【正文】 ....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(jié) .............................................................................................24 第 4 章 不平衡情況下雙饋風機的數(shù)學模型 ...................................................26 對稱分量法 .........................................................................................26 不平衡條件下雙饋風機的數(shù)學模型 .................................................28 與電網(wǎng)連接的雙饋風機不平衡情況下的仿真 .................................31 本章小結(jié) ..............................................................................................34 結(jié)論 .....................................................................................................................35 參考文獻 .............................................................................................................37 IV 致謝 ..................................................................................................................... 39 附錄 ..................................................................................................................... 40 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課 題背景 選題的依據(jù)和意義 能源是人類經(jīng)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(diào)查估算可以轉(zhuǎn)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(shù)與創(chuàng)造能力與國外的風力發(fā)電技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，對我國風力發(fā)電電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，具有重要的經(jīng)濟價值和學術(shù)價值。 目前 DFIG風電機組的變速恒頻運行主要是通過對轉(zhuǎn)子側(cè)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(wǎng)側(cè)變流器 (Grid Side Converter，簡稱 GSC)和電機轉(zhuǎn)子側(cè) 變流器 (Machine Side Converter，簡稱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實現(xiàn)對直流母線電壓和電網(wǎng)電流的，電機側(cè)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(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。 。電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制以雙饋電機數(shù)學模型為依據(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)學模型建立，在電網(wǎng)電壓平衡時，采用傳統(tǒng)矢燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 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(wǎng)電壓不平衡時，轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓下的理論，對于不平衡電網(wǎng)電壓下研究的還比較少。而在實際電網(wǎng)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(wǎng)線路的末端， 電網(wǎng)通常比較薄弱，與骨干電網(wǎng)相距較遠，且偏遠地區(qū)周邊用電設(shè)備情況相當復雜，在風電場與電網(wǎng)的公共連接點經(jīng)常 出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡 的情況，同時由于電網(wǎng)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(wǎng)的公共連接點出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象 。 當電網(wǎng)電壓不平衡時，通過變壓器在 DFIG機端產(chǎn)生一定的不平衡電壓，此時電網(wǎng)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(zhuǎn)子電流畸變，導致定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動，從而引發(fā)機械振動，對機械設(shè)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(wǎng)電壓不平衡條件下，基 于電網(wǎng)電壓平衡設(shè)計的電網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)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(wǎng)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(nèi)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(zhuǎn)化為機械能，通過發(fā)電機及其控制系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。以風力發(fā)電機運行方式作為依據(jù)將風力發(fā)電系統(tǒng)分為變速恒頻（ Va riable 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，在風速變化時實時第 1 章 緒論 3 調(diào)節(jié)風輪機的轉(zhuǎn)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(shù)還可以實現(xiàn)電網(wǎng)與風電機組間的柔性連接，使并網(wǎng)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(qū)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(zhuǎn)子之間的電磁關(guān)系，雙饋感應電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器只需控制轉(zhuǎn)差功率就可以調(diào)節(jié)雙饋感應電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對風能的最大捕獲，與直驅(qū)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?，通過改變電機側(cè)變流器輸出的轉(zhuǎn)子電流幅值和相位來分別調(diào)節(jié)雙饋電機定子側(cè)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(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)品主要有雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和 永磁同步電機直驅(qū)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(diào)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?shù)目刂撇呗裕軌驖M足電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)容量中所占的比重越來越大 ，這種沒有考慮電網(wǎng)電壓不平衡控制的雙饋風力發(fā)電機在不平衡的電網(wǎng)電壓下會產(chǎn)生功率波動和機械振動，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(shè)計 DFIG 電機側(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)定運行的非常有必要的。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 20xx 年 2 月國家電網(wǎng)公司己頒布風電場接入電網(wǎng)技術(shù)新規(guī)定 [5]， 規(guī)定中明確強調(diào)電網(wǎng)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(wǎng) ,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(wǎng)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(wǎng)正常運行 [6]。 現(xiàn)有文獻對不平衡電網(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]，對不對稱電網(wǎng)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(diào)節(jié)器 [11]和高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的運行研究也有相應報道。 其主要研究 成如下： 1. 針對電網(wǎng)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(chǔ)上建立了 DHG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進的控制策略，采用的是抑制轉(zhuǎn)子電流負序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉(zhuǎn)子電流的諧波含量，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動和電網(wǎng)功率的二次紋 波 [11]。 2. 針對電網(wǎng)電壓不對稱時負序電流對定子側(cè)有功功率、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩和直流側(cè)電壓的影響，提出電流正序分量跟蹤控制策略，并在轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制 中對電網(wǎng)電壓的正、負序分量分別處理。 轉(zhuǎn)子側(cè)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(wǎng)側(cè)逆變器 控制 內(nèi)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(diào)節(jié)理論上能 實現(xiàn)無靜差的輸出電壓 控制 [13]。 4. 建立了矢量控制能在在電網(wǎng)正常條件下可以實現(xiàn)對電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的良好控制。不平衡電網(wǎng)電壓下的雙 dq 電流控制策略可以有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡所引起的電磁轉(zhuǎn)矩，直流電壓和輸向電網(wǎng)總功率的脈動 ,增強雙饋風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓不平衡下的運行能力 [7]。 5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對 PS． VS 子功能與 NS. VR 子功能的容量分配算法。通過 Matlab／ Simulink 對 PS． VS 控制及 NS． VR 控制的綜合控制仿真結(jié)果表明，該控 制策略實現(xiàn)了風電場電網(wǎng)電壓非對稱狀態(tài)下雙饋第 1 章 緒論 5 風力發(fā)電 系統(tǒng)并網(wǎng)條件的明顯提升 [16]。 研究的主要 內(nèi)容 由于雙饋風力發(fā)電機組具有變流器容量小、效率高、并網(wǎng)靈活等優(yōu)點，雙饋風力發(fā)電機組在容量變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中應用廣泛，電網(wǎng)對風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)異常尤其是電網(wǎng)電壓不平衡下的運行，提出了更嚴格的要求，本文著重分析了雙饋風機的建模和它在不平衡情況下的輸出特性。論文主要研究內(nèi)容如下： 首先主要研 究了風力發(fā)電機組的兩個 基本 模塊， 包括 風速 模型和風力機模型。 分別建立了它們的數(shù)學模型 ， 運 用 Simulink 進行了仿真； 簡要分析了它們的輸出特性。 然后， 研究了電網(wǎng)電壓正常情況下，雙饋 風 力發(fā)電系統(tǒng)的運行原理及其輸出特性。首先通過坐標變換了方法對雙饋電機進行了數(shù)學建模，給出了電機在 dq 坐標系下的電壓方程，磁鏈方程， 電磁轉(zhuǎn)矩方程以及機電運動方程，利用這些方程，搭建了雙饋電機的數(shù)學模型，分析了雙饋電機在正常情況下的輸出特性。 其次，給出了不平衡度計算方法，建立了不衡度計算模塊，接入到所建立的電機模型中，調(diào)節(jié)電壓使電機分別運行在不平衡度為 3%和 5%的情況下， 比較分析兩種情況下，電機輸出特性的變化情況，得出了一些有用的結(jié)果。 最后，分析了雙饋電機不平衡情況下的數(shù)學建模。利用對稱分量的方法，建立了 DFIG 在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)坐標系中分 別由各自正，負序分量表示的 DFIG電壓，和磁鏈方程，畫出了正反轉(zhuǎn)坐標系下 DFIG 的等效電路模型。 在 Matlab現(xiàn)有的風力發(fā)電模塊中加入不平衡，研究了與電網(wǎng)連接的 雙饋風力發(fā)電機 在不平衡情況下的輸出特性。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 風速模型和風力機模型的建立 風速模型