風(fēng)電場虛擬慣量發(fā)電機控制器研究摘要隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的依賴程度也越來越高，傳統(tǒng)的化石得光能源日趨枯竭，并且?guī)硪幌盗形廴締栴}。風(fēng)電作為新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一，受到世界各國的歡迎與重視。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使得風(fēng)能已經(jīng)成為我國能源的重要組成部分。目前，雙饋式風(fēng)電機組因無功和有功調(diào)節(jié)方便、變速運行等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在世界各地。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有靈活的有功和無功功率調(diào)節(jié)能力，如果利用此能力參與電網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)將為電網(wǎng)提供新的調(diào)節(jié)手段，業(yè)界也在這個方面開展了大量的研究工作。本文在簡要的敘述了風(fēng)力發(fā)電的研究背景與意義，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀后，對風(fēng)電場雙饋發(fā)電機的組成、運行原理、數(shù)學(xué)模型進行分析，在此基礎(chǔ)上，本文分析了雙饋式風(fēng)電機采用相應(yīng)的控制策略，對風(fēng)電場虛擬慣量控制器進行設(shè)計，并在MATLAB/SIMULINK仿真平臺搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體仿真模型，完成對了DFIG的仿真研究。關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；虛擬慣量；控制器；仿真模型目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II1緒論 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3主要研究內(nèi)容 32風(fēng)電場雙饋感應(yīng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)及原理 42.1風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型 42.2風(fēng)力發(fā)電機組組成及原理 42.3雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行原理 72.4雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型 93風(fēng)電場虛擬慣量發(fā)電機控制器設(shè)計 133.1三相逆變器常規(guī)控制 133.2功頻控制器 133.3勵磁控制器 153.4虛擬慣量支撐能力分析 174風(fēng)電場虛擬慣量控制器控制技術(shù) 194.1控制參數(shù)設(shè)計與分析 194.2控制器設(shè)計 204.3控制技術(shù)穩(wěn)定性分析 215風(fēng)電場虛擬慣量矢量控制策略與仿真 235.1空間矢量PWM（SVPWM）的原理與仿真模型 235.2網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制方式 245.3仿真結(jié)果分析 25結(jié)論 31參考文獻 321緒論1.1研究背景及意義自然界的能源對社會進步和社會生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要作用。由于化石能源如煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源是不可再生能源，且社會需求大量地能源，而這些不可再生能源隨著人類大量開采而日益稀少，所以社會發(fā)展面臨能源供應(yīng)短缺的難題，未來的化石能源逐漸枯竭。另外，環(huán)境污染的壓力越來越大，為了實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)和諧、美好的未來社會，世界各國都在可再生能源領(lǐng)域投入了大量人力物力，努力提高新能源比重，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。就風(fēng)能、太陽能等可再生能源而言，由于其在生產(chǎn)過程中不消耗煤、石油等礦物燃料，所以新能源具有潔凈、無污染、可再生等諸多優(yōu)點，因此，為解決能源危機，保護我們的生存環(huán)境，維護社會的可持續(xù)發(fā)展，包括我國在內(nèi)的許多國家都逐漸重視開發(fā)和利用可再生能源。風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、可循環(huán)利用等優(yōu)點，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全國電力系統(tǒng)中的地位日益突出。鑒于我國地區(qū)風(fēng)能資源與經(jīng)濟基礎(chǔ)不匹配，加上風(fēng)電場裝機容量、風(fēng)電場總裝機容量不斷增加，風(fēng)力發(fā)電必須從過去分散式能源就近并入電力系統(tǒng)的發(fā)電模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷L(fēng)電場、風(fēng)電場集群并入高壓電網(wǎng)進行遠距離輸電的新發(fā)電模式，所以風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)對電網(wǎng)的調(diào)度調(diào)控和穩(wěn)定運行提出了巨大的挑戰(zhàn)，同時，風(fēng)能發(fā)電已成為制約我國風(fēng)電消納和帶動風(fēng)電發(fā)展的重要因素。為貫徹國家能源規(guī)劃指導(dǎo)意見，實現(xiàn)風(fēng)電持續(xù)發(fā)展，需要創(chuàng)新的科學(xué)理論和前沿技術(shù)，以解決高風(fēng)能滲透率給電網(wǎng)穩(wěn)定、調(diào)度帶來的不容忽視的問題，其中，如何解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定影響，提高高風(fēng)能滲透率電力系統(tǒng)的頻率控制能力，就成了本文研究的切入點。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)電場的相關(guān)研究風(fēng)電作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要方式，已經(jīng)成為全球應(yīng)用最廣泛且發(fā)展最快的發(fā)電技術(shù)，在全球?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模的開發(fā)應(yīng)用。風(fēng)電已成為部分國家新增電力供應(yīng)的重要組成部分。進入21世紀以來，在歐美等國家，風(fēng)電新增裝機超過30%。隨著全球?qū)Πl(fā)展可再生能源意識的不斷提高，可以預(yù)見，在未來能源系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電地位更加重要。美國及歐洲多國都把風(fēng)電開發(fā)作為提高可再生能源占比的核心措施。很多發(fā)展中國家的風(fēng)電店家已低于當?shù)匾淮文茉窗l(fā)電上網(wǎng)電價，美國等發(fā)達國家的風(fēng)電價格也已經(jīng)與化石能源電價持平，風(fēng)電投資的下降以及技術(shù)的不斷進步使得其逐漸顯現(xiàn)出極強的經(jīng)濟性和可持續(xù)性[1]。針對風(fēng)電場設(shè)計方面，國外已進入自動化設(shè)計階段，主要依靠地形分析軟件，自動設(shè)計軟件等計算機輔助工具進行程序化設(shè)計，尤其是電氣系統(tǒng)的設(shè)計，由于受建設(shè)模式影響，各個環(huán)節(jié)都分包給了工程承包方進行設(shè)計，工程承包方依賴設(shè)備制造方，缺乏系統(tǒng)性、整體性的設(shè)計[2]。而且過分的依賴自動設(shè)計軟件，容易與現(xiàn)場的實際情況脫節(jié)，最大的弊病就是造成發(fā)電量方面的損失。因此，由于國情的不同，國外的設(shè)計方式及理念不太適用于國內(nèi)。目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電場勘察設(shè)計技術(shù)已比較成熟，隨著風(fēng)電機組及電氣設(shè)備的不斷進步，以及國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電開發(fā)資源的不斷減少，電氣設(shè)計正在朝著更加精細化、節(jié)能化的方向轉(zhuǎn)型[3]。經(jīng)過對國內(nèi)多個已建風(fēng)電場電氣系統(tǒng)的設(shè)計進行深入的學(xué)習(xí)，并且分析了風(fēng)電場電氣設(shè)備安裝、施工過程中存在的問題，同時調(diào)研了許多風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)目前風(fēng)電場電氣系統(tǒng)的設(shè)計過于程序化，部分設(shè)計偏于大眾化，沒有針對個別風(fēng)電場的具體情況進行調(diào)整，設(shè)計過于粗放，不夠精細化，這些都是風(fēng)電轉(zhuǎn)型期亟待提高的地方[4]。1.2.2風(fēng)電機組的相關(guān)研究風(fēng)電機組連接的電網(wǎng)是一個存在電壓跌落、電壓不平衡、諧波畸變等各種形式故障的弱電網(wǎng)[5]。當前風(fēng)力發(fā)電機的單機容量很小，發(fā)電量較低。傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)速影響明顯，而風(fēng)速的變化又會影響到機械功率的變化，進而影響到輸出功率值[6]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多變量、時變和強耦合性，使其運行控制較為復(fù)雜，對于DFIG系統(tǒng)，控制策略是非常重要的，目前針對控制策略，其中PWM變流器又分為機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略[7]。隨著人們生活水平的提升，用電需求也在提高，風(fēng)力發(fā)電場為了滿足增長的發(fā)電需求，需要增加發(fā)電機數(shù)量，在風(fēng)力發(fā)電場中設(shè)置大量的發(fā)電機[8-9]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般包括交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[10]。雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制氣隙磁鏈，定子側(cè)變流器控制有功功率與無功功率，直流側(cè)進行升壓并入直流輸電系統(tǒng)。電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，負序分量在同步速旋轉(zhuǎn)坐標系中表現(xiàn)而二倍頻分量。而傳統(tǒng)PI控制器只能對直流量進行無差調(diào)節(jié)，無法控制二倍頻分量。因此，DFIG系統(tǒng)輸出有功功率、無功功率與電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)二倍頻率振蕩。這有可能引發(fā)機艙與塔筒振動，降低風(fēng)電機組的使用壽命[11]。DFIG滑模直接功率控制(SMDPC)策略主要針對電網(wǎng)電網(wǎng)故障情況采用擴展有功功率的SMDPC策略，可以在不需要分解過程和鎖相環(huán)(PLL)就可以獲得正弦定子電流并抑制電網(wǎng)不平衡條件下的電磁轉(zhuǎn)矩脈動[12]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機具有風(fēng)能利用效率高，轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動、在風(fēng)速發(fā)生變化時通過轉(zhuǎn)子繞組的交流勵磁可以實現(xiàn)變速恒頻運行，鑒于雙饋發(fā)電機具有以上的優(yōu)點，雙饋發(fā)電機目前己經(jīng)成為風(fēng)電市場的主流機型[13]。二階滑模(SOSM)控制方案通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓，設(shè)計SOSM控制器使風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度跟蹤最優(yōu)速度，以最大限度的發(fā)電，并控制轉(zhuǎn)子電流跟隨外部設(shè)定值來調(diào)節(jié)定子無功功率。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不同的變流器及其發(fā)電機等均可能在系統(tǒng)中應(yīng)用，近期的研究分析表明大約風(fēng)力發(fā)電機通過電力電子功率器件并網(wǎng)，而且此種趨勢還在逐漸增大[14]。目前風(fēng)電發(fā)展的焦點問題是風(fēng)電上網(wǎng)電價問題。由于風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)的60%一70%投資在風(fēng)機設(shè)備上，而且在運營過程中風(fēng)電機組的運營維護費用又直接影響著風(fēng)電場的運營成本。因此，可以說降低風(fēng)電成本，實現(xiàn)與傳統(tǒng)火電的競爭，風(fēng)電機組在其中起著至關(guān)重要的作用[15-16]。我國的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，現(xiàn)在很多地方風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)有時候會一股腦的上馬，卻沒有考慮當?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機容量過大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀[17]。1.3主要研究內(nèi)容本文立足于實現(xiàn)虛擬慣量控制的分析與應(yīng)用，以雙饋機組的數(shù)學(xué)建模、結(jié)構(gòu)分析及組成原理為基礎(chǔ)，對風(fēng)電雙饋機組虛擬慣量控制策略、風(fēng)電場虛擬慣量發(fā)電機控制器的設(shè)計分析與設(shè)計展開研究，利用仿真模型驗證理論分析結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行分析，提出改進控制方法。2風(fēng)電場雙饋感應(yīng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)及原理2.1風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型隨著大型風(fēng)電場的相繼投入運行，風(fēng)電在電能供給方面做出的貢獻也越來越大。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)憑借良好的運行特性和較好的經(jīng)濟性己成為兆瓦級風(fēng)電機組的主流機型。作為風(fēng)力機的核心部件之一，葉片擔(dān)負著將捕獲的風(fēng)能作用于輪轂并產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩的任務(wù)。而輪轂是風(fēng)力機的核心器件，并且葉片捕獲的能量都經(jīng)過它輸送給傳動系統(tǒng)，再傳送至發(fā)電機。風(fēng)力機捕獲的功率可用下面的公式描述：（2.1）式中，表示風(fēng)力機捕獲的風(fēng)功率；A表示葉片掃掠的面積，QUOTEA=πR2，表示葉輪半徑；為空氣密度；為風(fēng)速(m/s)；表示風(fēng)能利用系數(shù)，是與QUOTEβ的函數(shù)，理論最大值為0.59，表示葉尖速比，表示槳距角。輪轂的特性可用式（2.2）來描述（2.2）式中，表示葉片側(cè)轉(zhuǎn)矩；表示齒輪箱側(cè)的轉(zhuǎn)矩；表示輪轂慣性時間常數(shù)。2.2風(fēng)力發(fā)電機組組成及原理2.2.1風(fēng)力發(fā)電機組的組成圖2.1給出了風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖，它是一種涉及電氣、機械、空氣動力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜發(fā)電設(shè)備。雖然風(fēng)電機組有很多類型，但其結(jié)構(gòu)和原理基本上都是相同的，主要是由風(fēng)輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、槳距控制系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)電機組的工作原理是：風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，由齒輪箱增速傳動裝置將產(chǎn)生的動能傳遞給發(fā)電機并使其達到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，通過對變頻器勵磁控制就可以將發(fā)電機定子中的電能并入電網(wǎng)。（1）風(fēng)輪風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵的零部件之一，它是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能的機構(gòu)，主要是由葉片和輪轂兩部分構(gòu)成的。風(fēng)電機組在運行過程中，葉片以一定的空氣動力外形在氣流作用下產(chǎn)生風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，并通過輪轂將力矩輸入到主傳動系統(tǒng)。（2）傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸器等組成。傳動系統(tǒng)把風(fēng)輪所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。齒輪箱是機組傳動系統(tǒng)中的重要機械部件，它主要的作用是將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子上的較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速。圖2.1風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖（3）發(fā)電機發(fā)電機將葉輪轉(zhuǎn)動的機械動能轉(zhuǎn)換為電能輸送給電網(wǎng)。與其他發(fā)電形式相比，風(fēng)力發(fā)電組使用的發(fā)電機類型較多，目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機組主要有鼠籠異步發(fā)電機、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機三種類型。（4）制動系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組的制動分為氣動制動與機械制動兩部分。在風(fēng)速不穩(wěn)定的情況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會越來越大，會引起系統(tǒng)的倒塌，因此需要裝置來對風(fēng)電機組進行制動。通常在齒輪箱的高速軸端設(shè)置剎車裝置（機械制動），同時配合變槳距制動裝置（氣動制動）共同對風(fēng)電機組進行制動。（5）偏航系統(tǒng)偏航系統(tǒng)的主要作用是風(fēng)輪槳葉轉(zhuǎn)子方向固定，確保能量能夠最大效率的捕獲。偏航系統(tǒng)一般包括異步風(fēng)向標、偏航電機、減速器等。風(fēng)向標將風(fēng)向的變化用電信號傳遞給偏航控制回路，控制器給偏航電機發(fā)出偏航命令，偏航齒輪在力矩作用下帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)。（6）控制系統(tǒng)風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)主要控制機組的功率和轉(zhuǎn)速。在低風(fēng)速時，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使其達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化風(fēng)能利用系數(shù)。在高風(fēng)速時，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳距角減少風(fēng)輪獲取的風(fēng)能，使機組的輸出功率保持在最大額定功率水平。（7）變槳距控制系統(tǒng)風(fēng)力機的氣動變槳和槳距角由槳距伺服來控制的。變槳距執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)葉片的槳距角，控制吸收的機械能。變槳控制系統(tǒng)通常由軸承、驅(qū)動裝置、蓄電池和逆變器等組成。常見的變槳控制系統(tǒng)有伺服電機變槳距和液壓驅(qū)動變槳距兩種類型。伺服電機變槳距系統(tǒng)由于其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，故大型風(fēng)電機組多采用伺服電機驅(qū)動變槳。（8）增速齒輪箱增速齒輪箱由兩級行星一級平行軸圓柱齒輪傳動組成，增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件之一，由于風(fēng)力機工作在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實現(xiàn)風(fēng)力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱，從增速齒輪箱通過聯(lián)軸器將能量禍合到發(fā)電機。（9）聯(lián)軸器聯(lián)軸器連接增速齒輪箱主軸與發(fā)電機主軸，將增速齒輪箱傳遞過來的能量傳遞給發(fā)電機，聯(lián)軸器為柔性連接，允許軸向和徑向產(chǎn)生一定的偏差，這樣可以在發(fā)電機中心產(chǎn)生一定位移時仍能安全運行。當傳動鏈受到過大的沖擊載荷時，聯(lián)軸器能發(fā)生打滑，以防傳動鏈受到過大的載荷。（10）發(fā)電機將風(fēng)輪軸傳來的機械能轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備，安裝在增速齒輪箱后面，通過聯(lián)軸器與增速齒輪箱連接。（11）機艙為了保護傳動系統(tǒng)，發(fā)電機以及控制裝置等部件，將它們用輕質(zhì)外罩封閉起來，稱為機艙，機艙通常采用重量輕、強度高、耐腐蝕的玻璃制造。（12）塔架機組的支撐部件，承受機組重量、風(fēng)載荷及各種動載荷，并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。2.2.2風(fēng)力發(fā)電機組的原理風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)就是控制技術(shù)和伺服傳動技術(shù)。由于在自然界中風(fēng)速的大小和方向是無法預(yù)測的，所以風(fēng)力發(fā)電機需要對風(fēng)機中的一些關(guān)鍵因素要實現(xiàn)自動控制，比如風(fēng)機的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率額的控制、變槳的轉(zhuǎn)動控制和風(fēng)機的自我保護控制等。在變槳距風(fēng)力發(fā)電機中，當輸入信號發(fā)生改變時，系統(tǒng)會自動的根據(jù)變化進行調(diào)節(jié)，同時，當風(fēng)向發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)同樣會根據(jù)風(fēng)向調(diào)整槳葉的方向，盡管如此，風(fēng)力發(fā)電機的動態(tài)性能不會受到任何影響。所以，當輸入信號發(fā)生改變時，維持風(fēng)力發(fā)電機達到最佳輸出值會變得十分困難。如圖2.2所示，表示風(fēng)力發(fā)電機的機組的控制方法。圖2.2風(fēng)力發(fā)電機組的控制方式在風(fēng)力發(fā)電機中的變槳距系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對發(fā)電機的輸出功率的控制，使得輸出功率始終在額定功率值附件變化。如前文所述，變槳距的風(fēng)力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)不會僅僅依賴于葉片的受力角度。在輸入功率小于額定功率時，控制系統(tǒng)會自動的對葉片的槳距進行調(diào)節(jié)，使其維持在0°左右不發(fā)生改變，這就相當于是一個定槳的風(fēng)力發(fā)電機，但是槳葉受到風(fēng)速的影響，使得風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也隨著改變；在輸入功率大于額定功率時，風(fēng)力發(fā)電機的連桿機構(gòu)開始工作，變槳距隨之改變，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率到額定值附近。變槳距風(fēng)力發(fā)電機和定槳距風(fēng)力發(fā)電機在相同的額定功率的前提下，前者的額定風(fēng)速會比后者小。2.3雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行原理2.3.1基本結(jié)構(gòu)圖2.3給出了雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.3雙饋感應(yīng)發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)雙饋風(fēng)機的定子繞組與電網(wǎng)直接相連，其轉(zhuǎn)子側(cè)接有雙PWM變流器，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器使轉(zhuǎn)子繞組由三相電源激勵。變流器容量僅為發(fā)電機容量的20%-30%，容量較小。變流器的低容量使雙饋風(fēng)機具有較好的經(jīng)濟性，但是該結(jié)構(gòu)很容易受到電網(wǎng)故障的影響。雙饋風(fēng)機的變流器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳遞，即兩個變流器既可以運行在整流狀態(tài)，又可以運行在逆變狀態(tài)。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)的主要作用是通過對轉(zhuǎn)子電流、電壓的適當控制，使雙饋風(fēng)機的有功功率和無功功率實現(xiàn)解耦控制。網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)的工作目標主要包括兩個方面：一是維持直流側(cè)電壓的恒定，這也是兩個變流器穩(wěn)定工作的前提；二是確保系統(tǒng)正常工作時GSC交流側(cè)以單位功率因數(shù)運行。2.3.2運行特性三相對稱交流電通過DFIG轉(zhuǎn)子繞組時，會產(chǎn)生一個相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。DFIG的運行原理如下：設(shè)表示定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，表示發(fā)電機極對數(shù)。當雙饋風(fēng)機穩(wěn)定運行時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止，即（2.3）因為，QUOTEf=np60，f1=n（2.4）實際運行中DFIG轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時，可以對轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)進行適當?shù)目刂苼肀３侄ㄗ觽?cè)頻率的恒定，實現(xiàn)風(fēng)機的變速恒頻。因此，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以不與同步轉(zhuǎn)速保持一致。轉(zhuǎn)速不同時，DFIG可以運行在亞同步、超同步和同步三種不同的狀態(tài)，下面進行分析：（1）當發(fā)電機亞同步運行時，QUOTEnr<n，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向相同，此時QUOTEn=nr+n1。（2）當發(fā)電機超同步運行時，QUOTEnr>n，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向相同，此時QUOTEn=nr-n1。（3）當發(fā)電機超同步運行時，QUOTEnr=n，轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率為0，此時相當于同步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子進行直流勵磁。不同運行狀態(tài)下DFIG功率流動關(guān)系的分析如下：設(shè)QUOTEPmcc為風(fēng)力機向發(fā)電機輸入的機械功率，為發(fā)電機定子側(cè)的輸出功率，為雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，則轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率為QUOTEPr=sPs。DFIG亞同步運行時，轉(zhuǎn)子經(jīng)過變流器從電網(wǎng)吸收有功功率進行交流勵磁，此時機組只通過定子向電網(wǎng)提供電能，此時有QUOTEPmcc=Ps-s圖2.4DFIG亞同步運行時功率流動關(guān)系DFIG超同步運行時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過變流器向電網(wǎng)饋入滑差功率，即發(fā)電機通過定子和轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)發(fā)出電能，此時有QUOTEPmcc=Ps+sP圖2.5DFIG超同步運行時功率流動關(guān)系2.4雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型（1）三相靜止坐標下DFIG的數(shù)學(xué)模型為了可以詳盡地分析與實現(xiàn)建模工作，做出了以下一系列假設(shè)：①在分析的環(huán)節(jié)中忽略空間諧波。假設(shè)這些繞組從空間方面來說處于對稱狀態(tài)，而且相差120°，同樣地，產(chǎn)生的磁動勢圍繞氣隙展開特殊的布局；圖2.6雙饋電機三相靜止坐標模型②在分析的環(huán)節(jié)中忽略磁路的非線性問題，假設(shè)全部繞組所出現(xiàn)的自感與互感以及運行部位存在密切關(guān)系，而且均是屬于不會變化的參數(shù)；③忽略鐵心所出現(xiàn)的消耗情況；④忽略頻率波動和外部環(huán)境的變化對電阻產(chǎn)生的干擾；⑤轉(zhuǎn)子所對應(yīng)的數(shù)值全數(shù)進行折算，而且全部繞組所對應(yīng)的匝數(shù)相同。在達到上述要求的情形下，DFIG的模型如圖2.6所示。從上圖能夠發(fā)現(xiàn)，軸線A、B、C并未發(fā)生變化，互差120°；從空間方面進行分析，三條軸線呈現(xiàn)對稱關(guān)系，而且隨著轉(zhuǎn)子繞組以r的速度進行工作；全部繞組所對應(yīng)的狀態(tài)能夠借助r加以描述。這樣一來，該模型能夠借助下面公式加以描述。（1）電壓方程三相定子電壓所對應(yīng)的表達式為：（2.5）三相轉(zhuǎn)子電壓方所對應(yīng)的表達式為：（2.6）式中，Usa、Usb、Usc、Ura、Urb、Urc先后指代的是定、轉(zhuǎn)子相電壓；isa、isb、isc、ira、irb、irc先后指代的是定、的是定、轉(zhuǎn)子各相繞組磁鏈；轉(zhuǎn)子相電流。（2）磁鏈方程矩陣所對應(yīng)的磁鏈方程為（2.7）在上式中（2.8）（2.9）（2.10）其中，Lms代表互感磁通達到最大參數(shù)時定子繞組的互感數(shù)值；Lmr代表互感磁通為最大值時轉(zhuǎn)子繞組的互感值，由于在實現(xiàn)折算以后全部繞組對應(yīng)的匝數(shù)相同，而且其互感磁通經(jīng)過的主氣隙所具備的磁阻相同，那么這個時候Lms=Lmr，Lis、Lir代表定子、轉(zhuǎn)子機組的漏磁情況。（2）旋轉(zhuǎn)坐標系中DFIG的數(shù)學(xué)模型dq坐標系，主要指利用某一角速度。進行特殊旋轉(zhuǎn)的直角坐標系，軸線A和不同坐標系的位置分布如圖2.7所示。圖2.7各坐標系和dq坐標系間存在的位置關(guān)系從圖2.7能夠發(fā)現(xiàn)其中存在的角度關(guān)系（2.11）其中，θ指代的是θr所對應(yīng)的初始角。圍繞坐標轉(zhuǎn)換理論，從ABC坐標系到α（2.12）在上述式子中，fa、fb、fc分別代表三相電量，fd、fq分別代表軸線A、B的電量大小。k代表變換參數(shù)，當對等功率加以轉(zhuǎn)換時，當?shù)确蛋l(fā)生變化之時，k的參數(shù)是2/3。從α、（2.13）其中fα、f3風(fēng)電場虛擬慣量發(fā)電機控制器設(shè)計3.1三相逆變器常規(guī)控制逆變器是一種電力電子器件，它能實現(xiàn)一般為正弦波或方波等其它形式的直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。其組成結(jié)構(gòu)一般包括逆變橋、控制邏輯和濾波電路三個部分。逆變電源的存在，使部分直流電源可以直接接入交流電網(wǎng)，極大地豐富了電網(wǎng)的運行方式，使交直流電源優(yōu)勢互補，提高了電能利用效率。開閉環(huán)控制通常是最常用的。開環(huán)控制方式的特點是原理簡單，電路簡單，控制可靠性高，但輸出信號易受干擾，波形穩(wěn)定性差。通過加入一些反饋變量，閉環(huán)控制可以調(diào)整電壓輸出波形，抗干擾能力大大提高。在電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中，3p-BVI系統(tǒng)基于脈寬調(diào)制技術(shù)，將直流電壓變換成交流電壓，并且對輸出電壓實時監(jiān)測，與基波電壓進行比較，經(jīng)過一定的反饋PI調(diào)節(jié)，對諧波分量加以處理，使逆變器輸出電壓的幅值小于一定的波動誤差范圍，以滿足實際要求。該逆變電路中，核心器件為IGBT，同時具備LC濾波電路以減少諧波分量。通過以上分析可知，閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方式具有更好的抗干擾能力，電壓輸出波形更加優(yōu)良，其穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性都很好;同時，LC濾波器的作用下，諧波分量也得到了有效的抑制。3.2功頻控制器3.2.1風(fēng)力發(fā)電機功頻特性頻度是衡量電能質(zhì)量的核心指標之一，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要標志。調(diào)頻發(fā)電機組發(fā)出的總功率與系統(tǒng)內(nèi)消耗的總功率相協(xié)調(diào)，能有效保持頻率穩(wěn)定。假如發(fā)生負荷突然變化的情況，這種平衡就被打破了，那么，就不能保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定值。一般情況下，在調(diào)整系統(tǒng)頻率時，都是基于原動機自動調(diào)速系統(tǒng)。若變頻調(diào)速引起電力系統(tǒng)負荷突變，則原動機的調(diào)速系統(tǒng)立即動作，使發(fā)電機輸出功率發(fā)生顯著變化。然后系統(tǒng)在新的工作狀態(tài)下運行，此時，發(fā)電機的有功功率與頻率的關(guān)系就是功頻特性。電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻作為有差調(diào)節(jié)，并不能使頻率恢復(fù)到額定值。圖3.1就是功頻特性曲線模式，在分析時，可用直線替代曲線做簡化處理。圖3.1中曲線展現(xiàn)的是初始狀態(tài)發(fā)電機工作情況，其中，工作點a位置對應(yīng)額定頻率為fN、額定有功功率pN，如果有負荷突增為p1，此時工作點的變化，就是從a向b沿著功頻特性曲線移動，系統(tǒng)頻率降低至f1將下垂調(diào)節(jié)特性展現(xiàn)出來。圖3.1功頻特性曲線發(fā)電機頻率調(diào)差系數(shù)的計算方法如下：（3.1）QUOTEψ*函數(shù)關(guān)系整理有：（3.2）3.2.2功頻控制器設(shè)計對調(diào)速器原理分析后，可得出VSG中功頻控制器原理框圖，其中凡為比例環(huán)節(jié)系數(shù)；PN為VSG在額定頻率下的初始輸出有功功率，PT為VSG所需要的機械功率。具體如圖3.2所示。圖3.2功頻控制器原理根據(jù)上述分析，在Matlab/Simulink中建立功頻控制器仿真模型如圖3.3所示。圖3.3功頻控制器模型3.3勵磁控制器3.3.1風(fēng)力發(fā)電機勵磁特性電壓是反映電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的核心指標之一，若該數(shù)值不穩(wěn)定，將對系統(tǒng)和設(shè)備的安全造成較大影響。當系統(tǒng)電壓超過容許范圍時，電力系統(tǒng)必須進行合理的控制，保證電壓值在容許范圍內(nèi)。電網(wǎng)無功功率平衡非常重要，它是維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的基本前提，其平衡函數(shù)表達式總結(jié)如下：（3.3）QG代表電源提供的無功功率，QL代表負荷消耗的無功功率。以電力系統(tǒng)無功電源產(chǎn)生無功功率總和的計算結(jié)果來看，該數(shù)值要與負荷消耗無功功率總和時刻相等才能保證無功平衡。Q-U關(guān)系可由系統(tǒng)無功負荷靜態(tài)電壓特性來分析，如圖3.4。圖3.4無功負荷靜態(tài)電壓特性當電力系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，電壓值必須保持在一個確定的值區(qū)間內(nèi)。在此期間，要保證無功電源產(chǎn)生的無功功率總量動態(tài)穩(wěn)定于消耗總量。利用勵磁控制器對同步發(fā)電機的無功輸出進行調(diào)節(jié)，合理分配機組間的無功，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。定義電壓調(diào)差系數(shù)σ為：（3.4）其標幺值σ*（3.5）電壓調(diào)差系數(shù)6能夠?qū)⑼桨l(fā)電系統(tǒng)負荷變化導(dǎo)致的電壓變化，以定量的方式表達出來，并且對機組間無功功率分配有決定性作用。如圖3.5為兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行時的無功分配曲線：圖3.5兩臺發(fā)電機并聯(lián)無功功率的分配通過將2臺同步發(fā)電機并聯(lián)共同為負載供電來研究無功功率分配情況，此時發(fā)電機1、2無功負荷為Q1、Q2。如果負荷值有變，發(fā)電機組輸出無功功率變化量就為ΔQ（3.6）3.3.2勵磁控制器設(shè)計根據(jù)前文分析，畫出VSG勵磁控制器原理框圖如圖3.6所示：圖3.6勵磁控制器原理圖3.7勵磁控制器仿真模型根據(jù)上述分析，在Matlab/Simulink中作出勵磁控制器仿真模型如圖3.7所示。圖中，QN為VSG的額定無功功率；Q為實際輸出無功功率；KQ為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，對其取值后，有KQ=σ；UN為系統(tǒng)額定電壓；如果系統(tǒng)無功變化，Q與QN二者相減經(jīng)過調(diào)差系數(shù)模塊，得到△U。將此時并網(wǎng)電壓指令值Uref與實際并網(wǎng)電壓幅值Um比對，所得結(jié)果經(jīng)PI控制器得到E3.4虛擬慣量支撐能力分析利用系統(tǒng)頻率偏差信號，可以實現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)機對虛擬慣量的支撐。風(fēng)機的轉(zhuǎn)子運動方程為：（3.7）其中，ωD為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，HD是風(fēng)機慣性時間常數(shù)，Pwind、Pref為響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率變化以提供相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電場必須實現(xiàn)有功功率的靈活調(diào)節(jié)。通過利用電網(wǎng)頻率偏差信號實施輔助功率Pad控制，則風(fēng)機的功率控制律變?yōu)椋海?.8）（3.9）這里ΔfWF是系統(tǒng)頻率偏差信號，PWF為傳遞到交流系統(tǒng)的有功功率值，P在虛擬慣量綜合控制器作用下，可以將式（3.7）中的風(fēng)機有功功率輸出值Pref用PWF替：（3.10）通過模擬同步發(fā)電機的有效慣量，可得：（3.11）這里HW為風(fēng)電場提供的虛擬有效慣量。假定風(fēng)速恒定并且不啟動槳距角控制，那么在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的動態(tài)過程中，Pwind的變化很小，基本可以忽略，從而轉(zhuǎn)子動能可全部用于系統(tǒng)的慣性支撐，可得：（3.12）將上式兩邊積分，并在轉(zhuǎn)子起始轉(zhuǎn)速ωD0（3.13）可以看出，風(fēng)場慣量支撐能力的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān):轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差越大，風(fēng)場所提供的慣量越大。同時可知，風(fēng)機的起始轉(zhuǎn)速對慣量支撐能力也有很大的影響：起始轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)場所提供的慣量也越大。綜合式（3.7）、式（3.8）與式（3.12）可得：（3.14）其中PWF0為風(fēng)電場起始有功功率。將（3.14）（3.15）從而可得風(fēng)場所能提供的有效虛擬慣量HW的表達式為：（3.16）其中，最大功率跟蹤(MPPT)控制對HW的影響表示為：（3.17）而比例控制器對HW的影響表示為：（3.18）4風(fēng)電場虛擬慣量控制器控制技術(shù)4.1控制參數(shù)設(shè)計與分析阻尼系數(shù)和虛擬慣量這兩個量非常重要，它們的值對虛擬同步機的動態(tài)穩(wěn)定性尤其是受到擾動后的功頻調(diào)節(jié)有重要影響。圖4.1傳統(tǒng)同步發(fā)電機功角特性曲線對同步發(fā)電機的功角特性進行了進一步研宄分析，把本文虛擬同步機的研究重點和上圖的特性曲線相結(jié)合，進一步研究虛擬同步機的功頻變化以及各個變量調(diào)節(jié)的策略。圖4.2同步發(fā)電機頻率振蕩曲線若擾動發(fā)生在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的時刻(a點)，那么在擾動進入后系統(tǒng)將會在b-c間反復(fù)運動運行，頻率變化過程如圖4.2所示的震蕩軌跡曲線，呈衰減態(tài)勢。在整個系統(tǒng)遭遇擾動開始到系統(tǒng)擾動減弱再到系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定運行的這一過程，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬轉(zhuǎn)子角速度一直在變，方便研究，將整個系統(tǒng)遭遇擾動開始后的整個過程分為以下部分進行研究。b點：虛擬同步機初始穩(wěn)定運行于a點，轉(zhuǎn)子角頻率與電網(wǎng)頻率相同，轉(zhuǎn)子角加速度為零，假設(shè)小干擾后虛擬同步機的功角減小，系統(tǒng)運行到b點。區(qū)間1：系統(tǒng)受到擾動后，系統(tǒng)功率不平衡，有Pm>Pe，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速，區(qū)間1中相對角速度Δω=ω-a點：系統(tǒng)再次運行到a點時，功率再次平衡Pm=Pe，此時轉(zhuǎn)子角加速度為零，但轉(zhuǎn)子角頻率高于電網(wǎng)頻率，功角進一步增大。區(qū)間2：系統(tǒng)功率不平衡，有Pm<Pe，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)子反向加速度不斷增大，功角仍進一步增大，但轉(zhuǎn)子角頻率與電網(wǎng)頻率之間的差值越來越小，需減小虛擬慣量，使得虛擬轉(zhuǎn)子角頻率加速減緩，系統(tǒng)的頻率盡快恢復(fù)到穩(wěn)定值。c點：系統(tǒng)運行到c點時，轉(zhuǎn)子角頻率與電網(wǎng)頻率相同，功角不再增大，但此時Pm<Pe，系統(tǒng)功率不平衡，轉(zhuǎn)子的反向加速度最大，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)減速，功角將開始減小。系統(tǒng)運行點將繼續(xù)沿著同一條功角特性曲線軌跡從。點返回b點。理論上，系統(tǒng)運行點從c點到a點再到b點時系統(tǒng)參數(shù)的變化過程與從b點到a點再到c點的變化過程完全相反。綜上所述，系統(tǒng)運行于區(qū)間1時，虛擬同步機的轉(zhuǎn)子處于加速狀態(tài)，增大虛擬慣量可以限制轉(zhuǎn)子角頻率的加速增加，避免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生超調(diào)越限；系統(tǒng)運行于區(qū)間2時，轉(zhuǎn)子處于減速狀態(tài)，減小虛擬慣量可使得虛擬轉(zhuǎn)子角頻率加速減緩，減小功角變化幅度，令系統(tǒng)的頻率盡快恢復(fù)到穩(wěn)定值；同理，系統(tǒng)運行于區(qū)間3和區(qū)間4時，虛擬慣量的設(shè)計需求分別與區(qū)間1和區(qū)間2相同。4.2控制器設(shè)計為了提高風(fēng)電場虛擬慣量控制器的運行穩(wěn)定性，合理的進行虛擬慣量和阻尼系數(shù)的選擇，本小節(jié)主要改進了一種虛擬同步機參數(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)，以實現(xiàn)微網(wǎng)受到擾動后，虛擬同步機的虛擬慣量和阻尼系數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的頻率變化自適應(yīng)變化數(shù)值。虛擬慣量參數(shù)控制如下：式中，J0代表微網(wǎng)穩(wěn)定運行時的虛擬慣量，Jmax和引入同步發(fā)電機的二階轉(zhuǎn)子運動方程，所以遵循二階系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，虛擬同步機的系統(tǒng)阻尼比與虛擬慣量和阻尼系數(shù)相關(guān)，而二階系統(tǒng)的阻尼比一般設(shè)計在0.5至1之間，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求和動態(tài)響應(yīng)的需求。因此本文將二階系統(tǒng)的阻尼比設(shè)計為0.8，用于控制阻尼系數(shù)。（4.2）綜合上述分析，受到擾動時，根據(jù)虛擬同步機參數(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)，虛擬慣量和阻尼系數(shù)可以連續(xù)且自適應(yīng)地在一個相對較大的取值范圍內(nèi)取值，而且保證微網(wǎng)運行在系統(tǒng)的最佳運行狀態(tài)，同時，也考慮了虛擬慣量和阻尼系數(shù)的極值限制，避免超范圍取值影響系統(tǒng)穩(wěn)定。4.3控制技術(shù)穩(wěn)定性分析對于一個給定系統(tǒng)，若能找到一個正定的能量函數(shù)，且其導(dǎo)數(shù)負定，則證明系統(tǒng)的總能量隨時間逐漸減小，最終會達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。因此，構(gòu)造虛擬同步機的能量函數(shù)如下：（4.3）其中，Y是受擾動后的系統(tǒng)的瞬態(tài)能量，m是功角曲線的幅度，公式（4.3）具有兩項。第一項風(fēng)表示虛擬同步機轉(zhuǎn)子的虛擬動能，第二項凡表示虛擬同步機轉(zhuǎn)子電角度與參考電角度之間的勢能。計算V的導(dǎo)數(shù)如下：（4.4）若系統(tǒng)穩(wěn)定，則振蕩期間的系統(tǒng)瞬態(tài)能量衰減，公式（4.4）必須為負。由于阻尼系數(shù)D>0，則-DΔω2<0，而dJ/dt近似為在每個小時間段的平均值。當控制器發(fā)生變化或收到擾動后，在b點和c點，虛擬慣量應(yīng)該分別取極小值和極大值，在這個區(qū)間內(nèi)虛擬慣量變化量為ΔJ=Jminmax，而這兩點的頻率偏移量Δω=0，故虛擬慣量的變化不會改變b點和c點處的暫態(tài)能量。在a點時，虛擬慣量將從較大值變?yōu)檩^小值，此點的ΔJ=（4.5）聯(lián)立公式（4.4），可得：（4.6）因此，結(jié)合上述分析可知，風(fēng)電場虛擬慣量控制器受到擾動時，采用虛擬同步機參數(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)控制并網(wǎng)控制器是穩(wěn)定有效的。5風(fēng)電場虛擬慣量矢量控制策略與仿真5.1空間矢量PWM（SVPWM）的原理與仿真模型SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）是一種先進的脈寬調(diào)制方法，它一直因其優(yōu)越的特性而廣泛應(yīng)用，空間矢量并不代表實際存在物理量，這是一個數(shù)學(xué)分析方法，由于SVPWM容易被控制和分析，SVPWM已經(jīng)成為熱點研究領(lǐng)域。因為SVPWM具有器件開關(guān)損耗低和直流電壓利用率高的優(yōu)點，因而SVPWM的控制方式在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用也是越來越廣泛。本節(jié)主要從SVPWM的調(diào)制原理出發(fā)，在Matlab/Simulink的仿真平臺搭建SVPWM的仿真模型。5.1.1SVPWM的調(diào)制原理PWM變換器交流側(cè)的相電壓在空間的矢量分布如式（3.6），Sa、Sb、Sc為開關(guān)函數(shù)值，每個橋臂都有2中工作狀態(tài)：數(shù)字“1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；數(shù)字“0”表示的作用效果與數(shù)字“1”相反，即上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通；因此在三相變換器中對應(yīng)有23=8種開關(guān)組合，8種開關(guān)組合分別表示8個開關(guān)相量，變換器交流側(cè)的電壓值如表5.1所示。表5.1不同開關(guān)組合時PWM變換器交流側(cè)的電壓值SaSbScVgcVgbVgcVk000000V0001-udc/3-udc/32udc/3V1010-udc/32udc/3-udc/3V2011-2udc/3udc/3udc/3V31002udc/3-udc/3-udc/3V4101udc/3-2udc/3udc/3V5110udc/3udc/3-2udc/3V6111000V7通過表5.1，PWM變換器的不同開關(guān)組合的交流側(cè)電壓可以用模值，2udc/3的空間電壓矢量來表示，每一個開關(guān)組合可以用一個電壓表示，在該開關(guān)組合時的Vga、Vgb、Vgc為該矢量在a、b、c坐標軸上的投影，每個開關(guān)矢量的相位依次相差60°，6個開關(guān)矢量將復(fù)平面分為6個扇區(qū)，還有兩個幅值為零的矢量、位于復(fù)平面的坐標原點，如圖5.1所示，矢量端點運動的軌跡為一個六邊形，如果PWM的開關(guān)頻率越高，矢量端點運動的軌跡就越接近圓。根據(jù)空間矢量合成的基本原理，在空間平面內(nèi)的任意一個電壓矢量都可以由該矢量相鄰的兩個矢量合成，α、β坐標系上合成的矢量與相鄰的兩個矢量合成的矢量作用效果是一樣的，因此只要知道了各個開關(guān)矢量的作用時間就可以計算出脈沖寬度，從而實現(xiàn)對PWM變換器的控制。圖5.1空間電壓矢量與扇區(qū)的分布5.1.2SVPWM的仿真模型根據(jù)SVPWM的調(diào)制原理，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建SVPWM的仿真模型，由前文所述，SVPWM的數(shù)字實現(xiàn)主要由扇區(qū)確定；開關(guān)矢量時間確定；確定電壓矢量及其作用時刻；三相變換器上輸出開關(guān)管的控制信號幾個部分組成，SVPWM的仿真模型如圖5.2所示。圖5.2SVPWM的仿真模型5.2網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制方式對于網(wǎng)側(cè)變換器的控制本文采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，電網(wǎng)電壓矢量經(jīng)坐標變換后與d、q坐標系的d軸同向。網(wǎng)側(cè)變換器采用電壓、電流的雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要維持直流母線電壓的穩(wěn)定和輸入cos可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)是通過電壓外環(huán)的給定信號達到電流控制的目的。由同步旋轉(zhuǎn)坐標系中網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型可得到基于d軸電網(wǎng)電壓定向、變換器交流側(cè)電壓分別用有功分量和無功分量表示的表達式：（5.1）從式（5.1）可以看出，網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流的有功分量與無功分量由網(wǎng)側(cè)電壓vgq、vgd的控制外，還與交流側(cè)電阻的壓降Rigd、Rigq以及電網(wǎng)電壓ugd、ugq、電流交叉耦合項ω1Ligq、ω1Li1gd有關(guān)，為了達到網(wǎng)側(cè)變換器控制的目的與控制要求，即需要消除d、q軸之間電流的耦合與電網(wǎng)電壓的擾動。因此引入中間變量：；；（5.2）由于采用電網(wǎng)電壓定向的控制策略，式（5.1）可以改寫為：（5.3）式（5.3）消除了d、q軸間電流的耦合，再根據(jù)式（3.17），只要控制好d、q軸電流分量的大小就可以調(diào)節(jié)變換器從電網(wǎng)吸收的功率，從而可以實現(xiàn)輸入功率因數(shù)可調(diào)，在網(wǎng)側(cè)進行單位功率因數(shù)控制時，只需要將q軸電流分量給定為零即可。5.3仿真結(jié)果分析根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)變換器以及雙饋異步發(fā)電機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的控制策略，本節(jié)主要在MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體仿真模型如圖5.3所示，其中主要包括風(fēng)力機的模型、雙PWM變換器模型及其控制模塊、雙饋異步發(fā)電機模型、并網(wǎng)斷路器等模塊組成。仿真的主要內(nèi)容包括網(wǎng)側(cè)變換器的輸入特性與直流母線電壓的特性、同時在仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了雙饋異步發(fā)電機在次同步速下的空載并網(wǎng)控制以及在并網(wǎng)后的有功與無功功率的解耦控制。圖5.3雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體仿真模型5.3.1網(wǎng)側(cè)PWM變換器的仿真為驗證網(wǎng)側(cè)PWM變換器的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略的正確性，在MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了應(yīng)用SVPWM算法的網(wǎng)側(cè)PWM變換器的仿真模型。仿真參數(shù)如下：輸入為三相對稱交流電壓，相電壓為220V，主電路每相進線的電阻R=0.01Ω，電感L=2mH，直流電壓udc的給定值為700V。在驗證網(wǎng)側(cè)PWM變換器的雙閉環(huán)控制效果時，可以將轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器及其所連接的雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組等效成一個負載，直流母線電壓的仿真結(jié)果如圖5.4所示。圖5.4直流母線電壓圖5.5A相的電壓與電流波形根據(jù)圖3-5可以看出直流母線電壓基本上穩(wěn)定在700V且基本沒有波動，直流母線的電壓從0上升到700V所用的時間大約為0.01s，響應(yīng)速度快且無超調(diào)，圖5.5為網(wǎng)側(cè)變換器在整流運行時即對應(yīng)于雙饋發(fā)電機運行與次同步狀態(tài)時A相的電壓與電流波形，變換器從電網(wǎng)吸收的無功功率為零，網(wǎng)側(cè)A相的電壓與電流始終保持同相位，網(wǎng)側(cè)變換器運行于單位功率因數(shù)狀態(tài)。5.3.2雙饋異步發(fā)電機的空載并網(wǎng)與功率解耦的仿真根據(jù)基于定子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制策略，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器通過對交流勵磁電流的控制可以調(diào)節(jié)發(fā)電機定子輸出電壓的幅值、相角和頻率使其達到并網(wǎng)的條件，完成DFIG的空載并網(wǎng)控制以及并網(wǎng)后的有功與無功功率的解耦控制?？蛰d運行系統(tǒng)由雙饋異步發(fā)電機空載模型、電網(wǎng)模塊、坐標變換模塊、空載運行控制策略模塊、三相并網(wǎng)斷路器模型等模塊組成。電網(wǎng)模塊模擬單機無窮大電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓向量被PLL模塊檢測后經(jīng)過坐標變換計算其幅值和相位；再經(jīng)除法運算得定子磁鏈ψ1和轉(zhuǎn)子電流給定值；電流調(diào)節(jié)器按PI控制算法調(diào)節(jié)發(fā)電機兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的勵磁電壓，經(jīng)2r/3s坐標變換后控制轉(zhuǎn)子三相勵磁電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機機端電壓幅值、頻率和相位?？蛰d運行三相四極雙饋異步發(fā)電機仿真參數(shù)為額定功率為5kW；UN為380V；定子電阻和漏感分別為0.435Ω、2mH；轉(zhuǎn)子電阻和漏感分別為0.816Ω、2mH；互感為69.31mH；同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。在次同步速下對應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1300r/min轉(zhuǎn)速下對雙饋異步發(fā)電機做了空載并網(wǎng)的仿真。并網(wǎng)前雙饋異步發(fā)電機處于空載狀態(tài)，在0.06s時并網(wǎng)，2.0s并網(wǎng)仿真結(jié)束，設(shè)置有功為5KW，無功為零，并網(wǎng)前后發(fā)電機定子三相輸出電壓波形如圖5.7所示，定子三相電流波形如圖5.7所示，從圖5.6和5.7可以看出，空載并網(wǎng)時間約為0.03s，并網(wǎng)沖擊電流較小并且衰減很快。圖5.6并網(wǎng)前后定子三相電壓波形圖5.7并網(wǎng)前后定子三相電流波形在完成雙饋異步發(fā)電機的空載并網(wǎng)仿真的基礎(chǔ)上再來進行有功和無功的解耦控制，完成并網(wǎng)后給定有功功率Pref為5Kw，無功功率Qref為0，在0.8s時刻改變有功的給定值為3Kw并保持不變，在1.4s時刻無功給定值為2Kvar，如圖5.8所示。圖5.8定子輸出有功功率與無功功率的給定值圖5.9為解耦控制時發(fā)電機輸出有功功率與無功功率，從圖3-10可以看出，有功的調(diào)節(jié)不影響無功的輸出，無功的調(diào)節(jié)不影響有功的輸出，有功、無功實現(xiàn)了解耦。圖5.9功率解耦時發(fā)電機輸出有功和無功圖5.10為功率調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機定子電流隨時間的變化關(guān)系，圖3.12為發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流有功分量和無功分量隨功率給定值的變化，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的有功分量只能改變發(fā)電機輸出的有功而發(fā)電機輸出的無功只與轉(zhuǎn)子電流的無功分量有關(guān)，解耦控制的仿真結(jié)果驗證了上節(jié)所說的解耦控制策略的正確性。圖5.10功率解耦時定子電流的變化圖5.11功率解耦時轉(zhuǎn)子電流有功分量與無功分量的變化并網(wǎng)運行控制仿真結(jié)果表明交流勵磁方式使雙饋異步發(fā)電機組獲得比常規(guī)機組更優(yōu)的控制效果：基于定子磁鏈定向的矢量控制策略實現(xiàn)有功、無功解耦控制和功率響應(yīng)速度快。同步發(fā)電機有功功率是通過調(diào)節(jié)原動機輸出功率來實現(xiàn)，慣性和滯后大，響應(yīng)慢，和同步發(fā)電機相比交流勵磁矢量控制能快速跟隨功率指令，大大提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時降低了對調(diào)速控制品質(zhì)的要求，減小了控制難度。從這里也可以體現(xiàn)出雙饋異步發(fā)電機相比常規(guī)同步發(fā)電機所具有的優(yōu)勢。結(jié)論無論是從保障能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，還是從節(jié)能減排來考慮，都離不開以風(fēng)力發(fā)電為主的可再生能源的補充和發(fā)展。根據(jù)世界氣象組織估計，全球可利用的風(fēng)能比地球上可開發(fā)利用的水能總量大10倍，是當今最具規(guī)?；_發(fā)潛力和商業(yè)化應(yīng)用前景的可再生能源。風(fēng)能已成為電力系統(tǒng)增長最快的綠色能源和全球發(fā)展最快的可再生能源。本文以風(fēng)電場虛擬慣量控制器為研究對象，研究了風(fēng)電機組虛擬慣量控制策略，致力于風(fēng)電在電力系統(tǒng)滲透率提升的大背景下，解決風(fēng)電機組通過全功率變流器并網(wǎng)對系統(tǒng)表現(xiàn)出無慣性響應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性下降的難題。參考文獻巫卿，俞雷，趙曉明.某山區(qū)風(fēng)電場電氣主接線設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2017，34（06）：98-100.王睿.99MW風(fēng)電場升壓站電氣設(shè)計優(yōu)化方案[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2017（11）：154-155.郭娟，孫建松，佘雙翔.海上風(fēng)電場主要電氣設(shè)備防腐及散熱方案研究[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（40）：225.曹慧利.風(fēng)電場電氣設(shè)備中風(fēng)力發(fā)電機的運行維護[J].中國高新區(qū)，2017（13）：95.於妮颯.不平衡電網(wǎng)下雙饋異步風(fēng)電系統(tǒng)的預(yù)測電流控制技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2013.趙靜波.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略[J/OL].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè):1-4[2018-12-13].劉晉.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D].華北電力大學(xué),2014.柴向春,奎明瑋.基于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及行業(yè)發(fā)展分析[J].中國新通信,2018,20(21):227.未瑞.風(fēng)力發(fā)電項目技術(shù)經(jīng)濟綜合評價理論及應(yīng)用研究[D]華北電力大學(xué)(北京),2009.NicolasPatin，EricMonmasson,andJean-PaulLouis.Analysisandcontrolofacascadeddoubly-fedinductiongenerator[J].IEEEIECON.PP.2487-2492.黃守道，王毅，王耀南.無刷雙饋電機風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)與仿真研究[[J].湖南大學(xué)學(xué)報,2004,(1):37-40.長沼二巳.風(fēng)力発電の原理[J].日本能源學(xué)會誌，2011，90(6)：573-578.柏中亞.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制策略研究與實現(xiàn)[D].重慶理工大學(xué),2018.SunD,WangX,NianH,etal.ASliding-ModeDirectPowerControlStrategyforDFIGUnderBothBalancedandUnbalancedGridConditionsUsingExtendedActivePower[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,PP(99):1-1.LiuX,HanY,WangC.Second-orderslidingmodecontrolforpoweroptimisationofDFIG-basedvariablespeedwindturbine[J].IetRenewablePowerGeneration,2017,11(2):408-418.李少林.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬平臺研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.李豪,鄭衡,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