变速恒频双馈风力发电机的建模与仿真研究毕业论文.doc

摘 要由于化石能源终将耗竭以及严重的环境污染，充分开发和利用可替代的清洁可再生能源是解决能源问题和环境问题的必然选择。风能作为全球发展最快的可再生能源，风力发电已成为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术。并网运行的风力发电由于得到大电网的补偿和支撑，已成为风力发电的主流。同时，双馈电机由于具有变速运行、有功无功可解耦控制、转差功率小等优点成为最广泛应用的变速恒频风力发电机型。本论文以变速恒频双馈风力发电机作为研究对象，对其进行了包括运行原理分析、控制策略实现、系统建模及仿真等工作。对双馈电机运行原理及稳态模型进行介绍后，推导了三相静止坐标系下的双馈电机数学模型，并以此为基础推导了适于应用的其模不变两相同步旋转坐标系下的数学模型。并结合最大风能追踪控制算法，基于P、Q解耦思想，对双馈电机发电运行时定子磁场定向控制策略进行了分析。在对双馈电机发电运行原理进行深入分析的基础上，将双馈电机的数学模型转化为能反映其控制思想的状态方程，利用MATLAB/Simulink分别对电机电量和机械量进行了S函数编程建模，组合成了双馈电机在发电运行时的仿真模型，再结合定子磁场定向控制策略对整个风力发电系统进行了建模。本论文对变速恒频双馈风力发电机进行了深入分析，对核心的环节进行了基于状态方程的S函数建模，整个系统的仿真模型及结果分析具有极高的实用价值，也为本人在今后的工作中对风力发电的研究奠定了良好的理论基础。关键词：风力发电；变速恒频；双馈电机；控制策略；S函数AbstractThe exploitation and utilization of renewable energy is inevitable choice for solving energy and environment issue because of gradual exhaustion of the fossil fuel and serious environment pollution. Wind energy, as a kind of renewable energy, has a promising future of being developed in the globe. Wind power has already become a new energy generation technology which is worth of exploiting in scale and an expecting future in commerce. Because of the compensation and sustentation from large power grid, grid-connected wind power has become the main technology in wind power generation. Meanwhile, doubly-fed induction generator(DFIG)has become the most widely applied wind turbine in variable speed constant frequency(VSCF)wind power generation, since it presents many advantages such as variable speed running, the decoupled control of active and reactive power, and the small rotate difference power.This dissertation takes the VSCF doubly-fed wind power generation as the research object, and focuses on its operation principle analysis, control strategy realization, modeling and simulation of system, etc. The main contents include as follows:The operation principle of DFIG and its steady model are produced. The machine model in three-phase stationary reference frame is derived, and based on this, the model in d-q synchronous rotating reference frame which is applied in industry is derived. Stator-flux orientation control strategy of DFIG generation operation is analyzed with MPPT algorithm and P-Q decoupled idea. Based on deep analysis of DFIG generation operation, it transforms the machine model into the state-equation that can reflect its control idea, and establishes models for electric and mechanical parameters of DFIG with S-Function. Then the two S-Functions are combined into a generation operation machine simulation model, which is took part in the wind power generation control model built with stator-flux orientation control strategy.This dissertation analyzes VSCF doubly-fed wind power generation system deeply, and establishes S-Function models based on state-equation for some key parts. The whole model and its conclusions are useful, which are the base for my subsequent research work on wind power generation. Keywords: Wind power, Variable speed constant frequency(VSCF), Doubly-fed induction generator(DFIG),Control strategy, S-Function目 录第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2风力发电技术概述11.2.1风力发电功率调节技术11.2.2风力发电系统常用拓扑方案2第二章 双馈电机基本理论及控制策略52.1双馈电机运行的基本原理52.2双馈电机的数学模型72.2.1三相静止坐标系下的双馈电机数学模型72.2.2坐标变换112.2.3两相同步旋转坐标系下的双馈电机数学模型132.3基于定子磁场定向的双馈电机的P、Q解耦控制162.3.1最大风能追踪控制功率参考值的计算162.3.2双馈电机基于定子磁场定向的矢量控制172.4基于S函数的变速恒频双馈风力发电系统的建模21结论31参考文献32附录1双馈电机发电运行S函数程序33附录2双馈电机转矩运动控制S函数程序35致谢36变速恒频双馈风力发电机的建模与仿真研究第一章 绪 论1.1 课题研究背景及意义在化石能源日益短缺和环境污染日益严重的今天，充分和利用可再生能源是解决能源和环境问题的必然选择，如风能、太阳能、潮汐能等。虽然中国的传统能源能自给自足，但在全球范围内化石资源面临枯竭的情况下，极力发展新的可替代的可再生能源是特别重要的；同时我国的资源分布极不平衡，东部沿海地区资源的匮乏已经成为其经济发展的瓶颈，虽然从中西部地区配送能源能将问题得到部分缓解，但配送过程中能源的浪费也是惊人的，配送时间距离过长带来的效率也很有限，多方面的原因也促成中国需要开发新能源的紧迫性。其中，风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁可替代能源，风力发电又作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源发电技术，成为全球发展最快的可再生能源。世界上很多国家已充分认识到风力发电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风力发电技术的发展给予了高度重视。这其中，丹麦等欧洲发达国家在自身传统能源供给本就不足的情况下，发掘新能源很早，对其进行研究的时间较长，并已开发出大量的成熟化商业产品，据统计，丹麦国内70%的用电量来自于风力发电。我国是一个风能资源比较富集的国家，不仅是高原地带，如内蒙古等地区，同时东部沿海地区都有大量的风能储备，这都是很宝贵的能源，如果能利用好，则能解决东部沿海地区十多年来经常出现的“电荒”问题，对其经济发展是一个良好的促进。1.2风力发电技术概述1.2.1风力发电功率调节技术风力发电包含了由风能到机械能和机械能到电能两个能量转换过程，因此现代风力发电系统中风力机和电机是主要的能量转换部件，风力机及其控制系统和发电机及其控制系统的性能直接关系到整个风力发电系统的性能、能量转换效率和电能质量。其中，风力机的变浆距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术的发展趋势，也是风力发电中的核心技术。（1）风力机功率调节技术功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类调节方式：一类是定浆距失速控制，另一类是变浆距控制。1）定浆距失速控制技术风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性，当风速变化时，叶片的迎风角度固定不变。失速的含义就是当风速超过额定风速时，利用叶片本身的失速特性，节距角增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低了转换效率，达到限制功率的目的。定浆距机组的整体效率较低，当风速达到一定值时必须停机。2）变浆距调节技术变浆距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，而是通过风轮叶片的变浆距调节机构控制风力机的输出功率。变浆距调节型风机在低风速时，使叶片节距角处于零度位置，靠发电机来进行功率调节控制；在额定风速以上时再调节叶片节距角保证发电机的输出功率在允许范围内。（2）发电机功率调节技术发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分。风力发电技术可以分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术两大类。1）恒速恒频风力发电系统电机的定子一般和电网直接相连，并网后不论是同步发电机或是异步发电机，转子的旋转速度都会受到电网频率的制约，因此，与发电机相连的风力机转速不能随风速改变，从而降低了对风能的利用率。另外一个很大的缺点是当风速突变时，风能的变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等机械部件，产生很大的机械应力，造成这些部件的损坏。2）变速恒频风力发电技术可以克服恒速恒频风力发电技术的缺点。当发电机采取变速运行时，风力机的转速随之变化。风力机实现变速运行，可以在很宽风速范围内保持最佳叶尖速比，实现风能最大转换效率，提高了风能的利用率，并解决了机械应力的问题。此外，通过发电机的励磁控制，可以实现无电流冲击的软并网，使风力发电机组的运行更加平稳和安全。由于变速恒频风力发电技术有以上的优势，因此成为目前风力发电技术研究和应用的热点，本课题的研究也是建立在变速恒频基础理论之上。1.2.2风力发电系统常用拓扑方案现在的风力发电系统拓扑方案很多。根据变流器容量大小，可以分为全功率变换型风力发电系统和转差功率变换型风力发电系统；根据有无齿轮箱，可以分为传统有齿轮箱风力发电系统和直驱风力发电系统。全功率变换型风力发电系统要求变流器的容量与发电机额定容量相当，增加了系统损耗，且增加了整个风力发电系统的成本；转差功率变换型风力发电系统中，由于流过转子电路的转差功率仅为发电机额定功率的一小部分，所以功率转换装置的容量小，电压低。而直驱风力发电系统相比有齿轮箱的传统风力发电系统的优势在于，前者没有齿轮箱，因此没有齿轮箱的损耗，而且齿轮箱作为机械部件，其故障率较高，直驱型风力发电系统取消了齿轮箱，使得机组运行的故障率降低；但直驱型系统的劣势在于发电机的极对数较多，电机本体增加了成本，所以直驱型和传统有齿轮型两种风力发电系统互有优劣，在国际上和国内，有齿轮型传统风力发电系统的市场应用依然较大，直驱型系统的研究和发展也很快。现在将风力发电领域中占主导的两种拓扑方案进行间要介绍。（1）永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统6在火力发电或者水力发电系统中，同步发电机使用最为普遍。同步发电机在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定。在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有着严格不变的固定关系，以便维持发电机的频率与电网频率相同。永磁直驱型同步发电机变速恒频风力发电系统的结构如图1-1所示。该系统采用永磁同步发电机，转子为永磁式结构，无需提供外部励磁，提高了效率。其变速恒频控制在定子电路中实现，把永磁同步发电机发出的频率变化的交流电通过交-直-交变流器转变为与电网同频的交流电，因此变流器的容量与系统的额定容量相同。采用永磁同步发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。（2）变速恒频双馈风力发电系统双馈感应发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。与永磁直驱风力发电系统不同的是，双馈风力发电系统的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，其系统结构如图1-2所示。在双馈风力发电系统中，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，众所周知，异步机的转差功率仅为定子额定功率的很小一部分，而且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的变流器容量仅为发电机容量的30%左右，属于转差功率变换，这大大降低了变流器体积和成本。双馈感应发电机的另一个显著有点是其有三个可调量：励磁电流的幅值、频率及相位，因此双馈感应发电机能实现有功、无功的灵活控制，对电网而言起到了无功补偿作用。由于上述诸多优点，变速恒频双馈风力发电系统已经成为目前风力发电方面的研究热点和发展趋势，这也是本论文研究的对象。第二章双馈电机基本理论及控制策略双馈电机（DFIG）又称为交流励磁双馈发电机。这种电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，主要特征是其转子具有三相励磁绕组结构。当在转子侧通以某一频率的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上旋转磁场相对转子的转速等于同步转速，此时就在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。与采用直流励磁的同步发电机相比，双馈电机除了励磁电流的幅值可调外，励磁电流的频率和相位也可调，所以在控制上更加灵活。本章将在分析双馈电机运行的基本原理及数学模型的基础上紧接上一章对最大风能追踪控制的问题进行更深入的分析。2.1双馈电机运行的基本原理在变速恒频风力发电系统中，定子绕组接入工频电网，转子绕组接入频率、幅值、相位均可调节的三相变流器（励磁电源），通过控制转子侧变流器实现定子侧恒频恒压的电力输出。图中，分别为双馈电机的定子和转子电流的频率， 为定子磁场的电角速度，即同步电角速度，为转子磁场相对于转子的电角速度，为转子的电角速度。由电机学理论可知，要使电机稳定运行，定子磁场与转子磁场应保持相对静止且同步旋转，所以可以得到 （3-1）同时由于，带入式（3-1）可以得到4,5 （3-2）式中，为转子转速；，分别为同步转速和转差转速；为电机极对数。当电机转速变化时，可通过调节转子励磁电流频率保持定子输出频率的恒定，这就是变速恒频双馈发电系统运行的原理。当电机亚同步运行时，转子绕组相序与定子相同；当电机超同步运行时，转子绕组相序与定子相反；当电机同步运行时，转子进行直流励磁。根据异步电机的知识可以得到在不计铁耗和机械损耗的情况下，双馈电机的能量流动关系： （3-3）式中，为转子轴上输入的机械功率，在忽略传动轴损耗的情况下，也可以看作风力机的输出机械功率；为转子励磁变流器输入的电功率；为定子侧输出的电功率；为定子绕组铜耗；为转子绕组铜耗；s为转差率。等号左边以输入功率为正，右边以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗的情况下，等式（3-3）可近似写为 （3-4）由式（3-4）可知，转子的电磁功率始终保持为转差功率，仅为定子电磁功率的很小一部分，所以与转子相连接的变流器的容量就仅为发电机容量的一小部分，这样既大大降低了变流器的成本，又有利于提高双馈发电机的容量，这正是双馈电机作为变速恒频发电机的一个优势所在。对于双馈电机，当其处于亚同步状态时，s0，变流器向转子绕组输入电功率；当其处于超同步状态时，s0，变流器从转子绕组吸收电功率。可见，双馈电机的转子能量是在电网和发电机之间双向流动的。2.2双馈电机的数学模型交流电机的动态性能是比较复杂的，转子绕组相对于定子绕组在做运动，因此定子与转子之间的耦合系数在位置不断变化的情况下会连续变化，说明电机是非线性的、时变的，但为了了解DFIG的基本特性，从三相静止坐标系入手对电机进行分析是必须的，也是很必要的，再从三相静止系统经过坐标变换到简化的两相系统，这也是电机分析的常规方法。2.2.1三相静止坐标系下的双馈电机数学模型仍然以定子侧按照发电机惯例，转子侧按照电动机惯例进行分析，在分析前，先作如下假定：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是线性的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组的影响；（5）转子侧参数都折算到定子侧，折算后定子和转子绕组匝数相等。说明：在以后的推导和式子中，定子侧参数均用下标1表示，转子侧参数用下标2表示。将DFIG绕组等效为如图3-3所示的模型：（1）电压方程 （3-6）简写成： （3-7）式中，为定、转子相电压瞬时值；为定、转子相电流瞬时值；为定、转子各相绕组全磁链；为定、转子绕组电阻；p为微分算子，代表。（2）磁链方程 （3-8）其中，； 式中，每个绕组的磁链是它自身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和；为与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；为与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的转子互感值（由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，所以可认为=）；，分别为定、转子漏电感；为转子位置角（电角度）。（3）转矩方程 （3-9）式中，为电机的电磁转矩。（4）运动方程 （3-10）式中，为风力机提供的拖动转矩； 为电机的转动惯量； 为与转速成正比的阻转矩阻尼系数； 为扭转弹性转矩系数。对于恒转矩负载，则运动方程为： （3-11）（5）功率方程电机定子侧输出的瞬时功率表达式为 （3-12）2.2.2坐标变换由三相静止坐标系下的DFIG数学模型可以看到，电机转子的旋转运动使得定转子之间的互感为转子位置角的余弦函数，从而描述电机特性的数学模型是一组非线性、时变系数的微分方程组，复杂的电感矩阵给磁链分析带来困难，所以需要借助坐标变换，简化磁链关系和数学模型。坐标变换的思想是，将一个三相静止坐标系里的矢量，通过变换用一个两相静止坐标系或两相旋转坐标系里的矢量表示，在变换时可采取模不变或者功率不变的原则。前者比较与后者的优点是变换前后绕组匝数相等，缺点是变换前后不满足功率不变约束和磁势不变约束，但正交变换并不与任何特定的有意义的物理情况相一致。一些研究分析得出了绕组匝数不变原则下所推导出的系统最贴切反映了电机的物理特征，由此产生的等值电路中的电感与电机设计者正常计算的相一致，这些优点使得绕组匝数不变原则下的坐标变换系统越来越多地被电力工业和发电机制造厂家广泛使用，本文也采用这一研究成果。对于交流电机，当它的三相对称静止绕组a-b-c通以三相平衡的正弦电流，时，所产生的合成磁势是旋转磁势，它在空间呈正弦分布，且以同步角速度顺着a-b-c的相序旋转，如图3-4 a）所示。其实产生旋转磁势并不一定非要三相电流，两相、四相、更多相也行，以两相最为简单，如图3-4 b）所示为两相静止交流绕组和，它们在空间互差90，通入时间互差90的两相平衡交流电流，也会产生旋转磁势，当图3-4 a）和3-4 b）的两个旋转磁势大小和转速都相等时，即认为图3-4 b）的两相绕组与图3-4 a）的三相绕组等效。再来看图3-4 c）中两个匝数相等且相互垂直的绕组d和q，其中分别通以直流电流和，产生合成磁势，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁芯以同步角速度旋转，则磁势自然也随着旋转起来，成为旋转磁势。把这个旋转磁势的大小和转速也控制成与图3-4 a）和3-4 b）的磁势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组等效了。由此可见，以产生同样的旋转磁势为准则，图3-4 a）的三相静止交流绕组、图3-4 b）的两相静止交流绕组和图3-4 c）的旋转直流绕组彼此等效。（1）三相静止a-b-c坐标系与两相静止-坐标系之间的变换关系三相静止a-b-c坐标系到两相静止-坐标系的变换矩阵为 （3-13）两相静止-坐标系到三相静止a-b-c坐标系的变换矩阵为 （3-14）（2）两相静止-坐标系与两相同步速旋转d-q（）坐标系之间的变换关系两相静止-坐标系到两相同步旋转d-q坐标系的变换矩阵为 （3-15）两相同步旋转d-q坐标系到两相静止-坐标系的变换矩阵为 （3-16）式中，为轴与d轴之间的夹角。（3）三相静止a-b-c坐标系与两相同步速旋转d-q（）坐标系之间的变换关系三相静止a-b-c坐标系到两相同步旋转d-q坐标系的变换矩阵为两相同步旋转d-q坐标系到三相静止a-b-c坐标系的变换矩阵为在上述分析中，直接将两相旋转坐标系的角速度设为，即为两相同步旋转坐标系，注意，旋转坐标系的角速度不一定就是同步角速度。2.2.3两相同步旋转坐标系下的双馈电机数学模型利用上述的坐标变换关系，将三相静止坐标系下DFIG数学模型中的电压、电流、磁链、转矩及功率变换到d-q坐标系下，可得到两相同步旋转坐标系下的DFIG的数学模型。变换后DFIG的绕组等效为如下图所示的物理模型。由于d-q轴相互垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，DFIG的数学模型得到很大的简化。根据三相静止绕组到两相同步旋转绕组的变换矩阵可得到两相同步旋转坐标系下的DFIG数学模型。（1）电压方程定子绕组电压方程为转子绕组电压方程为式中，分别为定、转子电压的d、q轴分量； 分别为定、转子电流的d、q轴分量；为转差率角速度。在后文中没有说明的情况下角速度均默认为电角速度。（2）磁链方程定子磁链方程转子磁链方程式中，分别为定、转子磁链的d、q轴分量； 为d-q坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感；为d-q坐标系下两相定子绕组的自感；为d-q坐标系下两相转子绕组的自感。将（3-21）、（3-22）带入（3-19）、（3-20）可得到电压与电流之间的关系：（3）转矩方程（4）运动方程运动方程与三相静止坐标系下的运动方程一致。（5）功率方程定子侧输出有功功率方程和无功功率方程分别为2.3基于定子磁场定向的双馈电机的P、Q解耦控制2.3.1最大风能追踪控制功率参考值的计算最大风能追踪，即控制发电机转速追踪风速，而转速是通过控制有功和无功功率实现的，文献中有关于有功和无功功率参考量的计算方法，从中可以得到一种分别控制功和无功功率的方法，即P、Q解耦控制，有功功率的参考值计算公式如下所示： （3-26）式中的系数为 （3-27）其中，根据图2-5可知，电机的运行曲线是保持值为常数下进行的。无功功率的参考值计算公式为 （3-28）式中，。有很多种计算方法，此种方法是把最大程度地降低DFIG自身损耗作为选取的原则。2.3.2双馈电机基于定子磁场定向的矢量控制矢量控制是交流调速系统实现解耦控制的核心技术，通过电机统一理论和坐标变换理论，把控制量解耦，在DFIG的控制中，是将定子电流的有功功率分量和无功功率分量解耦，分解后的定子电流的有功和无功分量不再具有耦合关系，对它们进行控制，就可以实现我们所期望的P、Q解耦控制。因为DFIG的定子绕组直接接在大电网的低压侧，可以近似地认为定子电压幅值、频率都是恒定的，所以DFIG一般多选择定子电压或定子磁场定向方式。本论文采用定子磁场定向，将同步旋转d-q坐标系的d轴定向在定子磁链方向上，并将磁场定向后的坐标系重新命名为m-t坐标系，如图3-6所示。由式（3-19）（3-22），得到m-t坐标系下的DFIG的电压和磁链方程：定子绕组电压方程 （3-29）转子绕组电压方程 （3-30）定子磁链方程 （3-31）转子磁链方程 （3-32）定子磁链定向时，定子磁链矢量与m轴方向一致，因此m、t轴上的磁链分量分别为，。由于DFIG定子侧频率为工频，定子绕组电阻远小于定子绕组电抗，所以定子绕组电阻可以忽略，即，因而DFIG感应电势近似等于定子电压，按照发电机惯例，感应电势矢量滞后磁链 90，故和定子电压矢量（并网后的定子电压矢量等于电网电压矢量）位于t轴的负方向，有，其中为定子电压矢量的幅值，当定子端并入理想电网时为常数。将代入功率方程式（3-25）中，可得 （3-33）由上式可知，在定子磁链定向下，DFIG定子输出有功功率、无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量，成正比，因此调节，可分别独立调节，这就是P、Q解耦控制的基本原理。由于对于，的控制是通过DFIG转子侧变换器进行的，应找出转子电流、电压与，之间的关系。将，以及，代入（3-29）可得 （3-34）由上式可知，并入理想电网后，DFIG的定子磁链将保持恒定，幅值为电网电压与同步角速度之比。将（3-34）连同，以及，代入（3-31）可得 （3-35）将（3-35）代入转子磁链方程（3-32）中，得到 （3-36）设，则可将（3-36）式化简为 （3-37）将（3-37）代入（3-30），得到 （3-38）设以下分式： （3-39）以及 （3-40），为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项后，即简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。式（3-34）（3-40）构成了DFIG定子磁场定向控制下完整的数学模型。2.4基于S函数的变速恒频双馈风力发电系统的建模MATLAB/Simulink软件的Simpower Systems工具箱中有绕线式异步电机的模型，在转子侧加上PWM变换器就成为双馈感应电机。但这种模型掩盖了双馈电机的很多特性，所以在建模的过程中，本论文根据DFIG的数学模型用S-Function编写了DFIG的模型程序，合理利用了上一章建立的风力机传动链模型，对整个系统进行了整合。将DFIG定子电压电流的关系式（3-23）改写成状态方程的形式。在编写S函数时将DFIG模型分成两部分，第一部分处理DFIG中的电量，输入向，输出向量就为状态向量，即，这样就得到有关电量的状态方程： （3-41），D为0矩阵。第二部分处理机械量，输入为，状态向量为输出向量，为转子机械角速度，满足，其中，A=0，C=1，D=0 0，根据式（3-11）可编写机械量的S函数，电磁转矩的计算由式（3-24）得出。Simulink仿真如下：仿真参数如下:三相绕线式异步电机，额定功率为15WM，定子额定电压为690V，额定频率为50Hz，转动惯量为504kgm2，极对数为3，定子电阻为000706(pu)，定子电感为0171(pu)，转子电阻为0005(pu)，转子电感为0156(pu)(已折算到定子侧)，互感为29(pu)。风力机参数设定如下：Simulink模型如下：发电机模块电网模块保护模块输出显示模块仿真结果如下：图表结论分析：电机输出电压（交流）不变，所以图形中电压成一条直线；由于交流电压为定值，所以经过交-直变换后输出的直流电压也为定值，成一条直线；随着风速从8m/s变换到14m/s过程中，转子转速也随之增大，由于转速不能瞬间增大到一定数值，所以变化过程持续了15s才达到稳定；定子侧输出电流随着风速的增大逐渐增大，由于发电机电流不能突变，所以变化时间较长，持续15s达到稳定；有功功率波形与电流波形相同，由于电压一定，所以有功功率只取决于电流变化；无功功率曲线基本成一条直线，需要从电网吸收少量的无功功率，所以不用进行无功补偿。实际变频双馈风力机的运行特性如下： 图例1 风速变化时风力发电机组参数变化曲线图例2在桨矩角为0的功率特性曲线图例2说明：机组在桨矩角为0的功率特性曲线。在转速r达到12pu，风速12m/s时，功率特性曲线在C点处，输出功率P取得最大值073pu。模型结果与实际结果对比结论：根据风力机运行曲线可知，模拟结果与实际运行结果基本相同，模拟结果成立。图例3风速变化时相应的定子电流有功电流分量iqs和无功功率电流分量ids的变化波形结 论本论文对并网型变速恒频双馈风力发电系统为研究对象，进行了一系列的研究工作，取得了一些有意义的研究结果，获得了不少规律性的认识。总结如下：在MATLAB/Simulink仿真平台下建立的变速恒频双馈风力发电系统仿真模型验证了由状态方程组推导出的、利用S函数建立的DFIG空载运行和发电运行两个模型的正确性，并得到了较理想的仿真结果。DFIG定子电压能保持与电网电压幅值与相位的一致，转子电压值与转差率的绝对值成正比，定子电流在空载时为零，并网后随电机转速的上升而增大，转子电流也随电机转速上升而增大。并且转子侧的电压和电流的频率随转差率绝对值也成正比。由于在仿真中转子侧按单位功率因数运行，因此在DFIG亚同步运行时转子电流和电压同相位，而在超同步运行时两者反相位，验证了转子侧在两种不同运行状态下功率流动相反的结论。同时在仿真过程中无论以哪一种风速模拟情况下最大风能利用系数基本保持在0.441，也很好地验证了系统工作的可靠性。参 考 文 献1王承煦，张源风力发电M北京：中国电力出版社，20022江泽民对中国能源问题的思考J上海交通大学学报，20083赵群，王永泉，李辉世界风力发电现状与发展趋势J机电工程，2006，23(12)：4卞松江变速恒频风力发电关键技术研究D杭州：浙江大学博士学位论文，20035刘其辉变速恒频风力发电系统运行与控制研究D杭州：浙江大学博士学位论文，20056叶航治风力发电机组的控制技术M北京：机械工业出版社，20027邹旭东变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究D武汉：华中科技大学博士学位论文，20058赵阳风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术研究D武汉：华中科技大学博士学位论文，20089杨淑英双馈型风力发电变流器及其控制D合肥：合肥工业大学博士学位论文，2007附录1双馈电机发电运行S函数程序functionsys,x0,str,ts=sfun_DFIG(t,im1,it1,im2,it2,Ut1,Ut2,Um1,Um2,flag,L1,L2,Lm,R1,R2,W1,Ws)L1=6.854;L2=6.901;Lm=6.78;R1=0.016;R2=0.0125;syms t ;Ut1=690;Ut2=-214;Um1=0;Um2=20.3;W1=1200;Ws=600;im1=40.6;im2=40.9;it1=434.26;it2=439;flag=1;switch flag,case 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 1,sys=mdlDerivatives(im1,it1,im2,it2,Ut1,Ut2,Um1,Um2,L1,L2,Lm,R1,R2,W1,Ws);case 3,sys=mdlOutputs(im1,it1,im2,it2,Ut1,Ut2,Um1,Um2,W1,Ws);case2,4,9,sys=;otherwiseerror(Unhandled flag=,num2str(flag);endfunctionsys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes=simsizes;sizes.NumContStates=4;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=4;sizes.NumInputs=6;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;sys=simsizes(sizes);x0=0;0;263.996;11.448;str=;ts=-1 0;function sys=mdlDerivatives(t,im1,it1,im2,it2,Ut1,Ut2,Um1,Um2,L1,L2,Lm,R1,R2,W1,Ws)Ws=600; sys(1)=Lm*Um2 - L1*Um1 + it2*(L2*Lm*W1)/(Lm2 - L1*L2) - (L2*Lm*Ws)/(Lm2 - L1*L2) + it1*(Lm2*Ws)/(Lm2 - L1*L2) - (L1*L2*W1)/(Lm2 - L1*L2) + (L2*R1*im1)/(Lm2 - L1*L2) + (Lm*