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双馈异步风力发电系统双馈异步风力发电系统DoublyDoubly--FedInductionGeneratorFedInductionGeneratorWindEnergySystemWindEnergySystem刘光德刘光德1300242508613002425086liugde@126.comliugde@126.com2双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真zz目的目的介绍借助计算机对双馈异步风力发电系统进行分析和仿真计算的基本方法和实例。（1）数学模型（2）稳态特性分析（3）动态特性仿真zz内容内容3纲要1.双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构2.双馈异步风力发电系统的数学模型3.双馈异步风力发电系统的稳态分析4.双馈异步风力发电系统的动态仿真5.结论双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真41.双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真5双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构z现代大型风力发电系统发展的大趋势：追求高风能利用率恒速恒频变速恒频z双馈异步风力发电系统是变速恒频的主要形式之一，其基本构成为：6双馈异步风力发电机组中的风力机变速：在额定风速以下使风力机转速随风速变化。由发电机电磁转矩调节风力机的转速；变桨：完成风力机的启停，在额定至切出风速段调桨以保持风力机输出功率恒定。由液压或电动伺服系统调桨；偏航：跟踪风向。由电动伺服系统驱动；制动、刹车：快速停车。有电磁、气动和机械等多种形式。双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电机组中的传动机构升速齿轮箱：实现低速风力机与高速发电机之间的转速匹配；7双馈异步风力发电机组中的发电机异步发电：电机转子处于同步转速上、下的一定转速范围内，电机皆可运行于发电状态；双端口馈电：发电机定子绕组直接向电网送出电能；转子绕组经变频器与电网联接，转子转速低于同步转速时，转子绕组从电网吸收电能；转子转速高于同步转速时，转子绕组向电网送出电能。即转子功率双向流动；交流励磁：转子电流完全受控。为发电机提供励磁所需无功电流，并部分参与转子有功功率交换；转子电压、电流为转差频率，须经变频器变频稳压才能接入电网。双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构8双馈异步风力发电机组中的变频器拓扑结构：交直交电压型变流器。由两个共用直流环节的背靠背三相整流/逆变器组成。可实现变频、变压和功率双向流动；控制方式：发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制；电网侧变频器采用电网电压定向矢量控制。通过二者之间的协调控制，保持直流母线电压恒定。可实现发电机的有功功率和无功功率之间的解耦控制；电压调制：空间电压矢量正弦型脉宽调制。双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构92.双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真10双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型风速的数学模型11双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型变桨变速风力机的数学模型根据气动理论，风力机的转矩可表达为根据气动理论，风力机的转矩可表达为：：(){()()}∫+−+=mrrldlpmdxxBCCxBCxxxlnT0])(cot[1])(sin[)()(212111αααααδρσ12双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型变桨变速风力机的数学模型13双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型变桨变速风力机的数学模型“利用Saber仿真软件的MAST语言，可以将上述数学模型写成一个风力机转矩的Saber仿真模块。”14双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型（1）稳态等值电路模型（2）相坐标系多回路模型（3）同步速旋转坐标系等效两相模型15双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型稳态等值电路模型参数：R1、R2:定、转子绕组电阻X1、X2：定、转子绕组漏抗Xm：励磁电抗条件：U1、U2：定、转子电压S：转差率16双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型相坐标系多回路模型电压方程：17双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型相坐标系多回路模型磁链方程：18双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型相坐标系多回路模型相坐标系多回路模型磁链方程：19双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型相坐标系多回路模型20双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型相坐标系多回路模型21双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型相坐标系多回路模型22双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型同步速旋转坐标系等效两相模型（利用三相对称性）23双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型同步速旋转坐标系等效两相模型24双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型同步速旋转坐标系等效两相模型25双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型同步速旋转坐标系等效两相模型26双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型同步速旋转坐标系等效两相模型利用发电机侧变频器供给转子绕组可控的交流电压，通过闭环控制转子电流，可独立控制定子绕组输出的有功和无功电流。27双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步风力发电系统的数学模型双馈异步发电机的数学模型——小结（1）稳态等值电路模型：参数少，计算简单，适合于计算发电机的各种稳态性能；（2）相坐标系多回路模型：参数多，解算复杂，适合于各种内、外部故障和异常状态以及定、转子齿谐波的分析；（3）同步速旋转坐标系等效两相模型：参数少，解算相对简单，适合于作为控制模型。283.双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真29双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析不同风速下风力机转矩与发电机转速的关系曲线30双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析不同风速下风力机捕获功率与发电机转速的关系曲线31双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析不同桨距角下风机捕获的机械功率与发电机转速的关系(风速Vw=12m/s)32双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈发电机特性：功率转速曲线双馈发电机功率转速曲线-20002004006008001000120014001600700.00800.00900.001000.001100.001200.001300.00发电机转速(r/min)功率(kW)输出功率定子有功转子有功33双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈发电机特性：电流负载曲线双馈发电机负载电流曲线02004006008001000120002004006008001000120014001600负载功率(kW)电流(A)定子电流转子电流34双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈发电机特性：负载转子电压曲线发电机负载转子电压曲线05010015020025030035040002004006008001000120014001600负载功率(kW)转子电压(V)35双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈发电机特性：效率曲线双馈发电机效率曲线3540455055606570758085909510002004006008001000120014001600负载功率(kW)效率(%)36双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析转子励磁电流对定子电流的影响（Simulink仿真结果）转子励磁电流分量为额定值时定子相电压和相电流37双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析转子励磁电流对定子电流的影响（Simulink仿真结果）转子励磁电流分量为0时定子相电压和相电流38双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析转子励磁电流对定子电流的影响（Simulink仿真结果）转子励磁电流分量为额定值的2倍时定子相电压和相电流39双馈异步风力发电系统的稳态分析双馈异步风力发电系统的稳态分析转子励磁电流对定子电流的影响——小结（1）转子励磁电流分量额定时，定子只输出有功功率；（2）转子励磁电流分量较小时，定子从电网吸收无功功率；（3）转子励磁电流分量较大时，定子向电网送出无功功率；404.双馈异步风力发电系统的动态仿真双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真41双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析转速跨越同步速时双馈发电机转子电流波形（Simulink仿真结果）42双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析最大功率点跟踪控制方法的效果仿真（MPPT）（1）转速跟踪法（2）电流（转矩）跟踪法43双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析MPPT控制方法的影响转速跟踪法（Saber仿真结果）44双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析MPPT控制方法的影响转速跟踪法（Saber仿真结果）45双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析MPPT控制方法的影响电流（转矩）跟踪法（Saber仿真结果）46双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析MPPT控制方法的影响电流（转矩）跟踪法（Saber仿真结果）47双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析随机风速下变桨控制效果的仿真48双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析随机风速下变桨控制效果的仿真（Saber仿真结果）49双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析随机风速下变桨控制效果的仿真（Saber仿真结果）50双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析定子端口短路故障的仿真（1）单相对地短路（2）相间短路（3）三相短路51双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口单相对地短路（Saber仿真结果）52双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口单相对地短路（Saber仿真结果）53双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口相间短路（Saber仿真结果）54双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口相间短路（Saber仿真结果）55双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口三相短路（Saber仿真结果）56双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子端口三相短路（Saber仿真结果）57双馈异步风力发电系统的动态分析双馈异步风力发电系统的动态分析双馈发电机定子短路故障比较（额定值的倍数）单相对地相间三相电磁转矩双向冲击3.92.33.4定子输出功率冲击1.91.90定子电流冲击10.94.78.9转子电流冲击3.92.75.3转子输出功率冲击8.94.4714.0“双馈发电机定子端口三相短路对转子变频器危害最大。”585.总结双馈异步风力发电系统仿真双馈异步风力发电系统仿真59总总结结（1）介绍了变桨变速风力机的气动模型，风力机的转矩与功率可表达为风速、轮毂转速和桨距角的函数；（2）介绍了双馈异步风力发电机的三种数学模型，分别适用于发电机的稳态特性分析、动态故障仿真和