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０．０８０．０６０．０４０．０２０－０．０２－０．０４０５１０１５２０００．５１．５１．０β ／ｒａｄλＣｑ图１风力机转矩系数曲线Ｆｉｇ．１Ｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ大型变速恒频风电系统的建模与仿真孙国霞，李啸骢，蔡义明（广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４）摘要针对兆瓦级变速恒频风力发电系统，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了包括风机、传动齿轮、双馈发电机在内的大型风电系统的整体动态数学模型。传统的最大风能捕获算法往往基于最优功率曲线和部分风机参数已知，当上述参数未知或出现扰动时，风电系统的效率会严重降低。针对此不足，基于所建模型设计了变步长最大风能捕获控制器，该控制器采用矢量控制算法，实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制；针对有功功率控制，控制器根据发电机输出转速扰动时，相应输出有功功率的变化变步长地调整系统输入，直到系统运行到最大风能点。仿真结果验证了风电系统模型的正确性以及控制器的有效性。关键词风力发电系统；双馈发电机；矢量控制；最大风能追踪中图分类号ＴＭ３１５文献标识码Ａ文章编号１００６－６０４７（２００７）１０－００６９－０４收稿日期２００６－０９－１１；修回日期２００７－０３－０５电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２７Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００７第２７卷第１０期２００７年１０月０引言在众多的计算机仿真软件中，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为动态系统的设计与控制策略的开发提供了直观、方便、交互式的图形化集成仿真环境，获得了广大工程研究人员的青睐。现基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了以双馈电机为发电机的大型变速恒频风电系统［１－３］的整体动态数学模型，该模型包括风机、传动齿轮、发电机、控制器４个部分。其中，为提高低风速下的风电系统的运行效率，设计了运用变步长搜索算法的最大风能追踪控制器，该控制器收敛速度快，并且不需要风机系统的任何参数，具有很好的鲁棒性能。１风电系统仿真与建模１．１风力机模型风机的输出转矩与风速、叶片转速及其结构参数有关，由风力机的转矩特性方程有［４－５］Ｔｗｔ＝１２Ｃｑ π Ｒ３ ρ ｖ２（１）式中Ｔｗｔ为风轮输出转矩；Ｃｑ＝ｆ（ λ ， β ）为风轮的转矩系数； ρ 为空气密度；ｖ为风速；Ｒ为风轮半径； λ ＝ ω ｍＲ／ｖ为叶尖速比； ω ｍ为风轮机械角速度； β 为风机桨矩角。Ｃｑ与桨矩角 β 、叶尖速比 λ 的非线性曲线关系如图１所示。对于水平轴、三桨叶、上风向布置、变速变桨距控制发电机组，根据文献［６］有Ｃｑ＝ｆ（ λ ， β ）＝０．２２ λ １１６ λｉ－０．４ β － “５ｅ－１２．５／ λ ｉ１λ ｉ＝１λ ＋０．００８ β －０．０３５β ３＋１（２）１．２传动齿轮模型风力机的传动齿轮示意图如图２所示，忽略转轴的倔强因数、阻尼因数，由动力学分析，可知轮毂到发电机转子之间的机械传动部分的动态方程［７－８］为Ｔｗｔ－Ｔｌｓｓ＝Ｊｗｔｄ ωｔｄｔＴｌｓｓ＝ＫｇｅａｒＴｈｓｓ（３）式中Ｊｗｔ、 ω ｔ分别为风机的转动惯量和机械转速；风力机ω ｔＴｗｔ传动齿轮Ｋｇｅａｒ ∶ １Ｔｌｓｓ图２风力机传动齿轮示意图Ｆｉｇ．２Ｇｅａｒｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ发电机Ｔｈｓｓω ｒＴｌｓｓ、Ｔｈｓｓ分别为经过传动齿轮低速轴和高速轴上的机械转矩；Ｋｇｅａｒ为齿轮箱变比。１．３双馈电机模型基于两相静止（ α ， β ）坐标系建立双馈电机数学模型［９－１１］为ｕｓ αｕｓ βｕｒ αｕｒ β“““““““““““＝Ｒｓ＋Ｌｓｐ０Ｌｍｐ００Ｒｓ＋Ｌｓｐ０ＬｍｐＬｍｐ ω ｒＬｍＲｒ＋Ｌｒｐ ω ｒＬｒ－ ω ｒＬｍＬｍｐ－ ω ｒＬｒＲｒ＋Ｌｒｐ“““““““““““ｉｓ αｉｓ βｉｒ αｉｒ β“““““““““““（４）ψ ｓ αψ ｓ βψ ｒ αψ ｒ β“““““““““““＝Ｌｓ０Ｌｍ００Ｌｓ０ＬｍＬｍ０Ｌｒ００Ｌｍ０Ｌｒ“““““““““““ｉｓ αｉｓ βｉｒ αｉｒ β“““““““““““（５）Ｔｅ＝ｐｎ（ ψ ｓ α ｉｓ β － ψ ｓ β ｉｓ α ）（６）双馈电机的转子运动方程为Ｔｈｓｓ－Ｔｅ＝ｐｎＪｇｅｎｄ ω ｒｄｔ（７）式中ｕｓ α 、ｕｓ β 、ｕｒ α 、ｕｒ β 分别为定、转子 α 、 β 轴电压；ｉｓ α 、ｉｓ β 、ｉｒ α 、ｉｒ β 分别为定、转子 α 、 β 轴电流； ψ ｓ α 、 ψ ｓ β 、ψ ｒ α 、 ψ ｒ β 分别为定、转子 α 、 β 轴磁链；Ｒｓ、Ｒｒ、Ｌｓ、Ｌｒ分别为定、转子的电阻和自感；Ｌｍ为定、转子间的互感； ω ｒ为发电机的转速；Ｔｅ、ｐｎ、Ｊｇｅｎ、 ω ｒ分别为发电机的电磁转矩、极对数、转动惯量和机械转速； ω ｒ＝Ｋｇｅａｒ ω ｔ；ｐ＝ｄ／ｄｔ。这里采用Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ来创建上述仿真模型。１．４控制器设计１．４．１矢量解耦控制器模块采用电动机惯例，在定子电压矢量定向的旋转（ｄ，ｑ）坐标系下，忽略定子电阻和电网电压波动的影响，即ｕｑｓ＝０，ｕｄｓ＝ｕｓ＝Ｃｏｎｓｔ，Ｃｏｎｓｔ为常数，ｕｓ为定子电压幅值，双馈电机的数学模型可简化为［１０－１２］ｕｄｒ＝Ｌｒ σ ｐｉｄｒ＋Ｒｒｉｄｒ－ ω ｓＬｒ σ ｉｑｒｕｑｒ＝Ｌｒ σ ｐｉｑｒ＋Ｒｒｉｑｒ＋ ω ｓＬｒ σ ｉｄｒ＋ ω ｓＬｍＬｓψ ｓ式中ｕｄｓ、ｕｑｓ、ｕｄｒ、ｕｑｒ分别为定、转子ｄ、ｑ轴电压；ｉｄｒ、ｉｑｒ分别为转子侧ｄ、ｑ轴电流； ψ ｓ＝ｕｓ／ ω １为定子磁链； ω ｓ＝ｓ ω １为滑差转速，ｓ为发电机的滑差频率，ｓ＞０运行在次同步状态，ｓ＝０运行在同步状态，ｓ＜０运行在超同步状态； σ 为漏磁系数，σ ＝１－Ｌｍ２／（ＬｒＬｓ）。若选择定子侧输出有功Ｐｓ和无功功率Ｑｓ为系统输出，即Ｐｓ＝ｕｓｉｑｓ＝－Ｌｍｕｓｉｑｒ／ＬｓＱｓ＝ｕｓｉｄｓ＝ｕｓ（ｕｓ／ ω １－Ｌｍｉｄｒ）／Ｌｓ（９）式中ｉｄｓ、ｉｑｓ分别为定子ｄ、ｑ轴电流。设计控制器输出电压为ｕｄｒ＝Ｌｒ σ ｐｉｄｒ＋Ｒｒｉｄｒ＋ Δ ｕｄｒｕｑｒ＝Ｌｒ σ ｐｉｑｒ＋Ｒｒｉｑｒ＋ Δ ｕｑｒ（１０）Δ ｕｄｒ＝－ ω ｓＬｒ σ ｉｑｒΔ ｕｑｒ＝ ω ｓＬｒ σ ｉｄｒ＋ ω ｓＬｍ ψ ｓ／Ｌｓ（１１）式中 Δ ｕｄｒ、 Δ ｕｑｒ为转子侧ｄ、ｑ轴补偿电压。可知，经过前馈补偿去除式（１１）的补偿电压后，通过调节转子ｄ、ｑ轴电压可以分别控制转子侧ｄ、ｑ轴电流，从而实现定子侧有功和无功的解耦控制。相应地，调节器可以采用简单的线性ＰＩ调节器。相应地，为实现矢量控制，需要检测定子（电网）电压矢量的位置，设计了锁相环模块，如图３所示。该模块利用算式的恒等性，实现了电压矢量相位的动态检测，具有很高的精度和检测速度。１．４．２最大风能追踪控制器模块已有文献对最大风能追踪问题进行了深入研究［１３－１４］，然而，此类方法往往需要预知风机的参数，因而参数的准确性直接关系到控制效果，针对这一缺点，设计了不依赖于风机参数的最大风能搜索算法。不同风速下的风机功率－转速曲线如图４所示，其中ｖ１＞ｖ２＞ｖ３，曲线１、２、３、４为最优功率曲线，Ｂ、Ｃ、Ｄ分别为最大功率点，对应风机的转速和输出功率分别为 ω １、 ω ２、 ω ３和Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ。可见，不同风速下，风机的输出功率存在唯一的最大值，对应的风机转速为最优转速。图中，Ｐｏ为风力机输出的机械功率。显然，对应最大功率点有ｄＰｏ／ｄ ω ｔ＝０（１２）忽略损耗的情况下，风电系统的总输出有功功率为Ｐｏ＝（１－ｓ）Ｐｓ（１３）图４风力机的功率－转速曲线Ｆｉｇ．４Ｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ１ＢＣＤＯＰｃＰｂＰａｖ１ｖ２ｖ３ω ｔω １ ω ２ ω ３Ｐｏ２３４第２７卷电力自动化设备图３锁相环模块Ｆｉｇ．３ＭｏｄｅｌｏｆＰＬＬ２３ｕａ－１３ｕｂ＋ｕｃ’ －１３ｕｂ－ｕｃ’ *三相／两相坐标变换函数１三相定子电压输入余弦函数正弦函数ｓｉｎｃｏｓ＋－ｒｅｆｏｕｔＰＩ调节器１ｓ１电压矢量输出２＊ＰＩ＊５０＋＋积分器（８）图６给定风速曲线Ｆｉｇ．６Ｓｐｅｅｄｃｕｒｖｅｏｆｗｉｎｄ８．７４０８０ｖ／（ｍｓ－１）ｔ／ｓ８．４５０６０７０９．０表１风电系统参数Ｔａｂ．１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ参数值参数值Ｒ４０ｍＬｌｓ９．５５１０－５Ｈρ １．２５ｋｇ／ｍ３Ｌｌｒ９．５５１０－５Ｈｖｉｎ３ｍ／ｓＬｍ０．０９５５Ｈｖｏｕｔ２５ｍ／ｓｐｎ２Ｊｗｔ９１０７ｋｇｍ２ＰＮ２ＭＷＪｇｅｎ９０ｋｇｍ２ｕｓＮ６９０ＶＫｇｅａｒ８３ｆｓＮ５０ＨｚＲｓＲｒ０．０１ Ω０．０１ ΩｉｒＮ１７００Ａ注ｖｉｎ、ｖｏｕｔ分别为风机的切入与切出风速；Ｌｌｓ、Ｌｌｒ分别为定、转子漏电感；ＰＮ为发电机额定功率；ｕｓＮ、ｆｓＮ分别为定子额定电压与频率；ｉｒＮ为转子额定电流。基于式（１２）（１３），采用离散Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ设计最大风能追踪控制模块，其基本思路为ω ｔｉｆＰｓ＋ ω ｔ Δ ＰｓΔ ωｔ＞０ ω ｔ（ｋ＋１）＝ ω ｔ（ｋ）＋ｋ１ｅｌｓｅｉｆＰｓ＋ ω ｔ Δ ＰｓΔ ωｔ＜０ ω ｔ（ｋ＋１）＝ ω ｔ（ｋ）－ｋ２ｅｌｓｅｉｆＰｓ＋ ω ｔΔ ＰｓΔ ω ｔ＝０ ω ｔ（ｋ＋１）＝ ω ｔ（ｋ“）式中 “ ” 表示 ω ｔ增大；ｋ＋１、ｋ分别表示第ｋ＋１和ｋ步的离散值；ｋ１、ｋ２为变步长，是Ｐｓ＋ ω ｔΔ ＰｓΔ ω ｔ ’ 的增函数，考虑到系统的复杂性，采取线性增函数。ω ｔ减小时的控制算法与上述类似。２仿真结果在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下建立上述模型，如图５所示，仿真参数如表１所示。孙国霞，等大型变速恒频风电系统的建模与仿真第１０期仿真条件为风速在等５０ｓ时，从９ｍ／ｓ突变为８．５ｍ／ｓ，输出有功功率追踪最大风能点，无功功率输出为零。仿真结果如图６￣１２所示。图６为风速变化曲线；图７为发电机给定转速ω ｒｒ与实际转速 ω ｒ曲线，可见，风速变化时，控制器可以改变电机转速而实现最大风能的跟踪，而且实际转速可以很快跟踪给定。相应的系统输出有功及定子侧输出有功如图８所示，ｔ＜５０ｓ时，定子稳态有功小于系统输出有功。由图７发电机转速曲线知，此时发电机转速高于同步转速，转子侧也向外发出有功；同理，ｔ＞５０ｓ时，定子稳态有功大于系统输出有功，此时发电机转速低于同步转速，转子侧从电网吸收有功。图９为定子给定无功Ｑｒ与实际输出无功Ｑ曲线，可见控制器可以使得系统输出无功为零，即实现定子侧输出电能的功率因数为１；图１０为发电机电磁转矩与风机机械转矩曲线，Ｔｅ１＝ＫｇｅａｒＴｅ为发电机传到风机侧的电磁转矩，可见稳态时转矩平衡；图１１为转子侧ｄ、ｑ轴电压曲线，稳态时为常数；图１２为转子侧三相输出电流曲线，可见在ｔ＝５３ｓ左右，电流发生了换向。由于转子侧电流频率对应发电机的滑差频率，由图７可知，此换向点对应发电机的同步转速点。当双馈电机转速从高于同步转速变为低于同步转速时，转子侧电流换向，仿真与理论分析完全一致。图５变速恒频大型风电系统仿真Ｆｉｇ．５ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍＰ＿ｏｕｔｏｍｇ＿ｗｔｐｉｔｃｈ＿ｒｅｆｗｒ＊ＭＰＰＴＣｏｎｔｒｏｌ０Ｑ＿ｒｅｆＷｒ＿ｒｅｆｉｓ＿ＵＶＷｉｒ＿ＫＬＭｗｒ＿ｒｅｆＱ＿ｒｅｆｏｍｇ＿ｍｅｃｖｓ＿ＵＶＷｖｒ＿ＫＬＭＰ＿ｏｕｔＣｏｎｔｒｏｌＰ＆Ｑｐｉｔｃｈｗｉｎｄｏｍｇ＿ｗｔＴ＿ｗｔ风机模型Ｔ＿ｗｔＴ＿ｅｍｏｍｇ＿ｅｍｏｍｇ＿ｗｔＤｒｉｖｅＴｒａｉｎ齿轮箱模型ｉｓ＿ＵＶＷｉｒ＿ＫＬＭＴｅｖｓ＿ＵＶＷｖｒ＿ＫＬＭｏｍｇ＿ｍｅｃＷＲ＿ＩＭ双馈风机模型ＧａｉｎｕＲＳＴ电网模型ｕｒＴＷｔＷｒＷｔｉｓｉｒＴｅｎｄｓｐｅｅ矢量控制控制器８３最大风能捕获控制器３结论基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了包括风机、传动齿轮、双馈发电机、控制器在内的大型变速恒频风电系统的整体动态数学模型。控制器由２部分组成，一为针对双馈发电机的矢量控制器，实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制；二为运用变步长搜索算法的最大风能追踪控制器，提高了低风速下风电系统的运行效率，且该控制器收敛速度快，无需风机系统的任何参数，鲁棒性能好。仿真结果验证了风电系统模型的正确性以及控制器的有效性。参考文献［１］何祚庥，王亦楠．风力发电我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择［Ｊ］．上海电力，２００５（１）８－１８．ＨＥＺｕｏ－ｘｉｕ，ＷＡＮＧＹｉ－ｎａｎ．Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｓｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｃｈｏｉｃｅｏｆｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｅｎｅｒｇｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ［Ｊ］．ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，２００５（１）８－１８．［２］张新房，徐大平，吕跃刚，等．大型变速风力发电机组的自适应模糊控制［Ｊ］．系统仿真学报，２００４，１６（３）５７３－５７７．ＺＨＡＮＧＸｉｎ－ｆａｎｇ，ＸＵＤａ－ｐｉｎｇ，ＬＵＹｕｅ－ｇａｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｄａｐｔｉｖｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００４，１６（３）５７３－５７７．［３］陈雷，邢作霞，潘建，等．大型风力发电机组技术发展趋势［Ｊ］．可再生能源，２００３（１）２７－３０．ＣＨＥＮＬｅｉ，ＸＩＮＧＺｕｏ－ｘｉａ，ＰＡＮＪｉａｎ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｌａｒｇｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｔａｔｕｓ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２００３（１）２７－３０．［４］王承煦，张源．风力发电［Ｍ］．北京中国电力出版社，２００２．［５］叶杭冶．风力发电机组的控制技术［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００２．［６］ＳＬＯＯＴＷＥＧＪＧ，ＫＬＩＮＧＷＬ，ＰＯＬＩＮＤＥＲＨ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｃ］ ∥ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙＳｕｍｍｅｒＭｅｅｔｉｎｇ．［Ｓ．ｌ．］ＩＥＥＥ，２００１６４４－６４９．［７］ＰＥＮＡＲ，ＣＬＡＲＥＪＣ，ＡＳＨＥＲＧＭ．Ｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｓｉｎｇｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄ－ｅｎｅｒｇｙｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９６，１４３（３）２３１－２４１．［８］ＫＯＪＡＢＡＤＩＨＭ，ＣＨＡＮＧＬ，ＢＯＵＴＯＴＴ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎｏｖｅｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｏｒｆｏｒｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｕｓｉｎｇａｎｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎ－ｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００４，１９（３）５４７－５５２．［９］高景德，王祥珩，李发海．交流电机及其系统的分析［Ｍ］．北京清华大学出版社，１９９３．［１０］ＴＡＮＧＹｉ－ｆａｎ，ＸＵＬｏｎｇ－ｙａ．Ａｆｌｅｘｉｂｌｅａｃｔｉｖｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒａｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｃｏｎｓｔａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９５，１０（４）４７２－４７８．［１１］ＲＡＢＥＬＯＢ，ＨＯＦＭＡＮＮＷ．Ｏｐｔｉｍａｌａｃｔｉｖｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｔｈｅｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎｔｈｅＭＷ－ｃｌａｓｓｗｉｎｄ－ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｃ］ ∥ ４ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＤｒｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓ．Ｂａｌｉ，ＩｎｄｏｎｅｓｉａＩＥＥＥ，２００１５３－５８．［１２］ＴＡＮＧＹｉ－ｆａｎ，ＸＵＬｏｎｇ－ｙａ．Ｓｔａｔｏｒｆｉｅｌｄｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｏｕｂｌｙ－ｅｘｃｉｔｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｉｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］ ∥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３５ｔｈＭｉｄｗｅｓｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，ＵＳＡ［ｓ．ｎ．］，１９９２１４４６－１４４９．［１３］刘其辉，贺益康，赵仁德．变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制［Ｊ］．电力系统自动化，２００３，２７（２０）６２－６７．ＬＩＵＱｉ－ｈｕｉ，ＨＥＹｉ－ｋａｎｇ，ＺＨＡＯＲｅｎ－ｄｅ．Ｔｈｅｍａｘｉｍａｌｗｉｎｄ－ｅｎｅｒｇｙｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｃｏｎｓｔａｎｔ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００３，２７（２０）６２－６７．［１４］贾要勤，曹秉刚，杨仲庆．风力发电的ＭＰＰＴ快速响应控制方法［Ｊ］．太阳能学报，２００４，２５（２）１７１－１７６．ＪＩＡＹａｏ－ｑｉｎ，ＣＡＯＢｉｎｇ－ｇａｎｇ，ＹＡＮＧＺｈｏｎｇ－ｑｉｎｇ．ＡｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓＳｉｎｉｃａ，２００４，２５（２）１７１－１７６．（责任编辑康鲁豫）作者简介孙国霞（１９７８－），女，俄罗斯族，新疆塔城人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统控制技术（Ｅ－ｍａｉｌｓｕｎｇｕｏｘｉａ０４２４＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ）；李啸骢（１９５９－），男，云南昆明人，教授，博士研究生导师，博士，主要研究方向为控制系统计算机辅助设计、电力系统控制与分析、农业工程自动化等。孙国霞第２７卷电力自动化设备１５４４０８０ω ｒｒ，ωｒ／（ｒａｄｓ－１）１４８５０６０７０１６０ ωｒｒω ｒ１．０５Ｐｏ，Ｐｓ／ＭＷ０．９０１．２０４０８０５０６０７０ＰｏＰｓ０Ｑ，Ｑｒ／ｋｖａｒ－８８４０８０５０６０７０ＱＱｒ图７发电机转速曲线Ｆｉｇ．７Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｃｕｒｖｅｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｔ／ｓ图８发电机输出有功功率曲线Ｆｉｇ．８Ｃｕｒｖｅｏｆａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｔ／ｓ图９发电机定子无功功率曲线Ｆｉｇ．９Ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｏｆｓｔａｔｏｒｔ／ｓ图１０发电机输出转矩与风力机输出转矩曲线Ｆｉｇ．１０Ｃｕｒｖｅｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｔｏｒｑｕｅｏｕｔｐｕｔａｎｄｔｕｒｂｉｎｅｔｏｒｑｕｅｏｕｔｐｕｔ５．４１０５Ｔｗｔ，Ｔｅ１／（Ｎｍ）ｔ／ｓ４．６１０５６．２１０５４０８０５０６０７０Ｔｅ１Ｔｗｔ图１１发电机转子ｄ、ｑ轴电压曲线Ｆｉｇ．１１Ｖｏｌｔａｇｅｃｕｒｖｅｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｔｏｒｉｎｄ，ｑａｘｉｓ１０ｕｄｒ，ｕｑｒ／Ｖｔ／ｓ－３０５０４０８０５０６０７０ｕｄｒｕｑｒ图１２发电机转子励磁电流曲线Ｆｉｇ．１２Ｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｔｏｒ０ｉｒａ，ｉｒｂ，ｉｒｃ／Ａｔ／ｓ８００５０５６５２５４ｉｒａｉｒｂｉｒｃ－８００为了确保电力系统安全可靠运行，各电气设备必须通过大型接地网进行良好接地。对于大型发电厂、变电站接地网而言，一般占地面积可达（９００～５０１０４ｍ２），且结构复杂（包括各种接地桩、柱、地下金属管道、铜网、组件耦合接地等），要方便、安全、准确地实现接地网的特性测量比较困难。目前，接地网的测试方法多采用类工频（变频）、大电流测试法，通过对接地网注入一个类工频（变频）大电流信号，采取不同于工频（５０Ｈｚ）的信号，用特殊设备降低噪音信号的干扰，计算出接地网的特性参数［１－２］。传统使用的接地网测试设备有很多，包括变频电源、变频电压电流测试仪等，整套设备存在着体积庞大、使用不便、测试精度低等问题。为了准确实现接地网的特性测量，把嵌入式系统、数字滤波器的研究成果应用到接地网测量仪器的开发中，将测试系统所需要的变频电源、变频电压电流测试仪整合到一起，开发出一个可独立使用的接地网特性测量装置，能够方便、准确地进行接地电阻的测量。１测试原理将变频大电流信号的发生、电流和电压信号的检测、数据的处理显示等模块全部集中到接地网测量装置后，改变了传统测试装置体积庞大、携带不易的缺点，方便测试布线、数据显示，测试时引线方法、线路布置如图１所示。在测量接地网接地电阻Ｒ时，注入接地网的电流Ｉ经接地网向无穷远处自由散流，理论上接地网上的电位Ｕ（以无穷远处为参考零点）与电流Ｉ的比值即为其接地电阻值。在测量中，电流极布极与放线距离应４～５倍于被测地网对角线，同时电压极布线长度应约为电流极布线长度的０．５～０．６。如果减小接地网与电流极之间的距离，则电流极引起的电压降对地表电位的影响会显著增大，影响测量准确度［３］。图１中的Ｐ是实际零电位区中的一点，测量时，只要找到零电位中的一点Ｐ，测量装置可以自动分别测出接地装置Ｇ与电极Ｐ之间的电位差ＵＧ和通过基于嵌入式系统的接地网测量装置方彦军，习博（武汉大学自动化系，湖北武汉４３００７２）摘要探讨了一种基于嵌入式系统新型接地网特性测量装置的开发方案，采用变频测量方法，能在３０～７０Ｈｚ频段间１Ｈｚ步进，选择最佳测量频率，避开工频环境中的干扰信号，实现接地网特性参数的准确测量。设计的测量装置由变频电源、测量处理模块、嵌入式控制核心组成，其中处理器采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核的３２位高速处理器。系统软件包括准同步采样、数字滤波、电参量计算等，由固化在嵌入式ＡＲＭ芯片中的程序实现。方案充分利用嵌入式技术特点，通过传感器、Ａ／Ｄ转换器等较少硬件，完成接地网参数的测量，应用结果证明设计方案高效、可靠，满足测量要求。关键词交流变频测量；接地网；ＡＲＭ；ｕＣＬｉｎｕｘ；数字滤波器中图分类号ＴＭ９４３文献标识码Ｂ文章编号１００６－６０４７（２００７）１０－００７３－０４收稿日期２００６－１１－１４；修回日期２００７－０４－１７电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２７Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００７第２７卷第１０期２００７年１０月Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙＳＵＮＧｕｏ－ｘｉａ，ＬＩＸｉａｏ－ｃｏｎｇ，ＣＡＩＹｉ－ｍｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｗｈｏｌｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆａＭＷ－ｃｌａｓｓｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｉｔｈＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎａｎｄｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒ．ＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍａｌＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅｕｓｕａｌｌｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｔｈｅｍａｘｉｍａｌｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅａｎｄｐａｒｔｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｒｅｄｕｃｅｓｄｅｅｐｌｙｗｈｅｎｔｈｅａｂｏｖｅｃｕｒｖｅｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｕｎｋｎｏｗｎｏｒｃｈａｎｇｉｎｇ．Ａ “ ｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｔｅｐｓｅａｒｃｈｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆＭＰＰＴ ” ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｓｅｓｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄｅｃｏｕｐｌｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｃｔｉｖｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｓａｎｄａｄｊｕｓｔｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｐｕｔｗｉｔｈａｖａｒｉａｂｌｅｓｔｅｐａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｗｈｅｎｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｔａｋｅｓｐｌａｃｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｖａｌｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ；ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ；ｍａｘｉｍａｌｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ