同步化雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分析與控制

作為清潔、永續(xù)的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)得到大力發(fā)展。由于風(fēng)能的動(dòng)態(tài)、隨機(jī)性等特點(diǎn)，大容量風(fēng)電注入將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。目前我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，而且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，因此，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的影響尤其嚴(yán)重。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的主要形式，其可靠運(yùn)行直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行與風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題首先從變速恒頻風(fēng)電雙饋電機(jī)的建模入手，分析雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、性能與特點(diǎn)。研究雙饋電機(jī)矢量的控制系數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，研究雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。分析和總結(jié)雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流諧波的基本來(lái)源，并結(jié)合理論分析和試驗(yàn)結(jié)果分析各種諧波的基本特征，提出了減小雙饋電機(jī)電流諧波的方法，從而對(duì)雙饋電機(jī)的特性有更加清楚的認(rèn)識(shí)。 通過(guò)對(duì)雙饋電機(jī)最常用的矢量控制的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析矢量控制中的轉(zhuǎn)子位置角信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)數(shù)字仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)變速恒頻雙饋電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)理論，對(duì)雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行同步化，建立了同步化的雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在雙饋電機(jī)同步化模型基礎(chǔ)上，研究風(fēng)電雙饋電機(jī)新的控制方法――轉(zhuǎn)子電壓幅值頻率控制（MFC）方法，該方法無(wú)需PARK坐標(biāo)變換，無(wú)需雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子角度信號(hào)，解決了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角信號(hào)故障對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究基于轉(zhuǎn)子幅值頻率控制的容錯(cuò)控制方法，從而提高風(fēng)電雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能與可靠性。通過(guò)數(shù)字仿真驗(yàn)證了所提出的轉(zhuǎn)子電壓幅值頻率控制方法與基于幅值頻率控制的容錯(cuò)控制方法的有效性。 最后，研究大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，為了減小風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響，研究使用控制方法降低風(fēng)電場(chǎng)功率輸出的波動(dòng)性，提出了抑制系統(tǒng)頻率偏差的風(fēng)電功率波動(dòng)平滑控制器設(shè)計(jì)方法，該方法使用電力系統(tǒng)頻率偏差作為指標(biāo)，在電力系統(tǒng)頻率偏差不超標(biāo)的條件下，最優(yōu)的降低風(fēng)電功率的波動(dòng)性。研究利用儲(chǔ)能抑制風(fēng)電功率的波動(dòng)，提出了儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)方法。 本課題研究成果對(duì)于研究減小大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響具有重要的理論指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。 本課題順利完成，在本課題基金的資助下，共發(fā)表23篇論文，其中18篇期刊，4篇國(guó)際會(huì)議。在本領(lǐng)域IEEE、IET等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI收錄4篇，ISTP收錄1篇，另外EI收錄10篇。 2100433B

作為清潔、永續(xù)的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)得到大力發(fā)展。由于風(fēng)能的動(dòng)態(tài)、隨機(jī)性等特點(diǎn)，大容量風(fēng)電注入將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。目前我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，而且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，因此，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的影響尤其嚴(yán)重。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的主要形式，其控制復(fù)雜，已有的控制策略復(fù)雜且主要考慮雙饋電機(jī)本體，沒(méi)有考慮并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的影響等因素，因而給并網(wǎng)分析帶來(lái)一定困難。本申請(qǐng)針對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)理論，對(duì)雙饋電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行同步化，并提出了風(fēng)電雙饋電機(jī)新的控制方法――幅值頻率控制方法，該方法不需要矢量變換、不需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)及轉(zhuǎn)子電流信號(hào)等，大大簡(jiǎn)化了風(fēng)電雙饋電機(jī)的控制設(shè)計(jì)，提高了風(fēng)電雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，有助于分析雙饋風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)于研究大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響具有重要的理論指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。

本書主要介紹雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模、仿真與控制技術(shù)。在介紹風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本概念及其基本理論的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地介紹了雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及其運(yùn)行、雙饋感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、背靠背功率變換器數(shù)學(xué)模型及其控制技術(shù)、雙饋感應(yīng)電機(jī)矢量控制技術(shù)以及基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件完成的雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真。

前言

第一章 緒論

第二章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

第三章 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

第四章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器控制

第五章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制

第六章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制 2100433B

電力電子新技術(shù)系列圖書序言

前言

本書涉及的常用符號(hào)表

第1 章　緒論 1

1. 1　風(fēng)能開發(fā)與利用 1

1. 1. 1　能源危機(jī)問(wèn)題 1

1. 1. 2　生態(tài)環(huán)境問(wèn)題 1

1. 1. 3　風(fēng)能開發(fā)與利用 2

1. 2　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展 6

1. 2. 1　恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 7

1. 2. 2　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 7

1. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)描述 12

1. 3. 1　雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)方式 12

1. 3. 2　雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器技術(shù) 14

1. 3. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)技術(shù) 18

1. 3. 4　雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn) 19

1. 3. 5　雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù) 21

1. 4　本書內(nèi)容概述 24

參考文獻(xiàn) 26

第2 章　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本概念及其基礎(chǔ)理論 30

2. 1　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本概念 30

2. 1. 1　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本組成 30

2. 1. 2　風(fēng)輪結(jié)構(gòu) 32

2. 1. 3　風(fēng)輪功率控制 32

2. 2　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 34

2. 2. 1　風(fēng)能 34

2. 2. 2　貝茲極限 35

2. 2. 3　風(fēng)輪的特性系數(shù) 37

2. 2. 4　Cp λ 曲線 39

2. 2. 5　CT λ 曲線 40

2. 2. 6　風(fēng)輪輸出功率表達(dá)式 41

2. 2. 7　風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 43

2. 3　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制分區(qū) 44

2. 4　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制分區(qū) 46

2. 4. 1　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最小和最大轉(zhuǎn)速控制 47

2. 4. 2　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率控制 48

2. 4. 3　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制 49

2. 5　小結(jié) 51

參考文獻(xiàn) 52

第3 章　雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及其運(yùn)行 53

3. 1　雙饋感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn) 53

3. 2　雙饋感應(yīng)電機(jī)基本概念 54

3. 2. 1　雙饋感應(yīng)電機(jī)的電磁力 54

3. 2. 2　轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)差率概念 55

3. 2. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率 56

3. 2. 4　雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路 57

3. 2. 5　雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及其相量圖 62

3. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 66

3. 3. 1　雙饋感應(yīng)電機(jī)基本有功功率流動(dòng)及其平衡關(guān)系 66

3. 3. 2　轉(zhuǎn)子銅耗和轉(zhuǎn)換功率的分解 67

3. 3. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)有功功率計(jì)算 70

3. 3. 4　雙饋感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算 72

3. 3. 5　雙饋感應(yīng)電機(jī)無(wú)功功率計(jì)算 73

3. 3. 6　雙饋感應(yīng)電機(jī)有功功率、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的近似關(guān)系 74

3. 3. 7　雙饋感應(yīng)電機(jī)四象限運(yùn)行 75

3. 3. 8　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻運(yùn)行 78

3. 3. 9　雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型標(biāo)幺值系統(tǒng) 79

3. 4　小結(jié) 82

參考文獻(xiàn) 83

第4 章　雙饋感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 84

4. 1　三相自然靜止ABC/ abc 坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 84

4. 2　兩相正交坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 91

4. 2. 1　坐標(biāo)變換 91

4. 2. 2　兩相任意旋轉(zhuǎn)dq0 坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 93

4. 2. 3　靜止αβ 坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 100

4. 2. 4　同步旋轉(zhuǎn)xy 坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 102

4. 3　雙饋感應(yīng)電機(jī)在正交坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程 104

4. 3. 1　任意旋轉(zhuǎn)dq0 坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)方程 104

4. 3. 2　兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)方程 106

4. 3. 3　兩相同步xy 坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)方程 107

4. 4　雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的空間矢量表征 108

4. 4. 1　空間矢量概念 108

4. 4. 2　三相自然靜止坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型空間矢量表征 109

4. 4. 3　任意旋轉(zhuǎn)兩相dq 坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型空間矢量表征 110

4. 5　標(biāo)幺值系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換 112

4. 6　雙饋感應(yīng)電機(jī)仿真模型實(shí)現(xiàn) 116

4. 7　小結(jié) 118

參考文獻(xiàn) 118

第5 章　背靠背功率變換器數(shù)學(xué)模型及其控制技術(shù) 119

5. 1　交直交電壓型功率變換器基本拓?fù)浼肮ぷ髟?119

5. 2　網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 120

5. 3　背靠背功率變換器數(shù)學(xué)模型 123

5. 3. 1　網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型 123

5. 3. 2　網(wǎng)側(cè)濾波器數(shù)學(xué)模型 128

5. 3. 3　轉(zhuǎn)子側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型 129

5. 3. 4　直流側(cè)數(shù)學(xué)模型 130

5. 3. 5　背靠背功率變換器仿真模型實(shí)現(xiàn) 131

5. 4　功率變換器調(diào)制技術(shù) 133

5. 4. 1　正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) 133

5. 4. 2　三次諧波注入的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) 136

5. 4. 3　空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù) 140

5. 5　網(wǎng)側(cè)變換器控制技術(shù) 152

5. 5. 1　網(wǎng)側(cè)濾波器兩相正交坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型 152

5. 5. 2　網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)(VOC) 154

5. 6　小結(jié) 165

參考文獻(xiàn) 165

第6 章　雙饋感應(yīng)電機(jī)矢量控制技術(shù) 167

6. 1　矢量控制技術(shù) 167 2100433B