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1、 本科毕业设计（论文）电网电压不对称时双馈风机输出特性分析DDD燕 山 大 学2013 年 6 月 本科毕业设计（论文）电网电压不对称时双馈风机输出特性分析学院（系）： 电气工程学院 专 业： 电力系统及其自动化 学生 姓名： DDD 学 号： 090103030124 指导 教师： EEE 答辩 日期： 2013年6月23日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电力工程系 学号090103030124学生姓名DDD专 业班 级0D9电力3班题目题目名称电网电压不对称时双馈风机输出特性分析题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（
2、）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容设计内容：电网电压平衡条件下，双馈异步风力发电系统的数学模型和控制策略；建立电网电压不平衡条件下双馈异步风力发电机系统的模型；采用电网电压不平衡条件下DFIG的数学模型，选取适当的控制目标，设计基于PR谐振调节器不平衡控制策略；研究电网电压不平衡度大小对双馈风电机组输出特性的影响。目标：给出理论分析和Matlab仿真分析结果。基本要求1遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科
3、研能力；3设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸一张；英文资料翻译不少于5千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4. 完成相关的实验，并反映在论文中。参考资料1. 邓雅不平衡电网电压下双馈风力发电系统变流器控制策略研究。北京：北京交通大学2. JBHu，YKHeModeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditionsElectric Power Systems Research，2009，79：273-2813. 相关国内外文献
4、周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅相关文献；建立风速模型和风力机模型；完成开题报告和文献综述。研究电网电压不平衡条件下DFIG、网侧变换器和转子侧变换器的等效数学模型建立网侧和转子侧的变换器的数学模型选取适当的控制目标，研究协调控制下双馈风力发电系统的输出特性。论文撰写答辩指导教师：DDD职称：教授 2012年12月15日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要随着双馈风力发电机组装机容量的扩大和电网对风力发电并网的要求愈加严格，双馈风力发电系统的研究由电网电压正常情况下的并网运行控制，转向电网电压不平衡下的运行研究。本文以双馈风机不平衡情况下的输出特性为主要研究对象
5、，对风力发电机主要模块进行了建模仿真，分析了各种不平衡度下双馈风机的输出特性，得到了一些具有实际意义的成果。首先研究了风速和风力机的数学模型，分别研究了它们的输出特性。然后利用坐标变换的方法研究了双馈风力发电机正常情况下的dq坐标下的数学建模,并通过Matlab仿真软件研究了它在正常情况下的输出特性。又通过文献了解了不平衡度的计算方法，搭建了不平衡度计算模块。研究了在不同的不平衡度下，双馈风力发电机转速，电磁转矩，以及定子电流等参数的输出特性。最后，用对称分量法研究了不平衡条件下，双馈风机的数学模型，建立了正反转同步旋转坐标系中，分别由各自正，负序分量表示的DFIG电压，和磁链方程。在Matl
6、ab现有的风力发电模块中加入不平衡，研究了与电网连接的双馈风机在不平衡情况下的输出特性。关键词双馈风力发电机；不平衡；dq坐标I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractWith the double-fed wind turbine installed capacity expansion and the quality of wind power generation requirements become more stringent. The study of doubly-fed wind power generation system has changed from the
7、 control of normal circumstances to the study of unbalance grid voltage . In this paper ,the case of DFIG unbalanced output characteristics as the main object of study, modeling and simulation the main modules of the wind turbine, analysis a variety of DFIG under unbalanced output characteristics ,a
8、nd obtained some meaningful results.This paper studied the wind speed and wind turbine mathematical models, separately studied their output characteristics. Then use the coordinate transformation method to study the doubly-fed wind turbines mathematical modeling of dq coordinate under normal circums
9、tances. And studied its simulation with Matlab software research it in normal circumstances the output characteristics. And through the literature to understand the imbalance calculation method, calculation module built imbalance. Studied at different imbalance, the doubly-fed wind generator speed,
10、electromagnetic torque and stator current and other parameters of output characteristics.Finally, with the symmetrical component method the mathematical model of DFIG was studied under unbalanced conditions, then established Reversible synchronous rotating coordinate system, respectively, by the res
11、pective positive and negative sequence component represented DFIG voltage and flux equations. In Matlab existing wind power modules added unbalanced studied grid-connected wind turbine in the case of unbalanced output characteristics.Keywords DFIG; unbalanced; dq coordinatesI 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1
12、1.1 课题背景11.1.1 选题的依据和意义11.1.2 研究不平衡电网下风力发电机特性的意义11.2 国内外研究动态21.2.1 变速恒频风力发电的发展21.2.2 不对称电网下DFIG变流器的控制31.3 研究的主要内容5第2章 风速模型和风力机模型的建立62.1 风速模型的建立62.2 风力机模型的建立82.3 本章小结12第3章 双馈风机的建模与输出特性133.1 双馈风力发电机的运行原理133.2 双馈风力发电机的数学模型143.3 不平衡度的计算方法153.4 双馈电机正常情况下的仿真163.5 双馈电机不平衡情况下的仿真203.6 本章小结24第4章 不平衡情况下双馈风机的数学
13、模型264.1 对称分量法264.2 不平衡条件下双馈风机的数学模型284.3 与电网连接的双馈风机不平衡情况下的仿真314.4 本章小结34结论35参考文献37致谢39附录40III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 选题的依据和意义能源是人类经济社会生活不可缺少的一部分，随着社会的进步，全球能源需求量不断的增加，而非可再生能源如煤、石油的储量逐渐减少。此外人们大量使用煤炭、石油和天然气对大自然造成严重破坏，并且严重污染地球环境。环境恶化和能源危机使新能源的寻求成为亟待解决的问题。风是一种安全、清洁、充足，大多来自太阳能，属于能不断提供的可再生能源。全球风能储量巨大，任何国
14、家和地区都有分布，通过调查估算可以转换为电能的风力资源约53万亿kWh每年，大约为20年后全球电力需求的两倍1。我国的风能资源十分丰富，可用来开发的风力资源的地区占全国面积的60%以上。然而我国风力发电的核心技术与创造能力与国外的风力发电技术相比，仍然有很大的差距，这制约着我国风电行业的大力发展。所以，研究风力发电机组，创造新的关键技术，对我国风力发电电产业的迅速发展，具有重要的经济价值和学术价值。1.1.2研究不平衡电网下风力发电机特性的意义目前DFIG风电机组的变速恒频运行主要是通过对转子侧背靠背变流器采用dq轴解耦控制来实现的。背靠背变流器由电网侧变流器(Grid Side Conver
15、ter，简称GSC)和电机转子侧变流器(Machine Side Converter，简称MSC)构成，其中电网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制来实现对直流母线电压和电网电流的，电机侧变流器采用定子磁链定向(Stator Flux Oriented，简称SFO)或定子电压定向(Stator Voltage Oriented，简称SVO)的矢量控制实现对双馈电机定子输出有功功率、无功功率的调节。这些传统矢量控制均假设电网电压理想，即三相电网电压幅值相等，相位互差120。电机转子侧变流器的控制以双馈电机数学模型为依据建立，电网侧变流器的控制以电压型PWM变流器的数学模型建立，在电网电压平衡时，采
16、用传统矢量控制方案可使双馈风力发电系统获得良好的动态和稳态性能；但当电网电压不平衡时，转统矢量控制的有效性受到影响，必须予以修正。当前文献所研究的主要是在正常平衡电网电压下的理论，对于不平衡电网电压下研究的还比较少。而在实际电网中风力发电机一般分布在一些偏远地区，这些地区一般处在电网线路的末端，电网通常比较薄弱，与骨干电网相距较远，且偏远地区周边用电设备情况相当复杂，在风电场与电网的公共连接点经常出现电网电压不平衡的情况，同时由于电网各相阻抗的不对称性、线路绝缘老化、线路破损等原因，会导致风力发电机与电网的公共连接点出现不平衡现象。当电网电压不平衡时，通过变压器在DFIG机端产生一定的不平衡电
17、压，此时电网电压和电机定子电压包含负序分量，会对双馈风力发电系统的正常运行造成影响。如果风力发电的控制系统未考虑电压不平衡的情况，不平衡的定子电压将会引起定子电流的不平衡、转子电流畸变，导致定子绕组和转子绕组发热，电磁转矩发生脉动，从而引发机械振动，对机械设备的持续稳定运行造成影响，同时电机定子输出的有功功率和无功功率中也都包含脉动。电网电压不平衡条件下，基于电网电压平衡设计的电网侧变流器的交流侧包含负序分量，直流母线电压出现波动，影响直流母线电容的寿命。双馈风力发电系统输向电网的总有功功率和无功功率也包含脉动，会给整个风力发电系统带来损耗增大、发热过多、过压、过流等问题。1.2 国内外研究动
18、态1.2.1变速恒频风力发电的发展风力发电简单来说就是通过风轮机及其控制系统将风能转化为机械能，通过发电机及其控制系统将机械能转化为电能的过程。以风力发电机运行方式作为依据将风力发电系统分为变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）风力发电和恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）风力发电2。变速恒频风力发电系统可按照捕获最大风能的要求，在风速变化时实时调节风轮机的转速，使风轮机在大部分情况下都能按照最佳效率运行，从而提高风力发电机组的运行效率，变速风力发电系统捕获风能的能力比定速恒频风力发电
19、系多出28%3，并且减小了风轮机的机械应力。此外变速恒频风力发电技术还可以实现电网与风电机组间的柔性连接，使并网操作更容易实现。目前新安装的风力发电系统中，大多采用基于双馈感应电机的双馈风力发电系统以及基于永磁同步电机的直驱型风力发电系统。双馈风力发电系统通过背靠背式PWM变流器控制双馈感应发电机的运行状态，一方面，由于双馈感应电机定、转子之间的电磁关系，双馈感应电机转子侧变流器只需控制转差功率就可以调节双馈感应电机的转速，实现对风能的最大捕获，与直驱型风力发电系统相比，双馈风力发电系统的变流器容量大大减小：另一方面，通过改变电机侧变流器输出的转子电流幅值和相位来分别调节双馈电机定子侧输出的有
20、功功率和无功功率，从而实现双馈风力发电系统的单位功率因数运行。双馈弄变速恒频风力发电系统可以提高风能捕获能力和转换效率，改善并优化风力发电机组的运行条件，是一种优化的具有良好应用前景的风力发电解决方案。在目前的商业运营中，MW级变速恒频风力发电产品主要有双馈风力发电系统和永磁同步电机直驱型风力发电系统，由于双馈电机所需的变流器容量较小，既能满足风轮机调速范围的要求又降低了变流器的容量，具有较强的价格优势，并且通过采用适当的控制策略，能够满足电网对风力发电系统的要求，双馈风力发电机组在变速恒频风力发电系统中得到广泛的应用。1.2.2 不对称电网下DFIG变流器的控制风力发电机组装机容量的不断提高
21、，风电容量在总电网容量中所占的比重越来越大，这种没有考虑电网电压不平衡控制的双馈风力发电机在不平衡的电网电压下会产生功率波动和机械振动，影响所在区域电网的稳定性，在某些情况下不得不将风力发电机从系统中解裂，从而引起局部地区停电。由此看出，设计DFIG电机侧和电网侧的变流器的控制系统保证系统的稳定运行的非常有必要的。2009年2月国家电网公司己颁布风电场接入电网技术新规定5，规定中明确强调电网电压允许长时间存在最大不平衡度2%的小值稳态不平衡情况，要求风电机组能够承受一定程度的负序电流不脱网,还应能承受稳态最大达2%的不平衡电压而不跳闸,即风电场并网点的负序电压不平衡度2%、短时4%的情况下,风
22、电场中的风电机组应能持续不脱网正常运行6。现有文献对不平衡电网电压条件下电网侧变流器的建模和控制已有研究7-8，对不对称电网电压下双馈风力发电机的运行控制和故障穿越也有所研究9-10，对双环控制策略进行了深入探讨11-13。外文文献中也都提到了DFIG变流器的控制14-15。此外，基于比例谐振调节器11和高压直流输电系统在电网电压不平衡下的运行研究也有相应报道。其主要研究成如下：1. 针对电网电压不对称故障状态下传统控制策略的缺点，在增强型锁相环的基础上建立了DHG转子侧变流器的改进的控制策略，采用的是抑制转子电流负序分量的方案，此控制策略可有效的减小转子电流的谐波含量，电磁转矩的脉动和电网功
23、率的二次纹波11。2. 针对电网电压不对称时负序电流对定子侧有功功率、无功功率、电磁转矩和直流侧电压的影响，提出电流正序分量跟踪控制策略，并在转子侧和网侧变换器的控制中对电网电压的正、负序分量分别处理。转子侧变流器采用正序电流跟踪的滞环控制，实现了电流的无差跟踪。网侧逆变器控制内环采用电流前馈控制，并控制负序电流为零，外环采用电压环稳定直流电压9。3. 逆变器采用PI调节理论上能实现无静差的输出电压控制13。4. 建立了矢量控制能在在电网正常条件下可以实现对电机侧和电网侧变流器的良好控制。不平衡电网电压下的双dq电流控制策略可以有效抑制电网电压不平衡所引起的电磁转矩，直流电压和输向电网总功率的
24、脉动,增强双馈风力发电机组在电网电压不平衡下的运行能力7。5. 根据电网电压跌落幅度对 PSVS子功能与 NS. VR子功能的容量分配算法。通过 MatlabSimulink对 PSVS控制及 NSVR控制的综合控制仿真结果表明，该控 制策略实现了风电场电网电压非对称状态下双馈风力发电 系统并网条件的明显提升16。1.3 研究的主要内容由于双馈风力发电机组具有变流器容量小、效率高、并网灵活等优点，双馈风力发电机组在容量变速恒频风力发电系统中应用广泛，电网对风力发电系统在电网异常尤其是电网电压不平衡下的运行，提出了更严格的要求，本文着重分析了双馈风机的建模和它在不平衡情况下的输出特性。论文主要研
25、究内容如下：首先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。分别建立了它们的数学模型，运用Simulink进行了仿真；简要分析了它们的输出特性。然后，研究了电网电压正常情况下，双馈风力发电系统的运行原理及其输出特性。首先通过坐标变换了方法对双馈电机进行了数学建模，给出了电机在dq坐标系下的电压方程，磁链方程，电磁转矩方程以及机电运动方程，利用这些方程，搭建了双馈电机的数学模型，分析了双馈电机在正常情况下的输出特性。其次，给出了不平衡度计算方法，建立了不衡度计算模块，接入到所建立的电机模型中，调节电压使电机分别运行在不平衡度为3%和5%的情况下，比较分析两种情况下，电机输出特
26、性的变化情况，得出了一些有用的结果。最后，分析了双馈电机不平衡情况下的数学建模。利用对称分量的方法，建立了DFIG在正转和反转坐标系中分别由各自正，负序分量表示的DFIG电压，和磁链方程，画出了正反转坐标系下DFIG的等效电路模型。在Matlab现有的风力发电模块中加入不平衡，研究了与电网连接的双馈风力发电机在不平衡情况下的输出特性。35第2章 风速模型和风力机模型的建立 第2章 风速模型和风力机模型的建立2.1 风速模型的建立 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:(2-1)式中各分量具体含义如下：(1) 为基本风分量，
27、是风速模型的平均风速；(2) 为阵风分量，表示突然变化的风速成份，数学模型表示为：(2-2)其中，、为阵风开始和持续时间，为阵风的最大风速；(3) 为阶跃风分量，描述的是渐变的风速，数学模型为：(2-3)其中，、为阶跃风的开始、保持和终止时间，为阶跃风的峰值；(4) 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2-1所示。在仿真中设定参数如下：基本风；阵风最大风速，开始时间，持续时间；阶跃风最大风速，开始时间，持续时间，终止时间。仿真时间为50s，白噪声模块采样时间为0.1s。得出的风速仿真波形图如图2-1到2-4所示。从仿真图上可以
28、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。图2-1 风速模型总图图2-2 阵风模块仿真图图2-3 阶跃风模块图2-4 风速模型仿真图2.2 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：(2-4)式中，是风力机风轮转动的角速度，rad/s；为风轮的转动惯量，kg.m2；为发电机转矩，。由上式可见
29、17，当发电机处于静态运行时，风力机输出的转矩等于发电机电磁转矩。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。 风力机的静态特性由，风轮捕获功率P、叶尖速比、功率系数、风力机转矩系数、风力机转矩表示，分别如下(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)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，根据文献17取值如下：(2-9)(2-10)式中，。由式(2-9)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
30、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，实现风能的最大捕获功率。一般。将(2-5)到(2-10)综合起来用matlab搭建的仿真图见2-5到2-8图。仿真时，采用空气密度为1.225kg/m3，风力机处于静态时，桨距角为,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近于8即可。图2-5 风力机内部模块仿真图图2-6 风力机外部模块仿真图图2-7 Cp计算模块图2-8 转矩的仿真结
31、果图 2-9 捕获功率的仿真结果2.3 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 第3章 双馈风机的建模与输出特性3.1 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
32、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。图3-1 变速恒频双馈风机的拓扑结构图3-1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。以代表转子的转速，代表定子的转速。当时，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
33、方向相反，此时定、转子均向电网馈送电能；当时，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；当时，励磁变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。3.2 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
34、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：(3-1)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：(3-2)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(3-3)式中：，分别为定子、转子电压的d、q轴分量；，分别为定子、转子电流的d、q轴分量；，分别为定子、转子磁链的d、q轴分量；、分别为定、
35、转子磁链的角速度；为dq坐标系相对于转子的电角速度，称为转差角速度。(2) 磁链方程(3-4)式中,为dq坐标系下定、转子同轴等效绕组间的互感，且;为dq坐标系下定了绕组等效为两相间绕组的互感，且;为dq坐标系下转子绕组等效为两相绕组的自感，且;(3)电磁转矩方程(3-5)(4)机电运动方程(3-6)(5)功率方程(3-7)3.3 不平衡度的计算方法在文献18中，介绍了多种不平衡度的计算方法，在这里选择较为简单常用的一种即可。本文选择的是利用线电压基波有效值来计算不平衡度，公式如下：(3-8)式中，其中、为线电压基波有效值。在仿真中只需要改三相电压值就可以改变电压不平衡度。其中线电压的基波有效
36、值可以利用俌利叶变换模块设定为电网电压频率取得。3.4 双馈电机正常情况下的仿真利用式(3-3)到(3-8)搭建了Matlab下的仿真模型，各个模块的情况分别如下图：图3-2 双馈风机外部结构图3-3 DFIG内部模块图3-4 定子电压模块图3-5 转子电压模块图3-6 磁链计算模块图3-7 机电运动模块仿真参数如下，定子三相交流电压频率为50Hz，幅值380V，初始相位角了0，电机的极对数为2，而转子电压设为0，定子电阻为4.26，转子电阻为3.24，转子电感为0.670H，定子电感为0.666H，定转子互感为0.65H，负载转矩为8.84Hm，转子的转动惯量为0.02Nm2。在正常情况下各
37、项运行结果如下：图3-8 电网电压平衡时定子侧电压波形图3-9 电网电压平衡时定子电流波形图3-10 电网电压平衡时转子电流波形图3-12 电网电压平衡时转速波形图3-13 电网电压平衡时电磁转矩波形图3-14 电网电压平衡时定子侧有功和无功功率的波形3.5 双馈电机不平衡情况下的仿真在图3-2的仿真图中加入不平衡度计算模块，然后设置不平衡度为3%和10%，分别观察定子电压，定子电流，转速，以及有功无功的输出波形。在仿真中发生不平衡的时间为0.2到0.4s，仿真时间为0.5s。图3-15 加入不平衡度计算模块时的DFIG图3-16 不平衡度计算模块图3-17 不平衡度为3%时定子电压波形图3-
38、18 不平衡度为10%时定子电压波形在图3-17和3-18中，通过降低A相电压来使电压不平衡，该不平衡发生在0.2s开始0.4a结束，A相电压降低的越多，不平衡度越大。图3-19 不平衡度为3%时定子电流波形图3-20 不平衡度为10%时定子电流波形图3-19和3-20表示了不平衡度为3%和10%时时定子电流的波形，从图上可以看到不平衡度越大，电流畸变越大，这种电流在实际中会导致定子绕组发热，影响电机寿命。图3-21 不平衡度为3%时电机转速波形图3-22 不平衡度为10%时电机转速波形图3-23 不平衡度为3%时电机转速0.2s到0.4s波形图3-22和图3-23分别表示了不平衡度为3%和1
39、0%时电机转速的波形，可以看到发生不平衡时电机转速有较大的波动，尤其是当不平衡度为10%时转速波动幅值达到了500转，这对发电机运行是很不利的。再具体分析不平衡度为3%，0.2s到0.4s发生不平衡时电机转速的波动情况，可以看到其波动周期为0.01s，即频率为100HZ，是电网电压频率的2倍，这就是后面分析的关于不平衡情况下电机运行的2倍频波动。图3-24 不平衡度为3%时定子侧有功和无功功率的波形图3-25 不平衡度为10%时定子侧有功和无功功率的波形图3-24和3-25分别表示了不平衡度为3%和10%时定子侧有功和无功功率的波形，可以看到不平衡度时功率出现在脉动，而且不平衡度越大脉动越大，
40、这样的脉动会给整个发电系统带来损耗增大、发热增多、过压、过流等问题。3.6 本章小结本章研究了电网电压正常情况下，双馈风力发电系统的运行原理及其输出特性。首先通过坐标变换了方法对双馈电机进行了数学建模，给出了电机在dq坐标系下的电压方程，磁链方程，电磁转矩方程以及机电运动方程，利用这些方程，搭建了双馈电机的数学模型，分析了双馈电机在正常情况下的输出特性。给出了不平衡度计算方法，建立了不衡度计算模块，接入到所建立的电机模型中，调节电压使电机分别运行在不平衡度为3%和5%的情况下，比较分析两种情况下，电机输出特性的变化情况，得出了一些有用的结果。第4章 不平衡情况下双馈风机的数学模型 第4章 不平
41、衡情况下双馈风机的数学模型4.1 对称分量法在对称分量法中，任意三相电压都可以分解为三相对称的正序分量，与负序分量，以及三个相等的零序分量，但由于目前所用的双馈风机采用的大都是三相三线制接线方式，系统中无零序分量通路，所以在这里不考虑零序分量。对于任意的三相电磁量，由对称分量法得：(4-1)其中，(4-2)(4-3)式中，为电网电压的角频率；和分别表示为正序分量的初相位和幅值，和分别表示为负序分量的初相位和幅值，而下标“+”和“-”分别表示正序和负序分量。利用式(3-1)中的三相静止坐标到两相静止坐标的转换公式将式(4-1)变换后，得到：(4-4)其中，定义(4-5)(4-6)则有(4-7)将
42、式(4-2)和式(4-3)分别代入式(4-5)和式(4-6)中，有(4-8)(4-9)而在两相静止的坐标系中，定义电磁量的空间矢量F形式如下(4-10)把式(4-8)和式(4-9)代到(4-10)，并参考欧拉公式(，就可以导出如下关系：(4-11)其中，(4-12)(4-13)式(4-12) 和(4-13)中和分别表示了在两相静止坐标系中的正序空间矢量和负序的空间矢量，并且它们都是时间函数。在讨论前，先定义有一个正转同步旋转坐标系以的角速度沿逆时针旋转，而反转同步坐标系以的角速度顺时针旋转。正转同步速旋转坐标第以及反转同步速旋转坐标系间的坐标变换关系如下：(4-14)(4-15)(4-16)其
43、中，上标“+”、“-”分别是正、反转同步速旋转坐标系。利用式(4-14)对(4-11)式，分别进行正、反转同步速旋转的坐标变换，有(4-17)(4-18)式中表示正转同步旋转坐标系中的正序分量，是直流量；表示正转同步旋转坐标中系的负序分量，是二倍频的交流量；表示反转同步旋转坐标系中的负序分量，是直流量；表示反转同步旋转坐标系中的正序分量，是二倍频的交流量。由式(4-17)和式(4-18)可见，电网电压不平衡条件下，任意电磁量在正、反转同步旋转坐标系中表现为，直流量和二倍频率交流分量之和。4.2 不平衡条件下双馈风机的数学模型首先令式(3-3)中的，即可得到不平衡电网电压下两相静止坐标系中矢量形
44、式的以馈电机定、转子电压和磁链方程(4-19)(4-20)式中，;由式(4-15)和式(4-17)可求得正，反转同步旋转坐标系、中，以各自的正、负序分量表达的静止坐标系中的定、转子电流、电压以及磁链方程(5-21)(5-22)(5-23)其中, , ;, , ;, , ;将式(4-21)、(4-22)和(4-23)代入式(4-19)和(4-20)中，整理后，可得正、反转同步旋转坐标系、中分别由各自的正，负序分量表示的双馈电机电压、磁链方程如下：(4-24)(4-25)(4-26)(4-27)式中，为反转滑差角频率，为正转滑差角频率。然后根据式(4-24)和(4-25)可得正转同步旋转坐标系中双馈风力发电机的正序分量等效电路，如图4-1。同理，根据式(4-26)和(4-27)，可得反转同步旋转坐标系中双馈风力发电机的负序分量等效电路，如图4-2所示。图 4-1 正转同步旋转坐标中DFIG的正序分量等效电路图 4-2 反转同步旋转坐标中DFIG的负序分量等效电路令,则可得(3-3)可得不平