基于双馈感应发电机的变速风电机组系统设计

基于双馈感应发电机的变速风电机组系统设计

摘 要

现如今随着时代的发展，科技的进步，各个工业部门技术快速的提升发，致使可用能源急剧下降并形成其短缺的情况，而且环境也在很大程度上遭到破坏。所以，每个国家都将注意力放在了开发新能源以及可再生能源方面。而对于当今世界来说，风力发电在研发程度、科技水平以及开展的规模上是仅次于水力发电的。而且它还是永久性清洁能源，这也是其与化石能源的差异之一。所以相对于后者，它可以为当今社会生产的能源需求提供一个支柱。世界上的发展中国家和发达国家在风力发电这方面的关注程度正在不断的提升，且都在孜孜不倦的研发，在科技水平上也在不断的进步。

通过分析双馈型风力发电机组的书面理论及数学模型，开始探讨风力发电时双馈型变速风力发电机的作用范围。利用MATLAB/Simulink工具箱建立仿真模型，得出风电机组在风速波动时和电网故障时输出特性曲线，并验证该系统设计是否满足并网发电要求。

关键词：风力发电；双馈感应发电机；MATLAB/Simulink仿真

ABSTRACT

Nowadays, energy shortage and environmental pollution are becoming more and more serious, and countries have stepped up their development of renewable energy. Wind power generation is the most mature and most widely developed form of power generation. Unlike fossil fuels, wind energy is a kind of permanent clean energy that can provide long-term and stable energy supply. In this regard, the wind power generation has received the attention of all countries and vigorously developed, and continuously innovated in the technology.

By analyzing the theory and mathematic model of the double-fed wind turbine generator, the application of double-fed variable speed wind generator in wind power generation is studied.Based on MATLAB/Simulink toolbox, the simulation model is established to obtain the output characteristic curve of wind power unit in the wind speed fluctuation and power grid failure, and verify whether the system design meets the requirements of grid generation.

Keywords：Wind power;Double-fed induction generator;MATLAB/Simulink simulation

1 绪 论

1.1课题背景

1.1.1能源危机与风能开发

如果说二十一世纪是一个繁荣的时代，那么作为这片繁荣的支柱便是能源。但是，在时代的不断进步，科技的不断强大的同时，因工业生产等原因造成的能源匮乏及环境破坏已经日益严重。这也成了当今最为棘手的问题。而今我们接触到的能源例如天然气等都是不能够再生的，也就是说它们都不是无穷无尽的，都是可以在某一时间用完的。所以开发新能源的需求刻不容缓。风能，因其清洁可再生的特点得以快速发展，能对缓解全球的能源危机起到积极影响。

当太阳光投射到地球上时，地球表面的温度因热量不同形成温差，大气经受热发生对流运动，从而形成风。据统计，地球上的可以用来发电的风能特别多，甚至比能够发电的水利的十倍还多。同时，风能是一种可再生的清洁能源，并不会对环境产生难以挽救的危害，同时也能够缓解各种企业在生产时只依靠着化石燃料这一现象。在使用能源时，无论是个人还是企业都要适当的用，减少浪费或者避免破坏环境。同时，也要不断的进行研究，并且尽量的降低甚至是避免破坏环境。只有这样才可以使能源可持续发展。

在上个世纪，工业的崛起加剧了对化石能源不受控制的开采和利用。经历了严重的大气污染问题，如如美国Donora和伦敦的烟雾事件，造成了太大的破坏。人们明白了在生产发展的同时更应该保证能源可持续化发展，并且也要根据破坏环境及节约能源等方面使工业生产的结构进行改变。这也又一次证明了若想从根部解决能源的匮乏及环境的破坏这两个问题，最为首要的就是要适宜的对可再生能源不断的开发。

因此，风力发电可以缓解日益担忧的全球环境问题，改善能源产业结构，促进社会低碳发展，全世界都对这个观点表示赞同。因此，风力发电是大部分国家进行可持续发展能源战略的首要任务。

1.1.2国外风力发电开发和发展

近十多年来，全球风电产业不断扩大规模，在全世界装机容量提高27.6％。在这当中，风电开发重要的国家有五个。分别是美、德、印度、西班牙以及中国。06年之前，世界装机容量大约为七千五百万千瓦。世界风力发电行业竞争中，欧洲风电技术始终处于第一梯队。截止05年结束，欧洲的装机容量为四千多万千瓦，成功达成了在2010年时能够装机4000万kW这一目标。据专家预测，到2020年世界风电装机容量将达到十二亿千瓦。到那个时候，风电会慢慢的作为替代能源进行生产。

1.1.3我国风力发电的现状

近年来，风力发电在我国迅速兴起，技术上屡创新高。得益于中国的地势很好，且位于亚热带，光照条件很好。

开展“十五”时，为了配合国家的号召，我国的风电研讨与应用便开始飞快进行。截止到2006年，我国风电装机容量为260万千瓦，是仅次于欧、美及印度的风电市场。之后，中国风电产业规模继续扩大。

2008年，中国风电装机容量达到700万千瓦，占全国装机总量的1％，居世界第五位。这表明中国已进入大型可再生能源行列，国内风电发展达到新的水平。中国风电产业的发展前景非常看好。

随着风电技术的不断完善，风电正与煤电，水电形成竞争优势。风电的优势在于：风能的低成本和高回报使中国的新能源发展慢慢转向风电发展。由于我国的风电设备的不断研发生产以及它在我国的规模不断壮大。致使风电资金大大减少。因此，风力发电这一新能源吸引这越来越多的投资者加入，未来的发展不可小觑。

1.3 风电技术概要

如今由风电机组及控制、显示装置形成总的风力发电系统。而风力机与发电机一同形成了风电机组，把风能变成电能。

依照风力机的摆放位置有两种。一是水平、二是垂直。如今大多数风力机摆放位置都为水平。从工作方式方面可分成三种：工作、并网工作、联合工作。如今，最好的工作方式当属并网型，而且其规模也在不断加大。在管制风电机输出功率方面可分为两部分：定桨距、变桨距。

下面，主要对机械调节风力方面来进行风电的控制方案的阐述。 （1）定桨距失速型

它的原理是根据桨叶翼型的失速特点。也就是当风速不低于额定风速的时

候，在外表出现涡流，从而使效率大大减少，同时也使功率受限。它的好处有：操作容易，方便控制；不好的地方有：部分主件受到的作用力大，在风速变化的同时输出功率也不断改变。不易于保证最大值。也是丹麦风电科技的方法。如今全球大部分国家也在应用此方法，尤其特别适合相对来讲不太大的风力发电机组。

（2）变桨距调节型

原理是用变距调节器把风机叶片摆放角度和风向结合到一块。作用是吸收风能。若风速小于额定风速，桨距角大约是0。若在额定风速以上时，变桨距机构在调节叶片功率角度时起作用，以确保输出功率大小适宜。变桨型的开始时需要的风速小于定桨型的，在停止的冲击力不大。在风机平时运行的时候，由功率控制，操作系统的越敏捷，功率改变的越快。在目前的生产中，风速很小的改变，风能就会随之改变且改变量很大。而且桨距改变系统与风速互相配合也有一小段延迟时间。因为风能具有波动性，正常的改变的方式速度比因风速变化，而导致输出功率发生改变有所不同，所以对功率的影响非常大。

（3）主动定桨距调节型

此方法将以上两个互相结合，它具有定桨距失速调节型这个特点，改变系统是变桨距调节系统，在输出比额定功率小的时候，此方法和变桨距方法一样；反之，此方法和定桨距方法一样。此方法的好处有：输出功率改变幅度不大，特别稳定。

风电机组在控制功率方面能够采用电气调节。也就是速度频率都恒定以及速度改变频率恒定。速度和频率都不变的系统中，因为风速能够改变，需要调整恒速恒频系统，确保风力发电机的速度不变，以使频率恒定。因为风速随时改变，所以叶尖速比也在不停改变，若想永远为最好的是不可能的，当风速突然变化时，会很大程度上减少风机部件可以正常的使用时间，所以它并不可以做到完全有效得应用风能。

速度改变频率恒定原理为风机桨叶转动的速度与风速紧密联系，并随之改变，随后通过电子元件将其变成频率恒定的电能。 VSCF风电机组的优点为发电机的转速能够因风扇的转速改变进行改变，同时功率的频率也能维持不变。

它不好的地方是适用的空间很窄，某些时候仅仅可以获得风能，发电效率很低。VSCF系统则是利用变桨距控制风机，为确保系统以最佳效率运行，使其在很大速度范围内捕获风能，VSCF系统是当前风力发电技术的大致方向。

1.2 本文的主要工作

环境和能源现在世界上棘手的发展绿色能源一定得解决的两个方面，面对这样的两大问题，毫无疑问就必须要实行可持续发展。这是全球所有国家的最明智的抉择。风能为含量特别丰富的常见绿色能源。由于长期以来的研究发展，全球风力发电技术一天比一天更加先进，风力发电机的安装能力也随之增大，由桨距不变变成桨距改变，由速度频率都不变变成现在的速度改变频率不变，风电发展之快足以令所有人瞠目结舌。这篇论文主要是对双馈感应发电机的变速风电系统进行研究。也对其在风力发电中的应用进行着重阐述。

本文的研究工作从以下几个方面展开：

（1）分析了双馈感应发电机的优点和应用，研究了发电机的内部和外部的能量关系，为设计奠定了理论基础。

（2）模拟现实进行研究的时候，建立起它的仿真模型，而且也建立了变速双馈风电系统的全部仿真模型，将风速的波动和电网故障运行都依照现实情况进行模拟，最后现象表明这篇论文阐述的理论为对的。

（3）最后回首全篇，并且表示出对以后风电工作的期望。

2 双馈变速风力发电机组简介

2.1双馈变速风力发电机组的主要构造

在双馈感应发电机的速度不断进行改变的电机组这方面，它内部分为风轮、轴系、双馈感应发电机及负荷变频器，具体见2-1。在该发电机组中，慢旋转风力发电机组以齿轮轴和发电机转子相连，定子以交流电方式和电网相连。

图2-1 装有部分负载变频器的双馈变速风电机组

这个部分负责转换的零件是用一对被dc所相连的两个背面相对的，可以把电压转化为其他形式的物件。在转动方面，这个零件是一个可以集中电流的圆形环装物体。把电流所走的路线连到一起，它是利用可以改变电压数值的器件来对这张由电路组成的网络给予电流，另外，这对两个背面相对的零件可以使电压改变为其他形式。它是被IGBT调节。使电流可以发生改变的零件可以使其在一秒内改变的次数的峰值是10。在转动的这一方面，零件在转动的电流线路中可以知道所输出的电压的大小和方向，它的幅度大小刚刚好而且还会根据正好的一秒内该改变的次数来进行转动。在可以发出电流的机器中，转动的线圈和由风来产生电的机器中的风扇不用必须根据一定的一秒内应该转动的圈数来工作，它转动的方面由零件时刻着。因此，利用风来产生电的机器里面的风扇能够拥有两种可以改变形式的器件，它可以发出电流的机器所控制，这种可以利用风来发电的机器工作的速度可大可小，并且最大与最小之间的差距大，所以这种机器叫做变速风电机组。

2.2风力机的基本理论

2.2.1风力机的空气动力学

这种利用风能来工作的机器所运用的原理是气流的运动施加给带有叶片的轮的力来进行运动的。通过激盘来提取风能的这种说法，很好的表达了一种能量转化为另一种能量的经过，同时也了把风能转化为其他能量的效率的最大值。将风轮叶片沿展向分成许多微段的这种说法所专研的为带有叶片的轮的零件上面的空气所形成的力，利用这个说法来说明像失速这样的因为气流而运动的情景则更为合适，更为形象具体，更让人理解易懂。 2.2.1.1激盘模型

激盘的作用是能够获取风能，它的模型原理是动量定理,风力机在某种角度上可以被当成激盘,在气流中,激盘能够将空气看成是不能够压缩的,例如图2.2。

根据流体力学求气流的动能，具体如下式：

1Emv2，mρAv （2.1）

21EρAv3 （2.2）

2激盘能够获得风能,因此上游不得小于下游的风速,而流量管恰好围绕激盘,因此上游截面积A1小于激盘面积Ad,且激盘面积小于下游面积A2,定义管道中的质量相等可得：

ρA1v1ρAdvdρA2v2 （2.3）

根据欧拉理论，作用在激盘上风的气动力为：

FρAdvd(v1v2) （2.4）

激盘吸收的风功率为：

2PFvdρAdvd(v1v2) （2.5）

上游到下游，速度下降了v1v2，动能损失为：

12△EρAdvd(v12v2) （2.6）

2因为总能量不变，所以激盘获得的与消耗的动能相同，所以式（2.5）与式（2.6）也相等。 由此可得：

vd(v1v2) （2.7） 2将式（2.7）带入式（2.4）和式（2.5）中得

作用在风轮上的力和功率为：

12FρAv（A12v2） （2.8）

2

P

12ρsv(v12v2)(v1v2) （2.9） 4

图2.2 经过激盘的气流

2.2.1.2贝兹极限

若想得出最大的功率,可以把以上的式子微分：

dP12ρAv（A122v1v23v2） （2.10） dv24令（2.10）为0，则有一个解是：v2v1，无意义；还有一个解是：v2v1/3, 把v2v1/3往式(2.9)里面带。能够算出最大功率是：

8PmaxρAv13 （2.11）

27对比激盘风能的动能和它的最大功率,可以引入风力机理论上的最大效率：

3Pmax（8/27）ρAv1ηmax16/270.593 33（1/2）ρAv（1/2）ρAv11 (2.12）

即为贝兹极限值,适合全部的型号,在当今的商业风力机里,风力机的最大效率小于理论值。 2.2.1.3叶素理论

风电机组里面的桨叶起着很重要的作用，是不可或缺的,通过对叶素的探讨,能够获得转矩、风能以及桨叶上的力。

下图把基元弦长当做C的叶素，并且在气流里活动，相对速度为Vrel,它为风速v和叶片基元的速度在纵轴的分量叠加后的矢量和。在该物件外部，气流对其施加了很多的压力，也就是与气流方向成直角的空气动力和方向一样的阻力fD,例如图2.3。气流和桨叶的成α角,和风轮旋转面夹Φ角,风轮旋转面和桨叶夹β角，它也叫桨距角。

一般来说,升力与阻力用升力系数CL和阻力系数CD代替,这里面的升力与阻力的系数都为α函数：

fLfDρc2VrelCL(α)2 （2.13）

ρc2VrelCD(α)2

图2.3 叶素的受力情况

图2.4 升力系数CL及阻力系数CD与功角的关系

CD和功率角之间的关系。图2.4表示CL、在功角很小的时候,α增大,CL便成比例增加,但CD不发生任何改变,并且是较小的值：然而,当α13时,CL和CD会突然改变,这时,CL减小而CD很快升高,失速状态便出现了。

2.2.2风力机的特性

风力发电时,风能的利用率CP与叶尖速比λ 都为很重要的系数。

CP是风力机所捕获的占全部风能的比例,由定义可得下式,

PCP (2.14)

（1/2）ρAv3这里面的P是风力机真实捕获的功率；ρ是气体的密度；A是风轮的扫

风面积；v是上游风的速度

λ 是叶尖速度和风速的比值。

2πRnωR （2.15） λ vv在这个式子里面,n是风轮转动的速度；ω是风轮的角频率；R是风轮的半径；v是上游的风的速度。

风力机的特殊性能总是用Cp的无因次功能曲线表现,如图2.5。

图2.5 风能利用系数CP和叶尖速比λ的关系曲线

图2.6表现β不一样时,λ与CP的函数曲线,因图像可知，若β特别小则

CPmax最大,理想状态时,β0，所以我们能够得出一个结论：若β由最小上

升到最大,风力涡轮机对风能的捕获能力便也会降低,若λ λ opt,则风能利用系数最大。

图2.6 不同的桨距角的CPλ曲线

因此，风机叶轮从风源中吸收的功率可以用下式表示：

1123PCP(λ， β）ρAv3C（Pλ ，β）ρπRv （2.16）

22为了获得最大的风能追踪，变桨距风力机在最大风能利用率下继续在广泛的风速范围内运行，需要调整风力涡轮机的速度与风速的比值来使叶尖速度比达到最好。

2.3本章小结

这一章节对双馈风力发电机组的结构进行了详细的描述。同时也对CP、λ 、

β三者的关系进行了详细的介绍,也分别对风速改变的风机工作状态进行描述,并为双馈变速风力发电机组的控制的分析做了铺垫。

3 双馈感应发电机的基本理论

3.1 双馈感应发电机的好处和应用范围

随着电力电子以及微机控制水平的不断进步，出现了交流励磁的交流电机，称为双馈型异步发电机。它的结构与具有两组定子和转子绕组的绕线异步电动机相近。利用转子侧励磁电源的频率不断地发生改变这一特征，无论电动机或是发电机都能够在不一样的速度下进行工作。而且，它也可以更改电网功率因数，增强电网的稳定。

DFIG 结合了同步发电机和异步发电机的特点，但是对于性能来说，它的许多地方却与后者不同，与前者相同。大体为以下几点：

（1）后者一般都吸取电网的延迟感性无功功率，这样呢就会破坏电网使其受到污染，但是双馈感应电机的励磁绕组都是分开的，和前者相同能够发送感性无功功率到电网；

（2）前者能以对无功功率进行改变的方式对定子侧的功率因数进行改变调整，在这一点上双馈感应电机与前者是完全相同的；

（3）双馈感应电机与负载无关， 转速可保持不变。

因为DFIG有前者没有的速度改变频率恒定的工作特点，所以在某些应用中有很大的好处。

（1）实现原动机在速度改变的工作中的优良发电。

之前，因为电网频率有限以及同步发电机的特殊性能，发电机转速恒定，致使原动机的速度永远都恒定。使机组运行效率降低，机器磨损增加电力质量下降。DFIG能够改变它的相位以及频率，同时能够保证在原动机转速变化时能够传输恒定的功率频率。既可以使机组得工作效率上升也可以使机组的可使用时间增多。

（2）能够实现发电机安全的并网

并网中对各种发电机的控制操作都不简单，一般都必须要求控制操作一定要精准而且要所有的工作一起进行。它与转子进行交流励磁，这样一来就可以准确的对发电机定子电压进行改变，与并网相匹配，尽快达成确保安全且高速的并网运行。

（3）能够加入系统的无功功率改变，增强系统的稳定

电力系统可容量与长度成正比例关系。也总会出现有用功率比自然功率大的情形。由于无功功率过大，目前的解决方案是在线路上增加一个静态电抗器或无功功率补偿器。它能够改变励磁电流相位，从而调整功角，这样发电机工作起来就会更加稳定，参与电网无功调整，提高电网运行效率。因为双馈感应电机的某些特点很好，所以能够在很多地方普遍使用。例如：

（1）交流调速电机中具有风机、水泵等改变速度的系统。它可以改变任意种类负载的无功功率以及它的转速，这使得效率直线上升，同时在能源的节约方面也进步很多。而且它的容量与之前比较仅仅是滑差功率，这使得系统的投入资金大大的减少。

（2）发电机组的作用是供给能量，一旦系统的负荷有任何改变，它会接收峰值负荷也能将谷底负荷变满。而且，它也能将涡轮与各种各样的水头互相匹配然后在速度不断改变的情况下以最好的一面继续工作。

（3）在同步发电机工作过程中，因为电网频率有限以及同步发电机的特殊性能，发电机转速恒定，致使原动机的速度永远都恒定。同时机组的工作效率大大减少，机器磨损地方变多，电力质量下降。DFIG能够改变它的相位以及频率，同时能够使它在原动机转速改变的时候输出功率不变。既可以使机组得工作效率上升也可以使机组的可使用时间增多。

简而言之，它的基础是传统电机，它以电机、电力电子以及数控技术为整体。与之前的相比完全做到了取其精华，弃其糟粕。而且也青出于蓝胜于蓝，许多性能早已经超越了之前。

3.2双馈感应发电机的运行原理

同步发电机稳定工作过程中,它的输出电压和极对数、转子转速两者的关系式是：

fpn （3.1） 60这里面：f是输出电压频率；p是发电机的极对数；n是它的旋转时候的速度。

若同步发电机的转子在不断变化的速度下工作，那么若它想产出的电能频率不变是不可能的。然而异步发电机的转子以三相对称来旋转，然后把三相对称交流电通进去,就会在电机的空隙中出现不断转动的磁场,也就是

n260f2 （3.2） p公式中，n2是异步电机的转子以三相对称方式旋转的组数，引入电流的频率是f2。p是极对数，f2引入的三相对称交流电的频率。

通过式（3.2）,以调整f2的方式来对n2进行调整,同时这个转子在磁场中的旋转方向能够通过改变引入转子的三相电流进行调整。所以,如果令n1是匹配当电网的频率是50Hz（f150Hz）的时候,n1是异步发电机的同步转速,而n为转子

本身的旋转速度,故只要维持n1n2n1常数,如式（3.3）所示,异步电动机的定子绕组的感应电压，与同步发电机一样，频率将始终保持关闭状态。

n1n2n1同步转速 （3.3）

n1n，那么异步电动机的转子三相绕组里n1异步电机的滑差率用下式表示s面的电流的频率便是

f2pn2p(n1n)pn1n1nf1S （3.4） 606060n1公式（3.4）表明,当异步电动机的转子在速度不断改变的情况下转动的时候,若在转子的对称绕组里面引进滑差频率的电流,异步电机的转子绕组便可以出现

50Hz频率不变的电势。

按照双馈异步电机转子旋转速度的不断改变,它大体上平常的运行情况能够分成三组，分别是：

亚同步工作情形：若n0，又因为滑差频率是f2的电流在旋转磁场中n2和转子转动的方向一样,所以便会出现nn2n1,此种情形便是亚同步工作情形。

超同步工作情形：若n>n1，那么便会有n2<0,调整引进转子中频率是f2的电流相序,那么出现的旋转磁场转动的速度n2方向和转子的转动方向不同,也会出现nn2n1。此种情形便是超同步工作情形。

当从亚同步变成超同步工作过程中,转子三相绕组一定要自己把相序调整到与磁场转动速度n2相反的方向；反之相同。

同步工作情形：若nn1也就是n20,f20,若出现此种情形那么便显示这个时候所引进的转子绕组电流属于直流,f0,此种情形便是同步工作情形。

3.4 双馈感应发电机的等效电路

依据大多数感应电机研究的方式，把转子侧的量变成定子侧，那么便能够设计出双馈感应发电机的等效电路，如图3.1所示。在这里面，U1、I1是定子侧电压、电流；U'2、I'2是转子侧所后加的电压、电流；Im是励磁电流；Rs、Xsσ是定子侧电阻和漏抗；R'r、X'rσ是转子侧电阻和漏抗；RmjXm是激磁阻抗。

.....

图3.1 双馈感应发电机的等效电路

若大多数异步电机定子侧达到了额定电压，那么转子做功的电流为Ira，计算如下式：

IrasErRr2（sXrσ）2RrRr2(sXrσ）2sErRr （3.5）

Rr2(sXrσ)2上面的式子里，Er是转子不转时的相电位换算的数值；s是转差频率。 当计算麻烦时，我们若想使计算变得简便常常把转子漏电抗Xrσ的影响不计，在定子电源电压和机械转矩恒定时，Ira看做是常数，那么就有下式：

IrasEr/Rr常数 （3.6）

在双馈电机的转子绕组外面通入一和转子的感应电动势频率一样的电压

U'2，在U'2和转子电动势sEr方向相同或者是相反的时候,便有以下的关系式成立：

Iras'ErU2sEr （3.7） RrRr..

若U'2和sEr之间的相位差是任意一角度的时候，U'2和sEr相同方向的分向量的作用是可以调节这个时候的电机的转动速度。所以，该研究表现出双馈电机能够将转动速度改变。

设电动势sErsEre..当s是外接的U'2的候，在（3.7）等式可以成立的时候，就把s转变为s'。

......j0，UrUre....j(πβ ），考虑转子漏抗时，转子电流Ir为：

.IrsErUrEUrsejφφrej(βφr) （3.8）

RrjsXrσZrEr2r2与U'2间夹角的余弦。

因此，转子有功电流Ira和无功电流Irr为：

.φrarctan(sXrσ/Rr)；式中，ZrR(sXrσ)是转子漏阻抗的模；β 是sEr.ErUrIscosφcos(β φ)rarrZrEr （3.9） IErscosφUrsin(βφ)rrrrZErr

方程（3.8）中能够显示转子电流分为两大块。分别是有功及无功电流；有功电流的出现是由于转差电动势；无功电流的出现是由于U'2。调整U'2的大小，作用是能够调节转子电流大小，这样一来就能够保证电动机磁势稳定，而定子侧的两部分电流出现一定程度的改变，这样一来便可以控制双馈电机的功率。

..3.5 双馈感应发电机的能量关系

电机的机制是将机电能量进行相互的变换，所有的电机里都含有气隙磁场。从发电机的角度来看，由转子所输入的机械能与在气隙磁场收到的磁力相抵消，导体一直在与电机形成一种感应，使它能够不停的将电能输出，进而可以将机械能与电能不断变换。

（1）定子有功功率方程

PemPcu1Ps （3.10） 式中，Pem为电磁功率(W)；Pcu1为定子绕组铜耗（W）；Ps为定子输出有功率（W）。

（2）转子有功功率方程

P2Pcu2Pe2 （3.11） 在上面的式子里，P2是转子边进出的电功率，单位是W；Pcu2是转子绕组所用的电功率；Pe2是转子绕组进行传播的电功率。

(3)机械功率方程

Pe2sPem （3.12）

在发电机角度来看，Pem是大于0的，因此若转差率s<0，在双馈电机超同步工作的时候，Pe2是小于0的，这种情况即是转子对变频电源输功率。若s>0，那么它在次同步速度下工作的时候，Pe2是大于0的，这种情况就是变频电源对转子输功率。

如果轴上所输入的机械功率是Pm，按照能量守恒这一说法，会出现以下式子：

PmPe2Pem （3.13）

于是

PmPemPe2(1s)Pem （3.14）

若电机超同步速度工作的时候，s<0，那么Pm>Pem，由转子输入进来的机械功率几乎全被变化为Pem改为定子进行对外输送，剩余的将会变为Pe2在转子上被对外输送。若次同步速度工作的时候，s>0，那么Pm图3-2 双馈感应发电机能量流图

根据以上表明的，它能够在励磁系统里面进行工作来对转子侧引进电力，同时还能将其反映到电网。所以，励磁转换器一定要具备重生操作能力，而且可以达成能量两个方向的流动。

3.6双馈感应发电机的数学模型

3.6.1三相静止abc坐标系下的数学模型

当研究它之于三相静止与两相同步速度旋转坐标系中数模的时候，定子绕组仍然以之前常用的发电机的形式，电流从正方向出来；转子绕组仍然以之前常用的发电机的形式，电流从正方向进去。若想使其更加简单，致使研究起来不复杂，我们常常设电机是我们心目中所想的那种同时与一些方面相匹配，例如：

（1）电机的极对数必须是一而且要求没有阻尼绕组。

（2）三相绕组放置的地方要相互对称，同时它工作时所出现的磁感应电动势要在气隙中形式为数学函数正弦曲线。

（3）不计磁路是否已满，所有绕组自感与互感都不变。 （4）不计铁心逐渐变少使研究出现的不同地方。 （5）不计因频率、气温改变而使绕组电阻发生的改变。

图3.3 双馈感应发电机的物理模型

所以，能够看出上图中表现的它的物理模型。图里，定子三相绕组As、Bs、

Cs被当做坐标轴，把As当做坐标轴，转子绕组轴线是ar、br、cr在转子的不断

转动下，转子的ar轴和定子的AS轴的电角度θr是角的改变量。定子与转子绕组后的形状是星形，它们的电阻一样，也就是说

RAsRBsRCsRsRarRbrRcrRr （3.15）

现实的三相坐标系中，便能够分析出它的数模，同时把它变成数学式。如下： （1）电压：

uAsRsuBs0uCs0 uar0u0br0ucr0Rs000000Rs000000Rr000000Rr00iAsi0Bs0iCs0iar0ibrRricrψAsψBsψCsp （3.16） ψarψbrψcru是每个绕组两头的电压；ψ是每个绕组的磁链；R是电阻；p是微分

d； dt

（2）磁链方程

ψAsLAsAsψBsLBsAsψCsLCsAsψarLarAsψLbrAsbrψcrLcrAsLAsBsLBsBsLCsBsLarBsLbrBsLcrBsLAsCsLBsCsLCsCsLarCsLbrCsLcrCsLAsarLBsarLCsarLararLbrarLcrarLAsbrLBsbrLCsbrLarbrLbrbrLcrbrLAscriAsiLBscrBsLCscriCs （3.17） LarcriarLbrcribrLcrcricr

这里面，对角线LAsAs、LBsBs、LCsCs、Larar、Lbrbr、Lcrcr为每个绕组的自感，剩下的为绕组的互感。

LAsAsLBsBsLCsCsLmsLls （3.18） LLLLLbrbrcrcrmrlsarar定子中：Lms是互感；Lls是漏感；转子中：Lmr是互感；Llr是漏感。 因为此轴的相位差是正弦函数，那么便得出：

2π，若设气隙磁通的图像是数学函数中的三角函数32π2π1Lcos（）Lms （3.19） 332Lmscos所以：

1LLLLLLLmsBsCsCsAsBsAsCsBsAsCsAsBs2 （3.20） 1LLmrarbrLbrcrLcrarLbrarLcrbrLarcr2同时由于他们两个之间的所有相位的地方发生了一定的变化，互感为θ的函

数，因此得出：

LAsarLarAsLBsbrLbrBsLCscrLcrCsLmscosθr2πLAsbrLbrAsLBscrLcrBSLCsarLarCsLmscos(θr) （3.21）

32πLLLLLLLcos(θ）AscrcrAsBsararBsCsbrbrCsmsr3可以看出，定转子间互感与转子位置θr有关，是系统非线性的一个来源。 （3）转矩方程：

2πTemnpLmsiAsiariBsibriCsicrsinθriAsiBriBsicriCsiarsinθr3（3.22）

2πiAsicriBsiariCsibrsinθr3式中，Tem为电磁转矩；np为电机极对数。 （4）运动方程：

TLTemωrdθrdtJdkDKωrθrnpωrnpnp （3.23）

TL是风力机供给的转矩；J是转动惯量；kD为和转动的速度为正比例函数

的摩擦和风阻力矩的系数；K为扭转弹性力矩系数，在双馈电机方面，K0。

上面几个式子描绘出它在该系中的数模，从中我们能够发现，它的特性有以下几个：不是线性的，总是发生改变，耦合强，面对这些我们研究起来便更加复杂。若想使我们的研究过程变得不复杂也能对它的来回改变加以控制，我们便要利用坐标变换之一方式来将这个模型简单化。

3.6.2 两相同步速旋转dp坐标系下数学模型

坐标变换原理：该坐标系中矢量以转换两相旋转坐标系来进行表现。这个过程里，可以采用恒功率或恒幅的原理。

按照以上所言，第一步便要讲明该坐标系的来回变化之间的关系，在这里面

As,Bs,Cs是该系，也就是定子绕组中的坐标系；ar,br,cr也就是转子绕组的坐

标系，转动速度是ωr。α,β是两相静止坐标系，在研究过程中，设定子A相绕组轴线As和α轴正好成一条线；d,q是两相旋转坐标系，转速是ω。

（1）As,Bs,Cs坐标系与α,β坐标系之间的变换矩阵

C3s/2s11223302112,C2s/3sC3s/2s32121321203 （3.24） 232（2）α,β坐标系与d,q坐标系之间的变换矩阵

C2s/2rcosθ-sinθcosθsinθ1 （3.25） ，C2r/2sC2s/2rsinθcosθ-sinθcosθ式中：θ为d轴与α之间的夹角，θωt。

（3）As,Bs,Cs坐标系于d,q坐标系之间的变换矩阵为 可以根据（1）、（2）得到

C2s/2rC3s/2s2π2πcosθcosθ-cosθ233 （3.26） 2π2π3-sinθ-sinθ-sinθ33cosθsinθ2ππsinθ-sinθ （3.27）

336ππ-sinθsinθ-63C2r/3sC2s/3sC2r/2s（4）ar,br,cr坐标系到d,q坐标系之间的变换矩阵为

C3r/2rcosθs23sinθs2π2πcosθscosθs33 （3.28） 2π2π-sinθssinθs33式中：θsω-ωrtθ0,θ0为初始角度。

（5）直角坐标与极坐标之间的变换关系为

上述的α,β和d,q均为直角坐标系统，以α,β为例给出直角坐标到极坐标之间的变换关系

vv2v2αβvα （3.29） tanθvvβ式中：vα、vβ为α,β两坐标轴上的量，θv为v矢量和α轴两者夹角。 一般情况下，若想使研究过程不那么复杂，我们便把d,q坐标系变为旋转坐标系，也就是设ωω1

以上所说明的坐标之间的关系也能用于将它在其他节里面的数模变成d,q坐标

系。

d、q 两轴和两坐标方位：

图3.4 d,q坐标系与定、转子坐标关系

设最开始的时候d轴和定子A相绕组轴线成一条线，那么t满足以下式子：

θ1ω1t （3.30） θωtθ1sωtθr010r在这里面，θ0是最开始的角度。

该式表明：d轴和a相绕组两者的θs是：

θsθ1θrsω1tθ0 （3.31）

并且满足： pθssω1 （3.32）

根据上面所阐述的各个之间的联系，我们能够把该系里的电机数模变化为

d,q坐标系里面，以下为各项的式子：

（1）电压方程：

usdRsusq0urd0urq00Rs0000Rr00isdi0sq0irdRrirq0ψsd0ω1ψ-ω00sdp1ψrd0000ω1ωrψrq00ψsdψ0 sq（3.33）

-ω1ωrψrd0ψrq（2）定、转子磁链方程为：

0ψsdLsψLssq0ψrdLm0Lmψrq0Lm0Lr00isdiLmsq （3.34） 0irdLrirq把（3.34）引进（3.33）里面，我们能够算出以电流量的形式出现的电压方

程。具体是：

ω1LsLmpω1LmusdRsLspisduiωLRLpωLLpsq1sss1mmsq（3.35） urdLmpω1ωrLmRrLrpω1ωrLrirduωωLLpωωLRLprq1rmm1rrrrirq（3）电磁转矩方程为:

33TemnpψsqisdψsdisqnpLmisdirqisqird (3.36)

22(4）运动方程没有变化，与三相静止坐标系中一致。

3.7 本章小结

这一部分介绍双馈风力发电机组好处及适用范围等。并且对各能量之间的变化关系，得出在两种系里它的数模。它为未来控制系统控制策略的分析和建模奠定了基础。

4 双馈变速风电机组系统实验平台及实验结果分析

4.1 MATLAB/Simulink仿真平台介绍

MATLAB是美国MathWorks公司生产的商业数学软件。分为 MATLAB、 Simulink。

MATLAB的含义为矩阵工厂。这是一个高科技的计算环境，主要由美国的数学工作者出版，面向科学计算，可视化和交互式编程。它集成了许多强大的功能，如数值分析和不是线性的非静态系统模仿现实等作用，同时也能把它运用到方便且容易运行的环境里。给科技发展等许多科学领域提供全面的解决方案，这些解决方案必须进行有效的数字计算。在很多方面上来看，它早已放弃之前的计算机编程模式，它所运用的程序已经极为先进。

Simulink具有适应性广，结构清晰流畅，仿真精细，贴近实际，高效率，灵活等好处。由很多较良好的特性的铺垫下，它普遍的在理论以及各项模拟现实下工作。

当代前列的数学软件有三个，它们分别是：MATLAB和Mathematica、Maple。在当代的数学科技上它的运行效率几乎无人能及。MATLAB能够矩阵计算、编写数据及描绘图像等，它大部分都应用在工程方面的精密计算、设计以及能准确且迅速的处理分析各种事物例如信号、图像等。

4.2系统仿真模型与参数如下

在 MATLAB/Simulink 中建立的含风机的电力系统模型如图4.1

图4.1 双馈感应发电机的变速风电机组模拟现实的系统

该系统里面，含有额定有功功率为61.5兆瓦的风力发电厂。风机出口母线电压为575V，并且一条500kW电阻负载连接到该线路。通过35kV / 575V升压变压器（额定容量62MVA）将电压升至35kV，并通过10km线路与25kV母线连接。

通过35kV / 220kV升压变压器，它可以把电压重新提高到220kV。引进额定容量是2500 MVA的限流电抗器，再引进电压、频率均为恒定的电源，这个电源的功效是仿造无穷大的系统。

双馈变速风电机组模块（Wind Turbine),如图4-2所示，由风力机（Wind Turbine)、感应发电机定子电流（Asynchronous machine Stator currents）以及电网侧面变换器的电流（Grid-side Currents）合成的子模块与变换器(Genertor and Converters)子模块一块形成。

图4-2 双馈变速风电机组子系统结构

此模块里面，选择“风电机（Turbine Data）”选项，将参数设置如图4-3所示。

点击“发电机（Generator Data）”，把发电机的各项参数在对话框里显示出来，如图4-4所示。

点击“变换器（Converters Data）”，把变换器的各项参数在对话框里显示出来，如图4-5所示。

图4-3 风力机数据参数对话框

图4-4 发电机数据参数对话框

图4-5 交换器数据参数对话框

它其实是有两种状态的分别是有压及无功功率控制。首先进入“运行模式（Mode of Operator）”里面点击“电压控制（Voltage Regulation）”把它的参数在对话框里显示出来，具体见下图4-6。

图4-6 双馈变速风电机组风电机组在电压控制模式下参数对话框

首先进入“运行模式（Mode of Operator）”里面点击“无功功率调节（Var Regulation）把它的参数在对话框里显示出来，具体见下图4-7。

图4-7 双馈变速风电机组在无功功率控制模式下参数对话框

4.3风速波动时风电机组输出特性仿真

依据4-1 ～ 4-7中所描述的它的各项功能的参数数据。

首先在主界面的Simulation→Configuration Parameters指示下开启模拟对话框的各项指标重新调整，用Ode23tb（Stiff/TR-BDF2）这一算法，模拟的开始时间当成是0，停下来的时间当成是半分钟，运行Powergui对话框，开启Phasor Simulation模拟现实这一状态，同时开始将其初始化。

进入电压控制的状态，开始模拟真实的进行工作，会出现在风速波动下风电机组的输出随着时间变化而不断进行改变的图像，具体见4-8。

图4-8 电压控制模式下风电机组输出特性变化曲线

如图所示，若它以电压当做控制方式的时候风电机组电压恒定，我们想使电压一直不变，且风电机组在电网里面所获得的无功功率因风的速度不停地改变而改变，因此我们便要进入无功功率控制状态，然后在模拟现实的状态之下工作，进而我们便可以获得风速变换下风电机组输出特性不断变化的函数，具体见4-9。

图4-9 无功功率控制模式下风电机组输出特性变化曲线

如图所示，它在以无功功率为控制模式的时候，它在电网里捕获的无功功率大体恒定。

4.4电网故障时风电机组输出特性仿真

根据三相故障模块进行电网于0.5s开始出现三相短路，然后0.6s回归正常，将它开始模拟现实的时间当做是0，结束的时间当做是2s。

进入电压控制状态，开始模拟现实进行工作，由此我们便可以获得当电网因突发情况停止运行后又恢复的函数图像，具体见4-10。

图4-10 电网故障时电压控制模式下风电机组输出特性变化曲线

如图所示，当电网因某种有突发情况而暂停工作时，它的出口电压减少，同时对电网供给着无功功率，当一切恢复正常的时候，它也要讲之前所供给的无功功率重新获取回来，目的是不因故障改变其电压使其始终保持在初始数值。

首先进入无功功率状态，开始模拟现实进行工作，由此我们便可以获得当电网因突发情况停止运行后又恢复的它的输出变化的函数图像，具体见4-11。

图4-11 电网故障时无功功率控制模式下风电机组输出特性变化曲线

如图所示，当电网因某种有突发情况而暂停工作时，它的出口电压减少，同时对电网供给着无功功率，当一切恢复正常的时候，它降低风电机组和电网两方的无功转换，然而风电机组两端的电压重新回归正常值便需要很长的时间。

4.5本章小结

以前面的研究为铺垫，通过MATLAB / Simulink这一模拟现实的软件做出模拟现实的模型。同时也作出电网模型，这也就能对新建立起的双馈单元模型正确性进行确定。

5 总结与展望

风能属于全球可再生能源,在当今社会的不断发展科技工业等的不断和进步下,我们对风能依赖也越来越多。本文对双馈感应电动机在风力发电中的作用展开研究,具体工作总结如下

1. 介绍了风力发电,同时对它的一些性能进行简要分析,是之后想研究其控制系统的一个铺垫。

2. 简要的阐述它的工作原理,并且推算出它的等效电路及它们之间的和能量转换联系。

3. 利用MATLAB/Simulink工具箱,对其建模,并对控制过程进行仿真,得到风速波动时和电压故障时的波形图。

我们分析了控制系统。用一些高科技模拟现实，来验证该想法的正确证明,也是在现实中对它进行控制做的一个铺垫。然而我的知识水平还不够丰富，致使这篇文章还不完美，还有一些缺陷。同时本次论文研究的主题在理论上虽然已经可行也经过了现实的模拟，但若想真正的在实际生活中应用还有待考虑。仍然需要更高的科技去证明其合理性。

参考文献

[1] 刘健,基于双馈电机变速恒频风力发电系统的仿真与控制器设计. [2] 周剑君，变速恒频双馈风力发电机控制系统的研究. [3] 杨冬,双馈风力发电机矢量控制研究.

[4] 窦金延,双馈变速风力发电机组控制系统的研究.

[5] 李菁,基于Matlab的双馈感应风力发电机组暂态模型.

[6] 张越雷，杨强，黄守道，变速恒频风电机组用双馈异步发电机的设计探讨. [7] 孙岩，基于MATLAB_SIMULINK双馈风力发电机仿真模型的研究孙岩.

致谢

在论文即将定稿之际，我要向我的导师莫琦表示感谢。在论文构思和撰写的过程中，从论文选题、到进行开题答辩、最后到正文撰写，莫琦老师给予了很多宝贵意见。使我影响深刻的是，莫琦老师严谨负责的态度，无论从初稿文章结构的建议，还是定稿格式规范、论文要点，老师都及时通过QQ与电话联系，使我能够成功完成论文写作。

同时感谢这四年在广东石油化工学院中度过的学习时光，在这里详细学习了电气工程及其自动化的专业知识，使我能够走上一个新的平台，开始一段新的学习旅程。要感谢广东石油化工学院自动化系的所有老师，在听过他们讲授的课，使我不仅对电气自动化理论有更深的理解，更是通过实验课的操作将理论与实践结合，真正理解专业知识的精髓，还学到很多做人、做事、做学问的道理，在此献上真挚的谢意。

感谢我的各位同学，是你们的热情真诚让我这个异乡学子，感受班级大家庭的温暖。在改写论文的过程中，不少学生给予了协助和支持，并在此表示感谢。

最后，我要感谢我父母对他们默默的奉献和支持，这使我在这四年中度过了一个有意义的大学生活。这些唯有通过不断鞭策自己，取得更好的成绩来回报他们。