①)-T（7）mutualged①2H—ggdtshsh其中Hw和Hg分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（含齒輪箱）的慣性時(shí)間常數(shù)，氣和/g分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度，eh為風(fēng)力機(jī)相對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移，Dsh為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的阻尼系數(shù)，Ksh為傳動(dòng)軸系剛度系數(shù)，Dw和Dg分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的阻尼系數(shù)，式（7）中忽略了風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的阻尼系數(shù)，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程已包含在同步電機(jī)模型中。2.3六相同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制模型當(dāng)定、轉(zhuǎn)子均采用電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的電壓方程為，usdusd=RLd+dw sd-dt一①wssqusq=%+dw 斗dt+①wssdurd=RLd+dw rd-dt■-s①wsrqurq=%+dw qdt+s①wsrd(8)磁鏈方程為，W=Li+Lisdssdmrdw=Li+Lisqssqmrq /QAw=Li+Lird rrd msdW=Li+Lirq rrq msq式中，料為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；u、八i、R、L為繞組的電壓、磁鏈、電流、電阻和電感；Lm為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；下標(biāo)s、r分別代表電機(jī)的定子量和轉(zhuǎn)子量；下標(biāo)d、q分別代表電機(jī)的d、q軸分量；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為，T=nL(ii-ii) (10)epmsqrdsdrq式中np為感應(yīng)發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程即為軸系方程式(7)中的發(fā)電機(jī)運(yùn)行方程如下，2H竺=K9+D (①-①)-T (11)gdt shshmutualwge風(fēng)電機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)帶軸連接勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁機(jī)由直流電壓控制，其產(chǎn)生的交流電通過旋轉(zhuǎn)整流器整流后輸入主機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵(lì)磁電流。圖13為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模塊，其中圖13(a)為同步發(fā)電機(jī)定子磁通計(jì)算模塊，圖13(b)中利用直流母線電壓偏差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到定子磁通參考值，再由定子磁通跟蹤內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制。

(a)(a)VdcFlux(b)DCVoltageRegulatorExcitationControlVdcFlux(b)圖13同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制2.4網(wǎng)側(cè)逆變器及其控制模型直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)逆變器采用電壓矢量定向控制，在電網(wǎng)電壓定向的條件下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量分別與發(fā)電機(jī)輸出有功功率以及無功功率之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓控制轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量就可以達(dá)到控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率以及無功功率的目的。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是，保障輸出直流母線電壓恒定且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，確保網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)接近1，圖14為網(wǎng)側(cè)PWM逆變器的示意圖。圖14圖14H56-850網(wǎng)側(cè)PWM逆變器上圖中處、處和氣分別為變流器側(cè)三相電壓（控制量），心吃b、ugc和新

膈、igc分別為網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流，Lg和為分別為網(wǎng)側(cè)濾波電感及其損耗電阻，

cdc和Udc分別為直流側(cè)電容和母線電壓，可得其電壓暫態(tài)方程為，di".廣，廣號(hào)廣匕才（12）（12）（13）u=u—Ri—L—/ibgbggbgdtdiu=u—Ri—L—gc

ic gcggcgdt將abc自然坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可得，diu=u—Ri—L―g^+①Liidgdggd gdtsggqdiu=u—Ri—L—gq一①Liiqgqggqgdtsggd式中ugd、ugq分別為轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電網(wǎng)電壓d、q分量；uid、uiq為變流器側(cè)電壓d、q分量，igd、igq為網(wǎng)側(cè)變流器電流的d、q分量；叫是電網(wǎng)電壓的角頻率。在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)電壓和電流矢量可由下式表示，偵頊Wgq （14）igd+jq可得電網(wǎng)注入變流器的有功和無功如下式，八3，. .、P=—(ui+ui)（15）g2gdg（15）3Q=—(ui—ui)g2gqgd gdgq式（15）中Pg和Qg為利用電壓和電流矢量計(jì)算得到的瞬時(shí)有功和無功功率，由于采用電壓矢量定向控制時(shí)，選擇初始時(shí)刻ugd與a相電壓相量重合則有ugq=0，為此改變igq的大小就可改變整流橋輸入的無功功率，當(dāng)igq=0時(shí)整流橋輸入的無功功率為0；此時(shí)交流側(cè)輸入的電壓和電流同相位，由于ugd大小變化較小即通過調(diào)節(jié)igd即可實(shí)現(xiàn)變流器注入有功控制，由下式可知改變igd即達(dá)到維持直流母線電壓udc的控制目的。3（16）P=-ui=UIg（16）Cd%='Ldcr由于網(wǎng)側(cè)電流變化快和直流側(cè)電壓波動(dòng)慢的特點(diǎn)，網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)一般采用交流電流內(nèi)環(huán)，直流電壓外環(huán)控制。由于變流器側(cè)三相電壓為控制變量，在式（13）的基礎(chǔ)上可構(gòu)造網(wǎng)側(cè)變流器電流內(nèi)環(huán)控制方程如下所示，

udrefu=ugd=u-R"ref一Rgiqref+￥qref

egdref+(kAi+kpdudrefu=ugd=u-R"ref一Rgiqref+￥qref

egdref+(kAi+kpd+(kAi+kjAidt)dAidt)(17)qrefgqpqiq(a)IVnomii2+sqrt(2/3>□-Mcd_iindeKnaxgridmdqOabcSin_co?Uabc_re1dqO_to_abcT^ansforniatior(_JJ——r—?siii"ypLLy；(b)圖15網(wǎng)側(cè)PWM變流器內(nèi)環(huán)控制式中砰戶，f分別為d、q軸電流分量的參考值，Ar=i-i”Ai=i-i

drefqref dgddrefqgqqrefkp和ki為dq軸電流分量的比例和積分增益，"dref、"qref分別為變流器側(cè)d、q軸

電壓參考值，圖15為網(wǎng)側(cè)PWM變流器基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的內(nèi)環(huán)控制Matlab/Simulink模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖15(b)為調(diào)制比m限制和三相參考電壓生成環(huán)節(jié)。

圖16網(wǎng)側(cè)PWM變流器功率外環(huán)控制18642?.?圖16網(wǎng)側(cè)PWM變流器功率外環(huán)控制18642?.?-O們ouo力出機(jī)力風(fēng)Vw=7m/sVw=8m/sVw=9m/sVw=10m/sVw=11m/s功率跟蹤曲線0

0 0.250.50.75 1 1.25 1.5 1.75 2轉(zhuǎn)速⑦/pu圖17風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤曲線PitchControl圖18槳距角控制模塊riPitch[deg]圖18槳距角控制模塊riPitch[deg]由前面分析可以變化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大功率