电网电压不对称时双馈风机输出特性分析毕业设计(编辑修改稿)

电网电压不对称时双馈风机输出特性分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的建立 本文采用最简单的风速模型进行分析，这种风速模型一般包括四种分量：基本风，阶 跃风，阵风和随机风。 数学公式表达为 : W W B W G W S W NV V V V V    (21) 式中各分量具体含义如下： (1) WBV 为基本风分量，是风速模型的平均风速 ； (2) WGV 为阵风分量，表示突然变化的风速成份，数学模型表示为： 1 1 211 1 2220122G G GWG G m a x GG G GGGt t o r t t tV Vt tc o s t t t ttt          (22) 其中， 1Gt 、 2Gt 为阵风开始和持续时间 ， GmaxV 为阵风的最大风速； (3) WSV 为阶跃风分量，描述的是渐变的风速，数学模型为： 12212122201S S SSW S Sm ax S SSSSm ax S S St t or t t tttV V t t tttV t t t t           (23) 其中， 1St 、 St 、 2St 为 阶跃风的开始、保持和终止时间， SmaxV 为阶跃风的峰值； (4) WNV 为随机风分量，用 matlab 里面的白噪声表示。 根据以上三个式子建立 simulink 下的风速仿真模型，如图 21 所 示。 在仿真中设定参数如下：基本风 15 /WBV m s ； 阵风最大风速 6/GmaxV m s ， 开始时间 1 4Gts ， 持续时间 2 10Gts ；阶跃风 最大风速 4/SmaxV m s ， 开始时间 1 20Sts ，持续时间 3Sts ，终止时间 2 25Sts。 仿真时间为 50s，白噪声模块采样时间为。 得出的风速仿真波形图如图 21 到 24 所示。 从仿真图上可以看到，这样的风在一定程度上可以反应真实情况下的风速变化情况，其中包含时刻在波动的白噪声，偶尔突然增大 瞬间又减小第 2 章 风速模型和风力机模型的建立 7 的 阵 风， 增大后能保持一段时间的阶跃风，以及一直保持的基本风。 S c o p etVw gz h e n g f e n gtVw sj i e y u e f e n g1 5V w bC l o c kB a n d L i m i t e dW h i t e N o i s eA d d 图 21 风速模型总图 1V w gt 2 Gt 2 Gt 1 Gt 1 G C V G m a xS w i t c h 1S w i t c hf ( u )F c nD i v i d e0C o n s t a n t 20C o n s t a n t 1A d d 1A d d1t 图 22 阵风模块仿真图 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 1V w st st st 2 st 2 st 1 st 1 s C V s m a xS w i t c h 3S w i t c h 2S w i t c hP r o d u c t1 u ( 1 ) / u ( 2 )F c n 10C o n s t a n t 1A d d 3A d d 2A d d 1A d d1t 图 23 阶跃风模块 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 01 01 52 02 5时 间 s风速m/s 图 24 风速模型仿真图 风力机模型的建立 风力机是风力发电的重要部分 ，它以风能作为输入，输出机械能。 而它输出机械能的效率取决于风速以及风机的风能利用系数。 由于发电机和风力机是通过齿轮箱直接驱 动联接，可以用简单的数学模型表示风力发电机的动态特性，即： rr a etdJ T Td  (24) 式中， r 是风力机风轮 转动的 角速度， rad/s； rJ 为风轮的转动惯量， ；eT 为发电机转矩， kNm。 由上式可见[17]，当发电机处于静态运行时，风力机输出的转矩 aT 等于发电机电磁转矩 eT。 如果风力机处在风速不变化的环境下运行时，风力机的转速就能随着风速发生变化，风力机的输出转矩 aT 与发电机电磁转矩跟 随风速不断变化一直到 平衡状态，所以，风力机的静态输出转矩影响着风力发电机组的动态性能。 第 2 章 风速模型和风力机模型的建立 9 风力机的静态特性由，风 轮捕获功率 P、叶尖速比 λ 、功率 系 数 (λ,)PC  、风力机转矩系数 (λ,)TC  、风力机转矩 aT 表示，分别如下 λ rRv (25) 231 (λ,)2aTT C v R  (26) 321P(λ,)2 PC v R  (27)  λ, λ (λ,)PTCC (28) 式中， v 为主导风速， m/s； R为风轮叶片半径， m；  为空气密度。 对于 (λ,)PC  ， 根据文献 [17]取值如下：   51λ21 3 4 61λ , λλ CP CC C C C e C    (29) 311 1 0 .0 3 5λ λ 0 .0 8 1 (210) 式中， 1  ， 2 116C ， 3  ， 4 5C ， 5 21C ， 6 0C。 由式 (29)可见，当桨矩角  恒定时，在不同风速的情况下，只需要控制风力机使其能保持在最佳的叶尖速比下运行，就可以确保风力机取得最佳功率系数 (λ,)PC  ，实现风能的最大捕获功率。 一般  λ,  。 将 (25)到 (210)综合起来用 matlab 搭建的仿真图见 25 到 28 图。 仿真时， 采用空气密度为 ，风力机处于静态时，桨距角为 0 ,风力机半径 R 为 15m，所模拟的风速为 0 到 15m/s，仿真时间为 50s。 先假设风速与风轮机转速成正比 K，在仿真时调节 K 值，使叶尖速比与捕获功率达到最大，通过查阅文献 [17]可知，当最佳叶尖速比为 8 时，捕获功率最大，所以调 K 值，使仿真图中代表叶尖速比的 λ 近于 8 即可。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 4P3T a2C p1yBCpS u b s y s t e mP r o d u c t 3P r o d u c t 2P r o d u c t 1P r o d u c t K G a i n 1u ( 1 ) ^ 3F c n 5u ( 1 ) ^ 2F c n 41 / u ( 1 )F c n 31 / u ( 1 )F c n 2u ( 1 ) ^ 3F c n 1u ( 1 ) ^ 2F c n5w4B3v2R1pλ 图 25 风力机内部模块仿真图 1 . 2 2 5ppRvBwCpT aPf e n g l i j it V w sS u b s y s t e m 2S c o p e 1S c o p e0R 11 5R K G a i n0 . 4 7 9 6D i s p l a y 18 . 0 2 5D i s p l a yC l o c k 图 26 风力机外部模 块仿真图 第 2 章 风速模型和风力机模型的建立 11 1C p K G a i n 4 2 1G a i n 30 . 4G a i n 2 K G a i n 1 K G a i nf ( u )F c n 2f ( u )F c n 11 / u ( 1 )F c nA d d 1A d d2B1λ 图 27 Cp 计算模块 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 00123456789x 1 04时 间 s转矩 n*m 图 28 转矩的仿真结果 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0012345678x 1 05时 间 s捕获功率W 图 29 捕获功率的仿 真结果 本章小结 本章 主要研 究了风力发电机组的两个基本模块，包括风速模型和风力机模型。 对于风速模型采用常用的四个分量进行模拟，对于风力机模型则需要调节参数使其工作在最佳 状态。 然后 Simulink 进行了仿真， 简要分析了它们的输出特性。 第 3 章 双馈风机的建模与输出特性 13 第 3 章 双馈风机的建模 与输出特性 双馈风力发电机的运行原理 双馈异步风力发 电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子采用三相 分布式 绕组，转子侧 也采用三相分布式 交流绕组。 鼠笼式感应电机在变频调速时仅由定子侧供电，而双馈感应电机则不同，它由转子侧和定子侧一起馈送电能，所以称为 ―双馈 ‖发电机。 由于双馈电机由转子侧提供交流励磁，所以双馈电机也称作异步化同步电机或交流励磁同步 电 机。 风 力 机D F I G齿 轮 箱 双 馈 感 应 电 机直 流 母 线电 机 侧 变 流 器电 网 侧 变 流 器变 压 器L电 网 图 31 变速恒频双馈风机的拓扑结构 图 31 表示了双馈风机与电 网的连接情况，双馈电机定子侧直接与电网连接，转子侧通过变流器与电网连接，电机侧变流器控制电机的运行，电网侧变流器控制电机与电网的 能量交换。 由于定子侧直接与电网连接，所以它的频率不变，而转子侧受风速变化的影响。 当风速变化引起电机的转速变化时，电机侧变流器可以根据电机的转速变化来实时控转子电流的频率，从而使电机定子频率稳定，实现双馈风 力发 电系统的变速恒频运行。 以 rn 代表转子的转速， sn 代 表定子的转速。 当 rsnn 时， 电机处于超同步速运行状态 ，转子旋转磁场相对于转子 的旋转方向与转子旋转方向相反 ，此时定 、 转子均向电网馈送电能 ；当 srnn 时 ，电机处于亚同步 运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同 ，交 直 交变流器向转子提供交流励磁 ， 定子向电网馈出电能 ；当 rsnn 时， 0rf  ， 励磁变燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 频器向转子提供直流励磁 ， 此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。 当发电机转速变化时 ， 可以通过控制电机转子励磁电流频率 ， 保证定子电流频率恒定不变 ， 实现变速恒频发 电。 双馈风力发电机的数学模型 双馈电机在 ABC 三相 静止 坐标下的数学模型 是一个非线性、强耦合、时变性的多变量系统，模型较为复杂，系统分析和求解十分困难，而且对控制系统的设计也十分不利。 而 通过坐标变换可以使原来三相 坐标下基波正弦变量变换成两相旋转坐标系下的直流分量，这样分析就变得 简单。 而三相静止坐标变换到两相旋转坐标需要经过两个步聚：首先 是三相静止坐标到两相静止坐标， 利用的是 clarke 变换矩阵： 3 / 21112 223 33022ssC (31) 然后是两相静止坐标到两相旋转坐标系，利用的是 Park 变换矩阵： 2 / 2sr cos sinC sin cos  (32) 进行 坐标变换 后就可以进行双馈风力发电机的正常情况下的数学建模。 通过对正常情况下双馈风力发电机分析，建立 在同步旋转坐标系 (dq)下双馈电机的 数学模型，建立了 双馈风力发电机电压方程，磁链方程，电磁转矩方程 和运动方程。 (1) 电压方程 sdsd s sd s sqsqsq s sq s sdrdrd r rd sl rqrqrq r rq sl rddu R idtdu R idtdu R idtdu R idt    。