[14]。轉(zhuǎn)子慣性控制由虛擬慣性控制和比例控制組成。轉(zhuǎn)子慣性控制是在風電機組的中依據(jù)頻率的變化率或頻率的偏差來調(diào)整機組輸出的有功功率，從而參與到系統(tǒng)頻率的調(diào)整。文獻[15]通過附加的頻率控制環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子動能進行控制，來進行頻率的調(diào)節(jié)。文獻[16]基于附加功率控制，提出了附加轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)頻策略，這個控制策略在頻率下降到最低值時的調(diào)頻效果較好。但是在頻率恢復的階段可能會導致頻率的再次跌落。文獻[17]提出下垂系數(shù)的數(shù)值R可以根據(jù)機組的不同運行情況改變，這樣可以使在頻率變化的開始和恢復階段都有較好調(diào)頻性能。文獻[18]提出了一種慣量協(xié)同控制策略，在多機并網(wǎng)時相比普通控制策略有良好的調(diào)頻效果，有效避免了頻率的再次跌落。如果風電機組沒有運行在滿載狀態(tài)，那么就會剩下備用的有功功率，該功率可以被用來對系統(tǒng)的頻率進行調(diào)整，這就是所謂的功率備用控制。在這種控制方式下，風電機組對風能不可以實現(xiàn)最大利用，否則沒有功率備用，機組運行在了最大功率追蹤控制的附近。這種控制包括了對槳距角進行控制和對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度進行控制。文獻[19]對風電機組采用超速減載的控制方式對雙饋風機進行頻率調(diào)節(jié)。文獻[20]在風電機組中加入對槳距角的控制，這樣當風機運行環(huán)境處于較高風速時，可以預留夠頻率調(diào)節(jié)需要的備用有功功率。當風機使用該控制策略時，也有一定的缺點，其經(jīng)濟性相比最大風能利用控制較低。附加儲能控制能夠快速的吸收和釋放能量，利用它抑制了風電的大范圍波動，從而可以對系統(tǒng)頻率進行調(diào)整。下面是幾種常見的儲能方式，分別舉例說明。機械儲能的方式主要包括抽水來暫時進行蓄能、利用動能的飛輪儲能等形式；化學儲能大部分都是利用燃料電池來儲能；電化學儲能釋放的能量很大，并且反應的過程很劇烈，被人們廣泛利用并具有良好的發(fā)展前景。電子技術(shù)和半導體材料的發(fā)展，儲能技術(shù)不斷完善，利用儲能技術(shù)使風電場參與調(diào)頻可以容易的實現(xiàn)。文獻[21]把超導儲能設備加入風電機組，解決了轉(zhuǎn)速恢復導致的頻率再次跌落問題。文獻[22]將電容器控制和變流器控制結(jié)合在一起，減少了風力發(fā)電系統(tǒng)的功率起伏波動現(xiàn)象，使系統(tǒng)的頻率更加穩(wěn)定。文獻[23]用飛輪輔助來參與電力系統(tǒng)的功率—頻率控制，經(jīng)過仿真證明了儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)調(diào)頻的作用。附加儲能控制也有比較明顯的缺點，就是其建設成本較高，經(jīng)濟性較低。儲能技術(shù)特性對比如表1-2所示。表1-2儲能技術(shù)特性對比1.5本文主要研究內(nèi)容我國某些地區(qū)的風電功率占區(qū)域電網(wǎng)功率的百分比已經(jīng)達到了20%以上，風電的大規(guī)模并入電網(wǎng)，會使電力系統(tǒng)具有的慣性降低，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，本文主要以直驅(qū)風電機組為研究對象，分析其組成成分和運行原理，并提出風電機組的下垂控制策略。主要研究內(nèi)容如下：在第一章中分析了我國的能源現(xiàn)狀和風能利用情況，對常用的風電機組分類，并說明直驅(qū)風電機組的研究現(xiàn)狀和風電場調(diào)頻控制的研究現(xiàn)狀。在第二章中說明了直驅(qū)風電機組的基本原理和組成部分。它主要包括了提取風能的風力渦輪機、連接風力機和發(fā)電機的傳動機構(gòu)、輸出電能的永磁同步發(fā)電機以及全功率變頻器，并在PSCAD中對它們進行建模。第三章建立了直驅(qū)風機的控制模型，包括了對槳距角的控制、對風能的最大追蹤利用以及對機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變頻器的控制。最后在第四章說明了風電場調(diào)頻的主要控制策略，并對下垂控制策略的原理進行詳細說明。之后在仿真軟件PSCAD中，建立直驅(qū)風電機組和交流電源共同為負荷供電的模型，在第三秒時加入或者移去變動負荷，來觀察頻率的變化。然后再加上下垂控制策略，與不加控制策略時相對比，以此來驗證下垂控制策略的有效性。第二章直驅(qū)風電機組的建模2.1風電機組的工作原理直驅(qū)風電機組由風力渦輪機、永磁（無刷）同步發(fā)電機、傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、全功率變換器和直流環(huán)節(jié)斬波器組成。AC/DC的實現(xiàn)是由機側(cè)變換器作用，它與發(fā)電機相連；DC/AC的實現(xiàn)由網(wǎng)側(cè)變換器作用，它與交流電網(wǎng)連接，它們共同構(gòu)成了全功率變換器。直流環(huán)節(jié)可以保持直流電壓的穩(wěn)定。直驅(qū)風電機組中，傳動機構(gòu)把同步發(fā)電機和風力機耦合，從而免去了齒輪箱這一機械部件，簡化了風電機組的組成部件，提高了機組運行的可靠性。同時發(fā)電機通過永磁體來進行勵磁，不再需要了勵磁繞組，免除了勵磁損耗，使運行效率有所提高。所以,永磁直驅(qū)風電機組在風電這個領域得到了越來越多的關(guān)注。直驅(qū)風電機組的模型如圖2-1所示。圖2-1直驅(qū)風電機組的結(jié)構(gòu)框圖2.2風力機的數(shù)學模型在風流動吹向風力機帶動風輪旋轉(zhuǎn)的過程中實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化，首先能量轉(zhuǎn)化為風輪旋轉(zhuǎn)的動能，風輪帶動傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，由傳動機構(gòu)把機械能送至永磁同步發(fā)電機。發(fā)電機再通過電磁感應關(guān)系生成電能，從而實現(xiàn)整個機組的能量轉(zhuǎn)化。風力機的參數(shù)和機構(gòu)將決定整個系統(tǒng)輸出的功率，由風機的理論知識可得，風機輸出的機械功率為：Pa其中，為風機的機械輸出功率（W）；為風力機的掃風面積（），，為風輪半徑；為風能的利用率；為空氣密度（kg/m3）為風速(m/s)。與節(jié)距角、葉尖速比的值有關(guān)。葉尖速比可以用式（2-2）表示：λ=其中，——風力機葉輪的轉(zhuǎn)速（rad/s）。風力機對應的機械輸入轉(zhuǎn)矩方程為：T由式(2-3)可知，風機的輸出的功率與利用系數(shù)CP、風輪半徑的大小、風機所處環(huán)境的空氣質(zhì)量密度ρ以及風速v的大小有關(guān)。因為三次方關(guān)系，風速很大程度上決定了輸出功率的大小。對于已經(jīng)設計好的風力機，其風輪的半徑和環(huán)境空氣密度已經(jīng)無法改變，此時Pa起決于風速v的大小及風能利用系數(shù)CP的數(shù)值。由風機理論得，CP一定小于0.593，考慮風輪機設計、運行與風況的非理想狀況，實際情況CP應小于0.5。利用系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為，其中定義為槳距角，定義為葉尖速比。在槳距角為一確定不變的數(shù)值時，在這種情況下只與有關(guān)，其關(guān)系如圖2-2所示。由函數(shù)圖像可得，利用系數(shù)有一個最大值，橫坐標相應的值為。由于風速的大小在時刻變化，風機運行時，為了使風能能夠最大利用，風力渦輪機變速運行，以保持葉尖速比的數(shù)值不變。圖2-2風能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線關(guān)系2.3傳動機構(gòu)的數(shù)學模型傳動機構(gòu)包括了低速軸和高速軸兩個部分，一般情況下會采用三質(zhì)量塊模型或者兩質(zhì)量塊模型。下面以兩質(zhì)量塊模型進行分析，模型相對簡單且已達到所需的精度需求。傳動機構(gòu)連接風力渦輪機和永磁同步發(fā)電機，風機旋轉(zhuǎn)從而帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，進而通過電磁感應關(guān)系生成電能。2其中：和分別是永磁同步發(fā)電機與風力渦輪機的慣性時間常數(shù)(s);為兩質(zhì)量塊傳動軸的剛度系數(shù)（）；發(fā)電機轉(zhuǎn)子的自阻尼系數(shù)（）；風力機轉(zhuǎn)子的自阻尼系數(shù)（）；為風力渦輪機相對于永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角位移（）;為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩();為同步轉(zhuǎn)速（）；發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（）。2.4直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機模型因為直驅(qū)風電機組的風力機與發(fā)電機的低轉(zhuǎn)速軸直接耦合，所以當風速改變時，風輪轉(zhuǎn)速相應變化。永磁風電機組的發(fā)電機在轉(zhuǎn)子磁極上所使用的制作材料比較特別。它使用了永久的磁性材料制作而成。在制作工藝上，對永久磁極的輪廓和外形進行設計和制造，使其產(chǎn)生的磁場以正弦函數(shù)形狀分布在發(fā)電機定轉(zhuǎn)子的空氣氣隙中。并且轉(zhuǎn)子磁極的軸線和永磁體產(chǎn)生磁場的軸線在同一位置，軸線的旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速。由此可得，同步旋轉(zhuǎn)軸系的位置與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系的位置是相同的。當我們給定子線匝加上一組對稱的三相交流電時，交流電的作用便建立了電機所需的定子磁場。該磁場也以正弦形狀分布，磁場的旋轉(zhuǎn)速度也為同步轉(zhuǎn)速。當系統(tǒng)承擔的負載為某一定值時，我們可以計算使功率角呈90度。這時，直驅(qū)風機的發(fā)電機就達到了解耦控制，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的控制策略，其過程和效果與直流電機相似。同步發(fā)電機數(shù)學模型的建立，必須先做如下的假設：要忽略鐵心的磁飽和現(xiàn)象；不考慮齒槽效應；（齒槽效應會降低發(fā)電效率）不計去阻尼繞組的影響；轉(zhuǎn)子磁鏈以正弦形狀分布；各相繞組對稱，對應的參數(shù)相等。如果在三相坐標系中對永磁同步發(fā)電機模型進行表示會比較繁瑣，通常我們不采用三相坐標系。而使用dq軸坐標系進行表示，d軸的方向與轉(zhuǎn)子中心線重合，q軸超前它90°。根據(jù)以上的分析可得，dq坐標系下發(fā)電機的定子電壓方程如下所示：u其中：:為電角頻率（）；：永磁鐵的磁鏈（）；、：定子電壓在d軸和q軸的分量（）；、：d軸q軸同步電感的大小);、：、定子電流的d軸、q軸分量（）；：定子電阻值。如果假設發(fā)電機的d軸和q軸電感相等，則將帶入上式即可化簡公式。永磁發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩計算式為：T當時，此電磁轉(zhuǎn)矩的表達式可以簡化為：T式(2-7)中的np為極對數(shù)，由計算式可得，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的d軸分量無關(guān)，而與q軸分量isq呈現(xiàn)正比關(guān)系。這樣，當在實際應用中需要不同大小的電磁轉(zhuǎn)矩時，np、ψ發(fā)電機所發(fā)出的有功無功功率的計算式為：P=2.5變換器的數(shù)學模型變換器連接了電網(wǎng)和發(fā)電機。電力電子器件的發(fā)展，使得并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)有好幾種，而不同的變頻器結(jié)構(gòu)又對應著不同的控制策略。變換器可以使用不控型器件，也可以使用半控型和全控型器件，下面簡單介紹下這幾種電力電子器件。不控型器件：不可以使用一個可以控制的信號來驅(qū)動其開通或者關(guān)斷，其所處的狀態(tài)由器件兩邊的電壓極性和大小決定。典型的例子就是電力二極管。半控型器件：可以控制其在某一時刻開通，當它需要關(guān)斷時，需要外界提供反壓使其停止工作，而不能通過控制使它關(guān)斷。比較常用的有晶閘管。全控性器件：通過控制控制極既可使其開通又能使其關(guān)斷的器件。目前常用的是IGBT，具有非常好的發(fā)展前景，近些年得到了人們廣泛的關(guān)注和應用。根據(jù)變頻器結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)電機的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)有以下幾種：電機側(cè)使用不控型器件二極管構(gòu)成整流電路，電網(wǎng)側(cè)則采用相對成熟，可以控制開通不能控制關(guān)斷的晶閘管器件構(gòu)成逆變電路。經(jīng)過整流逆變作用就可以得到與電網(wǎng)相匹配頻率相等的交流電。永磁發(fā)電機沒有勵磁繞組，且機側(cè)使用不可控器件二極管，這使得整個控制系統(tǒng)缺乏靈活性，容易導致電機的低功率因數(shù)運行。當然，這種方式也有優(yōu)點，就是成本較低，比較適合大容量的風電機組。在電機側(cè)依然采用不控型器件二極管，而電網(wǎng)側(cè)則采用PWM控制的能自我開通和關(guān)斷的電壓源變換器（VSC），通常采用IGBT。其他地方與方式一幾乎沒有區(qū)別。電網(wǎng)側(cè)逆變器采用IGBT，具有更高的開通和關(guān)斷頻率，比方式一有更好的運行性能。而且該方式下電網(wǎng)受到變換器諧波的污染更少。方式三在方式二的直流側(cè)加入升壓斬波電路，其他地方無區(qū)別。當風速較低時，機側(cè)變化器整流得到的直流側(cè)電壓相對較低，這很不利于電壓源變換器的調(diào)制逆變作用，直接導致運行效率下降以及損耗增加。而加入升壓斬波電路則可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，很好的解決這一問題。但同時也使直流側(cè)電路變得復雜，容易出現(xiàn)故障。且由于機側(cè)變換器采用不可控整流器件所導致的諧波和轉(zhuǎn)矩脈動問題仍然無法解決。方式四的出現(xiàn)使得這些問題迎刃而解。將以上幾種中電機側(cè)變換器的二極管整流也換成電壓源型變換器。這樣，電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)均采用全控型器件構(gòu)成的電壓源型變換器。通常，采用PWM控制技術(shù)來控制其開通和關(guān)斷。這種方式相對于以上三種，其成本較高，但是采用這種方式可以避免以上三種具有的各種問題。且該方案已經(jīng)比較成熟，技術(shù)實現(xiàn)也非?？煽浚刂旗`活度很高。以此構(gòu)成的全功率變頻器具有較好的輸入輸出特性使得系統(tǒng)受到的諧波污染很低。并且機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)均可以控制。本文建立雙PWM變換器結(jié)構(gòu)，為簡化問題的分析首先做出下面的假設：認為電感為理想元件，不考慮飽和現(xiàn)象對元件的影響；電容也為理想元件；認為由變換器的開通和關(guān)斷過程所導致產(chǎn)生的開關(guān)損耗以及線路的損耗足夠小，可以忽略不計；而且相比于變換器開通關(guān)斷的周期，電網(wǎng)的周期要很大。建立的模型拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3全功率變換器的數(shù)學模型圖依據(jù)流過變換器的有功功率守恒的原理，可得P=其中：:流過機側(cè)變換器的有功功率大小();：流過電容器的有功功率大小（）;:流過網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率大?。ǎ挥删W(wǎng)側(cè)變換器饋送至交流電網(wǎng)的功率為：P其中，,為網(wǎng)側(cè)電壓在d軸和q軸上的分量（V）;,為網(wǎng)側(cè)電流的d軸和q軸分量（V）;從圖2-3中可以得到，當風速增加導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加，使發(fā)電機發(fā)出的有功功率過大，這時有功功率沒有全部輸送到電網(wǎng)，多余的有功功率就會堆積在直流側(cè)，這會讓直流側(cè)的電壓上漲。相反，發(fā)出的有功功率如果過小可能會使直流側(cè)電壓跌落。因此可以在控制系統(tǒng)中保持直流側(cè)電壓不變，此時如果不計全功率變換器的損耗，就可認為發(fā)出的有功功率均傳送到電網(wǎng)。2.6永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的仿真模型2.6.1風電系統(tǒng)仿真模型我們可以通過仿真對風力發(fā)電機組的性能和運行情況進行分析，PSCAD可以用來進行電氣電子線路的仿真分析，仿真非常靈活并且十分精確。本文在PSCAD仿真平臺上搭建了風電機組的風力渦輪機、電網(wǎng)側(cè)變換器、電機側(cè)變換器、永磁同步發(fā)電機和低通濾波器的模型。圖2-4風力發(fā)電機的整體機電仿真模型圖2-4顯示了風力發(fā)電機的仿真模型，由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)從吹動的風中得到可利用的機械功率并產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩。電氣系統(tǒng)則將機械轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電氣轉(zhuǎn)矩。機械與電氣系統(tǒng)之間的接口是永磁同步發(fā)電機，它的作用是通過機械能轉(zhuǎn)化為電能。圖2-4所示的機械系統(tǒng)由風力渦輪機和槳距角控制器組成。電氣系統(tǒng)包括電網(wǎng)側(cè)變換器及其控制、電機側(cè)變換器及其控制、直流斬波電路和低通濾波電路。下面分別進行說明。2.6.2風力機仿真模型圖2-5風力機模型圖2-5為風力渦輪機的模型，模擬了從風機和槳距角控制器獲得的機械功率和轉(zhuǎn)矩。圖2-6葉尖速比λ的計算圖2-7槳距角θ的計算圖2-8風力機機械功率和轉(zhuǎn)矩的計算2.6.3永磁同步發(fā)電機模型圖2-9永磁同步發(fā)電機模型其中，W：單位速度輸入。當機器處于速度控制模式時，機器以W0速度運行；S選擇速度控制模式（1）或扭矩控制模式（0）的開關(guān)；T：單位扭矩輸入。如果機器處模式（0），則發(fā)電機根據(jù)慣性和阻尼系數(shù)、輸入和輸出扭矩計算速度。2.6.4全功率變換器模型全功率變換器如圖2-10所示，與發(fā)電機相連的是變換器的機側(cè)部分，實現(xiàn)了風能的追蹤控制；與電網(wǎng)相連的是變換器的網(wǎng)側(cè)部分，它主要維持母線電壓的相對穩(wěn)定。機側(cè)變頻器整流作用以及網(wǎng)側(cè)變換器的逆變作用，可獲以得符合電網(wǎng)質(zhì)量要求的電能。直流環(huán)節(jié)的作用是使直流母線免受過電壓的影響。交流濾波器用于變換器的交流側(cè)，主要是用來消除變換器的部分電壓諧波影響。圖2-10全功率變換器模型圖2-11變換器的構(gòu)成圖2-11中的變換器由全控性器件IGBT組成。該方案已經(jīng)比較成熟，技術(shù)實現(xiàn)也非?？煽?，控制靈活度很高。以此構(gòu)成的全功率變頻器具有較好的輸入輸出特性使得系統(tǒng)受到的諧波污染很低。2.7本章小結(jié)本章首先分析了直驅(qū)風電機組的基本原理和組成部分。它主要包括了提取風能的風力渦輪機、連接風力機和發(fā)電機的傳動機構(gòu)、輸出電能的永磁同步發(fā)電機以及全功率變頻器，依次對它們進行分析，最后在PSCAD中對它們進行建模。第三章永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的控制策略和建模3.1最大風能捕獲原理風的產(chǎn)生是隨時隨地的，風的大小、速度和方向均不確定。所以相對于其他能源而言，風能的穩(wěn)定性較差，有時風速幾乎為零，所以風單位體積內(nèi)包含的能量較少。由第二章風機特性的表述可以得到，風能利用系數(shù)與節(jié)距角β和風機的葉尖速比λ有密切的關(guān)系。當槳距角為一確定不變的數(shù)值時，只與λ有關(guān)。此時，利用系數(shù)與葉尖速比λ的函數(shù)關(guān)系中有且僅有一個最大值，橫坐標相應的葉尖速比為，風機機械功率的輸出值也達到了最大。風力機的機械輸出轉(zhuǎn)矩可以表示為：T其中為槳距角和葉尖速比有關(guān)的函數(shù)：C其中，β=當系統(tǒng)處在正常工作的情況下，槳距角為一常數(shù).在理論上可以達到0.593，實際上，由于風速變化及損耗等因素，的最大值一般在0.4附近。槳距角的控制有定槳距角控制和變槳距角控制。前者是后者的基礎，后者是前者的延伸發(fā)展。下面說明變槳距相對定槳距角的優(yōu)點。當風力機運行在額定功率以下時，槳距角會處在0°附近，與定槳距角的功率曲線基本一致，相當于定槳距角;而當風力機運行在額定功率點以上時，變槳距角輸出的功率更加平穩(wěn)，見圖3-1。當變槳距控制機組與定槳距角控制機組運行在相同的額定功率點時，變槳距角的額定風速要相對較低。由于定槳距角葉片的節(jié)距無法控制，所以在風速超過額定運行點后，其功率的數(shù)值會有所下降，而變槳距角控制不會存在這種問題，其風能利用系數(shù)Cp仍然維持在較高數(shù)值。變槳距角控制的槳距角是依據(jù)輸出功率的反饋信號來調(diào)節(jié)控制的，與風速密度無關(guān)，所以當空氣密度變化時，變槳距角仍能調(diào)節(jié)葉片的角度使其以額定功率輸出。變槳距角控制相比定槳距角控制有更好的啟動和制動性能，且不需要設計啟動的程序，有更大的啟動轉(zhuǎn)矩。下面分析變槳距角風力機的調(diào)節(jié)與控制。變槳距角調(diào)節(jié)是通過變槳距角機構(gòu)，來調(diào)整槳距角的數(shù)值，使其跟隨風速的變化而改變。其包括了三個階段的過程，下面依次分析。啟動狀態(tài)：在靜止狀態(tài)下，風對葉片沒有力的作用。當風機所處環(huán)境的風速超過風機啟動所需要的最小風速時，氣流對螺旋槳葉形成攻角，風輪逐漸啟動運作。欠功率狀態(tài)：在發(fā)電機并網(wǎng)之后，當某一時刻風速大小低于額定數(shù)值時，發(fā)電機不能運行于額定功率狀態(tài)，而是處于一個較低的功率狀態(tài)。這種情況，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率來改善低風速時的運行性能和優(yōu)化功率的輸出。額定功率狀態(tài)：當風速大小增加到額定風速或超過它時，風力機便進入額定功率狀態(tài)。圖3-1為變槳距和定漿距風機在不同的風速下的輸出功率曲線。由圖可得，當風速數(shù)值低于額定風速時，兩者很相似基本一致。而當風速高于額定風速時，使用前一種控制的風機輸出的功率基本維持恒定不變，而后一種控制的風力機組則由于風機的失速，當風速增大時輸出功率反而會減少。圖3-1變槳距和定漿距風電機組的輸出功率曲線a)變槳距b)定漿距當風速發(fā)生變化時，為了使風能可以最大利用，有以下三種常用的算法：最佳葉尖速比法：這種方法需要知道風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的數(shù)值，所以需要測量儀器實時進行測量，用得到的數(shù)值計算從而使風機工作于最佳葉尖速比。其缺點為，測量準確度要求高，控制系統(tǒng)較復雜，成本相應增加。爬山法：需要測量風機每時每刻輸出的機械功率以及轉(zhuǎn)速，通過數(shù)學模型的對比使其工作在最大的功率運行點。此方法的不足是：整個方法需要消耗的時間長，會影響到控制的精度。爬山法與風輪的空氣動力學原理和特性沒有關(guān)系，可以通過軟件來實現(xiàn)爬山法。功率反饋法：通過矢量控制對轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小和頻率數(shù)值進行調(diào)節(jié)，以此使電機旋轉(zhuǎn)速度變化，從而實現(xiàn)風能的最大利用。此方法相比于其余兩個方法不需要測量風速，相對簡單。3.2機側(cè)變換器的控制策略機側(cè)變換器通過整流作用實現(xiàn)交直變化，并且可以很好的對風能進行最大追蹤控制，使風能得到最大利用。機側(cè)變換器在直驅(qū)風機中起到十分重要的作用，實現(xiàn)了對發(fā)電機和風機系統(tǒng)的控制，變換器的控制效果將會影響到直驅(qū)風機的性能，以及與電網(wǎng)連接的穩(wěn)定性。直流調(diào)速的調(diào)速性能十分良好，而交流調(diào)速則相對較差，矢量控制技術(shù)能夠使得交流調(diào)速的性能得到一些改善。具體實現(xiàn)是通過把電流在磁場定向的坐標上分解為兩個分量，一個是勵磁分量，主要用來生成電機所需磁通；另一個是轉(zhuǎn)矩分量，用來生成轉(zhuǎn)矩。這樣可以對他們分別調(diào)節(jié)，互不影響。其中轉(zhuǎn)矩控制過程與直流電機相似，有很好的控制效果，把對轉(zhuǎn)矩的控制轉(zhuǎn)化為對定子電流的控制，使轉(zhuǎn)矩控制有更加良好的性能。由此得到，矢量控制技術(shù)主要是對電流矢量的控制。設d-q坐標的旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速，d軸與q軸的關(guān)系是d軸超前于q軸，d軸的位置與永磁體產(chǎn)生的磁鏈方向相同，這樣所得到的定子電壓關(guān)系式為u式中，為發(fā)電機定子電阻的數(shù)值；、為定子電壓的在d軸和q軸上的分量；、為定子電流的在d軸和q軸上的分量；為發(fā)電機的電感；為永磁體產(chǎn)生的磁鏈。機側(cè)變換器通常使用磁鏈定向的控制策略，在d-q軸坐標系下，采用的控制方法，可以得到T其中，為極對數(shù)，Te為電磁轉(zhuǎn)矩。由式（3-3）知，isd與isq不僅受到d、q軸定子電壓的影響，而且還與電壓、和有關(guān)。所以電機的電流環(huán)控制需對d、q軸電流進行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)得到相對應的控制電壓，還需要考慮這些耦合電壓的作用才可以得到usd、u依據(jù)發(fā)電機的功率平衡關(guān)系可以得到PP其中，是輸出有功功率，是電磁功率。由式（3-5）和式（3-6）得，輸出有功功率的大小和其輸出電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值有關(guān)。而定子電流的q軸分量isq又與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)。所以，isq是由功率PI調(diào)節(jié)器的輸出給定的，有功功率的調(diào)整是由電流的閉環(huán)控制和有功的閉環(huán)控制共同作用實現(xiàn)的。在整個控制中，全功率變換器直流側(cè)中的電容功率波動很小，此時如果再不計機側(cè)網(wǎng)側(cè)變頻器的功率損失，那么由發(fā)電機發(fā)出的功率就全部輸送到了電網(wǎng)。根據(jù)上述的原理，得到如圖3圖3-2機側(cè)變換器的控制框圖3.3網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略電網(wǎng)側(cè)變換器的作用與機側(cè)恰恰相反，通過逆變作用再把直流電變成交流電，并維持直流母線電壓的穩(wěn)定。在d-q坐標系下，網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學模型為L以電網(wǎng)電壓空間矢量方向作為d軸的方向。q軸方向與之垂直，并超前90°。u由網(wǎng)側(cè)變換器饋入到電網(wǎng)的功率為P在上式中，如果的值大于0，有功功率會從直流側(cè)傳送到交流電網(wǎng)；相反，如果的值小于0，有功功率的流向就會剛好反過來。大于0意味著變換器發(fā)出滯后的無功功率；小于0則意味著變換器發(fā)出超前的無功功率。由式（3-9）得，調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)變換器輸出的有功，而調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)變換器輸出的無功，互不影響，可以分別進行控制。由電路圖可知，當電網(wǎng)吸收的有功小于發(fā)電機發(fā)出的量時，會多出一部分有功使得直流側(cè)的電容電壓增加。相反，當電網(wǎng)吸收的功率大于電機發(fā)出的量時，會使電容電壓降低。所以，通過對電容電壓控制，控制其保持不變，當變換器損耗較低不影響時，此時我們可以認為同步電機發(fā)出的有功全都輸送到電網(wǎng)。igd的給定值可以通過直流側(cè)調(diào)壓器的輸出電壓來給定。變換器輸出的無功功率可通過控制igq來改變。所以，我們一般對網(wǎng)側(cè)使用雙閉環(huán)的控制方式，直流電壓的控制為外環(huán)，電流的控制為內(nèi)環(huán)。外環(huán)穩(wěn)定直流電壓，內(nèi)環(huán)跟蹤外環(huán)輸出的和設定的。由此一來，使發(fā)電機發(fā)出的有功功率快速的輸送到電網(wǎng)，也實現(xiàn)了系統(tǒng)的無功功率控制。由式（3-7）得，igd和igq不僅受到和的影響，而且與耦合電壓、和有關(guān)。對d、q軸電流分別進行PI控制可以得到相應的電壓、，再加上電壓補償項，，就可以得到d、q軸相應的控制電壓分量、。結(jié)合直流電容電壓和電網(wǎng)電壓矢量位置角經(jīng)過空間電壓矢量調(diào)制后即可得到網(wǎng)側(cè)變換器所需要的PWM信號。由此可得，控制框圖如圖3-3所示。圖3-3網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖3.4模型建模3.4.1槳距角控制圖3-4槳距角控制圖3-5開關(guān)限位器槳距角控制如圖3-4所示，控制器同時考慮了功率和速度的誤差。輸出風速和輸出風速是風力機的重要參數(shù)，他們決定了該模型的風速范圍。當風速低于4m/s，或超過25m/s時，控制器作用。3.4.2網(wǎng)側(cè)變換器控制圖3-6電網(wǎng)側(cè)變換器圖3-6為電網(wǎng)變換器，其作用與機側(cè)恰恰相反，通過逆變作用再把直流電變成交流電。圖3-7電流單位化與電流從abc到dq0的轉(zhuǎn)化圖3-8電壓單位化與電壓從abc到dq0的轉(zhuǎn)化直流母線電壓、級聯(lián)交流電壓和無功功率控制器如圖3-9和3-10所示。這些控制器分別為解耦控制生成d軸和q軸電流指令。級聯(lián)交流電壓和無功功率控制器能夠在故障期間注入無功功率。該控制器與電壓驟降/驟升檢測器一起用于增加/減少q軸參考電流。圖3-9直流母線電壓控制器圖3-10無功功率與交流電壓控制器圖3-11d軸和q軸電流限制計算圖3-12所示的解耦電流用于產(chǎn)生變換器的參考電壓。圖3-12d、q軸解耦控制器圖3-13電網(wǎng)側(cè)控制器提供的參考電壓3.4.3機側(cè)變換器控制機側(cè)變換器實現(xiàn)交直變換，控制永磁同步發(fā)電機的有功功率和交流電壓，以獲得風力機各端所需的額定值。機側(cè)變換器控制的有效性將影響到機組運行的性能。圖3-14機側(cè)變換器有功功率控制器圖2-15機側(cè)交流電壓控制器用于解耦的電流控制器和為該控制器創(chuàng)建參考電壓的過程與網(wǎng)側(cè)變換器相同。3.5本章小結(jié)本章主要分析直驅(qū)風電場的控制策略，包括了最大風能追蹤控制，機側(cè)變換器以及網(wǎng)側(cè)變換器控制。最大風能追蹤控制實現(xiàn)了風能的最大利用，機側(cè)變換器將交流電整流為直流電，網(wǎng)側(cè)變換器將直流電逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)質(zhì)量要求的交流電。最后在PSCAD中對其進行建模。

第四章風電場調(diào)頻控制策略4.1調(diào)頻控制策略綜述近幾年來，全球化石能源逐漸短缺，安全、清潔、可靠的風力發(fā)電得到了各個國家的重視。但是隨著大規(guī)模的風電場并網(wǎng)，導致我國某些地區(qū)風電功率占區(qū)域電網(wǎng)功率的百分比逐漸提高，系統(tǒng)與風電場的作用機制越來越復雜，不利于系統(tǒng)的調(diào)頻和穩(wěn)定運行，所以十分有必要去研究風電場的調(diào)頻控制策略。直驅(qū)風電機組的機械側(cè)和電氣側(cè)沒有耦合關(guān)系，全功率變頻器完全阻隔了機組轉(zhuǎn)子的動能，使得風電機組對系統(tǒng)頻率的變化沒有任何反應，更無法對系統(tǒng)頻率做出調(diào)整，使其在正常的頻率范圍內(nèi)運行。通常，風速的大小和方向都是變化的，無法預知的，此時風電機組一般在最大功率點處運行，這樣可以十分有效的利用風能，但卻沒有備用的有功功率，因此系統(tǒng)受到干擾導致頻率出現(xiàn)大的變化的時候，風電機組無法對系統(tǒng)頻率進行適當?shù)恼{(diào)整。這將會使系統(tǒng)在增加負荷或減少負荷、出現(xiàn)運行故障等各種不正常狀態(tài)時，頻率變化范圍更大，速度更快，極大降低運行的可靠性和穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的頻率對電能的質(zhì)量有著重要的影響，是十分重要的參數(shù)，與電力設備及供電設備本身的安全和效率有著密切的關(guān)系。為了提高風電機組對頻率變化的響應能力使系統(tǒng)頻率相對穩(wěn)定，國內(nèi)發(fā)布的電網(wǎng)細則中明確指出風電場必須要能參與到系統(tǒng)的調(diào)頻，提供和其他發(fā)電廠一樣的慣性響應。下面討論兩種比較常用的風電機組。第一種是鼠籠式恒速風機，它有較好的調(diào)頻性能，和電網(wǎng)的耦合程度相比后一種較好，可以在遭遇擾動導致頻率發(fā)生變化時，提供給系統(tǒng)一定的慣性支撐。相比之下，現(xiàn)在應用比較廣泛的變速恒頻機組則沒有這一作用，必須在使用附加控制的前提下，才可以對頻率的波動變化做出反應。通常我們采用的方法有：有功功率控制和附加儲能控制。本文主要分析有功功率控制中的轉(zhuǎn)子動能控制的原理，優(yōu)缺點。附加儲能系統(tǒng)的儲能方式多種多樣,常用的有飛輪儲能,超導儲能等，本文不做詳細分析。而對轉(zhuǎn)子動能進行控制主要的措施有下垂控制、虛擬慣量控制和擁有兩者的優(yōu)點的綜合控制。下面主要對下垂控制策略的原理進行詳細說明，并在PSCAD中進行仿真驗證。4.2下垂控制下垂控制又被稱為比例控制或者斜率控制。該控制方法通過控制系統(tǒng)使得風電機組的有功出力和系統(tǒng)頻率聯(lián)系起來。通過檢測裝置來檢測發(fā)電機組有功出力，利用函數(shù)關(guān)系把有功出力轉(zhuǎn)換為頻率的控制量。這樣，我們就可以在頻率波動時，根據(jù)頻率的上升下降情況，來調(diào)節(jié)風電機組輸出的有功功率，從而參與到系統(tǒng)頻率的調(diào)整。圖4-1是下垂控制中風電機組輸出的有功功率和系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線，曲線是一條直線。下垂控制通過在有功的參考值上加入附加有功功率?Pdr圖4-1下垂控制頻率曲線當系統(tǒng)的頻率上升或者下降時，頻率變化的差值將直接決定附加有功功率的數(shù)值，控制圖如圖4-2所示。當頻率的差值超過設定的值時，下垂控制就會動作產(chǎn)生附加有功進行頻率的調(diào)整。下垂控制產(chǎn)生的有功功率附加值計算式為：?式(4-1)中，R為下垂控制環(huán)節(jié)的系數(shù)：fnom圖4-2下垂控制的結(jié)構(gòu)框圖在系統(tǒng)的頻率上升或下降時，下垂控制系數(shù)的數(shù)值將決定有功輸出的變化量。下垂控制系數(shù)一般為固定值，那么由式（4-1）得下垂控制輸出的有功功率和頻率的差值為正比例關(guān)系。所以，在頻率變化較大導致頻率的偏差（?f）較大時，下垂控制也會輸出相應較大的有功功率。當系統(tǒng)的頻率下跌到最低值時，相應輸出的有功也會達到最大值。在系統(tǒng)頻率變化的初期，?f相對較小，此時下垂控制輸出的有功功率值也會較小，系統(tǒng)的調(diào)頻性能不是很好。由于風速的隨機性，式（4-1）中的控制系數(shù)R如果為固定值，下垂控制在?f較小時，風機參與系統(tǒng)調(diào)頻的力度有限，文獻[14-15]提出了控制系數(shù)R變化的控制方法，調(diào)頻效果較好，本文主要討論下垂系數(shù)固定的情況。4.3下垂控制仿真分析上文已經(jīng)敘述了下垂控制的原理和結(jié)構(gòu)框圖。下面我們在仿真軟件中根據(jù)所建立的風電機組模型，結(jié)合調(diào)頻策略，對系統(tǒng)頻率進行調(diào)整。在搭建的模型中，100臺單機為2MW的直驅(qū)風電機組構(gòu)成了風電場，將其等值為單臺容量為200MW風電機組。整個系統(tǒng)由直驅(qū)風電機組和交流電源共同為負荷供電，交流電源的電壓為220kV,容量為200MVA，頻率為50Hz。直驅(qū)風電機組的參數(shù)如表4-1所示。整個仿真系統(tǒng)如圖4-3所示。圖4-3仿真模型參數(shù)數(shù)值額定容量200MVA機端電壓690V風電機組總數(shù)100臺單機容量2MVA表4-1直驅(qū)風電機組參數(shù)圖中的負荷由兩部分組成，一部分是固定負荷PL1+QL1，在系統(tǒng)開始運行時就接入，其值為150MW+15MVA；另一部分是變動負荷4.3.1接入變動負荷圖4-4不加控制策略在3s時接入變動負荷，導致系統(tǒng)有功功率不再平衡，系統(tǒng)頻率下跌。圖4-6為不加控制策略時頻率的變化曲線和風機輸出有功功率的變化曲線，由圖可知頻率在3s時下降，最低值為49.42Hz,隨后頻率又恢復50Hz。在這個過程中風電機組的有功出力幾乎不變，始終為200MW,風機不參與系統(tǒng)的調(diào)頻，頻率的調(diào)整完全是由交流電源的作用而恢復正常值。下面我們在風力機組中加入下垂控制策略，再觀察頻率和風機有功出力的情況。圖4-5下垂控制結(jié)構(gòu)圖圖4-6加入下垂控制策略加入下垂控制后，3s變動負荷接入系統(tǒng)時，頻率的變化范圍明顯減小，頻率的其最低值為49.73Hz，相比不加控制策略的情況，頻率上升了0.31。通過下垂控制，風電機組增加輸出有功功率來參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，使得頻率的變化范圍減少。在頻率恢復到正常水平后，風電機組輸出的有功功率也逐漸恢復到200MW。4.3.2切除變動負荷前面分析了加入變動負荷時，頻率的變化曲線以及下垂控制對頻率的調(diào)節(jié)作用。下面我們分析切除變動負荷的情況。圖4-7切除負荷不加控制策略仿真圖在系統(tǒng)運行之初，把固定負荷PL1+QL1和變動負荷PL2+Q下面分析風力發(fā)電機組加上下垂控制后，頻率的變化情況。圖4-8切除負荷加入下垂控制的情況圖4-8為加入下垂控制后，風電機組出力和系統(tǒng)頻率的變化情況。加入控制后，頻率上升的最大值為50.41Hz,相比沒有控制時的50.72Hz,有了明顯的下降。這是由于風電機組在3s時，由于下垂控制的作用，風電機組輸出的有功功率下降，參與了系統(tǒng)的調(diào)頻，增加了系統(tǒng)的慣性。4.4本章小結(jié)本章提出了直驅(qū)風機參與調(diào)頻時的控制策略，對下垂控制方法和原理做了詳細的描述，并說明其優(yōu)缺點。并在PSCAD仿真軟件中搭建了直驅(qū)風機和交流電源共同為負荷供電的仿真系統(tǒng)，在系統(tǒng)中接入固定負荷和變動負荷。當不加控制策略時，風電機組不參與系統(tǒng)調(diào)頻，頻率波動范圍較大；加了下垂控制后，風電機組通過增加或者減少輸出有功功率參與系統(tǒng)的調(diào)頻，頻率波動范圍明顯減少。仿真的結(jié)果表明下垂控制策略可以根據(jù)頻率的變化情況來調(diào)整輸出的有功功率，增加系統(tǒng)慣性，減小頻率的變化范圍，對系統(tǒng)的頻率有良好的調(diào)整效果。

結(jié)論風電的大規(guī)模并入電網(wǎng)，會使電力系統(tǒng)具有的慣性降低，我國某些地區(qū)的風電功率占區(qū)域電網(wǎng)功率的百分比已經(jīng)達到了20%以上，此時如果風電機組不具有調(diào)頻能力，這將十分不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，本文主要以直驅(qū)風電機組為研究對象，分析其組成成分和運行原理，并提出風電場的下垂控制策略。所研究的成果和結(jié)論如下：（1）分析了我國的能源現(xiàn)狀和風能利用情況，對常用的風電機組分類，并說明直驅(qū)風電機組和風電場調(diào)頻控制的研究現(xiàn)狀。（2）說明了直驅(qū)風電機組的基本原理和組成部分。它主要包括了提取風能的風力渦輪機、連接風力機和發(fā)電機的傳動機構(gòu)、輸出電能的永磁同步發(fā)電機以及全功率變頻器，并在PSCAD中對它們進行建模。（3）建立了直驅(qū)風機的控制模型，包括了對槳距角的控制、對風能的最大追蹤利用以及對機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變頻器的控制。（4）最后說明了風電場調(diào)頻的主要控制策略，并對下垂控制策略的原理進行詳細說明。之后在仿真軟件PSCAD中，建立直驅(qū)風電機組和交流電源共同為負荷供電的模型，在第三秒時加入或者移去變動負荷，來觀察頻率的變化情況。然后再加上下垂控制策略，與不加控制策略時相對比，可以得出下垂控制在系統(tǒng)頻率變化時，依據(jù)頻率的上升下降情況來調(diào)整風電機組的有功出力，有效的縮短了頻率的變化范圍，調(diào)整了系統(tǒng)的頻率。限于時間和本人能力的限制，在進行下垂控制的驗證時，如果將交流電源換成同步發(fā)電機，更能體現(xiàn)下垂控制的調(diào)頻效果。

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