【正文】 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 選題的依據和意義 1 研究不平衡電網下風力發(fā)電機特性的意義 1 國內外研究動態(tài) 2 變速恒頻風力發(fā)電的發(fā)展 2 不對稱電網下DFIG變流器的控制 3 研究的主要內容 5第2章 風速模型和風力機模型的建立 6 風速模型的建立 6 風力機模型的建立 8 本章小結 12第3章 雙饋風機的建模與輸出特性 13 雙饋風力發(fā)電機的運行原理 13 雙饋風力發(fā)電機的數學模型 14 不平衡度的計算方法 15 雙饋電機正常情況下的仿真 16 雙饋電機不平衡情況下的仿真 20 本章小結 24第4章 不平衡情況下雙饋風機的數學模型 26 對稱分量法 26 不平衡條件下雙饋風機的數學模型 28 與電網連接的雙饋風機不平衡情況下的仿真 31 本章小結 34結論 35參考文獻 37致謝 39附錄 40III第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景 選題的依據和意義能源是人類經濟社會生活不可缺少的一部分，隨著社會的進步，全球能源需求量不斷的增加，而非可再生能源如煤、石油的儲量逐漸減少。此外人們大量使用煤炭、石油和天然氣對大自然造成嚴重破壞，并且嚴重污染地球環(huán)境。環(huán)境惡化和能源危機使新能源的尋求成為亟待解決的問題。風是一種安全、清潔、充足，大多來自太陽能，屬于能不斷提供的可再生能源。全球風能儲量巨大，任何國家和地區(qū)都有分布，通過調查估算可以轉換為電能的風力資源約53萬億kWh每年，大約為20年后全球電力需求的兩倍[1]。我國的風能資源十分豐富，可用來開發(fā)的風力資源的地區(qū)占全國面積的60%以上。然而我國風力發(fā)電的核心技術與創(chuàng)造能力與國外的風力發(fā)電技術相比，仍然有很大的差距，這制約著我國風電行業(yè)的大力發(fā)展。所以，研究風力發(fā)電機組，創(chuàng)造新的關鍵技術，對我國風力發(fā)電電產業(yè)的迅速發(fā)展，具有重要的經濟價值和學術價值。目前DFIG風電機組的變速恒頻運行主要是通過對轉子側背靠背變流器采用dq軸解耦控制來實現(xiàn)的。背靠背變流器由電網側變流器(Grid Side Converter，簡稱GSC)和電機轉子側變流器(Machine Side Converter，簡稱MSC)構成，其中電網側變流器采用電網電壓定向的矢量控制來實現(xiàn)對直流母線電壓和電網電流的，電機側變流器采用定子磁鏈定向(Stator Flux Oriented，簡稱SFO)或定子電壓定向(Stator Voltage Oriented，簡稱SVO)的矢量控制實現(xiàn)對雙饋電機定子輸出有功功率、無功功率的調節(jié)。這些傳統(tǒng)矢量控制均假設電網電壓理想，即三相電網電壓幅值相等，相位互差120。電機轉子側變流器的控制以雙饋電機數學模型為依據建立，電網側變流器的控制以電壓型PWM變流器的數學模型建立，在電網電壓平衡時，采用傳統(tǒng)矢量控制方案可使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；但當電網電壓不平衡時，轉統(tǒng)矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。當前文獻所研究的主要是在正常平衡電網電壓下的理論，對于不平衡電網電壓下研究的還比較少。而在實際電網中風力發(fā)電機一般分布在一些偏遠地區(qū)，這些地區(qū)一般處在電網線路的末端，電網通常比較薄弱，與骨干電網相距較遠，且偏遠地區(qū)周邊用電設備情況相當復雜，在風電場與電網的公共連接點經常出現(xiàn)電網電壓不平衡的情況，同時由于電網各相阻抗的不對稱性、線路絕緣老化、線路破損等原因，會導致風力發(fā)電機與電網的公共連接點出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。當電網電壓不平衡時，通過變壓器在DFIG機端產生一定的不平衡電壓，此時電網電壓和電機定子電壓包含負序分量，會對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行造成影響。如果風力發(fā)電的控制系統(tǒng)未考慮電壓不平衡的情況，不平衡的定子電壓將會引起定子電流的不平衡、轉子電流畸變，導致定子繞組和轉子繞組發(fā)熱，電磁轉矩發(fā)生脈動，從而引發(fā)機械振動，對機械設備的持續(xù)穩(wěn)定運行造成影響，同時電機定子輸出的有功功率和無功功率中也都包含脈動。電網電壓不平衡條件下，基于電網電壓平衡設計的電網側變流器的交流側包含負序分量，直流母線電壓出現(xiàn)波動，影響直流母線電容的壽命。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)輸向電網的總有功功率和無功功率也包含脈動，會給整個風力發(fā)電系統(tǒng)帶來損耗增大、發(fā)熱過多、過壓、過流等問題。 國內外研究動態(tài)風力發(fā)電簡單來說就是通過風輪機及其控制系統(tǒng)將風能轉化為機械能，通過發(fā)電機及其控制系統(tǒng)將機械能轉化為電能的過程。以風力發(fā)電機運行方式作為依據將風力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency，簡稱VSCF）風力發(fā)電和恒速恒頻（Constant Speed Constant Frequency，簡稱CSCF）風力發(fā)電[2]。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化時實時調節(jié)風輪機的轉速，使風輪機在大部分情況下都能按照最佳效率運行，從而提高風力發(fā)電機組的運行效率，變速風力發(fā)電系統(tǒng)捕獲風能的能力比定速恒頻風力發(fā)電系多出28%[3]，并且減小了風輪機的機械應力。此外變速恒頻風力發(fā)電技術還可以實現(xiàn)電網與風電機組間的柔性連接，使并網操作更容易實現(xiàn)。目前新安裝的風力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用基于雙饋感應電機的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)以及基于永磁同步電機的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)通過背靠背式PWM變流器控制雙饋感應發(fā)電機的運行狀態(tài)，一方面，由于雙饋感應電機定、轉子之間的電磁關系，雙饋感應電機轉子側變流器只需控制轉差功率就可以調節(jié)雙饋感應電機的轉速，實現(xiàn)對風能的最大捕獲，與直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)相比，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量大大減?。毫硪环矫妫ㄟ^改變電機側變流器輸出的轉子電流幅值和相位來分別調節(jié)雙饋電機定子側輸出的有功功率和無功功率，從而實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數運行。雙饋弄變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)可以提高風能捕獲能力和轉換效率，改善并優(yōu)化風力發(fā)電機組的運行條件，是一種優(yōu)化的具有良好應用前景的風力發(fā)電解決方案。在目前的商業(yè)運營中，MW級變速恒頻風力發(fā)電產品主要有雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步電機直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)，由于雙饋電機所需的變流器容量較小，既能滿足風輪機調速范圍的要求又降低了變流器的容量，具有較強的價格優(yōu)勢，并且通過采用適當的控制策略，能夠滿足電網對風力發(fā)電系統(tǒng)的要求，雙饋風力發(fā)電機組在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 不對稱電網下DFIG變流器的控制風力發(fā)電機組裝機容量的不斷提高，風電容量在總電網容量中所占的比重越來越大，這種沒有考慮電網電壓不平衡控制的雙饋風力發(fā)電機在不平衡的電網電壓下會產生功率波動和機械振動，影響所在區(qū)域電網的穩(wěn)定性，在某些情況下不得不將風力發(fā)電機從系統(tǒng)中解裂，從而引起局部地區(qū)停電。由此看出，設計DFIG電機側和電網側的變流器的控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的非常有必要的。2009年2月國家電網公司己頒布風電場接入電網技術新規(guī)定[5]，規(guī)定中明確強調電網電壓允許長時間存在最大不平衡度2%的小值穩(wěn)態(tài)不平衡情況，要求風電機組能夠承受一定程度的負序電流不脫網,還應能承受穩(wěn)態(tài)最大達2%的不平衡電壓而不跳閘,即風電場并網點的負序電壓不平衡度2%、短時4%的情況下,風電場中的風電機組應能持續(xù)不脫網正常運行[6]。現(xiàn)有文獻對不平衡電網電壓條件下電網側變流器的建模和控制已有研究[78]，對不對稱電網電壓下雙饋風力發(fā)電機的運行控制和故障穿越也有所研究[910]，對雙環(huán)控制策略進行了深入探討[1113]。外文文獻中也都提到了DFIG變流器的控制[1415]。此外，基于比例諧振調節(jié)器[11]和高壓直流輸電系統(tǒng)在電網電壓不平衡下的運行研究也有相應報道。其主要研究成如下：1. 針對電網電壓不對稱故障狀態(tài)下傳統(tǒng)控制策略的缺點，在增強型鎖相環(huán)的基礎上建立了DHG轉子側變流器的改進的控制策略，采用的是抑制轉子電流負序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉子電流的諧波含量，電磁轉矩的脈動和電網功率的二次紋波[11]。2. 針對電網電壓不對稱時負序電流對定子側有功功率、無功功率、電磁轉矩和直流側電壓的影響，提出電流正序分量跟蹤控制策略，并在轉子側和網側變換器的控制中對電網電壓的正、負序分量分別處理。轉子側變流器采用正序電流跟蹤的滯環(huán)控制，實現(xiàn)了電流的無差跟蹤。網側逆變器控制內環(huán)采用電流前饋控制，并控制負序電流為零，外環(huán)采用電壓環(huán)穩(wěn)定直流電壓[9]。3. 逆變器采用PI調節(jié)理論