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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕 业 设 计(论文)题 目 基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真院 系机械工程系专业班级学生姓名指导教师二一六年六月专心-专注-专业基于Simulink的风力发电组控制系统的设计与仿真摘要现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重1。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格日益上涨，并且化石能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害人体健康、导致全球变暖2。风能是一种可再生能源，风力发电技术是可再生能源开发中技术成熟程度、规模化开发程度、商业化程度最高的发电方式。风能是清洁无污染的可再生能源，而且风能资源分
2、布广泛，总量十分可观。全球可利用的风能约为MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，风能将成为21世纪的主要能源之一3。本文主要介绍了风力发电的主要原理，简单介绍了风力发电机的气动和机械系统模型，最后着重介绍双馈风力发电机组的原理以及建模。由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文还介绍了Simulink的建模方式，以及简要介绍在Simulink环境下对双馈异步风力发电机控制系统的建模过程，对建模过程中需要对控制系统参数的设定进行介绍。最后将双馈风力发电机的仿真系统进行仿真设计，得到对应电网与风力机的相关输出特性，还有风力机转矩与风速的关系图。观察风力机在不同工作状态下的风速与转矩特
3、征。仿真的结果证明，对双馈风力发电机组控制系统仿真是比较符合实际的，仿真结果具有实际指导意义。关键词：风力机、双馈发电机、控制系统、Simulink、仿真SIMULATION OF THE WIND TURBINE CONTROL SYSTEM BASED ON SIMULINKAbstractAs the global population growth and economic development on the increase of energy demand, the use of traditional energy is facing increasingly severe e
4、nergy shortage and environmental issues. For fossil energy is scarcity and irrefragable，these reason make its price rising, and fossil fuel combustion produces harmful gas, pollute the environment, endanger human body health, and lead to global warming. Wind energy is a kind of renewable energy, and
5、 wind power is renewable energy with technology maturity, scale development degree, in most ways of power generation. Wind energy is a clean pollution-free renewable energy and wind energy resources are widely distributed, the amount is very considerable. Global use of wind power is aboutMW , larger
6、 than the amount of water on earth can develop 10 times, wind power will become one of the main energy in the 21st century. Wind power is mainly introduced in this paper, the main principle of simple introduced the pneumatic and mechanical system model of wind turbine, in the back with emphasis on t
7、he principle of the double-fed induction wind generator and modeling. Due to the use of MATLAB/Simulink modeling method, this paper also introduced the Simulink modeling, as well as a brief introduction to in Simulink environment of doubly-fed asynchronous wind turbine control system modeling proces
8、s, to be used in the process of modeling elements are briefly introduced。Finally make doubly-fed asynchronous wind turbine simulation system running，get the corresponding grid data and the characteristics of the wind turbine, and wind speed and wind turbine torque diagram. Observer the characteristi
9、cs under different working conditions of wind speed and wind turbine torque， the simulation results show that the simulation of double-fed induction wind generator is has practical guiding significance. Keywords：wind turbine、double-fed generator、control system、Simulink、simulation目录1 绪论1.1引言 现如今全球人口不
10、断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重。煤、石油、天然气等化石能源的不断减少使其价格不断增加，按照已探明的能源储量和未来能源的消费速度来看，化石能源可能在40-200年内逐渐耗尽4。因此，寻求清洁能源代替传统能源是现在世界面临的重要问题。替代性能源包括水能、核能以及可再生能源。水能和核能虽然是现阶段低碳能源的首选，但是水电开发总量有限而且影响自然环境，核电有核泄漏以及处理核废料的问题5。从长远角度来看，开发取之不尽用之不竭的可再生能源才是解决未来能源与环境的根本途径。可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。而风能是目前可再生能源中
11、运用技术最成熟，商业化程度最高的的一种可再生能源。风能是清洁无污染额可再生能源，而且风能的资源分布广泛，总量十分巨大。今年来风电一直保持着世界增长最快能源的地位.丹麦到2020年和2050年风力发电比例将提高到42%和100%；欧盟的总体目标则是在2020年和2050年由风力发电提供总发电量的17.5%和50%；美国的目标则是到2030年风力发电占总电力供应的30%6。而我国的风力发电总装机量为世界第一，到2020年和2050年，中国风电装机总量将在2020年达到200GW在2050年达到1000GW，而发电量则能达到总发电的5%和17%，风电将成为中国的五大电源之一7。1.2风力发电发展史以
12、及国内发展现状风能在十九世纪末到二十世纪六十年代末时期，其开发程度只是在小规模开发的状态。美国的Brush风力发电机和丹麦的Cour风力发电机被视为风力发电的先驱8。风力发电在1973年的石油危机后由小型化开发逐渐向大中型规模化发展。这一段时间由于发生了两次能源危机，许多政府开始支持风力发电的大规模发展。丹麦的Tvind 2MW风力发电机，是风力发电机革命的佼佼者9。丹麦是世界上第一个利用风力发电的国家。相继荷兰、美国等也进行了风力发电机组的运行10。从 2001 年到 2009 年全球装机容量年增长率为 26.2，截止至2009年12月31日累计装机容量为MW。2009 年新增装机容量381
13、03MW，相比 2008 年全球范围装机容量增长 31，这一增长率创下了历年之最。预计 2020 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的15%11。 目前世界风力发电发展的速度超过其他新能源的发展，未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。为了使风力发电更广泛的让人们知晓和发展，全球各国政府相继推出了许多优惠的政策，覆盖面极广，主要包括：提供低利率贷款，投资补贴，优先原则，硬性规定新能源须占有一定的比例等措施。多种形式的优惠措施更加促进了各国风力发电的快速发展。在过去几年中，全球风力发电机供应商数量大幅增加12。2009 年，全球整个行业提供约 38103MW电力。陆地风力发电比海上风力发
14、电在风电场建设规划难度小和建设成本较低，但海上风力资源较好，且不占用宝贵的土地资源，对环境影响较小，因此具有良好的发展前景13。英国是世界上最大的海水风力发电国家，在可再生能源利用领域处于龙头地位。根据英国国家电网 PLC 统计数据显示，英国当地时间 2012 年 2 月 17 日晚 21 时 20 分风力发电瞬时达到3.4GW，创历史新高，而且这一数字还有望持续。国地大物博，地理位置位于阳光充沛的温带、亚热带地区，受东亚、南亚季风影响。所以，风能资源的储量大、分布面广，其中发展最好的地区位于北部和东南沿海。此外，中国的内陆湖泊或其他特殊地形条件的影响，一些地区还拥有丰富的风能资源14。中国北
15、部和西部风力资源丰富，主要的地区包括内蒙古，甘肃，新疆，河北，吉林等地，最高可达 150GW。另外，沿海岸地区最丰富的是江苏，山东，浙江等地，最高可达 10GM。我国全国大约有 60%的地区为多风地带，全年平均风速为 3m/s 及以上的时间达 3000h，只是陆地上可开发的风能资源就达253GW15。此外，我国具有漫长的海岸线，海上的风能资源约为 750GW，所以在海上风电也具有好的发展前景。而根据 BTM 的研究，随着现代风力发电机增加高度，这种潜力将更加巨大。到 2030 年，风能有可能将取代煤炭和水力，成为中国最主要的能源之一16。近年来我国风电快速、有效地增长，根据世界风能协会公布的最
16、新数据显示，截止 2011 年年末，全球风力发电总量已经达到2亿3800万千瓦，近10年间增加了10倍17。数据显示，全球风力发电设备容量在去年一年期间增加了近 21%，约 41230MW，而截止 2001 年年末的发电总量仅为 23900MW。从风力发电总量上看，中国达 62730MW 位列首位；美国(46910MW)和德国(29910MW)名列第二、三位。中国目前是全球最大的风电市场，也是全球最大的风力发电机组生产基地。据我国专家估算，我国可开发利用风能至少十几亿千瓦，快速推进风力发电是我国实现减排目标的必要途径之一18。目前我国的风力发电仍处于起步阶段，缺少设计制造的技术和管理经验，缺乏
17、具有国有化或自主创新的风电技术和相关产品。设置合理的产业的发展前景，结合市场的要求，推进新选新能源及其技术的开发和应用。从发展的角度来看，研究开发多极低速发电机、无齿轮箱、变速恒频等新风力发电机组，有利于风电机组国产化的进程，其发展前景十分广阔19。现在我国 24 个省市建设了风电场，内蒙古、河北、甘肃等地规模浩大的国家级风电基地进入快速成长期东海大桥海上风力发电场也于 2010 年在上海正式投入运行，成为除了欧洲之外最大海上风电场。在风机生产方面，2010 年有 4 家中国企业进入了世界风电装备制造业 10 强，并开始出口海外20。1.3风力发电机组的简单分类风力发电机组单机容量从最初的数十
18、千瓦级已经发展到兆瓦级，控制方式从单一的定桨距、定速控制向变桨距、变速恒频发展。根据机械功率调节、齿轮箱传动模式、发电机驱动类型，可对风力发电机组进行以下三种分类21。按机械功率调节方式分类可分为定桨距控制和变桨距控制，主动失速控制。而按照传动形式分类则可分为高传动比齿轮箱型，直接驱动型，中传动比齿轮箱（半直驱）型。1.4风力机的仿真技术的作用风力发电机仿真技术在诸多方面都有关键应用，如风电关键设备和控制系统的设计、制造、性能测试与研究，而且在对风电机组或风场的计算、运行、分析等各方面都可以进行仿真，以节约成本22。1. 风能特性仿真是是风电仿真中的基础，这种仿真主要反映风能的地域特性，位置、
19、时间变化特性还有空气动力载荷大小等1。2. 风力机组成部件的仿真设计，如风力发电机的选择与设置，风机塔架等受力部件的设计等。3. 风力发电机组的仿真，建立特定的风力发电系统，进行仿真操作，可以得到风电系统的运行特性，以及输出的波动，从而我们可以根据这些参数对系统进行分析。4. 控制系统仿真，建立待检验的控制系统的仿真模型和控制对象的仿真模型并连接成有机的整体。改变仿真风电机的风能参数或是工作状态，测试在不同运行状态下控制系统的动作特性和工作效果，寻找控制系统的不足，改进模型。5. 风电场仿真，根据设计要求和不同的环境因素，建立整个风电场的仿真模型。进而研究风电场的建设可行性，和不同运行下对电力
20、系统的影响。1.5双馈发电机的应用与发展本次课题主要是对风力发电机控制系统进行仿真，现如今，全球的风力发电技术中多数采用的都是双馈发电机，因此我们就需要对双馈发电机进行仿真研究。风力发电机是一款集机电学，空气动力学，机械学，控制工程学为一体的高科技产品，其发展对提高科技进步，国民经济发展有着重要的作用。双馈型风力发电机有许多优点，其转子可以连续变速运行，风能转换效率比较高，由于是变桨距控制作用在风轮叶片上的应力作用可以得到改善。双馈风力发电机组的换流器容量为风力发电机组的额定容量的25%-30%，这样换流器的成本就比较低。采用双馈发电机组的功率因素高，并网简单，对电网没有冲击电流4。双馈异步发
21、电机之所以性能优越是因为同时具有异步与同步发电机的特性，Double-Fed Induction Generator（DFIG）被称为交流励磁同步发电机、同步感应发电机5。双馈异步发电机之所以有着一些传统发电机不具有的优势，在于DFIG与传统的同步发电机有不同的转子绕组、励磁结构以及不同的励磁控制策略。DFIG与传统的同步发电机相比，实行了交流励磁，因而励磁电流的幅值、频率、相位均可调节，控制起来就会更加灵活，不仅可以实现变速恒频运行，还可以实现有功和无功的解耦控制。正因为具备以上这些传统发电机不具备的优点，双馈异步发电机在水电站、抽水蓄能电站、风力发电系统、潮汐发电站等获得广泛应用6。双馈电
22、机对电网电压适应性的研究倍受关注，因为双馈电机相比传统的异步电机来说，在1.5MW 以上级别的大功率风力发电机组中是居于主导地位，而且现阶段大功率风电场包括近海风电场多采用双馈型电机这一机型。主要用于双馈电机的控制的励磁控制技术经历了空间矢量控制阶段，之后就是磁场定向矢量控制理论。双馈电机的励磁控制技术在实践中不断进步，形成了现在的电机矢量控制系统。随着微机控制技术的进步，双馈发电机在工业领域的应用也越来越成熟7。二三十年前开始发展的双馈电机的发达国家，生产技术水平已经比较成熟，他们开发了大型变速恒频发电机组，还有更加先进的兆瓦级双馈风力发电机组。双馈风力发电机的控制策略现如今不断优化，特别是
23、在最大风能的的追踪上有着很大的发展8。在高于额定风速时采用变桨距恒功率控制策略。在当今的风电场中由于大部分的机型都是双馈异步发电机，因而在对双馈发电机的改进以及发展会有更高的要求，特别是在双馈发电机的维护以及无冲击并网方面，我们要做的还有更多。1.6本文的主要研究内容通过对风力发电的发展史的介绍，以及国内的风电发展概况的简要介绍表明现在风力发电行业主要是运用双馈发电机组，而发展双馈发电机则是现在的主要目标，因此对基于双馈风力发电机组的控制系统设计与仿真就显得很重要。简要介绍了风力发电机组的模块和运行方式，对其气动与机械原理进行简要的分析。主要介绍了风力发电系统的关键性模块，就是双馈发电机，在这
24、部分，文章详细介绍了双馈发电机的原理以及控制策略，其中着重介绍了转子侧与网侧换流器的控制策略。最后一部分介绍了本次课题的重点，就是对风力发电机组控制系统的设计与仿真过程的介绍。其中重点介绍了仿真过程中的参数设置以及各个参数的意义。2 风力机的气动与机械系统2.1概述 风力发电是风通过风力机时产生力，力驱动风轮旋转，从而可利用风力机将风能转化为机械能。这个转化过程会涉及到空气动力学和流体力学，而如果对其准确建模则需要采用叶素理论，其过程较为复杂。我们通常采用简化建模的方法建立风力机的气动模型23。图2-1双馈风力发电机组原理图2.2 风速模型 威布尔分布风场选址通常考虑所选地址的风速分布情况，这
25、对企业十分重要，由于风速分布特点与风机优化设计和发电量估算有直接关系，因此风场风的变化通常使用威布尔（weibull）分布来表示。双参数威布尔分布函数24通常适用于风速统计描述的概率密度函数，分布结果通常比较符合实际情况，根据某个高度的风速威布尔函数曲线可以推算各种高度的威布尔函数拟合曲线，这样就可以大大的减少工作量。双参数威布尔分布，其概率密度为）= （2-1）其中v风速K形状参数C尺度参数由风速的密度函数可以求得其积分分布函数F(v)=1- （2-2）平均风速为= （2-3）根据风速的历史数据，可以按照不同的情况选择不同的方法对威布尔参数进行估算，可以选择极大似然估计法、最小二乘法、平均风
26、速和最大风速等方法10。（1）用最小二乘法估算，根据风速的威布尔分布，最小二乘法最终拟合的结果为 Y=bx+a其中a=,b= （2-4）(2)根据平均风速和标准差估算威布尔分布有,= （2-5）式中是计算时段中每次的风速观测值N为观测次数其中伽马函数可采用以下的经验公式计算 （2-6）(3)运用平均风速和最大风速估算威布尔分布。任选一时间的10min最大风速值作为最大风速，设定为T时间内10min平均最大风速的观测值，则最大风速出现频率为= （2-7）K的求解比较复杂，而通过大量的观测数据，k值在1.0-2.6的范围变动，而此时 （2-8）组合风模型：风速这种统计分布在全球随地点变化而变化，这
27、取决于许多因素，气候条件、地貌特征。因此威布尔分布是变化的。因为威布尔分布模拟需要大量的实地考察参数，对于大部分的风力发电模型不具有通用性。如果需要模拟的风力发电模型有着比较小的时间尺度，那么我们可以使用比较简单的组合风风速模型来进行描述。为了比较精确地描述风能的随机性和间歇性特点，风速变化的模型常把组合风分为基本风、阵风、渐变风、随机风四种风12。其组合风为v(t)=+（t）+(t)式中-基本风风速，m/s -阵风风速，m/s （t）-渐变风风速，m/s (t)-随机风风速，m/s1 基本风速= （2-9）2阵风= （2-10）式中-阵风周期 -阵风开始时间 -阵风幅度3渐变风对风速的渐变变
28、化特性用渐变风来模拟，即（t）= （2-11）2.3风轮模型风能是由空气流动产生的能量，有流体力学可知，气流的动能为 E= mv2 （2-12） 那么单位时间内流过风轮的气流所具有的动能，就是风功率为= （2-13）按照以上的公式我们可以得到，如果风速增加一倍，风能就会增加8倍。然而风力机无法带走风的所有能量，风能有一部分传递给了风轮，剩下的被流过风力机的气流带走。这就是我们所说的风能利用系数，所以风力机的实际输出功率为= （2-14）风能利用系数（）是表示风力机效率的重要参数，代表风轮从风能种不活功率的能力，其与风速、叶片转速、叶片直径、叶片桨距角（）有关系13。而风力机的另一个重要参数叶尖
29、速比（），即叶片的叶尖线速度与风速之比为= （2-15）-叶片的半径-叶片旋转速度普通风力机可以分为定桨距和变桨距两种运行方式。定桨距的风力机的主要特点就是风轮的桨叶与轮毂是固定的刚性连接。而变桨距的风力机主要是风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，调节功率时，叶片就相对轮毂转一个角度，就是改变叶片的桨距角14。通过调节桨距角可以限制捕获的风电功率。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片桨距角至于0度附近么不做变化，可以认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动特性随风速的变化而变化。当超过额定功率时，变桨距机构开始运作，调整叶片桨距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近25。变桨举风力机
30、与定桨距风力机相比具有以下特点：1. 由于变桨距风力机功率调节不完全依靠叶片的气动特性，所以具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。2. 对于定桨距风力机，一般在低风速段的风能利用效率较高，当风速接近额定点时，风能利用系数开始大幅下降。而变桨距风力机，由于桨叶的桨距角可以控制，使得在额定功率点仍然拥有较高的风能利用系数。3. 变桨距风力机由于能调整叶片角度，故输出功率不受温度、海拔、气流密度的影响。4. 变桨距风力机在低风速时，桨叶可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的启动转矩，从而比定桨距风力机更容易控制。5. 变桨距风力机的轮毂结构比较复杂，制造成本较高。2.4本章小结 本章主要简介了风力
31、发电系统的几个重要的模块，风速模型，风轮模型两大主要的基本单元，在实际运用中，这两大基本模块都对风力发电系统的建立有着重要的影响，风速模型影响着风电场的选址，以及每年的电网输出量，而风轮模型则关乎到风力机的成本以及后续的维护费用。所以风速以及风轮模型在整个风力发电系统中有着重要的地位。3双馈发电机组的原理以及控制策略3.1概述双馈异步风力发电机组（DFIG）是最早的变速恒频风力发电机型，vestas公司的1.5mw双馈机组样机始建于1996年。至今，采用双馈异步发电机驱动的风力发电机组仍然是市场的主流机型。在风力发电机中如今通常采用双馈异步发电机可以连续变速运行，风能转换效率高，可改善作用于风
32、轮桨叶上的应力状况，而且换流器的容量为风力发电机组额定容量的25%-30%，换流器成本较低。双馈异步发电机的功率因素高，并网简单，对电网没有冲击电流。3.2双馈风力发电机组的运行原理 图3-1恒频异步双馈风力发电系统DFIG的结构和功率流向如图3-1所示，采用的是绕线式异步发电机，其定子直接连入电网，转子侧通过双PWM（脉宽调频）换流器与电网相连。发电机向电网输出的总功率有定子侧的输出功率和转子猜测通过换流器的滑差功率组成，因此我们才称其为双馈发电机。在图3-1所示的双PWM换流器中，转子侧换流器（Rotor Side Converter，RSC）与电机转子相连，网侧换流器（Grid Side
33、 Converter, GSC）直接与电网相连。转子侧变换器的主要功能是，在转子绕组中加入交流励磁，通过调节励磁电流的幅值、频率、相位，实现定子侧输出电压的恒频恒压，同时实现吴新鸿基并网。通过矢量控制实现DFIG的有功功率、无功功率独立调节。还可以实现最大风能的追踪和定子侧功率因素的调节。网侧变换器的主要功能就是，保持直流母线电压的稳定，将滑差功率传输至电网，并且能够实现网侧无功功率控制。DFIG定子绕组直接与电网连接，流过工频的三相对称交流电流，产生角速度为的旋转磁场。转子绕组通过双PWM换流器接入电网，流过流过频率可调的三相交流电流，产生相对于转子以滑差角速度旋转的磁场。DFIG运行时，定
34、子、转子旋转磁场应保持相对静止以实现机电电能的稳定转换，因此 =+ （3-1）-发电机转速-同步转速-滑差角速度根据转差率公式可得定子转子电流频率、关系为 = （3-2）DFIG的稳态等效电路如图3-2所示，定子电压电流与转子电压电流正方向安电动机惯例，并将转子侧的量折算到定子侧。根据等效电路，可以得到DFIG的基本方程式为图3-2 DFIG的等效电路图 （3-3）式中-定子转子电压相量 -气隙磁场感应电动势相量 、 -定子、转子电流 -励磁电流相量 、-定子、转子电阻 、-定子、转子漏抗和互抗，定子电抗 ，转子电抗从等效电路和基本方程式中可以看出，双馈电机就是在普通绕线式转子电机的转子回路中
35、增加了一个变频电源，不仅可以微电机提供励磁，还可以调节双馈电机的转速，实现最大功率的跟踪控制。3.3 双馈风力发电机的运行状态以及功率的关系异步发电机并网是，转矩转差特性决定了输出功率，当转差率s小于0时，发电机处于超同步运行状态，此时向电网馈入功率。当风速比较小时，电动机可能处于运行状态，此时从电网吸收功率。而双馈电机的定子和转子都向电网馈入功率，在超同步和亚同步是，均可向电网发电，但是转子侧功率的方向不同23。以下分析DFIG各功率之间的关系。风力发电机输出总的电磁功率为，定子侧向电网输出的功率为，转子侧通过换流器向电网输出的功率为。由式（3-1）可知，电网频率恒定，可通过调节转子侧电流频
36、率来调节转子转速。DFIG在调速过程中，双PWM换流器流过的有功功率为滑差功率，忽略定子与转子回路中的损耗，则定子与转子侧功率存在的关系为 =-s （3-4） 即为滑差功率。由式（3-4）可知，DFIG的调速范围越宽，则所需要的换流器容量就越大。DFIG输出的电磁功率为 =+=（1-s） （3-5）根据调速过程中的转差率的正负，我们可以将DFIG分为三种工作状态，即亚同步状态（s大于0）、同步状态（s等于0）、超同步状态（s小于0）。在三种不同的工作状态下PWM换流器也以不同的状态向电网馈入馈出能量。在不同的运行状态下，定子转子功率以及总功率的关系如图3-3所示图3-3定子转子功率，总功率关系
37、图1. 亚同步状态。此刻小于，转差率大于0，式(3-2)为正，频率为的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，小于0，电网有换流器向转子馈入功率，输出的电磁转矩小于定子侧的功率。2. 超同步状态。此时大于，转差率小于0，式（3-2）为负，频率为频率为的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率由转子向电网流出，此时输出的电磁功率大于定子侧的输出功率。3. 同步状态。此刻等于=0，转子中的电流为直流，与发电机同步。DFIGS大于0S小于0S=0运行状态亚同步速超同步速直流励磁定子侧功率流向向电网注入有功向电网注入有功向电网注入有功转子测功率流向从电网吸收有功向电网注入有功无有功流动
38、表3-1 DFIG运行状态功率分布表3.4 PWM换流器的数学模型DFIG通过电力电子变换设备进行转子励磁调节，实现其功率的控制以及变恒频运行。为了实现风力发电机组的最大风能跟踪控制，DFIG需要满足在一定的范围内可动态调节，这就要求转子励磁电源的频率可调节。DFIG在超同步和亚同步状态下均可以发电运行，这就要求转子要采用双向流动的换流器进行励磁。采用PWM控制技术的电压源型换流器（voltage source converter，VSC）由于该装置的主电路拓扑成熟，控制灵活、技术可靠，目前是双馈风力发电系统中应用的主流换流器类型。根据DFIG的经典结构，换流器转子通过两个背靠背的电压源类型P
39、WM换流器接入电网，双PWM换流器在保持直流母线电压恒定的情况下，可根据控制需求独立互逆地运行于整流或是逆变状态。当DFIG处于超同步运行时，转子侧馈出能量。转子侧换流器RSC处于整流工作状态，网侧换流器GSC处于逆变工作状态。当DFIG处于亚同步时，转子侧馈入能量，RSC处于逆变工作状态，GSC处于整流状态。双PWM换流器的主电路完全相同，但在整个励磁系统中的功能不同，因此具体的控制方法也不同。通常转子侧换流器采用定子电压或磁链定向的矢量控制，而网侧换流器采用电网电压定向的矢量控制。3.4.1PWM换流器在三相静止坐标系下的数学模型这里仅对此数学模型作简要的说明。为了方便，我们引入开关函数的
40、概念。假设为第i（i=a，b，c）相的开关函数，则将表示成如下形式=PWM换流器的主电路可以由以下的状态方程来描述 （3-6）式中 、-换流器交流侧电阻和电感 、-电网三相电压 、-换流器交流侧电流、-换流器交流输出对交流电源中性点的电压，可表示为 （3-7）3.5双馈风力发电机组的控制策略 对于风力发电系统来说，除了其最基本的组成元件，还有元件模块的连接方式，就是各模块之间的控制了，风力发电系统的控制模块比较复杂，其由各种控制单元组成，各个控制单元都是有机组成的。3.5.1 概述风力发电系统包含有许多子系统，例如气动系统、机械系统、电气系统等，这些系统通常都含有时间常数。而一般电气系统的响应
41、速度要比机械系统快很多。由于变速恒频风力发电机组中电力电子装置的存在，各个子系统的时间常数差别很大，双馈风力发电机组的发电系统比通常的控制系统要复杂的多。风力机将风能转化为机械能，而发电机及其环流其控制系统将机械能转化为电能。这两个转化的子系统相互协同工作，以确保风力发电系统能够正常工作。风力机控制属于机械控制，动态响应较慢，其包含两个相互耦合的控制器：最大功率追踪控制器和桨距角控制器，其相应的输出为电磁功率参考值和桨距角参考值，这两个参数是分别负责DFIG换流器的电磁功率设定和风力机的桨距角控制。DFIG的换流器控制属于电气控制，动态相应快，包括两个相互解耦的PWM换流器控制器：转子侧换流器
42、RSC控制器实现机组的有功功率和定子侧无功功率独立控制，其有功功率控制跟踪风力机控制给出的功率指令，实现转速的间接控制，这样可以使机组运行在最优转速，捕获最大风能。网侧换流器GSC控制器则实现直流母线的电压控制，这是两个换流器实现解耦控制的关键。并网控制器除了控制风电机组的并网和停机过程，在运行中根据风电场集中监控系统发来的调度指令以及风机的运行情况和约束条件，给计策和网侧换流器发无功指令，并可限定风力机的功率捕获。3.5.2 换流器的控制策略PWM换流器的控制可分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制以幅相控制为代表。其控制简单，一般无顺=瞬时的电流反馈，但是动态相应比较慢，对系统的参数
43、波动比敏感。直接电流控制以瞬时电流反馈为特点，包括固定开关频率电流控制、滞环电流控制以及高性能的矢量控制（VOC）和直接功率控制（DPC）等。转子侧换流器的控制策略:在双馈异步发电机的变速恒频控制中，转子侧换流器采用矢量控制技术将DFIG转子电流分解为相互解耦的有功分量和无功分量，分别进行独立控制。如图3-4所示。图3-4 转子侧换流器的矢量控制策略根据动态模型式可得 =+ (3-8) = (3-9) (3-10)为实现有功和无功的解耦，需将同步旋转的dq轴进行定向。由于转子侧的电压幅值和频率是变化的，而网侧电压较为稳定，通常将d周定向到定子侧的电压或磁链上。整个控制系统采用电流内环和功率外环
44、组成的串级控制系统，有功的串级控制环和无功的串级控制环相互独立，并行控制。在功率外环中，电磁转矩参考值由风力机控制层中的MPPT控制给定，而无功参考值则由风力发电场控制给定，电磁转矩和无功反馈值可以通过定子侧的电压和电流计算得到。网侧换流器的控制:网侧换流器的控制目标是为了保持直流环节电压稳定和交流侧单位功率因数运行，直流电压的稳定即意味着直流功率的平衡，这就是转子侧和网侧双PWM换流器可以独立控制的关键。网侧换流器将滑差功率送入电网，在转差率比较小时，网侧换流器有一定功率裕量，可以为电网提供无功支持。网侧换流器的控制策略如图3-5所示图3-5 网侧换流器的控制策略网侧换流器通常采用电网电压定向的矢量控制，即同步旋转坐标