雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究摘要本文通過對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、基本工作原理以及在不同坐標(biāo)軸系中數(shù)學(xué)模型的分析，主要針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理及其工作特性等問題進(jìn)行研究。研究了其在三相靜止坐標(biāo)系下的運(yùn)行狀態(tài)，為了可以使控制方法更加簡單化，我們進(jìn)一步得到了風(fēng)力發(fā)電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，為其控制方法和功率研究提供了基礎(chǔ)。最后，通過Mtlab的Simulink仿真模塊建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，進(jìn)一步證明論文中的理論的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性。關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；變流器；矢量控制；Matlab仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 I1緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3風(fēng)力發(fā)電變流器控制策略 31.4本文研究主要工作 42雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 52.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的概述 52.2雙饋風(fēng)力電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 72.3DFIG的數(shù)學(xué)模型 72.4本章小結(jié) 173雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器設(shè)計(jì) 143.1基本結(jié)構(gòu)及等效電路 143.2控制策略 153.3主電路及調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 173.4本章小結(jié) 174雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器設(shè)計(jì) 194.1基本結(jié)構(gòu)及等效電路 194.2控制策略 194.3閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 194.4本章小結(jié) 205系統(tǒng)建模及仿真 215.1網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真 225.2機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真 286總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 351緒論1.1課題研究背景及意義由于地球上現(xiàn)有能源的日漸枯竭，開發(fā)新的可再生能源的傾向愈發(fā)重要。一般大量消耗化石能源不僅給人類帶來了文明，當(dāng)然也帶來了許多嚴(yán)重的問題。多年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展依賴于能源的大量消耗，忽視了環(huán)境的保護(hù)和發(fā)展。大量的煤炭對自然生態(tài)造成了無法彌補(bǔ)的破壞，生態(tài)環(huán)境惡化速度加快先例。煤炭在燃燒過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的排放物，進(jìn)一步加速了環(huán)境污染的進(jìn)程。生態(tài)環(huán)境的惡化將導(dǎo)致許多物種的滅絕，不僅如此環(huán)境污染直接影響著人類的健康，人類長時(shí)間經(jīng)過呼吸將排放的污染氣體吸入肺中，再通過血液把污染物輸送到身體各個(gè)部位，提高了大家的發(fā)病率。所以如何高效的發(fā)展干凈的可再生能源，成了每個(gè)國家發(fā)展必須要面對的關(guān)鍵性問題。從國家風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃的角度來看，中國今后將遵循環(huán)保、干凈、高效的開發(fā)政策。適應(yīng)整體不可再生能源向可再生能源的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步加速風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，持續(xù)改善國家能源政策和對策。盡快發(fā)展出一條適合風(fēng)力能源大規(guī)模開發(fā)和利用的道路來。關(guān)于能源的使用，我們希望風(fēng)能盡早代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的使用，進(jìn)一步加快可再生能源在能源消耗過程中的占比。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器因?yàn)閮r(jià)格便宜、使用容量小，并且提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能有了大幅度提升，所以雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種前景優(yōu)良的發(fā)電系統(tǒng)，得到了廣泛應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電的活躍發(fā)展下，如何完善風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)，成為每個(gè)國家研究的重點(diǎn)問題。在研究過程中，如何降低風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的費(fèi)用，如何使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的捕捉容量最大化，如何解決強(qiáng)烈的非線性的問題。這些問題的解決意味著風(fēng)力產(chǎn)業(yè)和風(fēng)力發(fā)電理論的發(fā)展將進(jìn)入了一個(gè)新的階段。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)整的開機(jī)速度、電能質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過對控制方法的改變可以滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同的運(yùn)行條件。因此，研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以分為網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)兩部分，其核心都是對系統(tǒng)的控制研究，使系統(tǒng)完全處于正常運(yùn)行狀態(tài)。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1870年以后，我們國家還是基于煤和石油的大量使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的發(fā)展。然而大量不可再生源的使用，使和等氣體大量排放。從而產(chǎn)生了溫室效應(yīng)、環(huán)境破壞等一系列問題。并且不可再生能源隨著不斷地開發(fā)利用，終將會(huì)迎來枯竭的一天。如何找到一種既能替代傳統(tǒng)能源又不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境破壞的新能源，成為了每一個(gè)國家都要面列的新的問題。太陽能、原子能、風(fēng)力能源等新能源的發(fā)展和廣泛應(yīng)用可以有效地減少能源不足帶來的一系列問題。目前世界最高水平的風(fēng)力能源資源每年可達(dá)到530億千瓦，總安裝容量更是以每年25%的速度遞增。我國風(fēng)力能源主要集中在蒙古北部、遼寧、山東、甘肅、新疆等地區(qū)。風(fēng)力能源在中國的產(chǎn)業(yè)開發(fā)計(jì)劃中起著十分關(guān)鍵的作用，很大程度上緩解了能源短缺的問題。世界范圍內(nèi)都處于快速開發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的過程中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正處于小容量的單一發(fā)電向大容量的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電過渡的過程。但是，由于現(xiàn)有技術(shù)的局限，目前的大容量儲(chǔ)存技術(shù)并不完美。由于異步發(fā)電機(jī)需要吸收無功功率才能完成并網(wǎng)過程，因此風(fēng)能相比其他能源缺乏穩(wěn)定性和可調(diào)性。經(jīng)過多年的發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，解決了原有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的常規(guī)問題，使風(fēng)電的發(fā)展進(jìn)入新的階。中國擁有豐富的風(fēng)力能源，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的更是處于蓬勃的發(fā)展階段。2005年以后，我國迎來了第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的黃金時(shí)代。風(fēng)電產(chǎn)額和電力供應(yīng)同比增長125%。2009年，我國迎來了第二個(gè)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的黃金時(shí)代。我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及整體裝機(jī)容量全部翻倍。平均每月裝機(jī)臺(tái)數(shù)為810臺(tái)，居世界第二位。同時(shí)，在全國7個(gè)地區(qū)又建立了7個(gè)風(fēng)電基地，有24個(gè)省份正在使用該省的風(fēng)電場，使用范圍更是從偏遠(yuǎn)的西部地區(qū)到東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)。2013年，我國的整體風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量已經(jīng)位于世界第一的位置。根據(jù)我國第13個(gè)5年的能源計(jì)劃和2020年能源需求預(yù)測的標(biāo)桿計(jì)劃，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的目標(biāo)是210萬千瓦。在原有安裝的1億千瓦的風(fēng)力發(fā)電容量基礎(chǔ)上，五年的時(shí)間整體設(shè)備容量約增加了110%。在接下來的5年中，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將繼續(xù)保持此速度增長。預(yù)計(jì)2020年，我國在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)中將繼續(xù)投入大量的資金發(fā)展可再能源，并將其中30%的資金全部投入到風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展中。風(fēng)力發(fā)電未來將成為除火力和水力的第三個(gè)主要電能來源。中國也將努力在未來2~3年內(nèi)成為世界最大的風(fēng)力發(fā)電國家。累計(jì)安裝容量為1.4500億噸，將標(biāo)準(zhǔn)煤炭消費(fèi)量減少國力的15%，有效減少我國環(huán)境污染和能源短缺的壓力。1.3風(fēng)力發(fā)電變流器控制策略在對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器進(jìn)行研究時(shí)，我們可以把其分為網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器兩個(gè)部分，分別對他們進(jìn)行研究討論，彼此之間不會(huì)產(chǎn)生干擾問題。這種結(jié)構(gòu)的好處就是倆者之間不會(huì)存在大量的交流諧波，兩側(cè)的功率可以單向調(diào)節(jié)，并且可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。我們雖然在理論上可以將兩者分開進(jìn)行討論分析，但在實(shí)際中兩者是通過直流母線相連。在研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)過程中，機(jī)側(cè)變流器主要是實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對功率的調(diào)節(jié)控制。網(wǎng)側(cè)變流器是通過控制直流母線電壓的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)功率的單向調(diào)節(jié)，并且為兩側(cè)功率的雙向傳輸提供渠道。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常見的三種控制方法如下：（1）矢量控制矢量控制就是基于坐標(biāo)的改變，通過某種結(jié)構(gòu)，尋找適合的控制方法消除交流電機(jī)中有功分量和無功分量之間相互的耦合關(guān)系。矢量控制讓交流電機(jī)在工作狀態(tài)下，既可以調(diào)節(jié)方向，又可以改變速度。在機(jī)側(cè)變流器的控制中，我們可以確定的矢量為定子側(cè)電壓和定子側(cè)磁鏈。在網(wǎng)側(cè)變流器的控制中，我們可以確定的矢量為電網(wǎng)側(cè)電壓和電網(wǎng)側(cè)的磁鏈。由于雙饋電機(jī)在運(yùn)行中存在參數(shù)偏差，從而導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)不能完全處于相同的狀態(tài)。并且矢量的選取和參數(shù)的選擇都具有局限性，所以矢量控制還處在研究階段。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是直接通過轉(zhuǎn)子側(cè)電壓來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)磁鏈的控制，不需要中間變量來控制電機(jī)的運(yùn)行。該控制方法相比于矢量控制來說更直接，并且加速了對雙饋風(fēng)力電機(jī)的控制。從根本上減弱了系統(tǒng)對于參數(shù)的局限性，很大程度上的提升了電機(jī)的控制效果。文獻(xiàn)[8]基于新的速度傳感器為基礎(chǔ)，解決了原有電機(jī)內(nèi)部磁場帶來的不良影響，提高了電機(jī)在低頻率運(yùn)行下的運(yùn)行性能，并提高了電機(jī)對環(huán)境的耐受程度。文獻(xiàn)[9]在原有原理的基礎(chǔ)上，通過對零電壓矢量的添加，減弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)帶來的不良影響，從而提高了電機(jī)的運(yùn)行能力。文獻(xiàn)[10]考慮了電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)行為，所以對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了材料和模型上的改進(jìn)，進(jìn)一步減弱轉(zhuǎn)矩偏轉(zhuǎn)帶來的不良影響。但同樣帶來的問題就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，所以還需要對這種方法進(jìn)行完善。（3）直接功率控制直接功率控制與直接轉(zhuǎn)矩控制在理論上具有一定的相似性。直接功率控制是通過對有功功率和無功功率的控制，來實(shí)現(xiàn)對雙饋電機(jī)的控制。這種控制方法相比于矢量控制不需要引入電流控制部分，比較來說更加便捷、簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也更快，并且可以對于系統(tǒng)的故障穿越能力也得到了大幅度的提升。傳統(tǒng)的直接功率控制由于存在紋波調(diào)節(jié)器的控制部分，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)頻率的控制性變差，并且會(huì)產(chǎn)生大量的諧波含量，為后期設(shè)計(jì)濾波器增加了困難。針對直接功率控制開關(guān)頻率不固定的問題，國內(nèi)外的研究人員對其進(jìn)行的新的改進(jìn)。文獻(xiàn)[11]針對傳統(tǒng)直接功率紋波調(diào)節(jié)器導(dǎo)致的開關(guān)頻率不固定的問題，引入了雙滯環(huán)的控制方法，使其控制精度下降，從而保證開關(guān)頻率的恒定。文獻(xiàn)[12]提出了三相的平面拋物線環(huán)法，根據(jù)拋物線的物理特性，是紋波電流控制在一定范圍內(nèi)，從而保證了開關(guān)頻率的恒定。文獻(xiàn)[13]為了保證開關(guān)頻率的恒定，不在使用傳統(tǒng)的計(jì)量方法，而是通過引入新的空間矢量的方法，對空間的矢量值進(jìn)行變化。DFIG是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，本質(zhì)上是一種變量多、耦合性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)。所以如何解決運(yùn)行過程中非線性化和不確定因素帶來的問題，從而提高電機(jī)的運(yùn)行性能是所有研究人員需要解決的問題。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，在現(xiàn)有的關(guān)于非線性控制策略的理論基礎(chǔ)上，將這種控制方法用于雙饋電機(jī)，進(jìn)一步改進(jìn)了控制策略，從而使運(yùn)行性能得到進(jìn)一步提升。1.4本文研究主要工作本文課題名稱是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器設(shè)計(jì)，并對各項(xiàng)工作進(jìn)行積極準(zhǔn)備，主要工作內(nèi)容如下所示：（1）方案論證，給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案；（2雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器結(jié)構(gòu)組成及工作原理；（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的數(shù)學(xué)模型、控制方法及具體的設(shè)計(jì)方案；（4）搭建基于Matlab的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制系統(tǒng)；（5）完成模型仿真并給出仿真結(jié)果與分析。PAGEPAGE292雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的概述2.1.1雙饋風(fēng)力電機(jī)的工作原理雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)的模型如圖2.1所示，主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋電機(jī)、變壓器等部分組成。本章將詳細(xì)介紹雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)中各個(gè)元件的組成原理和建模過程，為下面對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略研究和仿真搭建做準(zhǔn)備。圖2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一般的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)定子和電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，電機(jī)的內(nèi)部存在兩組三相繞組。并且其分布分別繞在定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)上，所以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都可以和電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，為能量的傳輸多提供了一條渠道。轉(zhuǎn)子側(cè)三相繞組有三角形和星型兩種連接方式，其電源需要和碳刷和導(dǎo)電環(huán)配合使用。這種電機(jī)在結(jié)構(gòu)上和鼠籠式電機(jī)具有一定的相似性，但從細(xì)節(jié)上來看，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子相較于鼠籠式要更大。由于使用過程中導(dǎo)電環(huán)和碳刷更易產(chǎn)生磨損，所以更需要加大維護(hù)。所謂雙饋系統(tǒng)是指定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都可以和電網(wǎng)發(fā)生功率交換。定子側(cè)電壓由電網(wǎng)提供，轉(zhuǎn)子電壓由變頻器提供。變換器通過注入轉(zhuǎn)子電流來補(bǔ)償定子頻率和轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率之間的差值。2.1.2雙饋風(fēng)力電機(jī)運(yùn)行特性分析雙饋電機(jī)在對系統(tǒng)中的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可以通過自身的轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁得到所需要的勵(lì)磁電流，從而達(dá)到對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的調(diào)整，并且可以實(shí)現(xiàn)對于電壓值的修定。根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理可知，如果將三相對稱交流電通入到三相繞組中，在氣隙中就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)的磁場和頻率之間存在如下關(guān)系：（2.1）式（2.1）中，為三相交流電的頻率，為電機(jī)的極對數(shù)，為當(dāng)頻率為時(shí)產(chǎn)生的相對于同步轉(zhuǎn)速的速度。由上式可知，因?yàn)殡姍C(jī)的極對數(shù)為一個(gè)定值，當(dāng)改變頻率時(shí)，也將隨之改變。當(dāng)我們設(shè)定電網(wǎng)頻率為時(shí)，為轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速。則當(dāng)滿足時(shí)，則同步電機(jī)的頻率應(yīng)該與感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)繞組的頻率保持相同，可得到以下公式：（2.2）（2.3）式中、分別為定轉(zhuǎn)子角頻率，為同步角頻率，為轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率。假設(shè)感應(yīng)電機(jī)的滑差率為為：（2.4）則轉(zhuǎn)子頻率和定子頻率之間有如下關(guān)系式：（2.5）根據(jù)上述可知，定子側(cè)繞組的電動(dòng)勢不會(huì)受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速的影響，產(chǎn)生的都是相同頻率的電動(dòng)勢。2.2雙饋風(fēng)力電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為了簡化發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的功率控制研究，我們對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了具體的模型分析。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)側(cè)變流器功率控制是對定子側(cè)的無功功率和有功功率進(jìn)行控制研究，其控制方法需要通過改變發(fā)電機(jī)側(cè)的變流器間接改變轉(zhuǎn)子側(cè)電流的控制方法來完成。為了可以有效的控制被控對象，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的控制必須建立在雙饋風(fēng)力電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上。所以，本章將完成風(fēng)力機(jī)和雙饋電機(jī)的模型建立，為后續(xù)的控制研究作鋪墊。在風(fēng)力發(fā)電理論研究中，風(fēng)力機(jī)需要在風(fēng)力中提取出能量，并將此能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。根據(jù)流體力學(xué)的原理，推導(dǎo)出了風(fēng)能直接流向風(fēng)力機(jī)的公式為：（2.6）式中m為氣體質(zhì)量(kg)；為氣體速度(m/s)。當(dāng)我們已知?dú)怏w的表面積為S()，氣流的質(zhì)量為，為空氣密度。（2.7）此時(shí)向風(fēng)力機(jī)流向的風(fēng)能為：（2.8）式中為瞬時(shí)風(fēng)能。由于風(fēng)能再向風(fēng)力機(jī)的傳輸中存在損耗，不能都以機(jī)械能的形式傳輸出去。所以依照貝茨定理，風(fēng)力機(jī)對于風(fēng)能捕捉的效率主要取決于功率因數(shù)，如式（2.9）：（2.9）因此，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能為：（2.10）不能被定義為單獨(dú)的變量，而是關(guān)于風(fēng)力機(jī)高速性系數(shù)與節(jié)距角的函數(shù)關(guān)系。（2.11）和存在以下關(guān)系：（2.12）式中，風(fēng)力機(jī)高速性系數(shù)為:（2.13）由上述可見，當(dāng)節(jié)矩角為固定值時(shí)，為了能實(shí)現(xiàn)最大性能的捕獲風(fēng)能，只需要保持風(fēng)力機(jī)能一直保持在高速性系數(shù)下運(yùn)行，從而就可以使風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能利用系數(shù)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換速率可以實(shí)現(xiàn)最大值，此時(shí)最大值的轉(zhuǎn)換速率公式為：（2.14）2.3DFIG的數(shù)學(xué)模型雙饋電機(jī)中定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均按照電動(dòng)機(jī)的理論方法，為了研究的方便性，對模型做出如下假設(shè)和簡化[27]：（1）忽略系統(tǒng)中諧波和磁通量無法無限增大的影響；（2）假想三相繞組完全對稱，三相繞組氣隙直接完全對稱，并且對稱角度為120度；（3）假設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)的繞組可以完全折算到定子側(cè)，并且折算后的繞組和原繞組的個(gè)數(shù)相同。2.3.1三相靜止坐標(biāo)系（A，B，C坐標(biāo)系）上的模型圖2.2三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型圖電壓方程雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程的一般表現(xiàn)形式為：（2.15）定子側(cè)電壓方程為：（2.16）式中，、、為DFIG定子側(cè)相電壓；、、為DFIG定子側(cè)相電流；、、為DFIG定子側(cè)磁鏈；為DFIG定子側(cè)等效電阻。轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程為：（2.17）式中，、、為DFIG定子側(cè)相電壓；、、為DFIG定子側(cè)相電流；、、為DFIG定子側(cè)磁鏈；為DFIG定子側(cè)等效電阻。將雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓方程分開表示為：（2.18）定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的磁鏈一般表示式為：（2.19）式中，代表所對應(yīng)繞組的互感和自感。式（2.18）的表達(dá)式詳細(xì)展開為：（2.20）通過上述矩陣可知，由于雙饋電機(jī)中三相繞組完全對稱，所以其對應(yīng)的自感完全相等。定子側(cè)各相繞組的自感：（2.21）轉(zhuǎn)子側(cè)各相繞組的自感：（2.22）式中，為DFIG定子側(cè)主磁路的主電感；為DFIG定子側(cè)漏電感；為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)主磁路的主電感；為DFIG定子側(cè)漏電感。針對矩陣除對角線以外的互感，分類一下兩種情況：定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組間的互感：（2.23）定子繞組和轉(zhuǎn)子上的某相繞組間的互感：（2.24）由上述分析磁鏈方程式可簡寫為分塊矩陣形式：（2.25）式中，（2.26）（2）轉(zhuǎn)矩方程發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：（2.27）由上述方程綜合可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)耦合性極強(qiáng)的系統(tǒng)，同時(shí)轉(zhuǎn)矩方程和磁鏈方程存在某種關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)不能維持線性化，并且具有很強(qiáng)的時(shí)變性。（3）運(yùn)動(dòng)方程當(dāng)DFIG處在起步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，風(fēng)力機(jī)通過利用機(jī)械轉(zhuǎn)矩來使發(fā)電機(jī)達(dá)到加快運(yùn)行速度，進(jìn)而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的增大。在忽略摩擦損失帶來的影響，要使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠保持在一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩應(yīng)該和電磁轉(zhuǎn)矩大小相同。如果進(jìn)一步忽略阻尼系數(shù)和軸層的剛度等外部影響時(shí)，和之間的平衡關(guān)系為（2.28）（4）功率方程DFIG定子側(cè)有功、無功功率方程為：（2.29）（2.30）同理，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)有功、無功功率方程為：（2.31）從上述分析，在三相靜止坐標(biāo)系下對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，整個(gè)研究和推導(dǎo)過程十分繁瑣麻煩。為了進(jìn)一步簡化控制，我們將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，下文中將在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對DFIG模型進(jìn)行詳細(xì)研究。2.3.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型從上述對三相靜止坐標(biāo)系下的研究可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下是一個(gè)具有極強(qiáng)耦合性的系統(tǒng)，系統(tǒng)不能長時(shí)間保持線性化，并且具有很強(qiáng)的時(shí)變性。為了解決在三相靜止坐標(biāo)系下產(chǎn)生的這些缺點(diǎn)，我們將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。下文中我們根據(jù)磁路等效和功率守恒等原則，建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。具體示意圖如下：a三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系b兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系c三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖2.3坐標(biāo)變換示意圖（1）圖2.3所示的坐標(biāo)變換，其變換矩陣為：（2.32）由此可得其反向變換的變換矩陣為：（2.33）（2）圖2.3所示的坐標(biāo)變換，其變換矩陣為：（2.34）由此可得其反向變換的變換矩陣為：（2.35）（3）圖2.3所示的坐標(biāo)變換，其變換矩陣為：（2.36）由此可得其反向變換的變換矩陣為（2.37）由上述分析可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，我們將其產(chǎn)生的各個(gè)部分的磁量都根據(jù)坐標(biāo)軸進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，理論上認(rèn)為旋轉(zhuǎn)后磁鏈和坐標(biāo)軸保持相對靜止的狀態(tài)。因此在后續(xù)的研究中，我們研究的都是直流量。（1）電壓方程（2.38）（2）磁鏈方程（2.39）式中，，為DFIG定、轉(zhuǎn)子側(cè)的互感；，為DFIG定子側(cè)的自感；，為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的自感。（3）轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程（2.40）（4）功率方程DFIG定子有功功率和無功功率為：（2.41）由上述推導(dǎo)可知，通過對坐標(biāo)軸的改變，DFIG在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型得到了大幅度簡化，為后續(xù)的仿真設(shè)計(jì)與搭建提供了方便。2.4本章小結(jié)本章主要通過講解雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)的各個(gè)元件的建立，分析并研究了DFIG在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。為了簡化DFIG的控制策略，把對三相靜止坐標(biāo)系的研究轉(zhuǎn)化成了對兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的研究，這樣在后續(xù)的過程中都是對直流量的研究。為后面完成雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的設(shè)計(jì)做鋪墊。3雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制3.1基本結(jié)構(gòu)及等效電路矢量控制也被叫做磁場導(dǎo)向控制，本質(zhì)上就是通過頻率的改變，來改變變頻器的輸出電壓和輸出頻率的改變，從而來控制電機(jī)的輸出。這一理論最早是在1971年被德國的西門子公司提出，理論一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就得到了大批研究學(xué)者的研究認(rèn)證，讓交流電機(jī)的理論控制研究進(jìn)入了新的高度。理論的基本思想就是把交流電機(jī)通過某種方法當(dāng)做直流電機(jī)來進(jìn)行討論。矢量控制理論就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分量分解成產(chǎn)生磁場的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量分別加以控制，并且同時(shí)控制兩分量之間的角度和幅值。根據(jù)這一思想，我們可以把雙饋電機(jī)的控制轉(zhuǎn)換成對定子側(cè)的交流分量和直流分量的控制，使電機(jī)的控制難度得到了簡化。我們將這種矢量控制的方法用于雙饋電機(jī)中，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效果和性能。矢量控制框圖如下:圖3.1網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主電路DFIG的連接當(dāng)成一個(gè)整體的反電動(dòng)勢負(fù)載來進(jìn)行分析。具體的等效電路圖如下所示：圖3.2網(wǎng)側(cè)變換器基波等效電路通過對A相電流和電壓的具體分析，我們發(fā)現(xiàn)通過改變相位的角度和幅值的大小，就可以改變網(wǎng)側(cè)變流器的工作狀態(tài)。（a）當(dāng)變換器從電網(wǎng)吸收能量時(shí)，兩者之間只存在有功功率的流動(dòng)，并且交流側(cè)的電流是與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器的功率因數(shù)接近于1，并工作在整流狀態(tài)。（b）當(dāng)電網(wǎng)從變換器吸收能量時(shí)，兩者之間也只存在有功功率的傳輸，并且交流側(cè)的電流是和電網(wǎng)電壓為反相位的正弦波。網(wǎng)側(cè)變流器的功率因數(shù)還是接近于1，但此時(shí)工作于逆變狀態(tài)。（c）當(dāng)交流側(cè)電流和電網(wǎng)間的電壓存在一定的角度關(guān)系，且兩者之間的角度不為90度時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的功率因數(shù)不等于1，且無法確定具體的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)交流側(cè)的電流和電網(wǎng)側(cè)電壓的角度剛好為90度時(shí)，可以將變換器當(dāng)做高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償發(fā)生裝置來使用。3.2控制策略網(wǎng)側(cè)變換器的有四種控制策略：電壓定向控制,電壓的直接功率控制,虛擬磁鏈的定向控制和虛擬磁鏈的直接功率控制[30]。相比于其他三種控制方法，電壓的定向控制方法更加簡單便捷，所我們把電壓的定向控制作為我們下文中的重點(diǎn)研究方向。網(wǎng)側(cè)變流器采用PI雙閉環(huán)控制原理，電流內(nèi)環(huán)控制器通過電流負(fù)反饋的手段使流過電感的電流為給定幅值和相位的電流。電壓外環(huán)控制器是通過引入電壓的負(fù)反饋，使直流側(cè)電壓為穩(wěn)定值。我們將參考電壓和實(shí)際電壓的差值通入到PI控制器內(nèi)，PI調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)有效電流值來控制有功的多少。同時(shí)通過電流控制環(huán)節(jié)完成對有功和無功分量的解耦，從而完成對d軸和q軸的單獨(dú)控制。根據(jù)上述推導(dǎo)，我們對d軸和q軸進(jìn)行了詳細(xì)的分析發(fā)現(xiàn)，由于通入電網(wǎng)的電壓為固定值，當(dāng)改變d軸上的電流值時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器上輸出的有功功率也隨之改變。同理，當(dāng)改變q軸上的電流值時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器上輸出的無功功率也隨之改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了對d軸和q軸的單獨(dú)控制，有效的解決了兩者之間的耦合關(guān)系。當(dāng)有功功率大于零時(shí)，變流器從電網(wǎng)吸收能量，此時(shí)變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)有功功率小于零時(shí)，電網(wǎng)從變流器吸收能量，此時(shí)變流器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。當(dāng)無功功率大于零時(shí)，變流器吸收容性無功。當(dāng)無功功率小于零時(shí)，變流器吸收感性無功。3.3主電路及調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算3.3.1直流側(cè)電壓的選取在電網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變流器中，對于直流電壓的輸出值的要求具有很強(qiáng)的限制性。首先，直流電壓的值低于給定的最低數(shù)值時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的波形就會(huì)產(chǎn)生失真效果。直流電壓的值高于給定的最高數(shù)值時(shí)，我們就要考慮網(wǎng)側(cè)變流器側(cè)的元件是否對于電壓有足夠的耐受能力。當(dāng)提高原件對于電壓的耐受程度時(shí)，意味著所對應(yīng)的元件成本也會(huì)大幅度增加。所以直流電壓的值既要滿足所帶負(fù)載的要求，又要保證能對流過進(jìn)線電抗器的波形實(shí)現(xiàn)任意控制。從主電路圖上分析來看，由于二極管具有單向?qū)ㄐ?，二極管的導(dǎo)通只有在續(xù)流的狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，此時(shí)可以完成對系統(tǒng)的控制化。并且保證直流電壓的數(shù)值必須低于線電壓的最大值。則直流電壓表示為:（3.1）其中代表的是交流側(cè)相電壓的有效值。因?yàn)榻涣鱾?cè)存在電感和電阻，而在電感和電阻上一定會(huì)產(chǎn)生一定的壓降損失，所以整流運(yùn)行時(shí)的公式為:（3.2）逆變運(yùn)行時(shí)（3.3）當(dāng)我們所測的直流電壓滿足上述公式時(shí)，脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率和電源電流之間不會(huì)產(chǎn)生低次諧波的影響，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生畸變過程。3.3.2交流側(cè)電感的選擇在進(jìn)行網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制變流器的設(shè)計(jì)過程中，如何完成對交流側(cè)電感的選擇和設(shè)計(jì)起著十分重要的部分。電感由于作為一個(gè)動(dòng)態(tài)元件，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性會(huì)產(chǎn)生很大程度的影響，并且還限制約束了變流器的輸出值。詳細(xì)來講，交流側(cè)電感在網(wǎng)側(cè)變流器中的作用如下所示。將電網(wǎng)的電動(dòng)勢和變流器所產(chǎn)生的交流側(cè)電壓進(jìn)行分隔。（2）將脈寬調(diào)制產(chǎn)生的諧波電流濾除，得到正弦波的電流波形。（3）對于變流器來說，我們既希望得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，方便分析。我們又希望變換器可以把無功功率傳遞給電網(wǎng)。并且因?yàn)樽枘嵊兄跍p少機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振幅度，幫助系統(tǒng)在受到?jīng)_擊后可以快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以我們希望網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)可以具有一定的阻尼性。這就要求我們對電感值的選取要求十分的苛刻。當(dāng)我們選取的電感值過大時(shí)，就無法保證系統(tǒng)正常的輸出功率。根據(jù)我們研究發(fā)現(xiàn)，波形圖在過零點(diǎn)的位置時(shí)，切線的斜率最大，意味著此時(shí)變化率處于最大值。這時(shí)我們就要讓電感的選取值小一點(diǎn)，盡可能使變化速率變小。波形圖處于峰值的位置時(shí)，此時(shí)我們的電流中的脈動(dòng)可能過大，我們就需要使電感值的選取大一點(diǎn)。所以電感值就應(yīng)該被框定在這樣的一個(gè)界限值內(nèi)。在網(wǎng)側(cè)變流器的主電路研究中，為了研究的方便。我們認(rèn)定電網(wǎng)的三相電壓處于完全對稱的狀態(tài)，所有的元件都是理想原件，不存在損耗等問題，忽略系統(tǒng)的過渡過程。我們得到了具體的電流方程式為：（3.4）是開關(guān)函數(shù)，其具體函數(shù)的表達(dá)形式為（3.5）在上面的研究中，我們已經(jīng)知道交流電感的選取對于網(wǎng)側(cè)變流器的設(shè)計(jì)來說起著十分重要的地位。交流電感大小的選取將直接影響電流的波形和其內(nèi)部所含的諧波含量的多少。下式為波形畸變率的公式：（3.6）從減少諧波含量的方面來說，我們想讓電感值的選取盡快能的大一點(diǎn)。但另一方面，當(dāng)電感值的選取越大，在過零點(diǎn)時(shí)，所對應(yīng)的變化率就越大，對我們的控制研究十分不利。所以在選取電感值時(shí)，我們應(yīng)該完整的綜合兩點(diǎn)，選取一個(gè)最好的中間值。（1）交流側(cè)電感不能太小在進(jìn)行電流跟蹤部分時(shí)，我們系統(tǒng)波動(dòng)的最大值應(yīng)該大于控制系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)的任何一個(gè)數(shù)值，也就是說系統(tǒng)可承受的幅值應(yīng)大于系統(tǒng)波動(dòng)所帶來的幅值。當(dāng)我們回路內(nèi)電阻帶來的影響，考慮系統(tǒng)中可能發(fā)生的最嚴(yán)重的狀況，可得到以下公式:（3.7）（3.8）（2）交流側(cè)電感不能太大在波形圖過零點(diǎn)時(shí)，電流的變化率為最大值。為了保證在電流跟蹤過程中，變化率的變化處在范圍內(nèi)，可得到以下公式：（3.9）（3.10）3.3.3由于直流側(cè)電容的選取會(huì)讓系統(tǒng)的運(yùn)行特性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，所以如何選取直流電容，也是網(wǎng)側(cè)變流器設(shè)計(jì)的十分關(guān)鍵的一個(gè)部分。直流電容在系統(tǒng)中可以有效減少由于元件高頻率開關(guān)引起的直流電壓波紋系數(shù)。并且當(dāng)系統(tǒng)所帶的負(fù)載發(fā)生改變使，由于變流器內(nèi)存在慣性延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，可以保證電壓的紋波系數(shù)保持在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)。對于電容值的選取和電感相同，當(dāng)電容值的選取過大時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)速度就會(huì)變慢。當(dāng)電容值的選取過小時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致對于直流電壓中所含的諧波含量增加，不利于完成濾波過程。直流側(cè)電容從0時(shí)刻開始至?xí)r間達(dá)到最大值時(shí)共提供的能量是：（3.11）因?yàn)殡娙蓦妷何覀兛梢越普J(rèn)為是一個(gè)定值，所以可以計(jì)算出電容所供的能量是：（3.12）由于，所以電容的輸出容量為：（3.13）3.3.4PI脈寬調(diào)制變流器PI圖3.3電流環(huán)PI控制系統(tǒng)框圖在上圖中，代表時(shí)間常數(shù)，相當(dāng)于系統(tǒng)的開關(guān)周期。、分別為進(jìn)線電感的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。和代表PI調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。則電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：（3.14）這時(shí)對應(yīng)的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，按二階最優(yōu)指標(biāo)，令，即，得到（3.17）3.4.5PI在進(jìn)行電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要利用交流側(cè)輸入電流與直流側(cè)輸出電流兩者之間的關(guān)系來完成。首先我們要根據(jù)功率守恒的原理，忽略回路內(nèi)部電阻和功率損耗帶來的影響。認(rèn)為最終輸出的功率就是從電網(wǎng)側(cè)輸入的功率，兩者之間不存在任何功率的損耗。具體的公式表示為：（3.18）因?yàn)槭菍⒛Ｐ驮趦上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行研究，所以認(rèn)為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量磁鏈相對于坐標(biāo)軸是靜止的，所以兩者間的電流存在以下關(guān)系：（3.19）推過上述推導(dǎo)，可以得出電壓環(huán)PI控制的具體控制框圖如下：圖3.4電壓環(huán)PI控制系統(tǒng)框圖為了研究的方便，我們將上圖的電壓采樣環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)相結(jié)合，將兩者變成一個(gè)一階環(huán)節(jié)。其等效后的時(shí)間常數(shù)的公式為。我們將電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步簡化可得：（3.20）當(dāng)，則（3.21）式中，中頻帶寬的選擇要由系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)性能的要求決定，常取。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了DFIG系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略.網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略主要有四種類型：電壓定向控制,基于電壓的直接功率控制,虛擬磁通定向控制和虛擬磁通直接功率控制。本章主要對pi調(diào)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并完成了主電路的參數(shù)計(jì)算和pi調(diào)節(jié)的參數(shù)計(jì)算，為后面的仿真搭建做好基礎(chǔ)。PAGEPAGE434雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器控制4.1基本結(jié)構(gòu)及等效電路雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的運(yùn)行是由于風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所以，研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器就要分別對風(fēng)力機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器進(jìn)行研究。為了使控制方法的實(shí)現(xiàn)，我們必須對風(fēng)力機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都要有詳細(xì)的了解，以此為機(jī)側(cè)變流器的設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。雙饋感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)也是由轉(zhuǎn)子、定子和氣隙三個(gè)部分組成，與一般的繞線式異步電機(jī)的構(gòu)成相似。并且忽略工藝的精度問題，我們認(rèn)為定子和轉(zhuǎn)子上的繞組為完全對稱的三相繞組，每相繞組之間都相差120度。并且認(rèn)為在電機(jī)內(nèi)部所有氣隙的分布完全均勻。在對電機(jī)定子側(cè)繞組分析時(shí)，我們默認(rèn)按照電流流出的方向?yàn)檎较?，也就是說明將定子側(cè)看做是一個(gè)發(fā)電機(jī)。在對電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行分析時(shí)，我們默認(rèn)電流流出的方向?yàn)檎较?，也就是說明將轉(zhuǎn)子側(cè)看做為一個(gè)電動(dòng)機(jī)。在下面的分析中，為了簡化分析，我們做出以下假設(shè)：(1)認(rèn)為三相繞組之間完全對稱，每兩相繞組之間都相差120度，電機(jī)內(nèi)部所產(chǎn)生的所有磁動(dòng)勢都完全按照氣隙均勻分布，并且忽略電機(jī)內(nèi)部的諧波含量。(2)忽略電機(jī)內(nèi)部磁路飽和帶來的影響，認(rèn)為繞組的自感和互感都是唯一確定的值(3)忽略鐵損。(4)認(rèn)為電阻是一個(gè)時(shí)不變元件，電阻值不隨溫度和頻率等條件改變。(5)為了方便計(jì)算，我們將轉(zhuǎn)子側(cè)繞組參數(shù)全部向定子側(cè)進(jìn)行折算，并保證折算前后的匝數(shù)不變。根據(jù)以上我們做出的假設(shè)，我們得到了DFIG的等效電路，如圖4.1所示：..I1r1x1rm2sr'U1.E1xmU2s.Im 圖4-1DFIG等效電路4.2控制策略轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的部分對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的設(shè)計(jì)來說是最關(guān)鍵的部分，所以研究轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的設(shè)計(jì)是我們下文中的重中之重。為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制，我們需要通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器向轉(zhuǎn)子繞組中通入產(chǎn)生該磁場所需的電流。網(wǎng)側(cè)變流器的電路結(jié)構(gòu)和主電路的電路結(jié)構(gòu)的元件設(shè)備布局具有相似性，都是既可以工作在整流狀態(tài)，又可以工作在逆變狀態(tài)[36]。本論文通過間接控制的方法來實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)輸出的功率的控制。我們首先通過改變轉(zhuǎn)子電壓來改變轉(zhuǎn)子電流的數(shù)值，在進(jìn)一步根據(jù)轉(zhuǎn)子電流來控制定子電流的產(chǎn)生，從而完成對系統(tǒng)的單獨(dú)控制。并且在這種控制方法下，我們可以獨(dú)立控制有功功率和無功功率兩部分，兩者之間不存在耦合關(guān)系。我們在第二部分中已經(jīng)分析了，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)耦合性極強(qiáng)的高階系統(tǒng)，其系統(tǒng)嚴(yán)重缺乏線性化，并且內(nèi)部存在大量變量。所以如果用普通的控制方法來對系統(tǒng)進(jìn)行研究控制，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)控制過程及其繁瑣且麻煩，并且控制效果也不太理想。但如果我們使用矢量控制的方法，就可以從根本上簡化了控制方法，并且降低了變量與變量間的耦合關(guān)系因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的電流間具有很強(qiáng)的耦合性，所以在利用矢量控制方法前，我們需要對兩電流變量進(jìn)行解耦。如果對定轉(zhuǎn)子間的電流不進(jìn)行解耦控制，而是直接進(jìn)行矢量控制的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際控制效果與我們理想中的控制效果存在很大的差距。我們通過分解變量的方法，將現(xiàn)有的交流量分成無功分量和有功分量兩部分。[37]由于在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矢量控制中，被控制量是轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流值，所以我們需要找到轉(zhuǎn)子側(cè)電壓或電流量與其他物理量之間的關(guān)系。根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁鏈方程和電壓方程的公式可知：（4.1）（4.2）（4.3）令，并帶入式，得（4.4）’、’為消除轉(zhuǎn)子側(cè)電壓和電流間的耦合控制引入的解耦項(xiàng)，、為消除轉(zhuǎn)子電壓和電流間交叉耦合的關(guān)系引入的補(bǔ)償項(xiàng)。這樣我們通過解耦控制引入的補(bǔ)償項(xiàng)和解耦項(xiàng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)控制的簡化，并保留系統(tǒng)原有的動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度和控制精度。（4.5）在定子磁鏈的矢量控制下：（4.6）由上述公式可以知道，當(dāng)定子磁鏈為一定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流和電磁轉(zhuǎn)矩之間存在正比關(guān)系。所以我們根據(jù)這一理論思想設(shè)計(jì)了電流PI調(diào)節(jié)器，通過電流PI調(diào)節(jié)器去掉交叉耦合相，并且通過矢量控制的方法，利用轉(zhuǎn)子側(cè)電壓分別對發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行控制。通過上述的研究討論，我們得到了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖，如圖4.2所示控制方法和網(wǎng)側(cè)控制策略相同，都是采用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。根據(jù)以上討論，可以得出轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略框圖如圖4.2所示。我們通過對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了解耦控制，實(shí)現(xiàn)了對有功功率和無功功率的單獨(dú)控制。整個(gè)控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制方法，其內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為功率環(huán)。我們分別將有功功率和無功功率的參考值和實(shí)際值的差值通入到PI調(diào)節(jié)器內(nèi),PI調(diào)節(jié)器將輸出轉(zhuǎn)子側(cè)電流的矢量值和。和作為前饋補(bǔ)償項(xiàng)的輸入變量，同時(shí)將磁鏈計(jì)算得到的矢量值疊加在轉(zhuǎn)子電壓上，因此得到了和，在進(jìn)一步通過對坐標(biāo)系的選擇變化，得到最終的控制量為和。最后通過頻率寬度調(diào)制，得到最后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，做為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制量。實(shí)現(xiàn)了對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的解耦，大幅度提高了風(fēng)能的捕捉效率。圖4.2轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器系統(tǒng)控制框圖本文采用的定子磁鏈定向控制策略假定電網(wǎng)電壓和頻率是恒定的，若是考慮電網(wǎng)電壓的突起和跌落，可以采用文獻(xiàn)[8]提出的改進(jìn)的控制策略。4.2閉環(huán)PI4.2.1電PI雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的是雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是功率環(huán)。在進(jìn)行閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，我們一般采用從內(nèi)環(huán)向外環(huán)逐步拓展。在設(shè)計(jì)過程中，我們先對功率環(huán)進(jìn)行詳細(xì)研究，先完成對轉(zhuǎn)子d軸和q軸上功率調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，之后再根據(jù)PI調(diào)節(jié)器輸出的具體矢量值進(jìn)行電流環(huán)的控制。因此在設(shè)計(jì)過程中我們需要分別引入功率環(huán)和電壓環(huán)的調(diào)節(jié)器。令，則校正后的電流環(huán)開開環(huán)傳遞函數(shù)為（4.7）現(xiàn)有的電流環(huán)作為Ⅰ階系統(tǒng)來說，動(dòng)態(tài)性能較差。所以為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，我們把電流環(huán)變成了二階模型。當(dāng)我們令，即（4.8）由于電流環(huán)是雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)，而功率環(huán)作為外環(huán)，當(dāng)我們讓PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)唯一確定值時(shí)，我們可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：（4.9）為了進(jìn)一步簡化公式，我們忽略公式內(nèi)所含的所有高次項(xiàng)，得到的簡化式為：（4.10）4.2.2PI在風(fēng)力發(fā)電的過程中，由于風(fēng)力無法恒定，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速無法維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。為了可以解決這一問題，就需要提高系統(tǒng)對于外界干擾的防控能力。一般來講我們都是通過在風(fēng)力系統(tǒng)易受到擾動(dòng)的位置前再添加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，將原有的Ⅰ型系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為Ⅱ型系統(tǒng)。這樣我們就可以讓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不會(huì)收到外界影響，進(jìn)而達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。圖4.3轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制框圖圖中是轉(zhuǎn)速環(huán)采樣周期，PI調(diào)節(jié)器為，令常量，把時(shí)間常數(shù)為和2的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，得到轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（4.11）根據(jù)Ⅱ型系統(tǒng)的常規(guī)參數(shù)取值：（4.12）式中，中頻帶寬的大小要根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能來選擇，通常我們一般選擇為。在正常的系統(tǒng)運(yùn)行中，PI調(diào)節(jié)器只能給出參數(shù)所在的相關(guān)范圍，并不能給出一個(gè)確定的數(shù)值。在利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行原始參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，我們都是盡量小幅度的對其進(jìn)行調(diào)整。我們先保證其中一個(gè)參數(shù)穩(wěn)定不變，然后對另一個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到此參數(shù)可以讓系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。之后我們保留此參數(shù)不動(dòng)，繼續(xù)以相同的方法調(diào)節(jié)第二個(gè)參數(shù)，直到兩個(gè)參數(shù)的選取都可以是系統(tǒng)運(yùn)行處于最佳狀態(tài)。4.3本章小結(jié)本章主要講解了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器控制，通過分析機(jī)側(cè)變流器的控制原理和控制策略，通過對PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的具體計(jì)算，為下文中完成雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器仿真的搭建打下基礎(chǔ)。5系統(tǒng)建模及仿真本文通過利用Matlab完成所需的仿真驗(yàn)證，由于受電腦系統(tǒng)版本的影響，我們軟件版本選擇的是Matlab2016b的版本。Matlab在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)都是以矩陣的形式進(jìn)行處理，所以又被稱作矩陣實(shí)驗(yàn)室。Matlab是一個(gè)深受研究學(xué)者喜愛的一項(xiàng)電腦工具軟件，其原因就是它的功能十分的強(qiáng)大。他可以對數(shù)值和符號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)工程制圖和科學(xué)繪圖，同時(shí)還可以完成對數(shù)字圖像和信號(hào)的處理。而對于電氣專業(yè)的學(xué)生來說，它的強(qiáng)大在于可以完成對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真搭建，從而去試驗(yàn)課題研究理論和方法是否具有可實(shí)性。在對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的仿真搭建中，我們主要是利用Matlab中的simulin模塊。Simulin本質(zhì)上是一種可視化仿真工具，能將原本需要對于實(shí)物的設(shè)計(jì)研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dòng)態(tài)系統(tǒng)建模的研究過程中來。我們可以在模塊組中提取自己所需的仿真模塊，然后繪制出仿真系統(tǒng)框圖，并確定仿真各個(gè)元件部分的參數(shù)選擇，于是我們就是實(shí)現(xiàn)了對于仿真模型的動(dòng)態(tài)建模過程。之后我們可以根據(jù)示波器所顯示的波形進(jìn)行結(jié)果分析，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)出波形和理論波形中存在很大的差距，我們就可以對仿真模塊進(jìn)行調(diào)整，直至輸出的仿真波形達(dá)到最佳效果。5.1網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真5.1.1仿真模型建立圖5.1網(wǎng)側(cè)變流器仿真圖圖5.2網(wǎng)側(cè)變流器子系統(tǒng)的仿真圖5.1.2仿真波形分析從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在整流狀態(tài)時(shí)，輸出的A相電壓和A相電流保持同相位。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在逆變狀態(tài)時(shí)，輸出的A相電壓和A相電流為相反相位。但無論系統(tǒng)工作在哪一狀態(tài)下，系統(tǒng)的功率因數(shù)都不會(huì)發(fā)生改變，始終為單位功率因數(shù)。具體波形如下圖5.3所示：圖5.3網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流波形1.5s之后，網(wǎng)側(cè)變流器的工作狀態(tài)發(fā)生了改變，由原來的整流狀態(tài)變?yōu)榱四孀儬顟B(tài)。在工作狀態(tài)發(fā)生改變的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)很小的波動(dòng)，且波動(dòng)時(shí)間很短，瞬間恢復(fù)到原有的穩(wěn)定狀態(tài)。圖5.4直流母線電壓波形5.2機(jī)側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真5.1.1仿真模型建立圖5.5轉(zhuǎn)子側(cè)變換器仿真模型圖5.6風(fēng)機(jī)仿真模型圖5.7定子磁鏈仿真模型5.1.2仿真波形分析當(dāng)DFIG由次同步運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌竭\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，定子A相上的電壓和電流波形的頻率都是相同的，跟雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)到底工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)無關(guān)。圖5.8定子側(cè)A相電壓和電流波形圖圖5.10轉(zhuǎn)子電流波形圖5.10表示的是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流的動(dòng)態(tài)變化過程。通過分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子電流的頻率與轉(zhuǎn)子頻率之和恰好是定子電壓上的頻率值。也就是說明要想完成雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以在頻率恒定的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)變速的要求，只需要滿足定子電壓的頻率值為轉(zhuǎn)子頻率和轉(zhuǎn)子電流頻率之和就可以完成變速的想法。當(dāng)所給風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速發(fā)生改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)所輸出來的機(jī)械扭矩也會(huì)隨之發(fā)生改變。而機(jī)械轉(zhuǎn)矩的改變，直接影響DFIG定子側(cè)輸入的有功功率的值。然而，根據(jù)圖5.12所示，我們發(fā)現(xiàn)無論如何改變風(fēng)力機(jī)發(fā)出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，無功功率都不會(huì)隨機(jī)械轉(zhuǎn)矩的改變產(chǎn)生大幅度的變化。這就說明無功功率和有功功率直接不存在耦合關(guān)系，即兩者之間不存在干擾。圖5.11定子輸出有功功率圖5.12定子輸出無功功率6總結(jié)通過在中國知網(wǎng)、百度文庫、以及校內(nèi)圖書館以及指導(dǎo)老師處查找獲得大量有關(guān)課題資料，對論文課題有了初步的認(rèn)識(shí)。首先了解到了清潔能源對于世界發(fā)展的重要性，隨著風(fēng)電的不斷發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電的重要性和前景性被越來越多的國家認(rèn)識(shí)到。我們首先對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了建模分析，將其分為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系下兩種情況進(jìn)行分析。然后根據(jù)已有的理論知識(shí)進(jìn)行研究，我們決定在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器設(shè)計(jì)過程中使用PI控制策略的方法。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的設(shè)計(jì)我們分成兩個(gè)部分進(jìn)行分析，分別是網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器兩個(gè)部分。隨后通過Mtlab的Simulink環(huán)境下建立雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的仿真模型，最后根據(jù)得到的仿真的波形，對于A相的電壓、電流和母線電壓、有功功率和無功功率等量根據(jù)所得波形進(jìn)行簡要的分析。最終得到仿真結(jié)果，使畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿完成?；仡欁约旱漠厴I(yè)設(shè)計(jì)，從最初拿到這個(gè)畢設(shè)題目的緊張和陌生，到今天獨(dú)立的完成此項(xiàng)畢設(shè)題目，這讓我對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有了很詳細(xì)的理解，也讓我自己的理論體系更加完善。并且在論文的編寫中，更讓我熟練掌握了Matlab、公式編輯器、visial等功能多樣性的工具軟件，這也為我將來的工作提前做了鋪墊和訓(xùn)練。參考文獻(xiàn)[1]陳輝明，徐甫榮.發(fā)電廠高壓變頻器調(diào)速應(yīng)用技術(shù)綜述[J].走進(jìn)應(yīng)用，2007(1)[2]董學(xué)武，范巖.發(fā)電廠高壓變頻器選型和存在問題的探討[J].廣東電力，2006(8)[3]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[4]DattaRT,RanganathanV.Asimpleposition-sensorlessalgorithmforrotor-sidefield-orientedcontrolofwound-rotorinductionmachine[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2001,(4):786-793.[5]賀子倩.變速恒頻雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)直流功率控制策略[D〕.杭州:浙江大學(xué)，2012.[6]李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.[7]HuYW,TianC,GuYK,etal.In-depthresearchondirecttorquecontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor[C]//IECON.IEEE,2002:1060-1065.[8]文定都，何玲.基于Smith模糊PID控制算法的爐溫控制系統(tǒng)儀表技術(shù)與傳感器[J],2009(4):107-117.[9]ZhiDW,XuL.DirectpowercontrolofDFIGwithconstantswitchingfrequencyandimprovedtransientperformance[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2007,22(1):110-118.[10]王亮，林成武，姚鵬．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2)．[11]姚興佳，井艷軍，王文卓，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6)．[12]HuJ,NianH,HuB,etal.DirectactiveandreactivepowerregulationofDFIGusingsliding-modecontrolapproach[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2010,25(4):1028-1039.[13]張鳳閣，金石，張武．基于無速度傳感器的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(12)：20-27．[14]李妍．關(guān)于我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)應(yīng)用狀況的分析[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，03：288．[15]許國東，葉杭冶，解鴻斌．風(fēng)電機(jī)組技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]．中國工程科學(xué)，2018，20(3)：52-58．葉杭冶．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015．劉金琨．滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．凌禹．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模、仿真與控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017．戰(zhàn)亮宇．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制的相關(guān)研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2012．苑國鋒，柴建云，李永東．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變頻器的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)XuL,CartwrightP.DirectactiveandreactivepowercontrolofDFIGforwindenergygeneration[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2006,21(3):750-758.BujaGS,KazmierkowskiMP.DirecttorquecontrolofPWMinverter-fedACmotorsasur