【正文】 .....................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 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(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)矢燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 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、線路絕緣老化、線路破損等原因，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，直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，影響直流母線電容的壽命 。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（ Va riable 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)第 1 章 緒論 3 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。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 20xx 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]。 現(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減小轉(zhuǎn)子電流的諧波含量 ，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電網(wǎng)功率的二次紋 波 [11]。 2. 針對(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)負(fù)序電流對(duì)定子側(cè)有功功率、無(wú)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(duì)電網(wǎng)電壓的正、負(fù)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(shí)現(xiàn)了電流的無(wú)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(fù)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(dòng) ,增強(qiáng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓不平衡下的運(yùn)行能力 [7]。 5. 根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落幅度對(duì) PS． VS 子功能與 NS. VR 子功能的容量分配算法。通過(guò) Matlab／ Simulink 對(duì) 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(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)電壓非對(duì)稱(chēng)狀態(tài)下雙饋第 1 章 緒論 5 風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī) 組具有變流器容量小、效率高、并網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)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(yùn)行，提出了更嚴(yán)格的要求，本文著重分析了雙饋風(fēng)機(jī)的建模和它在不平衡情況下的輸出特性。論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 首先主要研 究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩個(gè) 基本 模塊， 包括 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型。 分別建立了它們的數(shù)學(xué)模型 ， 運(yùn) 用 Simulink 進(jìn)行了仿真； 簡(jiǎn)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(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理及其輸出特性。首先通過(guò)坐標(biāo)變換了方法對(duì)雙饋 電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，給出了電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的電壓方程，磁鏈方程， 電磁轉(zhuǎn)矩方程以及機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程，利用這些方程，搭建了雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析了雙饋電機(jī)在正常情況下的輸出特性。 其次，給出了不平衡度計(jì)算方法，建立了不衡度計(jì)算模塊，接入到所建立的電機(jī)模型中，調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)分別運(yùn)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(jī)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(jī)不平衡情況下的數(shù)學(xué)建模。利用對(duì)稱(chēng)分量的方法，建立了 DFIG 在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分 別由各自正，負(fù)序分量表示的 DFIG電 壓，和磁鏈方程，畫(huà)出了正反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 DFIG 的等效電路模型。 在 Matlab現(xiàn)有的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī) 在不平衡情況下的輸出特性。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 風(fēng)速模型和風(fēng)力機(jī)模型的建立 風(fēng)速模型的建立 本文采用最簡(jiǎn)單的風(fēng)速模型進(jìn)行分析，這種風(fēng)速模型一般包括四種分量：基本風(fēng)，階躍風(fēng)，陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。數(shù)學(xué)公式表達(dá)為 : W W B W G W S W NV V V V V? ? ? ? (21) 式中各分量具體含義如下： (1) WBV 為基本風(fēng)分量，是風(fēng)速模型的平均風(fēng)速 ； (2) WGV 為陣風(fēng)分量，表示突然變化的風(fēng)速成份，數(shù)學(xué)模型表示為： 1 1 211 1 2220122G G GWG G m a x GG G GGGt t o r t t tV Vt tc o s t t t ttt?? ? ?????? ??? ? ? ? ? ?????? ????? (22) 其中， 1Gt 、 2Gt 為陣風(fēng)開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間 ， GmaxV 為陣風(fēng)的最大風(fēng)速； (3) WSV 為階躍風(fēng)分量，描述