【正文】 represented DFIG voltage and flux equations. In Matlab existing wind power modules added unbalanced studied gridconnected wind turbine in the case of unbalanced output characteristics.Keywords DFIG。 unbalanced。 dq coordinatesI 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 選題的依據(jù)和意義 1 研究不平衡電網(wǎng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性的意義 1 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 2 不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)下DFIG變流器的控制 3 研究的主要內(nèi)容 5第2章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立 6 風(fēng)速模型的建立 6 風(fēng)力機(jī)模型的建立 8 本章小結(jié) 12第3章 雙饋風(fēng)機(jī)的建模與輸出特性 13 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 13 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 14 不平衡度的計(jì)算方法 15 雙饋電機(jī)正常情況下的仿真 16 雙饋電機(jī)不平衡情況下的仿真 20 本章小結(jié) 24第4章 不平衡情況下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 26 對(duì)稱(chēng)分量法 26 不平衡條件下雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 28 與電網(wǎng)連接的雙饋風(fēng)機(jī)不平衡情況下的仿真 31 本章小結(jié) 34結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 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(jù)和意義能源是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活不可缺少的一部分，隨著社會(huì)的進(jìn)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(chǔ)量逐漸減少。此外人們大量使用煤炭、石油和天然氣對(duì)大自然造成嚴(yán)重破壞，并且嚴(yán)重污染地球環(huán)境。環(huán)境惡化和能源危機(jī)使新能源的尋求成為亟待解決的問(wèn)題。風(fēng)是一種安全、清潔、充足，大多來(lái)自太陽(yáng)能，屬于能不斷提供的可再生能源。全球風(fēng)能儲(chǔ)量巨大，任何國(guó)家和地區(qū)都有分布，通過(guò)調(diào)查估算可以轉(zhuǎn)換為電能的風(fēng)力資源約53萬(wàn)億kWh每年，大約為20年后全球電力需求的兩倍[1]。我國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富，可用來(lái)開(kāi)發(fā)的風(fēng)力資源的地區(qū)占全國(guó)面積的60%以上。然而我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)與創(chuàng)造能力與國(guó)外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，仍然有很大的差距，這制約著我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的大力發(fā)展。所以，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，創(chuàng)造新的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。目前DFIG風(fēng)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行主要是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器采用dq軸解耦控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。背靠背變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器(Grid Side Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)GSC)和電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(Machine Side Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)MSC)構(gòu)成，其中電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線(xiàn)電壓和電網(wǎng)電流的，電機(jī)側(cè)變流器采用定子磁鏈定向(Stator Flux Oriented，簡(jiǎn)稱(chēng)SFO)或定子電壓定向(Stator Voltage Oriented，簡(jiǎn)稱(chēng)SVO)的矢量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)定子輸出有功功率、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。這些傳統(tǒng)矢量控制均假設(shè)電網(wǎng)電壓理想，即三相電網(wǎng)電壓幅值相等，相位互差120。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制以雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型為依據(jù)建立，電網(wǎng)側(cè)變流器的控制以電壓型PWM變流器的數(shù)學(xué)模型建立，在電網(wǎng)電壓平衡時(shí)，采用傳統(tǒng)矢量控制方案可使雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；但當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)統(tǒng)矢量控制的有效性受到影響，必須予以修正。當(dāng)前文獻(xiàn)所研究的主要是在正常平衡電網(wǎng)電壓下的理論，對(duì)于不平衡電網(wǎng)電壓下研究的還比較少。而在實(shí)際電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般分布在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)一般處在電網(wǎng)線(xiàn)路的末端，電網(wǎng)通常比較薄弱，與骨干電網(wǎng)相距較遠(yuǎn)，且偏遠(yuǎn)地區(qū)周邊用電設(shè)備情況相當(dāng)復(fù)雜，在風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡的情況，同時(shí)由于電網(wǎng)各相阻抗的不對(duì)稱(chēng)性、線(xiàn)路絕緣老化、線(xiàn)路破損等原因，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，通過(guò)變壓器在DFIG機(jī)端產(chǎn)生一定的不平衡電壓，此時(shí)電網(wǎng)電壓和電機(jī)定子電壓包含負(fù)序分量，會(huì)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。如果風(fēng)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(huì)引起定子電流的不平衡、轉(zhuǎn)子電流畸變，導(dǎo)致定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)，從而引發(fā)機(jī)械振動(dòng)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，同時(shí)電機(jī)定子輸出的有功功率和無(wú)功功率中也都包含脈動(dòng)。電網(wǎng)電壓不平衡條件下，基于電網(wǎng)電壓平衡設(shè)計(jì)的電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)包含負(fù)序分量，直流母線(xiàn)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，影響直流母線(xiàn)電容的壽命。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸向電網(wǎng)的總有功功率和無(wú)功功率也包含脈動(dòng)，會(huì)給整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p耗增大、發(fā)熱過(guò)多、過(guò)壓、過(guò)流等問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)風(fēng)輪機(jī)及其控制系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式作為依據(jù)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)VSCF）風(fēng)力發(fā)電和恒速恒頻（Constant Speed Constant Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)CSCF）風(fēng)力發(fā)電[2]。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪機(jī)在大部分情況下都能按照最佳效率運(yùn)行，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的能力比定速恒頻風(fēng)力發(fā)電系多出28%[3]，并且減小了風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械應(yīng)力。此外變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組間的柔性連接，使并網(wǎng)操作更容易實(shí)現(xiàn)。目前新安裝的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及基于永磁同步電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)背靠背式PWM變流器控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一方面，由于雙饋感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的電磁關(guān)系，雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器只需控制轉(zhuǎn)差功率就可以調(diào)節(jié)雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲，與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器容量大大減?。毫硪环矫?，通過(guò)改變電機(jī)側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電流幅值和相位來(lái)分別調(diào)節(jié)雙饋電機(jī)定子側(cè)輸出的有功功率和無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。雙饋弄變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以提高風(fēng)能捕獲能力和轉(zhuǎn)換效率，改善并優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件，是一種優(yōu)化的具有良好應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電解決方案。在目前的商業(yè)運(yùn)營(yíng)中，MW級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品主要有雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由于雙饋電機(jī)所需的變流器容量較小，既能滿(mǎn)足風(fēng)輪機(jī)調(diào)速范圍的要求又降低了變流器的容量，具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，并且通過(guò)采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)下DFIG變流器的控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷提高，風(fēng)電容量在總電網(wǎng)容量中所占的比重越來(lái)越大，這種沒(méi)有考慮電網(wǎng)電壓不平衡控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不平衡的電網(wǎng)電壓下會(huì)產(chǎn)生功率波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，影響所在區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在某些情況下不得不將風(fēng)力發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中解裂，從而引起局部地區(qū)停電。由此看出，設(shè)計(jì)DFIG電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的變流器的控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的非常有必要的。2009年2月國(guó)家電網(wǎng)公司己頒布風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)新規(guī)定[5]，規(guī)定中明確強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)電壓允許長(zhǎng)時(shí)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(fēng)電機(jī)組能夠承受一定程度的負(fù)序電流不脫網(wǎng),還應(yīng)能承受穩(wěn)態(tài)最大達(dá)2%的不平衡電壓而不跳閘,即風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度2%、短時(shí)4%的情況下,風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能持續(xù)不脫網(wǎng)正常運(yùn)行[6]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓條件下電網(wǎng)側(cè)變流器的建模和控制已有研究[78]，對(duì)不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制和故障穿越也有所研究[910]，對(duì)雙環(huán)控制策略進(jìn)行了深入探討[1113]。外文文獻(xiàn)中也都提到了DFIG變流器的控制[1415]。此外，基于比例諧振調(diào)節(jié)器[11]和高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行研究也有相應(yīng)報(bào)道。其主要研究成如下：1. 針對(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)故障狀態(tài)下傳統(tǒng)控制策略的缺點(diǎn)，在增強(qiáng)型鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上建立了DHG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)的控制策略，采用的是抑制轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量的方案，此控制策略可有效的