【《不同的风速下双馈风力发电机变速恒频控制方式分析》20000字】

[2]，在这个地方所运用的是电网电压定向矢量控制。在不关注定子电阻RsU当两相坐标系里面的d轴可以居于电压矢量Us时&&式（3.23）中，Us在定子电压的基础上，能够获得DFIG定子当中的两个功率和转子d轴、q轴电流的关系&从方程（3.24）能够了解到，在不关注电阻Rs同时运用d轴定向的基本状况下，异步发电机无论是无功还是有功功率都得到了相应的解耦，即是讲，只要协调好了d轴分量就即是能够处理好DFIG的功率，仅要求协调好转子当中的q轴就能够处理好了DFIG当中的转子控制器能够具体根据d以及q轴的形式当中的电压方程展开相应的构建，也就是u上面方程组中，转子磁链可以由定子电压和转子电流来表示&由以上两组方程得&则根据上式能够确立电压定向控制的电流闭环实际运行的具体框架图，如图3-17。图3-17基于定子电压定向矢量控制的转子电流闭环控制系统二、DFIG最大风能追踪控制的实现风速不同时，变速恒频风力发电系统会运行在不同的区域，总体可分为四个区：起动区，最大风能追踪区，恒转速区和恒功率区，如图3-18。不同的工作区域对应各自的控制方式和控制目标。图3-18变速恒频风力发电系统的运行区域（a）不同区域内风力机的输出机械功率和风速的关系（b）不同区域内发电机输出总电磁功率与发电机转速的关系按照最大风能追踪的相关机理，针对参考值的科学计算属于DFIG风电机组能够完成风能追踪处理的重点。在各个机械损耗的基础上，DFIG输出整体功率的参考值就是P其中PeP但通常在控制中并不对总电磁功率实行闭环控制，而是根据下式&总电磁功率以及定子功率存在着联系，形成具体的定子的有功功率的参考值，并且还需要运用有功功率的反馈值，从而能够形成相应的闭环控制，进而完成对总电磁的整体控制。由上述关系求得的DFIG定子输出有功功率参考值为P在定子电压定向矢量控制下，DFIG能够根据定子对电网的功率反馈值也就是PDFIG定子无功功率的参考值根据电网需要或DFIG优化运行展开计算，而与风能追踪没有联系，由式Q在定子电压定向矢量控制下，通过DFIG定子向电网输出的无功功率应为Q由上述的数学模型和定子电压定向矢量控制的转子电流闭环控制框图可得出实现最大风能追踪的DFIG定子电压定向矢量控制框图如图3-19。图3-19实现最大风能追踪的DFIG定子电压定向矢量控制框图由此得出的Matlab仿真模型如下图3-20。图3-20实现最大风能追踪的DFIG转子侧变换器仿真模型

第四章DFIG的仿真与分析第一节DFIG的仿真模型经过前面几章对DFIG的数学建模和相关知识的分析，现在已经能对双馈异步风力发电系统进行仿真。双馈风力发电系统整体仿真模型如图4-1。因为课题名称为并网型双馈风力发电机转子励磁控制策略研究，为简化分析，故把网侧变换器省略，用一个200V的直流电压源代替，其效果相同。图4-1双馈风力发电系统整体仿真模型与发电机定子相连的电网侧用一个接地的Three-PhaseProgrammableVoltageSource代替，为DFIG电网侧提供稳定的三相电压和电流。在三相可控电压源与双馈风力发电机之间选用两个Three-PhaseV-IMeasurement模块，配合示波器，使网侧和转子侧的电压和电流可以监控。异步发电机用AsynchronousMachineSIUnits模块，该模块满足实际的风力发电机的要求。异步发电机类型设置如图4-2。转子类型为绕线型，机械输入为转矩。图4-2异步发电机类型设置异步发电机的参数为：功率为2200W，额定线电压为380V，频率为50Hz，极对数2，定子电压为380V，定子电流为5.0A，定子电阻为3.2Ω，定子电感为0.0143H，转子电流为6.0A，转子电阻为2.9658Ω，转子电感为0.0143H，额定转速为1420r/min，定子接法为Y形，转动惯量为0.0131kg.m2。参数设置如图4-3。图4-3异步发电机参数设置发电机输出端通过BusSelector，检测实时运行状态，用示波器实时检测转子三相电流，转速，转子转角，同时该量也作为输入量输入变换器。变换器通常都是根据双馈发电电系统展开运作的相关控制系统，其模拟如图4-4所示。仿真中用到的矢量控制为电网电压定向矢量控制，因此无功功率给定值为0。系统通过双闭环系统，外环通常都是功率环，内环通常都是电流环。内环根据控制转子电流来控制转子电压，转子电流通过公式&得出功率外环的反馈值，通过给定值和反馈值的偏差进行校准。功率环和电流环的控制均通过PI调节器来调节。电流环的反馈值由DFIG的实时转子电流通过坐标切换从而获得。变换器的具体模型如下：图4-4转子侧变换器仿真第二节仿真波形及波形分析本次任务的目的是要实现双馈风力发电机的变速恒频运行方式，即当外界风速发生变化时，系统能够迅速响应，发电机转速产生相应的改变时，通过转子励磁的频率，保证定子频率的固定的。在分析风速突变之前，先看一下当风速恒定时转子转速，转子电流频率的波形。下表4-1为当风速在3m/s~11m/s区间内恒定时，测得的转子转速和转子电流频率的值.表4-1风速恒定时转子转速和转子电流频率的值风速（m/s）转子转速（r/min）转子电流频率(Hz)3.09159155.09409407.0107510759.01276127611.018201820分析表4-1可得：（1）当外界风速较低时，发电机运行在亚同步状态，风速增大，转速也随之增大，而电网频率恒定，所以转子电流频率随风速增大而减小，为下式f式中，nr为电机转速，np为极对数，（2）当风速达到一定大小时，发电机运行在同步状态，此时转子电流为直流励磁，转子电流频率为0.（3）当风速过大时，发电机运行在超同步运行状态，风速增大，转速也随之增大，而电网频率恒定，转子电流频率随风速增大而增大，为下式f由于在不同风速下且不同步运行时，转子转速波形，转子电流波形大体相似，取风速为7m/s时的波形分别如下图。图4-5风速为7m/s时的转子转速波形图4-6风速为7m/s时的转子电流波形给定的有功功率和发电机输入的转矩如图4-7和4-8。图4-7给定的有功功率图4-8发电机输入的转矩风速为7m/s时的有功功率和无功功率如图4-9。图4-9风速为7m/s时的有功功率和无功功率研究完风速不变的情况之后再研究风速突变时的波形。用一个Step模块表示风速，初始风速为7.5m/s,在1s时突变为8.5m/s，波形如图4-10。图4-10风速在1s时从7.5m/s突变为8.5m/s此时的有功和电磁转矩变化如图4-11和4-12。图4-11给定有功图4-12电磁转矩运行之后，转子转速的波形如图4-13。图4-13风速突变前后转子转速的波形风速突变前后转子电流的波形如图4-14。图4-14风速突变前后转子电流的波形当双馈异步发电机运行在7.5m/s，且转子处于稳定运行状态时，取1s之前波形稳定的任意一点，如图4-15为（0.8063s，1135r/min），取1s之后波形稳定的任意一点，如图4-15为（1.826s，1246r/min）。图4-151s前后分别选取的转子转速的任意两点当双馈异步发电机运行在7.5m/s，且转子处于稳定运行状态时，取转子电流波形1s之前波形稳定的同一的相邻周期的任意两点，如图4-16选取的是（0.628s，4.569A）和（0.7106s,4.502A）；同样的方式选取1s之后的两点（1.372s，5.11A）和（1.49s，5.084A）。图4-161s前后分别选取的转子电流的四点风速突变前：转子转速为1135r/min，转子电流频率通过公式f=1T2−T得f风速突变后：转子转速为1246r/min，转子电流频率通过公式f=1T2f通过波形和选取数据进行计算可知，风速突变之后可以保持定子频率的恒定，实现了变速恒频的目标。有功功率和无功功率如图4-17。图4-17有功功率和无功功率定子电压在风速突变前后保持不变，波形如图4-18。图4-18定子电压波形定子电流幅值变大，波形如图4-19。图4-19定子电流波形总结与展望本篇论文主要研究了双馈风力发电机在不同的风速下的变速恒频运行控制。研究中借助了坐标变换和SVPWM技术搭建了风电系统转子侧变换器和整个风力发电系统的仿真模型。用STEP模块模拟风速，给定有功功率和无功功率的参考值，在风速稳定时，系统输出有功和无功也稳定在参考值附近；当风速突变时，系统能迅速建立新的平衡，有功迅速稳定在一个新的值。而通过在转子转速和转子电流波形上取点，通过计算证明了风速突变前后定子输出电流的频率也一直稳定在50Hz附近，即达到了实验预期的变速恒频的目标。此次研究虽说基本上达成了目标，但也存在着一定的局限性。分析前为了研究的方便，设置了很多前提条件，即模型的搭建是在相对完美的条件下完成的，许多因素被直接忽略，如忽略了铁芯损耗，忽略了磁路的非线性饱和，没有考虑环境因素，如温度，湿度等，实验条件相对理想，达成目标就比较容易了。而此次研究的对象——双馈异步发电机（DFIG）虽说是目前技术最成熟，应用最广泛的风力发电形式，但由于技术的原因也有其自身的缺点。定子侧与电网连接，中间只隔着一台变压器，而转子侧变换器的控制能力又弱，一旦电网出现波动甚至故障，系统稳定性将会极大地降低，其解决方案会十分复杂。当风电占比在电网中较小时还不要紧，但随着风电装机容量在电力系统中的比重越来越大时，该影响也会越来越大。所以在以后的一段时间，针对电网波动或故障去对DFIG的控制策略进行改进仍然是研究的重点。其它形式的风力发电系统，如低速电励磁同步发电机（EESG）风电系统，低速永磁同步发电机（PMSG）风电系统解决了DFIG多级齿轮箱带来的成本增加的问题，但在技术上还不够成熟，永磁材料成本较高、失磁的问题制约了其的应用。单机齿轮箱、全功率变换器式风电系统和多级齿轮箱、全功率变换器式风电系统介于无齿轮箱和多级齿轮箱之间，但也有各自的问题。科学技术的发展永不停步，科研人员一直在探索中前行，我国的科学事业任重而道远。我坚信没有克服不了的阻碍，没有翻不过的大山，祝愿祖国的科学事业蓬勃发展。参考文献邱时严.双馈风力发电系统故障穿越的控制策略研究[D].湖南大学,2016.蔡文祯.基于MATLAB的风力发电系统最大功率跟踪技术研究[D].天津职业技术师范大学,2014.朱轩彤.区块链技术在能源转型中的应用研究[J].中国能源,2020,42(12):28-31.贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制.北京：中国电力出版社，2012贺益康,胡家兵.双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题[J].中国电机工程学报,2012,32(27):1-15.刘梦亭,李俊勇,赵丽红.变速恒频双馈风电机组低电压穿越计算机控制方法研究[J].科学技术与工程,2017,17(35):64-69.王洪润.风电并网低频振荡现象机理及抑制方法关键技术研究[D].河北工业大学,2015.张航.双馈型风电机组三电平变流器的研究[D].河北工业大学,2014.李鸿儒.大规模双馈型风电并网稳定性仿真研究[D].西南交通大学,2012.赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究[D].浙江大学,2005.王悦川.双馈风力发电机绕组匝间短路故障的研究[D].华北电力大学,2016.胡家兵.双馈异步风力发电机系统电网故障穿越（不间断）运行研究[D].浙江大学,2009.陈伯时主编.电力拖动自动控制系统（第3版）.北京:机械工业出版社，2003邹军.三相交流异步电机无速度传感器矢量控制研究[D].西南交通大学,2012.胡