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1、硕士学位论文电网故障下双馈风力发电系统控制策略研究 Control Strategy of Doubly-Fed Wind Generation System for Power Grid Fault2012年12月 摘 要随着风力发电产业的不断发展，风电机组是否具备低电压穿越能力已成为影响其并网运行的关键因素。本文围绕双馈风电机组的低电压穿越能力，针对电网故障情况下双馈风力发电系统的控制策略展开研究，完成的主要工作和取得的成果如下：（1）建立了双馈风力发电机转子侧和网侧变换器在dq同步旋转坐标系下的数学模型，分析了基于定子（电网）电压定向的转子侧和网侧变换器矢量控制策略，实现了定子输出有功和
2、无功功率的解耦控制，保证了直流母线电压的稳定。（2）分析了电网电压跌落时双馈风力发电机定子磁链暂态变化过程，找到转子过电压、过电流的根本原因。基于Matlab/Simulink仿真软件建立了完整的双馈风力发电系统的仿真模型，并对电网电压跌落故障情况下双馈风力发电机的运行特性进行了仿真分析，分析结果表明必须采取相应的措施来提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。（3）建立了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的双馈风力发电机的精确数学模型，在该模型的基础上，提出了电网电压跌落时双馈风力发电系统的低电压穿越控制策略，包括转子侧和网侧控制策略。其中转子侧变换器低电压穿越控制策略在电网故障时能消除定子
3、磁链直流分量及负序分量；网侧变换器低电压穿越控制策略是基于网侧变换器输入功率与输出功率平衡而提出的，在电网故障时能及时跟踪转子侧输入瞬时功率的变化，将直流母线电压的波动限制在一定范围内。实验结果验证了所提出的控制策略在电网电压跌落时，能够抑制双馈风力发电机的定、转子过电流和直流母线电压的波动，提高了双馈风力发电机低电压穿越能力。关键词：风力发电；双馈风力发电机；低电压穿越；电网故障；控制策略AbstractWith the continuous development of the wind power industry, the capability that whether can win
4、d turbine low voltage ride through or not has become the key impact when connected to the grid operation. This paper focuses on the low voltage ride through capability of the doubly-fed wind generation and does a research on control strategy of doubly-fed wind generation system for power grid fault,
5、 the main work done and results achieved is as follows:(1) This paper established the mathematical models of the DFIG rotor side converter and the grid side converter in the d-q synchronous rotational reference frame. The stator (grid) voltage oriented vector control technology is used on the rotor
6、side converter and the grid side converter to achieve decoupling control of active power and reactive power, and maintaining the DC link voltage constant.(2) The analysis of DFIG stator flux transient period under the grid voltage dip is researched, the cause of stator and rotor overcurrent are foun
7、d. The complete simulation model of DFIG has been established based on the Matlab/Simulink simulation software, the simulation result of operation performance of DFIG under grid voltage dip shows that the LVRT ability must be enhanced to protect DFIG.(3) This paper established the precise mathematic
8、al model of DFIG that the stator excitation current is considered in the synchronous rotational reference frame. The LVRT control strategy of DFIG during grid voltage dip is proposed on the basis of the precise model, including rotor side converter controller and grid side converter controller. This
9、 paper proposed a RSC LVRT control method by reducing the DC flux and negative flux; the GSC LVRT control method is proposed based on the GSC input and output power balance, can timely track rotor side input instantaneous power under power grid fault and limit the DC bus voltage. The experimental re
10、sults prove that the mentioned control method prevents the stator and rotor overcurrent and DC bus overvoltage, improves the DFIG LVRT ability under grid voltage dip.Keywords: wind power；doubly-fed wind generation；low voltage ride through；power grid fault；control strategy目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1
11、 选题背景及意义11.2 风力发电技术的研究现状11.2.1 双馈风力发电系统的变换器结构31.2.2 双馈风力发电系统的变流控制策略41.3 双馈风力发电系统低电压穿越技术的研究61.3.1 低电压穿越技术的相关规定61.3.2 低电压穿越技术的研究现状81.4 论文主要内容10第2章 双馈风力发电系统基本理论112.1 双馈风力发电系统的运行原理和功率特性122.1.1 双馈风力发电系统的运行原理122.1.2 双馈风力发电系统的功率特性132.2 风力机特性142.3 机械传动轴系的数学模型162.4 转子侧变换器的建模与控制162.4.1 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型162.4.
12、2 传统的转子侧变换器控制策略182.5 网侧变换器的建模与控制202.5.1 网侧变换器的数学模型202.5.2 传统的网侧变换器控制策略212.6 本章小结23第3章 电网电压跌落时DFIG的运行特性243.1 定子磁链动态过程分析243.2 转子绕组动态过程分析263.3 电压跌落时DFIG的动态响应273.4 本章小结31第4章 双馈风电机组低电压穿越控制策略324.1 电网故障时转子侧变换器的控制策略324.2 电网故障时网侧变换器的控制策略354.3 仿真分析374.4 本章小结40第5章 结论与展望415.1 结论415.2 展望41参考文献43攻读硕士学位期间发表的学术论文及其
13、它成果46致 谢47第1章 绪 论1.1 选题背景及意义伴随着工业的发展，人类对于能源的需求量也日益增长，其中对化石能源（煤、石油、天然气等）的运用则最为广泛，然而，一方面化石能源不可再生，在人类大量的采掘下正在不断枯竭，另一方面由于大量的无休止的化石能源的使用，使得地球上的生态环境正在持续恶化，为了解决能源短缺和环境污染问题，必须大力提倡低碳生活，用可再生的新能源代替现在大量使用的不可再生的化石能源。从七十年代开始，各国政府和国际组织不断投入了大量的资金和人力用于研究可再生新能源。可再生新能源主要包括太阳能、风能、海洋能和地热能等等，这些能源都是清洁并且没有污染的新型能源、可以反复使用，而且
14、在解决能源短缺和环境污染等问题上都有着优异的表现，是社会健康可持续发展的重要组成部分。可再生新能源的研究已经成为一个世界性的重要课题。相比于太阳能、核能等新能源发电，风力发电技术是目前发展较成熟、应用前景较好的一种发电方式。风力发电具有以下优点：建设周期较短、安装机组的规模较为灵活多变、运行和维护成本较低、占地面积较小、清洁无污染并且不消耗化石燃料等。正是由于风力发电具有这些优点才使得风力发电技术在全世界范围内得到了迅猛的发展1, 2。风力发电虽然清洁环保，但具有发电波动性、随机性、间歇性等缺点，不同于水电、火电等常规发电方式的稳定性和可预测性，风能的随机性和不可预测性使得电力系统接入风电后的
15、运行调度更加困难，这给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战3。另外，从电网安全的角度考虑，当电网发生故障时，传统上采取风力发电机组自动解列的方式来保护自身发电设备的安全。虽然这种传统的方法保护了发电设备，但一有故障便采取自动解列的措施，将会使大电网故障加剧，甚至可能导致电网瘫痪，对电网的安全稳定运行造成严重影响。那么如何提高风力发电机组的安全可靠性，把在并入电网时的影响降低到最小，是将来风力发电大规模发展应用的关键。1.2 风力发电技术的研究现状从发电机的运行和控制方式来讲，我们可以把风力发电系统分为恒速恒频(CSCF)风力发电系统和变速恒频(VSCF)风力发电系统这两大类。当风电机组并网运行
16、时，发电机组的电能频率和电网必须是相同的，即保持恒频。CSCF风电系统就是不管外界风速如何变化，始终保持发电机的转子转速恒定不变，从而达到“恒频”。由于风速变化时，发电机的转速不变，风能利用系数通常无法维持在最佳值，同样也就无法实现最大功率点跟踪，风能利用率也就低。此外，对刚性连接的恒速恒频风力发电系统来说，一旦风速发生突变，风能将在机组的机械传动构件（例如齿轮箱）上产生很大的机械应力，而上述过程的反复则会导致该构件的疲劳损坏、使用寿命的缩短，还可能影响电力系统的稳定性4。上世纪八十九十年代的丹麦广泛采用了这种恒速恒频风电技术，我国六百千瓦、七百五十千瓦等风电机组也都采用这种恒速恒频风电技术5
17、。当风电机组采用变速运行方式时，发电机转子的角速度是随风速而变的，同时通过一定的手段来限制电能频率的输出，从而达到“恒频”。由于发电机转子的角速度是随风速而变的，故风能利用系数能维持在最佳值，从而能实现最大功率点跟踪，提高风能利用率。当风速升高时，部分风能被风轮所吸收，作为机械能（动能）储存起来（表现为风轮转速上升），减小了机组传动链上的疲劳负载，提高了传动系统的柔性，从而避免了机组的机械传动构件（例如齿轮箱）上产生过大的机械应力。在风速下降后，经电子设备调节控制，再将风轮所存储的机械能（动能）转换为电能送入电网（表现为风轮转速下降）。实际中风速是频繁的、随机性突变的，而风轮转速的上升、下降则
18、起到了一定的缓冲作用，使机组内部的能量传输部件所承的应力相对平缓，避免产生破坏性机械应力。这样风电机组运行时的平稳性和安全性就大大提高了4。VSCF风电系统最主要的优点是发电机可以变速运行，其转速的调整是通过变换器调节发电机的转子励磁电流来实现的。另一方面，转速的调整还可通过改变桨距角调节风力机的转速来实现。与定桨距机组相比较，变桨距机组最大的优点是启动特性比较好，输出功率稳定性比较好且桨叶受力比较小。同时，在风速超出切出风速的时候，还可由调节桨距角来避免风力机受损，从而增加风力机的寿命。正是由于VSCF风电系统具备以上的优点，使其在风电领域得到了广泛的应用。VSCF风电系统依据所使用的功率变
19、换器相对于发电机额定功率的大小不同可以分为全功率变换器系统以及部分功率变换器系统，若依据发电机与风力机之间机械传动系统不同又可以分为变速齿轮箱系统和无齿轮箱直驱系统，若依据所采用的发电机类型不同又可以分为异步发电机风电系统、交流励磁双馈发电机风电系统、无刷双馈发电机风电系统、永磁直驱型同步发电机风电系统以及开关磁阻发电机风电系统等等6-9。在各种类型的VSCF风电系统之中，双馈风力发电机(DFIG)风电系统具有其独特的优点：调速范围比较宽，有功及无功功率可进行解耦控制，所需励磁变换器容量比较小以及能实现安全、快速地柔性并网等。正是由于这些独特的优点和相对成熟的技术使得双馈风力发电机组成为当今世
20、界主流的风电机组产品，市场反响普遍良好10, 11。1.2.1 双馈风力发电系统的变换器结构变换器在双馈风力发电系统中是一个非常关键的组成部分。DFIG交流励磁变换器的特点是必须保证双馈发电机在转子转速运行范围内，能量可以双向流动。同时系统要求励磁变换器产生的谐波污染较小，输入和输出性能良好，开关的损耗较小，甚至还要具备在尽量不吸收电网无功功率的条件下同时产生无功功率的能力12, 13。目前市场上广泛应用的DFIG励磁变换器主要有如下几种：（1）交-交变换器14 交-交变换器是一种由反向并联的晶闸管相控整流电子回路组成，把电网交流电直接变换成一种电压、频率均可调节的交流电的变频电子回路。这种变
21、换器虽然功率可双向流动，但是由于采用晶闸管自然换流方式，故而功率因数低，低次谐波含量大，输入、输出特性不理想。一般这种由36管6脉波三相桥式电路所组成的交-交变换器由于输入的功率因数比较低，而且在输出电压中低次谐波的含量很大，所以对发电机组和电网均会造成严重的谐波污染及不良效应，并不适合在风力发电领域进行广泛应用。（2）矩阵式交-交变换器15, 16 矩阵变换器(MC, Matrix Converter)是近些年来才出现的一种新型交-交变频器，主要由9个双向的开关构成。和传统意义上的交-直-交变换器或者交-交变换器不同，矩阵式交-交变换器具有很多优点：输入输出性能良好，输入功率因数可随意调节，
22、输出电压是由电源的3个电平组成，一定程度上降低了谐波含量；能量可以双向流动，略去变换器中原有的直流电容储能环节，缩减了变换器所占的空间并提高了变频效率和寿命。但目前仍存在很多问题：目前双向导通开关器件尚无商品化，只能通过单相开关器件反并联方式获得，这使得电路结构更加复杂，成本更高；略去了直流电容储能环节的矩阵变换器将输入和输出进行直接耦合，所以电网的故障运行状态（如电网电压的不平衡等）会很容易对双馈发电机的控制造成影响，同时矩阵变换器在电网故障下的保护仍然存在问题，因此其在双馈风电系统中的应用程度还远远不够完善，目前正处在研发的阶段。（3）双PWM变换器17-19目前较为常用的DFIG励磁变换
23、器为背靠背(Back-to-Back)电压源双PWM变换器。如图1-1所示，这种双PWM变换器主要由两个结构完全对称的转子侧PWM变换器和网侧PWM变换器背靠着背构成，中间则是采用了一个能够稳定直流侧电压的电容。转子侧和网侧PWM变换器的控制系统和功用均是相对分离的两部分。转子侧PWM变换器主要是向双馈发电机中的转子绕组提供相应的励磁电流，从而实现发电机变速恒频运行、最大功率点跟踪以及定子输出有功功率和无功功率的解耦控制；网侧PWM变换器的功能主要体现在保证能量可以双向流动与直流母线电压的恒定不变，并且可以调整网侧的功率因数。图 1-1双PWM变换器电路结构示意图当双馈发电机进入欠同步速的运行
24、状态时，功率是由电网向电机传输的，这个时候，网侧变换器作为整流器使用，转子侧变换器作为逆变器使用；而当双馈发电机进入超同步速的运行状态时，情况正好相反，功率改由发电机向电网传输，这个时候，网侧变换器变作逆变器使用，转子侧变换器变作整流器使用。双PWM变换器实际上是一个交、直流侧均可控的四象限运行变换器，既可工作于整流状态，又可工作于逆变状态，其网侧电流和功率因数均是可控的。综上所述，双PWM变换器正是因其简单的结构、良好的控制性能、可靠成熟的技术以及较为低额的成本，成为了如今市场上DFIG励磁变换器的优选方案之一。（4）其他变换器除了以上3种较为常用的励磁变换器外，还有多电平变换器、交-直-交
25、型电流源和电压源并联变换器、普通钳位谐振变换器等。此处不做详细介绍了。1.2.2 双馈风力发电系统的变流控制策略双馈风力发电机性能好坏的关键在于其控制系统，因此如何制定双馈风力发电机的控制策略显得尤为重要。其控制策略概括起来主要有：矢量控制策略(VC)、直接功率控制策略(DPC)、直接转矩控制策略(DTC)、多标量控制策略等，另外还有电网故障情况下双馈风力发电机低电压穿越(LVRT)控制策略和电网电压不平衡控制策略等等。（1）矢量控制策略为了简化双馈电机较为复杂的控制系统，我们通常会将矢量控制策略应用到双馈风电系统的运行控制当中。矢量控制是通过一系列的坐标变换将原来较为复杂的三相坐标系下的DF
26、IG数学模型等效为同步旋转d-q坐标下的DFIG数学模型，从而完成对DFIG转矩电流和励磁电流分量（有功和无功功率）的独立控制。为了进一步简化d-q坐标系下DFIG数学模型，通常需要进行矢量定向，即将坐标系按照DFIG的某个矢量进行定向。在双馈风力发电机中可供选择的定向矢量主要有定子磁链、转子磁链、定子电压、气隙磁链等等。在选定合适的定向矢量后，一般通过转子电流的dq轴分量分别对DFIG电磁转矩和无功功率（有功功率和功率因数）进行独立的控制。文献20-22建立了基于定子磁链定向的DFIG数学模型，根据该数学模型推导出了利用转子电流的dq分量分别独立控制有功和无功功率的矢量控制策略，并构建了由转
27、速（功率）外环和电流内环共同组成的双闭环结构控制系统，该系统能够实现最大功率点跟踪及有功功率、无功功率的解耦控制。文献23提出一种基于定子电压定向的双馈风力发电机输出功率的矢量控制策略。该控制策略不需要测量定子磁链，使得控制系统得到了大大的简化并可以实现有功、无功功率的独立控制。一般情况下的矢量控制方案往往会采用PI调节控制器来实现DFIG的励磁控制，这种方法的缺点是响应速度比较慢且很难做到精确的解耦控制，文献24采用矢量控制与变结构控制相结合的控制方案，这种控制方案不但能够实现DFIG有功功率、无功功率的解耦控制而且比一般的矢量控制结合PI控制的方法具有更加良好的动态响应特性。矢量控制是一种
28、实现起来较为容易的控制策略，这种策略相对于其它控制策略而言具有较强的鲁棒性，当使用定子电压定向时也较为容易获得电压矢量角。这种策略在目前的双馈发电机控制系统中得到了较为广泛的应用，在很多地方都有着出色的表现。（2）直接转矩控制(DTC)直接转矩控制和矢量控制有很多不同的地方，直接转矩控制不用进行复杂的坐标变换、不用进行有功功率和无功功率的解耦。它的原理是检测发电机定子电压和电流并利用空间矢量工具计算出转子磁链从而控制发电机的电磁转矩，最后将其与给定值相比较，得到一个误差，根据这个误差去实现转速控制。直接转矩控制的缺点是转子磁链估计值和参考值的精度会受到双馈发电机参数变化的影响。二十多年来，直接
29、转矩控制方法得到了较为深入的研究，尤其在笼型异步电机控制系统中的应用取得了很大的进展，同时，直接转矩控制方法的控制性能也有所改进。但关于直接转矩控制技术在双馈发电机控制系统中的应用技术还不成熟，需要进行进一步的研究。（3）直接功率控制(DPC)25直接转矩控制和直接功率控制仅在控制方法上有着些许不同：直接转矩控制技术是通过改变电磁转矩来实现对被控对象发电机转速的调节，而直接功率控制技术则是通过改变转子电压矢量来直接调节定子有功和无功功率，从而对有功和无功功率进行相对独立的调整。双馈发电机的直接转矩控制和直接功率控制与笼型异步电机的直接转矩控制一样具有较快的动态响应。1.3 双馈风力发电系统低电
30、压穿越技术的研究低电压穿越(LVRT, Low Voltage Ride-Through)指的是：当电网发生故障导致风电场并网点电压跌落时，在电压跌落的某一特定范围和时间段内，风电机组能够保持不间断并网运行，同时可以向电网提供一定的无功功率，以帮助电网电压的恢复26。由电网故障引起的电压跌落是最为常见的一种电网故障，分为单相、两相接地短路故障、两相相间短路故障和三相短路故障等等；按照故障后三相电压是否对称还可分为对称和不对称短路故障，除了三相对称短路外其他所有的故障均为不对称故障。以往，风电容量占电网总容量的比重是很小的，一旦电网电压发生骤降，风电机组通常会自动脱网以保护自身的安全，这在电网中
31、风电机组比重不高的情况下是允许的。近年来，风电容量占据电网的比重不断增大会对风电并网后的电网造成很大的负面影响。若风电机组在电网电压骤降时仍采取被动保护式解列，那么风力发电机组的脱网将会恶化电网故障，严重影响电网稳定性和安全性。1.3.1 低电压穿越技术的相关规定针对上述问题，世界各国相继对风电场的并网制定了新的规定，要求风电机组在电网电压发生跌落后，要维持一段时间内不脱网连续运行，并且在电网故障切除后，要能够尽快帮助电网电压的恢复，也就是要求并网运行的风力发电机组在电压跌落时具有低电压穿越的功能27。我国的风电场接入电网技术规定对并网运行的风力发电机组作出了详细的技术规定28。（1）对发电机
32、组低电压穿越的基本要求：图1-2为我国国家标准规定并网运行的风力发电机组低电压穿越的基本要求，具体如下：1）当风力发电机组并入电网的接点电压（并网点电压）跌落到额定电压的20时，机组能够不脱网连续工作625ms；2）当风力发电机组并入电网的接点电压在跌落后2s内能够升高到额定电压的90时，机组能够不脱网连续工作。图1-2国家标准规定风力发电机组低压穿越的基本要求（2）对风力发电机组有功恢复的要求：对于那些在电网故障期间还没有从电网中断开的风力发电场而言，其有功功率应从故障清除那一刻开始以较快的功率变化速率（至少每秒10额定功率）恢复到故障以前的值。（3）对风力发电场动态无功支持的要求：对于总装
33、机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群而言，每个风电场在因电力系统发生三相对称短路故障引起的电压跌落过程中应具有以下动态无功支撑能力：1）风力发电场在并网点电压处于2090的额定电压之间时应能够通过注入无功电流来支撑电压恢复；从并网点电压开始跌落的那一刻起，无功电流控制的响应时间小于或等于75ms，持续时间应大于或等于550ms。2）风力发电场注进电力系统的动态无功电流： (1-1)其中：UT为风力发电场并入电网的接点电压的标幺值；IN为风力发电场的额定电流。现如今风力发电机组不具有LVRT能力已经成为限制其并入电网运行的重要原因。因此，急需可靠并且经济的改善措施来提高风力发电机组LVRT能力
34、，特别是对于那些已经并入电网的不具有LVRT能力的风力发电机组来说这种需求更加迫切。1.3.2 低电压穿越技术的研究现状双馈风力发电系统中发电机定子与电网直接耦合的这种结构不能分离发电机与电网之间的联系，电网一旦出现故障就会直接影响DFIG自身的运行状态；另一方面相对较小的双馈风力发电机转子变换器容量使得其承受过电流和过电压的能力有限。因此，相比于全功率变换器风电系统，双馈风电系统对电网故障更加敏感，对过流和过压的承受能力也更差。双馈电机的定子绕组在电网电压骤降时会产生较大的冲击电流，由于定、转子之间的电磁耦合关系，使得转子绕组中也感应出过电流和过电压。转子绕组中产生的故障电流流经直流母线电容
35、，将导致直流母线电压的升高或降低29。因此，提高DFIG风电机组低电压穿越能力的关键是如何限制转子过电流和直流母线电压的波动以及如何尽快的恢复电网电压。目前，归纳起来，被大量研究和广泛应用的双馈风电系统低电压穿越技术主要有两大类：一类是增加额外的硬件保护设备，例如转子撬棒电路(Crowbar Protection)和直流卸荷电路；另一类是在电网电压跌落期间采取相应的LVRT控制策略，即改进转子励磁变换器的控制策略。（1）转子撬棒电路这是目前应用较为广泛的一种实现低电压穿越的方法，该方法的原理是在发电机转子与转子侧变换器之间加装急速短接保护装置30, 31。当电网发生故障导致转子过压或过流时，C
36、rowbar保护电路动作，利用保护电路中的电阻来短接转子绕组并将转子侧变换器旁路，同时通过此电阻限制转子过电流，以达到保障电力电子设备安全运行及发电机组连续不断运行的目的。而当电网故障清除时，切除Crowbar保护电路，启动转子侧变换器，双馈发电机重新进入正常运行状态。该方法简单有效，容易实现，可以保证双馈风电机组在电网发生故障时的安全。但是在电网发生故障时该方法使得转子侧变换器被旁路掉了，这时双馈发电机就等效为一台鼠笼式异步发电机，会从电网中吸收无功功率，这将不利于电网电压的恢复，一般只在大值电压跌落时才会使用这种Crowbar保护电路。（2）直流卸荷电路直流卸荷电路的原理是在电网故障时采用
37、电阻将转子侧过剩的能量吸收，以此防止直流母线电压过高。直流卸荷电路可以将直流母线电压控制在某一数值之下，但是对于电网故障引起的直流母线电压降低则不起作用32。（3）低电压穿越控制策略从降低电力电子设备成本的角度来考虑，实现LVRT最好的方法不是增加硬件保护设备，而是采取相应的LVRT控制策略（在电网电压跌落时改进双馈风力发电机组的控制策略），保证在电网电压跌落时变换器安全运行及风电机组并网连续运行。目前双馈风力发电机组变速恒频运行主要是通过对转子侧变换器采用dq轴解耦的定子磁场或定子电压定向矢量控制来实现的。然而采用这些传统的定向矢量控制方式的前提都是假定电网理想且没有任何故障，那么在实际的电
38、网扰动情况下、尤其是在电网不对称故障、对称故障时将丢失定向标准、影响风力发电机组优良的控制性能。在电网故障导致双馈发电机定子端电压骤降时，发电机定子磁链会出现直流分量，电网发生不对称故障时还会出现定子磁链的负序分量。因此，可以针对电网故障期间定子磁链出现的直流分量和负序分量来制定灭磁控制策略。文献33提出一种通过控制发电机漏磁链来抵消定子磁链直流分量对转子侧影响的改进的励磁控制策略，该策略同时结合定子侧电阻对发电机进行灭磁，并采用了合适的励磁控制方案来限制转子过压和过流，能够实现电网电压骤降故障下DFIG不脱网连续运行。发电机的输出功率在电网电压发生跌落时会快速减小，若不调节其输入的机械功率，
39、肯定会导致发电机转子转速上升。在输入机械转矩比较大时（风速比较大时），即使电网故障切除，也很难做到快速抑制发电机转速的升高，这样发电机从电网吸收更多的无功，致使定子电压下降，会进一步妨碍电网电压恢复，甚至可能导致系统崩溃。文献34采用变桨控制方法来快速调节风力机捕获的功率，也就是通过调节桨距角来减少风力机吸收的风能，进而减小发电机的输入机械转矩，限制其转子转速的升高，减少双馈发电机从电网吸收的无功，帮助电网电压恢复，但是这篇文献没有考虑到转子侧变换器的励磁控制作用在电网电压跌落时的应用。改进的励磁控制策略不需要增加任何硬件保护设备，降低了设备成本，但是双馈发电机转子励磁变换器的容量往往限制了他
40、的控制效果，因而改进的控制策略在一些故障较为严重的情况下不能实现LVRT运行，受到可行性区域的限制。综上所述，根据电网电压跌落的轻重程度不同应当采用不同的保护措施和控制策略：在电网电压小幅骤降时，应该尽可能去改进DFIG系统的运行控制策略来达到低电压穿越的目的；而在电网电压大幅骤降时，应通过增加一定的硬件保护设备来限制转子过电流和直流母线电压的波动。1.4 论文主要内容电网稳态条件下的DFIG系统变换器控制策略的研究已比较成熟，但电网故障下的DFIG系统变换器控制策略仍需要进一步研究。本文在分析电网故障情况下DFIG动态运行特性的基础上，提出了电网电压跌落时DFIG低电压穿越的控制策略（改进的
41、变换器控制策略），并与DFIG系统中传统的变换器控制策略进行了对比分析。本文主要内容包括：（1）简单叙述了课题的研究背景及意义，介绍了风力发电技术的研究现状和风电场低电压穿越技术的相关规定。最后总结了提高DFIG系统低电压穿越的各种措施，其中包括两大类方法：增加硬件保护设备和采用相应的低电压穿越控制策略，并分析了它们的原理和各自的优缺点。（2）主要分析了双馈风力发电系统的运行原理和功率特性，建立了双馈风电机组的数学模型，在此模型基础上，推导出了基于定子（电网）电压定向的传统的变换器矢量控制策略，从而实现了双馈风电机组变速恒频运行及有功和无功功率的解耦控制。（3）深入分析了电网故障时双馈发电机暂
42、态变化过程，对其定子磁链、转子电压、转子电流等进行了详细分析，找出了电网故障时DFIG转子过电压和过电流的根本原因，最后通过Matlab/Simulink仿真软件对双馈风力发电系统进行了电网电压跌落故障下的仿真，并对其仿真结果进行了分析。（4）建立了同步旋转坐标系下计及定子励磁电流动态变化的DFIG精确数学模型，在该精确模型的基础上，提出了电网电压跌落下转子侧变换器和网侧变换器的低电压穿越控制策略，最后通过Matlab/Simulink仿真软件对所研究的变换器低电压穿越控制策略进行了仿真实验，并与传统的变换器控制策略的仿真结果进行了对比分析，验证了本文所提出的控制策略的优越性。（5）对本文的研
43、究内容进行了总结和展望，指出研究中的一些不足之处和下一步要研究的内容。第2章 双馈风力发电系统基本理论与绕线式异步电机的基本结构类似，双馈风力发电机包含了定子和转子两套三相绕组。其中定子直接连入电网并一直向电网传输功率，而转子则通过励磁变频器与电网间接相连并向电网传输功率或从电网吸收功率，这样就在转子回路上形成了双向流动的功率通道，因此取名为双馈发电机。双馈风力发电机的本质上是具有同步发电机外部特征的异步发电机。若按照电机的转子转速是否等于同步速来分类的话，双馈风力发电机显然属于异步发电机。若从外部特性来看，双馈风力发电机与同步发电机非常类似，所以双馈风力发电机又被称为异步化的同步发电机。双馈
44、风力发电机和同步发电机的根本不同点在于前者的转子绕组结构为三相交流绕组，而后者的转子绕组结构为单相直流绕组。所以它们的励磁系统的构成及控制方式也就不一样。同步发电机使用直流励磁，其励磁可调节量只有一个励磁电流幅值，因此同步发电机通常只可以对无功功率进行调节；而双馈风力发电机使用交流励磁，除了可以调节励磁电流的幅值外，还可以调节励磁电流的频率和相位。双馈风力发电机通过改变转子励磁电流的幅值来调节发电机的无功功率；通过改变转子励磁电流的频率来调节发电机的转子转速，以实现发电机变速恒频运行；通过改变转子励磁电流的相位来调节发电机的功率角。所以通过调节双馈风力发电机转子励磁电流，既可以调节无功功率，又
45、可以调节转子转速和有功功率。因此，总的来说，双馈风力发电机与同步发电机相比在控制上表现得更加灵活多变。双馈风力发电机对于转子励磁电流的控制是由其双PWM变换器来完成的，其转差功率决定了该变换器容量的大小。由于DFIG变速恒频控制方法是在发电机的转子回路上实现的，该转子回路上流过由DFIG转速运行范围（该范围与变换器设计有关）所决定的转差功率只有发电机额定功率的30左右。因此，与全额定功率变换器相比较，双馈风力发电机的变换器功率仅为发电机额定功率的一小部分，这在很大程度上减小了变换器的体积、重量和成本。基于双馈风力发电机的诸多优点，本文选用双馈风力发电机为研究对象，本章主要对双馈风力发电系统的基
46、本运行原理、功率特性、数学建模及变换器控制策略进行简单介绍。2.1 双馈风力发电系统的运行原理和功率特性2.1.1 双馈风力发电系统的运行原理图2-1 交流励磁双馈风力发电系统结构框图交流励磁双馈风力发电系统主要由风力机、变速齿轮箱（升速齿轮箱）、双馈风力发电机以及双PWM变换器（包括转子侧变换器和网侧变换器）等这些部件构成，其结构如图2-1所示35。风力机通过变速齿轮箱来使发电机的转子转动并将捕获的风能转换为机械能，然后通过双馈发电机转换为电能，与转子相连的双PWM变换器则依据转子转速的变化来相应地调节转子励磁电流频率可以实现DFIG变速恒频运行。由电机学知识可知，任何电机在稳定运行时，定、
47、转子旋转磁场都是相对静止、同步旋转的，因此当双馈风力发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场也是相对静止，即： (2-1)又由于，式(2-1)可以写成： (2-2)式中：为定子旋转磁场的转速，也就是同步转速；为转子旋转磁场相对于转子的转速；为转子的机械转速，r/min；np为电机极对数；为定子电流的频率（也就是电网的频率），Hz；为转子电流的频率，Hz；由于，故也称为转差频率，其中s为转差率，。由式(2-2)可知，当发电机转子的机械转速随着风速变化而发生变化时，若相应地改变转子励磁电流频率就可以保持定子输出电流频率与电网频率始终一样，从而实现DFIG变速恒频控制。2.1.2 双馈风力发电系统的功率特性根据电机学知识可知，双馈风电系统把机械能转变成电能的过程可由图2-2所示的功率流动示意图来表示，图中。图2-2稳定运行状态下的功率流动示意图实际上，双馈发电机转子转轴上输入的净机械功率为风力机输出的机械功率减去齿轮箱功率损耗，一般情况下忽略该损耗，发电机输入的净机械功率就等于风力机输出的机械功率Pm。发电机输入的净机械功率加上转子绕组吸收的有功功率，在减去转子铜耗之后就得到一个电磁功率，即表示为： (2-3)由双馈发电机在稳定运行状态下的等效电路图可知36： (2-4)
