基于双馈风电系统网侧九开关变换器研究

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分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100307硕士学位论(文学生类别:全日制学术型硕士研究生领域名称：电力电子与电力传动论文题目:基于双馈风电系统网侧九开关变换器研究英文题目:ResearchonGrideSideNineSwitchConverterbasedonDoublyFedWindTurbineSystem学生姓名：廉茂航导师姓名：任永峰教授二○一八年四月 内蒙古工业大学硕士学位论文摘要随着我国风电装机容量的逐年增长，双馈感应电机风力发电机组凭借着励磁变换器容量小、价格低、机组谐波小等特点在我国目前风电市场中占据着主要份额。然而双馈感应发电机定子直接并网的特殊结构，使其对电压畸变相当敏感。当电网发生故障时，会影响双馈电机正常运行。为解除电网故障工况下对双馈电机的影响，故障穿越运行成为亟待解决的关键问题。本文采用一种九开关变换器替代传统双馈风电机组网侧变换器的新型拓扑结构，仅增加3个IGBT便可以实现并网控制与电压串补一体化功能，从而解决了双馈风电系统因不能故障穿越而造成机组脱网、资源浪费等现象，与其他一些故障穿越方案相比在一定程度上缩减了变换器体积，具有一定的理论研究价值与工程应用前景。首先，本文对采用新型拓扑结构中的九开关变换器工作状态、数学建模及SPWM调制方法进行研究分析。通过仿真验证了SPWM调制方法的正确性，解除九开关变换器中共用开关的耦合关系，实现上、下通道的独立控制。其次，针对系统拓扑结构的运行原理进行分析；此外，系统实现故障穿越，需要有稳定的双馈风电系统作为前提，因此对理想电网条件下的机侧与网侧变换器进行数学建模，通过数学建模形成控制策略。在Matlab/Simlink仿真平台中搭建稳态工况下变速恒频风力发电系统的仿真模型，仿真验证了不同风速工况下系统运行的稳定性及控制策略的正确性。最后，针对系统故障工况进行网侧九开关变换器控制策略的研究分析，研究动态电压恢复器电压检测方法、锁相环技术、动态电压恢复器补偿策略、动态电压恢复器控制策略、网侧九开关变换器控制策略、九开关变换器直流母线电压分配问题及网侧九开关变换器调制方法的选取。通过仿真结果表明九开关变换器运行在电网电压故障期间，通过其动态电压恢复器功能，可对电网电压的短时畸变进行补偿。多种电网电压短路故障工况下九开关变换器均能维持双馈电机机端电压稳定，辅助双馈风电机组实现柔性故障穿越运行。关键词：网侧九开关变换器；双馈感应电机；动态电压恢复器；控制策略；柔性故障穿越I 内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractAsChina'sinstalledcapacityofwindpowerincreasesyearbyyear,doublefedinductiongeneratorwindturbinesaccountforamajorshareofthecurrentwindpowermarketinChinaduetosmallcapacityofconverter,lowprice,andlowharmonicsofgenerator.However,thespecialstructureofthedirectgridconnectedstatorofthedoublefedinductiongeneratormakesitverysensitivetovoltagedistortion.Whenthepowergridfails,itwillaffectthenormaloperationofthedoublyfedinductiongenerator.Inordertoeliminatetheinfluenceondoublyfedinductiongeneratorunderfaultconditionsofthepowergrid,thefaultridethroughhasbecomeakeyproblemtobesolvedurgently.Inthispaper,anewtopologicalstructureofnineswitchconverterisusedtoreplacetraditionaldoublefedwindturbinegridsideconverter.WithonlythreeIGBTsadded,gridconnectedcontrolandvoltageseriescompensationcanbeintegrated,thussolvingtheproblemofdoublefedwindturbinesystemcannotfaultridethrough,whichcausesdoublefedwindturbineswithgriddisconnection,wasteofresourcesandotherphenomena.Comparedwithsomeotherfaultridethroughschemes,convertervolumeisreducedtoacertainextent,whichhascertaintheoreticalresearchvalueandengineeringapplicationprospects.Firstly,theworkingstate,mathematicalmodelingandSPWMmodulationmethodofthenineswitchconverterinthenewtopologyisanalyzed.Throughsimulation,thecorrectnessoftheSPWMmodulationmethodisverified,thecouplingrelationshipofthecommonswitchesinthenineswitchconverteriseliminated,andtheindependentcontroloftheupperandlowerchannelsisrealized.Secondly,theoperatingprincipleofthesystemtopologyisanalyzed;Furthermore,thesystemimplementsfaultride,requiresastabledoublefedwindturbinesystemasaprecondition,andperformingmathematicalmodelingofrotorsideandgridsideconvertersunderidealgridconditions,throughmathematicalmodelingformscontrolstrategy.IntheMatlab/Simlinksimulationplatform,asimulationmodelofVSCFwindturbinesystemundersteadystateconditionisestablished.Thesimulationverifiesthestabilityofthesystemoperationunderdifferentwindspeedconditionsandthecorrectnessofthecontrolstrategy.Finally,researchandanalysisoncontrolstrategyofgridsidenineswitchingconverterforsystemfaultconditions.Dynamicvoltagerestorervoltagedetectionmethod,phaselockedlooptechnology,dynamicvoltagerestorercompensationstrategy,dynamicvoltagerestorercontrolstrategy,gridsidenineswitchconvertercontrolarestudied,thevoltagedistributionproblemoftheDCbusofthenineswitchconverterandtheselectionofthemodulationmethodofgridsidenineswitchconverter.Thesimulationresultsshowthatthenineswitchconverteroperatesduringvoltagefaultofthepowergrid，throughitsdynamicvoltagerestorerfunction,itcancompensatefortheshorttermdistortionofthepowergridII 内蒙古工业大学硕士学位论文voltage.ThenineswitchconvertercanmaintainthevoltagestabilityoftheDFIGterminalundervariousvoltageshortcircuitfaultconditions,andtheauxiliarydoublefedwindturbineachievesflexiblefaultridethrough.Keywords:Gridsidenineswitchconverter;Doublyfedinductiongeneration;Dynamicvoltagerestorer;Controlstrategy;FlexiblefaultridethroughIII 内蒙古工业大学硕士学位论文目录摘要.........................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章绪论..................................................................................................................11.1风电发展现状.................................................................................................11.2双馈风电系统故障穿越研究.........................................................................21.3九开关变换器的发展与应用.........................................................................51.4本文主要研究内容.........................................................................................6第二章九开关变换器数学模型及调制原理分析......................................................82.1引言.................................................................................................................82.2九开关变换器开关状态及数学模型.............................................................82.3九开关变换器调制原理仿真分析...............................................................132.4本章小结.......................................................................................................14第三章系统运行理论及传统双馈风电系统稳态控制............................................153.1引言...............................................................................................................153.2系统拓扑结构设计.......................................................................................153.3系统能量流动分析.......................................................................................163.4传统双馈风电系统稳态控制.......................................................................183.4.1网侧变换器矢量控制............................................................................183.4.2转子侧变换器矢量控制........................................................................223.5系统仿真分析...............................................................................................253.6本章小结.......................................................................................................29第四章网侧九开关变换器提升FFRT能力的控制方法.........................................304.1引言...............................................................................................................304.2电压检测方法...............................................................................................304.2.1锁相环技术............................................................................................304.3DVR补偿策略...............................................................................................354.4网侧九开关变换器控制方法.......................................................................354.4.1网侧九开关变换器电压补偿侧控制策略............................................364.4.2网侧九开关变换器并网侧控制策略....................................................374.4.3网侧九开关变换器控制策略................................................................374.4.4网侧九开关变换器直流母线电压的分配............................................384.4.5网侧九开关变换器调制方式的选取....................................................404.5本章小结.......................................................................................................41IV 内蒙古工业大学硕士学位论文第五章网侧九开关变换器提升FFRT能力的仿真分析.........................................425.1引言...............................................................................................................425.2多种故障工况下DFIG的运行特性............................................................425.3多种故障工况下故障穿越仿真分析...........................................................455.3.1电压对称、不对称跌落30%工况下低电压穿越仿真结果................455.3.2电压对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果................................465.3.3电压不对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果............................465.3.4电压对称升高30%工况下高电压穿越仿真结果................................485.4本章小结.......................................................................................................50结论..............................................................................................................................51参考文献......................................................................................................................52读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果......................................................55V 第一章绪论第一章绪论1.1风电发展现状随着我国经济的快速增长，对能源需求日益增加，而化石能源消耗引起严重环境污染，且储量日趋下降，寻找新型可再生能源是亟待解决的问题。在中国风能资源总体上较为丰富，清洁、可再生、分布范围广又是风能最大的特点[1]。此外，风力发电技术在我国已进行广泛的深入研究，且近年来变频器技术等相关科技的快速发展，致使风电成为很多专家学者青睐的研究对象之一。根据《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，煤炭消费比重控制在62%以内，并要求大力发展风电，建设9个大型现代风电基地以及配套输送工程，积极发展分散式风电，稳步发展海上风电[2]。根据2016年12月发布的《可再生能源“十三五”规划》，到2020年底，全国风电并网装机确保达到210GW以上；到2020年，中东部和南方地区陆上风电装机规模达到7000万千瓦，“三北”地区风电装机规模确保1.35亿千瓦以上，其中本地消纳新增规模约3500万千瓦；另外，利用跨省跨区通道消纳风电容量4000万千瓦，海上风电开工建设1000万千瓦，确保建成500万千瓦[3]。由此可见，在我国能源体系中风能占有相当大的比重。近年来，国家电网公司大力建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网[4]，实现风电大规模输送和消纳，在一定程度上解决“弃风限电”现象，为风电可持续发展提供技术支撑，标志着风电在我国未来能源战略中有着举足轻重的地位。近十年来，中国风电事业迅速崛起，风电技术也取得不俗的进展。目前，应用在风电场中风力发电系统的拓扑结构主要有采用带齿轮箱升速的双馈风电机组和无齿轮箱的永磁直驱风电机组两种主流机型[5]，如图1-1所示。两者机型有各自的特点，图1-1（a）风力机直接与永磁同步电机连接，通过全功率变换器与电网相连，排除了齿轮箱出现故障的机率。但受风力机低转速的制约，当发电机转速过低，会增加极对数的需求与制造难度。同时，永磁材料的成本较高且存在失磁隐患。而如图1-1（b）所示的双馈风电系统，风力机经过齿轮箱与双馈感应电机(DoublyFedInductionGeneration，DFIG)相连接，发电机定子侧直接挂接电网，机侧与电网之间加入背靠背变换器。通过机侧变换器对DFIG转子进行交流励磁，一般可在同步速上、下30%范围内运行，流过变频器的功率一般为发电机发出功率的25%~30%左右。基于双馈风电机组励磁变换器容量小、价格低、机组谐波小的特点[6-7]，华锐风电、东方汽轮机、联合动力、上海电气等多家风电机组制造企业生产此类机型，占据了风电市场份额一半以上的数量。双馈感应发电机定子直接并网的特殊结构，使其对电压畸变相当敏感。当电网发1 内蒙古工业大学硕士学位论文生故障引起电压跌落时，会造成转子过电流，从而导致转子变频器受到严重冲击。而风电场大负荷切除或电压跌落恢复后出现无功过剩而引起电压骤升，同样影响双馈电机正常运行。为解除电网故障工况下对DFIG的影响，故障穿越运行成为亟待解决的关键问题[8]。图1-1直驱/双馈风力发电机组拓扑结构Fig.1-1Topologyofdirect-drive/double-fedwindturbinegenerator1.2双馈风电系统故障穿越研究目前，风电在电网中的比例呈现上升趋势，考虑风电机组能否正常运行是研究问题的关键。风电机组应具备良好的电网故障抵御能力，遇到电网故障，能抑制电网解列、防止故障加剧所导致的系统崩溃、强化电网稳定性，使风电机组能够按照风电并网准则不脱网连续运行，即要求风力发电机组具备一定故障穿越能力。风力发电机组故障穿越能力包括低电压穿越与高电压穿越的能力，然而早期风电不脱网运行技术规范主要考察低电压穿越（LowVoltageRideThrough，LVRT）能力[9]。各国电力公司及电网运营商纷纷都提出了各自的风电并网要求，不同国家有不同的并网准则，美国要求并网点电压跌落85%时风电机组可持续不脱网运行625ms，英国要求并网点电压跌落85%时风电机组持续并网运行140ms[10]。而我国低电压穿越标准如图1-2所示，要求在电压跌落超过额定电压80%情况下，机组允许从电网切出；并网点电压跌落在10%范围内机组可稳定运行[11]。近年来，由于与电压跌落相对应的电压骤升工况也会对风机产生恶劣影响。因此，部分国家对高电压穿越的并网准则给出了明确规定。目前，澳大利亚真正意义上制定出高电压穿越的并网准则[12]，如图1-3所示。要求电网电压骤升至额定电压的1.3倍时，风电机组持续并网运行60ms，电网电压在2 第一章绪论1.1倍额定电压范围内可持续运行。图1-2中国低电压穿越准则Fig.1-2ThestandardoflowvoltageridethroughinChina图1-3澳大利亚高电压穿越标准Fig.1-3ThestandardofhighvoltageridethroughinAustralia针对DFIG风电系统故障研究国内外众多学者给出不少解决方案。总的来说，实现DFIG风电系统故障主要有几种控制方案：分别为限制转子过电流和直流母线过电压、消磁控制思想、机侧与网侧变换器协调控制策略、串联网侧变换器、机端电压支撑。文献[13-16]采用Crowbar电路限制转子过电流以保障双馈风电机组安全稳定，Crowbar电路由开关器件与限流电阻组成，并有被动式与主动式之分。被动式Crowbar电路的开关器件采用半控型晶闸管，如图1-4（a）所示。当转子发生过电流启动Crowbar装置中限流电阻抑制转子浪涌电流，但晶闸管只有在转子电流衰减至零时才能关断，待达到并网要求的情况下重新并网，从而影响在转子电流达到允许阈值范围内封锁晶闸管脉冲信号重启双馈变流器以迅速并网，无法实现低电压穿越。为弥补被动式Crowbar电路的不足之处，主动型Crowbar电路被相继提出，如图1-4(b)所示。此装3 内蒙古工业大学硕士学位论文置是风电市场中通常采用的保护装置。主动式与被动式Crowbar电路主要区别在于开关器件采用全控型器件，可以合理控制开关器件的通断，但Crowbar保护装置的投入时间的选择成为影响DFIG风电机组LVRT的关键问题。在故障电压恢复后，DFIG异步运行，从电网吸收大量无功。为快速恢复电网电压，Crowbar电路应该尽快退出，使双馈电机尽快恢复正常运行状态。文献[17-18]采用斩波器（Chopper）保护装置如图1-4(c)所示，当故障发生瞬间，能量的迅速积累导致直流侧电压被抬升，导通卸荷电路通过电阻消耗多余的能量，使直流母线恒定不变。但需要增加转子变频器的容量以便通过电网故障时的转子过电流。文献[19-20]采用消磁控制策略，故障瞬间定子绕图1-4Crowbar保护电路与直流卸荷电路拓扑结构Fig1-4TopologyofcrowbarprotectioncircuitandDCunloadingcircuit组中会出现磁链直流分量与负序分量，充分利用变流器容量产生抵消定子磁链直流分量、负序分量所需的转子电流，但因双馈风电系统中变流器容量的限制控制效果并不理想。文献[21]通过网侧和机侧变换器协同控制策略实现DFIG风电机组在不平衡电网下不脱网运行。由于不平衡电网条件下网侧和机侧变换器数学模型及控制策略的复杂性而没有被广泛应用。文献[22-24]给出在故障期间通过串联网侧变换器向电网注入恰当的电压，抑制定子磁链直流分量和负序分量，机组实现故障穿越运行。但开关器件较多且体积较大的特点制约了该拓扑结构的发展。机端电压支撑是从根源上解决DFIG受故障影响的最佳方案，不管转子过流、直流母线过电压、磁链出现暂态分量，其根源都是由于故障电压引起的，只要将故障电压完全补偿就解决了上述问题，性能优越、配置灵活的动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer,DVR)的提出得到了广泛关注[25-26]，其拓扑结构如图1-5所示。国内外众多文献对DVR补偿故障电压跌落进行了广泛的研究。文献[27]针对电压跌落时通过DVR对敏感负荷进行补偿的不同方4 第一章绪论法进行分析。文献[28]采用储能型的三单相不间断DVR提升双馈式风电系统柔性故障穿越能力，但当电网电压正常时，储能元件不起作用，且控制相对复杂性。文献[29]采用共用直流母线式三单相DVR补偿电网中发生率最高的单相电压暂降电能质量问题，但由于其每相补偿单元含有H桥，使风电机组体积庞大。因此寻找一种既能缩减变换器的体积又不影响控制性能的拓扑结构是当下乃至未来专家学者所要研究的主要内容之一。图1-5动态电压恢复器原理图Fig1-5Schematicofdynamicvoltagerestorer1.3九开关变换器的发展与应用九开关变换器（NineSwitchConverter，NSC）是经过背靠背式变换器演变而来，拓扑结构如图1-6所示。通过国内外学者的研究发现，可根据合适的控制方式实现与图1-6NSC拓扑结构Fig.1-6Nineswitchconvertertopology背靠背式变换器同样的功能。NSC最早被提出并应用在双电机驱动系统[30]。近年来，NSC取代传统背靠背双PWM变换器为缩减变换器体积提供了技术可能性，一经提出便受到了广泛关注。文献[31-33]采用NSC替代传统DFIG风电系统背靠背式变换器，节省了3个IGBT，如图1-7所示。文献[34]提出一种用于DFIG风电系统的新型九开关统一电能质量调节器抑制DFIG定子磁链瞬态过程，消除电压、电流谐波、电压各种故障对双馈风电系统的影响，可实现多种电压故障工况下的低电压穿越。类似的，文献[35]将NSC替代直驱型风电系统中的背靠背变换器实现并网控制。除在风电系统应用之外，文献[36]将NSC应用在光伏发电系统，实现光伏并网与电压补偿一体化功5 内蒙古工业大学硕士学位论文能。此外，文献[37-38]将NSC用于治理配电网中由非线性负荷所引起得电压与电流畸变，九开关可以实现电压补偿与电流补偿功能。鉴于NSC体积小、安装灵活度高等特点，在电助力船舶[39]、电动汽车[40]等领域也有应用研究。图1-7基于NSC双馈风电机组Fig.1-7Double-fedwindturbinebasedonNSCNSC的特殊结构使其调制方式有别于传统调制方案。为独立控制NSC两组输入/输出，文献[41]采用三角载波、两组加入直流偏置量后的正弦调制参考信号与逻辑运算生成正弦脉宽调制方案。文献[42-43]为提高直流电压利用率采用了空间矢量脉宽调制方案，该方法通过空间旋转矢量的合成方式输出电压相位，更适合用于旋转电机的控制。文献[44]提供了NSC死区解决办法，为NSC的实际应用提供指导。为获取与背靠背变换器同样的独立输入/输出及直流母线电压的合理分配，采用适宜的调制策略成为关键因素。但是，鉴于NSC特殊结构的限制，若要实现与传统背靠背式变换器同样独立的输入/输出，其直流母侧电压会高于背靠背式变换器直流侧电压，这也提高了开关器件的耐压水平。然而将NSC替代传统DFIG风电系统中网侧变换器可以实现并网控制与电压串补一体化功能，从而解决了DFIG风电系统因不能故障穿越而造成机组脱网、资源浪费等现象。同时，由于NSC的体积小，便于安装等特点，研究其替代典型DFIG风电系统网侧变换器有一定的理论指导意义及发展前景。1.4本文主要研究内容本文针对NSC用于传统DFIG风电系统网侧的新型拓扑结构进行理论研究，一方面对NSC的工作状态、数学模型、调制方法进行推导，并在稳态工况下，推导传统DFIG风电系统数学模型及运行方式；另一方面，在电网电压故障工况下，对网侧NSC的控制策略、电压检测方法、直流侧电压分配进行理论分析的基础上，建立了网侧采用NSC的DFIG风电系统仿真模型，通过理论分析和仿真验证对双馈风电系6 第一章绪论统并网控制与故障穿越一体化方案进行可行性研究。本文研究内容具体安排如下：1）通过分析对比NSC与传统背靠背式变流器，选取开关器件较少的NSC作为本文研究对象，从工作状态、数学模型、调制方法等方面深入研究NSC。2）在此基础上，将NSC替代双馈风电系统背靠背型变流器中网侧变流器，形成并网与串补一体化功能的NSC，并针对此拓扑结构的能量流向进行分析，建立传统DFIG风电系统的数学模型及控制策略，通过仿真验证传统DFIG风电系统在稳态状态下整体控制策略的正确性。3）通过对多种电压检测方法的研究，确立NSC中起电压补偿功能的DVR的电压检测方法，确保电压发生不对称跌路时能准确检测出电网电压的幅值与相位。研究DVR补偿策略、DVR和网侧变换器的控制、直流侧电压的分配关系及网侧NSC的调制方式。4）在Matlab/Simulink环境下进行网侧采用NSC的DFIG风电系统仿真模型的搭建及仿真验证，并对仿真结果进行分析，验证该拓扑结构可实现并网控制与电压补偿一体化功能的有效性。7 内蒙古工业大学硕士学位论文第二章九开关变换器数学模型及调制原理分析2.1引言NSC是一种新型变流器，其拓扑结构如图2-1所示，由两个背靠背6开关PWM（PulseWidthModulation）变换器通过复用中间开关管的方式组成。这种特殊的拓扑结构较传统背靠背式变换器缩减了3个开关管，变换器体积减小，安装灵活度高，因而得到广泛的关注。目前关于NSC的研究主要集中在调制方法上，SPWM（SinusoidalPWM）调制方式是应用最常见的方法，并将NSC应用在UPS、DFIG风电系统及统一电能质量调节器（UnifiedPowerQualityConditioner，UPQC）等方面，这些研究结果表明采用适当的调制方式可以实现系统的稳定运行，也为NSC在未来的应用前景中提供理论依据。2.2九开关变换器开关状态及数学模型图2-1背靠背变换器演化拓扑结构Fig2-1EvolutiontopologyofBack-to-BackconverterNSC特殊的结构使其与传统背靠背式变换器在调制方式、驱动逻辑上有所区别。NSC的调制方式是在背靠背式变换器传统的SPWM调制方式的基础之上演变而来的，如图2-1（a）所示背靠背变换器产生两路独立的输入/输出，两组信号之间不存在耦合。为便于分析背靠背变换器与NSC开关状态分别以（A、U）相、A相所在桥臂为例。上侧端口AC1调制参考信号urA，下侧端口AC2调制参考信号urU，三角载波信号Ux。通过对比urA、urU与Ux的大小关系得到A、U点的输出电平状态（当调制信号大于载波信号为高电平），如图2-2所示，与之对应的背靠背式变换器几种开关状态如表2-1所示。表中UA，UU表示背靠背式变换器A相与U相桥臂中A点和U8 第二章九开关变换器数学模型及调制原理分析点电压；Udc为背靠背式变换器直流母线电压；数值1表示开关管处于导通状态，0表示开关管处于关断状态。图2-2传统SPWM调制Fig.2-2TraditionalSPWMmodulation表2-1背靠背式变换器SPWM调制状态Tab.2-1BacktobackconverterSPWMmodulationstate状态G1G’4UAUU调制信号与载波信号关系111UdcUdcurA＞urU＞Ux210Udc0urA＞Ux＞urU30000urU＜urA＜Ux4010UdcurA＜Ux,urU＞UxNSC通过背靠背变换器复用中间开关管的方式演变而来，由于复用开关管的缘故，使得两组输入/输出之间存在耦合关系。若以传统SPWM调制方式推导NSC的开关状态而无其它约束条件，将影响NSC两组信号输入/输出，引起输入/输出信号失真。为探究如何获取两组输入/输出信号高、低电平状态，现对NSC第一桥臂上开关管的开关状态进行详细分析，如图2-3所示。图2-3NSC的开关状态Fig.2-3TheswitchstateofNSC9 内蒙古工业大学硕士学位论文状态1：如(a)图所示，若上、下通道均输出高电平时，G1、G4导通G7关断；状态2：如(b)图所示，若上通道输出高电平，下通道输出低电平时，G1、G7开通G4关断；状态3：如(c)图所示，若上、下通道均输出低电平时，G4、G7开通G1关断；状态4：如(d)图所示，若上通道输出低电平，下通道输出高电平，G1、G4、G7全部关断，属于失真状态，无法输出。由上述分析可知，NSC只有三种有效的开关状态组合，上、下端口输入/输出三种电平状态。由状态1可知，上通道输入/输出为高电平时，需上通道调制参考信号urA大于三角载波信号Ux，下通道输入/输出为高电平时，需下通道调制参考信号urU大于三角载波信号Ux。同理，由状态2、3、4知上、下通道调制参考信号与三角载波信号的关系。因此得到NSC制约关系，即上、下通道调制参考信号之间的关系，必需满足urA>urU。G1、G4、G7的开关状态由上、下通道输入/输出高低电平转化为逻辑值所决定，高电平为1，低电平为0，G1的开关状态与上通道输入/输出逻辑值一致，G7的开关状态与下通道输入/输出逻辑值相反，G4的开关状态则通过G1、G7异或逻辑运算产生。逻辑运算关系为G1XG4XYXY(2-1)GY7NSC的开关状态与约束条件如表2-2所示，表中UA，UU表示NSC第一桥臂中A点和U点电压；Udc为NSC直流母线电压；数值1代表对应开关管处于开通状态，0代表对应开关管处于关断状态。表2-2九开关SPWM调制状态Tab.2-2NineswitchingconverterSPWMmodulationstate开关状态G1G4G7UAUU九开关约束条件1110UdcUdcurA＞urU＞Ux2101Udc0urA＞Ux＞urU301100urU＜urA＜Ux4无效无效无效0UdcurA＜Ux,urU＞Ux为进一步研究传统SPWM调制方式中调制参考信号与载波信号的关系，使九开关变换器SPWM调制方式不出现urA＜Ux，urU＞Ux约束条件，如图2-2所示，在t1~t2，t3~t4背靠背变换器的开关状态为状态4，而NSC的开关状态为无效状态。若消除背靠背变换器的开关状态4即消除NSC所对应的无效状态，应将上通道调制参考信号上移，下通道调制参考信号下移，幅值不能超过载波幅值且满足上通道调制参考信号不低于下通道调制参考信号，采用的方式为在上、下调制参考信号中加入直流量，将状10 第二章九开关变换器数学模型及调制原理分析态4转化为状态2，避免两组输入/输出信号出现失真，九开关SPWM调制方式如图2-4所示。图2-4九开关SPWM调制Fig.2-4NineswitchconverterSPWMmodulation采用PWM控制方式验证SPWM调制方法生成的九开关状态，以(0,1,1)T为例，其表示的含义为G1关断、G4开通、G7开通；同理，第二、三桥臂的开关信号即可得到。在图2-5中前半个周期内，九开关的工作状态①，⑦为此时上、下通道全部关闭；②为此时上通道导通、下通道关闭；⑥为此时下通道导通、上通道关闭；③④⑤为此时上、下通道全部导通。图2-5NSC工作状态Fig.2-5SwitchingstatesforNSC根据上述NSC工作状态分析，获得独立的两组输入/输出，需要精确的数学模型。NSC由三个相互独立的桥臂构成，以G1、G4、G7所在第一桥臂为例进行分析。上、下侧端口调制参考信号分别为urA、urU，三角载波信号Ux幅值为1。其数学表达式为11 内蒙古工业大学硕士学位论文urA(t)UAsin(1t1)(2-2)u(t)Usin(t)rUU22式中，UA为上侧端口调制参考信号幅值且UA≤1；UU为下侧端口调制参考信号幅值且UU≤1；1、2为调制参考信号角频率，在同频模式下，1=2；1、2为上、下端口调制参考信号初相位。为实现输入/输出独立控制，须加入直流偏置量，避免两组调制参考信号出现交叉，即满足urA>urU，得到调制参考信号表达式为urA(t)UAsin(1t1)UDC1(2-3)u(t)Usin(t)UrUU22DC2式中，UDC1=1-UA，UDC2=1-UU。当UA=UU时，由加入直流偏置后的公式（2-3）可知，当1=2时，上、下端口调制深度最大可取UA=UU=1，如图2-6(a)所示。1与2之间的夹角为π，上、下端口调制深度最大为UA=UU=0.5，如图2-6(b)所示。由此可知两组参考信号初相位之间的夹角决定上、下端口调制深度的大小。（a）1-2=0时最大调制深度（b）1-2=π时最大调制深度图2-6九开关SPWM极限调制方式Fig.2-6SPWMlimitschemefornineswitchingconverterNSC直流电压分配如下：UUUdc_AC1Adc(2-4)UUUdc_AC2Udc式中，Udc_AC1为上端口等效直流母线电压；Udc_AC2为下端口等效直流母线电压；Udc为直流侧电压。根据式（2-4）可知直流母线电压利用率与调制深度成反比例关系。为提高直流电压利用率并满足NSC上、下端口直流电压需求，采用极限调制方法，即上端口调制信号加入直流偏置使幅值达到载波顶端，下端口调制信号加入直流偏置使幅值达到底端[18]。该调制方式的优点在于只需保证上、下两路调制信号不交叉即可，而且调制12 第二章九开关变换器数学模型及调制原理分析深度可自由调节。2.3九开关变换器调制原理仿真分析为验证九开关SPWM调制原理的正确性,通过Matlab/Simulink仿真平台搭建NSC调制仿真模型。仿真模型由一个NSC、500V的直流电源、两组相等的三相阻感负载Z=30+j2及相应的九开关控制策略组成，如图2-7所示。九开关SPWM调制方法的有效性为本文接下来的研究工作提供基础及九开关在更多的应用领域提供理论支撑。NSC工作模式分为同频（CF）调制与异（DF）调制两种工作模式，而本文采用的是同频调制，仿真也是建立在同频工作模型下进行的。以下式作为上、下通道调制参考信号的数学模型为例进行仿真验证。urA0.6sin(100t)10.6urB0.6sin(100t2/3)10.6(2-5)u0.6sin(100t2/3)10.6rCurU0.4sin(100t)0.41urV0.4sin(100t2/3)0.41(2-6)u0.4sin(100t2/3)0.41rW以式(2-5)、式(2-6)为调制参考信号的情况下，得到仿真结果如图2-8所示。由图可知上通道的调制比为0.6，下通道的调制比为0.4，在加入直流偏置后两路参考信号无交叉现象；上、下通道流过稳定的正弦电流，且上、下通道的电压信号为阶梯波。由仿真结果表明九开关SPWM调制方式的正确性，能够实现上、下两组交流信号的正确控制。图2-7NSC调制仿真模型Fig.2-7SimulationmodelofNSCmodulation13 内蒙古工业大学硕士学位论文图2-8九开关SPWM调制方式下的仿真波形Fig.2-8Simulationwaveformsofnine-switchconverterSPWMmodulation2.4本章小结本章详细分析了背靠背变换器与NSC第一桥臂的开关状态，通过PWM调制方式推导出NSC在一个周期的前半个周期内的工作状态。根据NSC开关状态的特点找出NSC的自身限制条件，需满足上通道调制参考信号不低于下通道调制参考信号，得出精准的数学模型。并通过仿真验证了在同频模型下九开关SPWM调制方式的有效性。14 第三章系统运行理论及稳态控制分析第三章系统运行理论及传统双馈风电系统稳态控制3.1引言本文主要研究内容是将NSC替代传统DFIG风电系统背靠背变换器中网侧变换器，拓扑结构如图3-1所示，基于DFIG风电系统网侧NSC系统运行理论的分析直接影响本文后续工作的进行，传统DFIG风电系统稳态控制是系统能够在理想电网条件下实现可靠并网运行的关键研究工作。本章研究内容首先从拓扑结构本身出发并分析此拓扑结构运行机理，再建立在理想电网电压工况下传统DFIG风电系统的数学模型进而实现系统运行控制，最后通过仿真验证传统DFIG风电系统处于稳态时能安全稳定运行。3.2系统拓扑结构设计图3-1用于双馈风电系网侧NSC拓扑结构图Fig.3-1TopologyofgridsideNSCbasedondoublyfedwindpowersystem典型的变速恒频DFIG风力发电系统，其结构由截获流动空气所携带的一部分动能转化为机械能为双馈电机提供机械转矩的风力机、多级齿轮箱、具有定、转子两套绕组且均接在690V交流电的DFIG、背靠背变换器、连接背靠背变换器的直流母线环节、一台Ynd11箱式变压器及35kV汇流母线构成。此拓扑结构只能实现变速恒频并网运行控制，对电网电压发生跌落/骤升时，为维持能量守恒原则，通过网侧变换器吸收双馈电机发出的功率，能量累积在直流母线上，当直流母线上的能量超过其所能承受的阈值直流侧电压将被抬升，进一步影响转子电流的变化，最终使系统处于不稳定运行状态。为解决故障电压工况下，系统可以实现故障穿越运行，本文提出了基于DFIG风电系统网侧NSC的新型拓扑结构，如图3-1所示。动态电压恢复器是解决电压质量问题最直接有效的方式，不同类型的DVR已在15 内蒙古工业大学硕士学位论文双馈风电系统中得到应用。受到NSC近年来在双馈风电系统及统一电能质量调节器领域方面研究与应用的启发，将NSC与动态电压恢复器移植到双馈风电系统中成为所要研究的主要内容，因此采用将NSC应用在双馈风电系统网侧，实现电压补偿与并网运行控制。NSC可以等效成串联补偿单元与并网控制单元，致使串联补偿单元为三相桥式DVR。由于三相桥式DVR交流侧三相输出电压之间相互关联且无法输出零序电压，因此主要应用在三相三线制系统。以下是对基于DFIG风电系统网侧NSC的新型拓扑结构相关元件的介绍。1）本文设计的网侧九开关型双馈风电系统采用“左并右串”结构，即DVR串联接入电网侧，补偿故障电压使DFIG端电压恢复正常的同时，为网侧采用定子电压定向矢量控制提供可靠的电压；网侧变换器并联接入DFIG侧，控制直流母线电压与输入功率因数，设备安装在原网侧变换器位置。2）本文采用串联变压器将逆变器输出的电压经过LC滤波器经过电压变换输入到电网，同时起到电气隔离的作用。串联变压器变比的选取影响系统电压、电流的变化。假设连接双馈电机馈电线路侧为一次侧，NSC等效DVR侧为二次侧，变比为1：n。若n小于1，变压器为降压变压器，串联补偿部分流过的电流相应增大n倍，这将对NSC的耐流水平提出挑战；若n大于1，串联补偿侧的交流电压增加n倍，将会增大对直流母线的耐压要求；经过综合考虑，变压器变比n取1。旁路开关当电网电压正常时处于闭合状态，将串联变压器短路，起到减少串联变压器串入电路的时间，减少变压器损耗，延长使用寿命。3）连接变换器之间的直流侧电容，有一定储存能量的能力。电网电压发生轻度对称及严重不对称跌落时，通过直流母线电压控制稳定的输出功率脉冲幅值；电网电压发生严重对称跌落时，直流母线容量超出阈值，多余那部分能量将流过并联在直流母线一侧的卸荷电路经卸荷电阻消耗，保持直流侧电压稳定。3.3系统能量流动分析双馈式风电机组为实现其变速恒频发电，在不同风况下、发电机转速相应变化时，应控制转子侧变流器调节双馈电机励磁电流，满足DFIG柔性并网的要求。当电网电压不平衡时，将直接影响DFIG端电压造成定子、转子过电流，若不及时采取措施，系统将解列。本文提出的网侧NSC实现串补与并网一体化方案，可以从根本上解除电网发生故障对DFIG风电系统的影响。即当电网电压跌落/骤升时，通过NSC等效的串联补偿单元将故障电压补偿为跌落前电压，DFIG未受到影响且输出功率与跌落前一致。因此，研究整套系统拓扑结构能量流动的特点，为功率平衡关系及如何实现串补与并网一体化方案提供理论依据。针对不同电网工况作如下分析16 第三章系统运行理论及稳态控制分析不同电网工况下，网侧NSC实现DFIG风电系统串补及并网控制有4种工作模式如下：a）当电网电压正常时，需要补偿的电压为零，因此串联补偿单元关闭。NSC仅等效为网侧变换器，系统处于超同步速并网运行。DFIG风电系统工作在额定状态，并网点功率等于定、转子输出功率之和，如图3-2（a）所示。b）当电网电压轻度及严重不对称跌落时，启动网侧NSC，等效DVR补偿故障电压的同时，吸收DFIG定子侧发出功率与按定子额定电流并网功率的差值，储存在直流侧，功率的累积造成直流侧电压升高，为避免影响系统稳定运行，多余的能量由网侧变换器送到电网，最终并网点的功率达到额定功率，如图3-2（b）所示。c）当电网电压严重对称跌落时，NSC等效DVR吸收DFIG定子侧发出功率与按定子额定电流并网功率的差值，储存于直流侧，功率在直流侧累积并造成直流电压迅速抬升，功率过高使直流母线电压不能得到有效控制，为快速降低直流母线电压，需快速释放多余的能量，本文采用直流卸荷电路通过卸荷电阻消耗直流侧多余的能量，并网点处功率在故障期间小于额定功率，如图3-2（c）所示。d）当电网电压骤升时，按定子侧额定电流并网，并网点功率高于额定功率。为使并网点功率达到额定值，NSC等效DVR在补偿故障电压，而NSC等效网侧变换器吸收按定子额定电流并网功率与DFIG定子侧发出功率的差值，补偿直流侧的能量消耗，最终并网点处功率恢复到额定功率，如图3-2（d）所示。图3-2双馈风电系统中网侧NSC在不同电压工况下能量流向Fig.3-2EnergyflowofgridsideNSCbasedonDFIGwindpowersystemindifferentvoltageconditions17 内蒙古工业大学硕士学位论文3.4传统双馈风电系统稳态控制传统DFIG风电系统稳态控制即电网电压在理想条件下DFIG风电系统的运行控制，稳定的DFIG风电系统控制方案为后续基于双馈风电系统网侧NSC实现故障穿越提供可靠保障。因此研究网侧变换器（GridSideConverter,GSC）与机侧变换器（RotorSideConverter,RSC）的控制策略[45]，并对DFIG风电系统在稳态状态下控制策略的正确性进行仿真验证。3.4.1网侧变换器矢量控制图3-3网侧变换器系统Fig.3-3Gridsideconvertersystem网侧变换器控制的基础需要精准的数学模型，GSC的作用是维持直流电压稳定以及获得良好的功率因数。为详细推导网侧PWM变换器数学模型，GSC系统如图3-3所示。图中，ugk(k=a,b,c)为电网相电压，Rgk(k=a,b,c)为每相线路电阻，Lgk(k=a,b,c)为GSC进线电抗器电感,vgk(k=a,b,c)分别为GSC交流侧相电压，igk(k=a,b,c)为电网输入相电流，Udc为直流母线电压。功率器件Gx(x=1,4)所在为a相桥臂，同理，功率器件Gx(x=2,5)、Gx(x=3,6)所在分别为b、c相桥臂。假设图3-3中开关管为理想器件，在三相静止坐标系下GSC的数学模型为[45]：digadigbuiRLSUuiRLSUgagagagagadcgbgbgbgbgbdcdtdtdigbdigcugbigbRgbLgbSgbUdcugcigcRgcLgcSgcUdc(3-1)dtdtdUdcCSiSiSigagagbgbgcgcdt式中，Sgk(k=a,b,c)GSC各相桥臂开关函数，定义功率器件Gx(x=1,2,3)导通时Sgk(k=a,b,c)=1，功率器件Gx(x=4,5,6)导通时Sgk(k=a,b,c)=0。由于GSC采用无中线接线方式，根据基尔霍夫电流定律可知电网侧三相电流之和始终为零，公式如下：iii0(3-2)gagbgc18 第三章系统运行理论及稳态控制分析将式（3-2）代入式（3-1）可得digaugaugbugcSgaSgbSgcLuiR[S]Ugagagagagadcdt33digbugaugbugcSgaSgbSgcLuiR[S]Ugbgbgbgbgbdcdt33(3-3)diuuuSSSgcgagbgcgagbgcLuiR[S]Ugcdtgcgcgc3gc3dcdUCdcSiSiSidtgagagbgbgcgcGSC交流侧线电压与各桥臂开关函数Sgk(k=a,b,c)、直流侧电压之间的关系如下：v(SS)Ugabgagbdcvgbc(SgbSgc)Udc(3-4)vgac(SgaSgc)Udc由线电压与相电压之间的关系得到下式SgaSgbSgcv[S()]Ugagadc3SgaSgbSgcvgb[Sgb()]Udc(3-5)3SSSgagbgcvgc[Sgc()]Udc3将式（3-5）代入式（3-3）可得digaugaugbugcLuiRvgagagagagadt3digbugaugbugcLuiRvgbgbgbgbgbdt3(3-6)diuuugcgagbgcLuiRvgcdtgcgcgc3gcdUCdcSiSiSidtgagagbgbgcgc式（3-6）实质上是在三相静止坐标系下的数学模型，而GSC控制策略采用矢量控制技术，因此应对上式进行坐标变换，在幅值守恒原则条件下推导坐标变换关系至关重要，式（3-7）为三相静止abc坐标系转换到两相静止αβ坐标系的变换矩阵111222C(3-7)3s/2s333022两相静止αβ坐标系变换到三相静止坐标系的变换矩阵是式（3-7）的逆矩阵19 内蒙古工业大学硕士学位论文10113CC(3-8)2s/3s3s/2s221322两相静止αβ坐标系到两相同步旋转dq坐标系的变换矩阵为C2s/2r，两相同步旋转dq坐标系到两相静止αβ坐标系的变换矩阵为C2r/2scossinC(3-9)2s/2rsincos1cossinCC(3-10)2r/2s2s/2rsincos式中，θ是d轴与α轴之间的夹角，θ=ωt+θ0，θ0为d轴与α轴之间的初始相位角，ω为同步电角速度。由式(3-7)、式(3-8)、式(3-9)、式(3-10)之间进行矩阵运算可得三相静止坐标系到两相旋转dq坐标系之间的变换矩阵与两相旋转dq坐标系到三相静止坐标系之间的变换矩阵如式(3-11)、式(3-12)。οο2coscos(120)cos(120)C3s/2rC2s/2rC3s/2sοο(3-11)3sinsin(120)sin(120)cossinοοCCCcos(120)sin(120)(3-12)2r/3s2s/3s2r/2scos(120ο)sin(120ο)对于GSC主电路中，进线电抗器电感、每相线路电阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg,Rga=Rgb=Rgc=Rg。在理想电压工况下，采用基于d轴电网电压定向矢量控制技术,即将电网电压合成矢量定于d轴上，有ugd=Ug,ugq=0，利用式（3-11）将式（3-6）变换到两相旋转坐标系下，表达式如下：digdvRiLLiUgdggdg1ggqgdtdigqvgqRgigqLg1Lgigd(3-13)dtdU3dcC(SiSi)dgdqgqdt2式中，vgd、vgq分别为GSC交流侧电压矢量在同步旋转dq坐标系下的电压分量；igd、igq分别为电网输入相电流矢量在两相同步旋转dq坐标系下的电流分量；20 第三章系统运行理论及稳态控制分析Sd、Sq各桥臂开关函数在两相同步旋转dq坐标系下的分量。为更直观地理解式（3-13），将其转化为示意图3-4进行分析。其中d()/dt用微分算子s表示。由图可知GSC交流侧电流在两相同步旋转dq坐标系下的分量之间存在耦合现象。若要能够实现GSC交流侧dq电流的解耦控制，为此分别设计电网电流控制器与直流电压控制器。图3-4GSC数学模型示意图Fig.3-4GSCmathematicalmodeldiagram将式（3-14）设计为电流控制器*didi'gdgd**vgdLgLgkigp(igdigd)kigi(igdigd)dtdtdt(3-14)*'digqdigq**vLLk(ii)k(ii)dtgqgdtgdtigpgqgqigigqgq其中，i**gd、igq为GSC交流侧电流dq轴分量的参考值，kigp、kigi分别为电流控制器比例、积分系数。图3-5网侧变换器d、q解耦控制框图Fig.3-5Gridsideconverterd、qdecouplingcontrolblockdiagram21 内蒙古工业大学硕士学位论文根据式（3-14）同样可将(3-15)设计设计为直流环节电压控制器dUdciC(3-15)dcdt同时，引入电流状态反馈量与电网电压前馈补偿量，得到d、q轴电流解耦控制框图，如图3-5所示。3.4.2转子侧变换器矢量控制转子侧变换器与DFIG直接相连，如图3-6所示，致使RSC的控制直接影响DFIG风电系统的稳定性。寻找一种能够使DFIG风电系统实现最大风能追踪与电网良好运行的RSC控制策略至关重要，RSC的控制是对转子电流d、q轴分量的有效控制，从而实现了对DFIG有功和无功功率的控制。由于RSC控制策略要以精确的数学模型为重要基础且DFIG是被控对象，因此精确的双馈电机的数学模型是关键。在三相静止坐标系中，高阶、非线性、强耦合是双馈电机数学模型的显著特点，若要解决DFIG复杂的数学模型。最常见的方法是进行坐标变换，将DFIG的数学模型变换到dq坐标系中，得到DFIG在d、q轴上的电压方程、磁链方程、转矩方程[46]，为进行定子电压定向矢量控制技术提供前提条件，得到变换后的DFIG数学模型如下：图3-6转子侧变换器系统Fig.3-6Rotor-sideconvertersystem电压方程:usdRsisdpsdsquRipsqssqsqsd(3-16)uRip()rdrrdrdrrquRip()rqrrqrqrrd磁链方程：sdLsisdLmirdLiLisqssqmrq(3-17)LiLirdmsdrrdLiLirqmsqrrq22 第三章系统运行理论及稳态控制分析转矩方程:TnL(iiii)(3-18)epmsqrdsdrq运动方程：JdDKrTT(3-19)eLrrndtnnppp式中，usd、usq、urd、urq分别为定、转子电压矢量在同步旋转坐标系下的分量；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别为定、转子磁链矢量在同步旋转坐标系下的分量；isd、isq、ird、irq分别为定、转子电流矢量d、q轴分量；Lm为定、转子之间互感；Ls、Lr分别为d、q坐标系中定、转子等效绕组自感；Te为发电机电磁转矩；TL为风力机输出的机械转矩；J为转动惯量；np为DFIG的极对数；K为扭转弹簧转矩系数；D为与转速成正比的阻尼系数；θr为转子位置角；ωr为转子旋转角速度。根据式（3-17）中定子磁链方程，令Ims=imsd+jimsq，可得sdLsiiimsdsdrdLmLm(3-20)sqLsiiimsqsqrqLLmm由式（3-20）可得式（3-21）、式（3-22）Lmi(ii)sdmsdrdLs(3-21)Lim(ii)sqmsqrqLs2LmiLirdmsdrrdLs(3-22)2LmiLirqmsqrrqLs2Lm其中，1代表发电机漏磁系数。LLrs将式(3-17)、式(3-21)、式(3-22)代入式(3-16)，可得2diLdirdmmsdURiL()rdrrdrrrqdtLsdt(3-23)di2dirqLmmsqURiL()rqrrqrrrddtLdts本文在理想电网条件下推导数学模型，因此电网电压即定子电压的幅值、频率和相位可认为是不变的，电网电压矢量在d、q轴分量是恒定的直流，且定子磁链矢量恒定，则dI/dt0。式(3-24)蜕化为下式ms23 内蒙古工业大学硕士学位论文dirdURiL()rdrrdrrrqdt(3-24)dirqURiL()rqrrqrdtrrd根据式(3-24)可以看出转子电压、电流之间的关系，效仿网侧变换器的控制策略dIr的方法，将RIL设计为电流内环控制器，()ψ用来设计消除交叉耦合。rrrrrdtDFIG矢量控制方法有很多，但在变速恒频风力发电系统中应用最常见的是定子磁链定向与定子电压定向矢量控制，基于d轴定子电压定向矢量控制是本文所采取的的方案。由式(3-16)可知，在忽略Rs且uU的情况下，有如下关系式sdsusdUssqu0sqsd0(3-25)sdUssq由式(3-25)推导出isd、isq的关系式如下LmiisdrdLs(3-26)LUimissqrqLLss根据式(3-20)、式(3-22)、式(3-26)可得LirdrrdLm(3-27)LirqrrqLs将式(3-27)代入到式(3-24)，得diLrdmuRiLLirdrrdrsliprrqdt1Ls(3-28)dirquRiLLirqrrqrsliprrddt由式(3-28)可以看出RSC控制是采用转子电流单闭环控制，为使变速恒频风力发电系统实现最大风能追踪，在电流内环控制策略上加入功率外环控制，因此功率外环参考值的确定是能否实现最大风能追踪的关键。DFIG定子输出有功功率参考值为[45]*P*ePP(3-29)scus1s根据定子电压定向矢量控制，DFIG定子发出有功功率实际值为24 第三章系统运行理论及稳态控制分析3PUi(3-30)sssd2DFIG定子发出无功功率实际值为3QUi(3-31)sssq2根据式(3-28)、(3-29)、(3-30)、(3-31)可以得到电流内环、功率外环控制策略，可以实现转子侧电流矢量在d、q轴分量的解耦控制与最大风能追踪控制，控制框图如图3-7所示。图3-7实现最大风能追踪的机侧变换器控制框图Fig.3-7ControldiagramofRotorSideConverterformaximumwindenergytracking3.5系统仿真分析根据上述对网侧变换器与转子侧变换器数学模型的推导，得出GSC与RSC的控表3-1DFIG风电系统仿真参数Tab.3-1DFIGWindPowerSystemSimulationParameters名称参数电网电压690V额定风速12m/s基频50Hz极对数2定子电感0.102pu转自电感0.31pu转子电阻0.0321pu定子电阻0.0508pu互感6.362pu25 内蒙古工业大学硕士学位论文制策略。由于只有在电网电压正常工况下，DFIG风电系统稳定运行，才能为下文当电网电压处于故障状态下进行串联电压补偿提供保障。因此为验证GSC与RSC的控制策略的正确性与有效性，在Matlab/Simulink平台下搭建DFIG风电系统仿真模型，并搭建用于实现变速恒的风速模型，整体仿真模型如图3-8所示，其中DFIG风电系统仿真参数如表3-1所示。26 第三章系统运行理论及稳态控制分析图3-8DFIG风电系统仿真模型Fig.3-8Variablespeedconstantfrequencywindturbinesimulationmodel27 内蒙古工业大学硕士学位论文图3-9变速恒频风电机组仿真波形Fig.3-9Variablespeedconstantfrequencywindturbinesimulationwaveform在理想电网条件下，通过斜坡函数的叠加得到风速Ws，在1~2s时风速为8m/s，其余时间处于12m/s；电网相电压幅值Ugma为563.3V；由于风速的变化定子电流Isabc发生相应变化；在风速突变时，转子电流Irabc因DFIG运行状态发生转变，其幅值、频率及相序均发生变化；电磁转矩Te跟随风速变化；由转子侧有功功率Protor可以看28 第三章系统运行理论及稳态控制分析出在1~2s期间内，机组工作于于亚同步状态，其余时间内，机组工作于超同步状态；风电机组输送到电网的功率如图3-9中Pdfig、Qdfig；直流母线电压Udc基本稳定在1200V，DFIG运行状态发生转变时直流电压发生微小波动。仿真结果表明GSC与RSC控制策略的有效性，DFIG风电系统能够实现变速恒频发电。3.6本章小结本章首先对系统拓扑结构元件的构成、NSC接入系统的方式、注入变压器变比的选择及解决严重对称故障时直流母线电压升高的办法进行了详细分析。其次，针对电网处于四种工况下系统能量流向进行分析。最后，传统DFIG风电系统处于稳态状态即理想电网条件下，对网侧变换器与机侧变换器进行数学建模并根据数学模型设计其控制策略，通过仿真验证了DFIG风电系统处于理想电网条件下能够稳定运行。为后续基于双馈风电系统网侧NSC的研究，能够解决电网故障对系统的影响提供重要的理论指导。29 内蒙古工业大学硕士学位论文第四章网侧九开关变换器提升FFRT能力的控制方法4.1引言在上一章对系统稳态分析基础之上，为解决故障工况下系统能够维持稳定运行，本章将对系统中网侧NSC控制策略进行研究分析。网侧NSC其中含并网单元和串联电压补偿单元，并网单元通过并联方式接入电网，串联补偿单元通过串联方式接入电网。并网单元通过传统网侧变换器控制策略进行控制，串联补偿单元以补偿故障电压为目标，本文串联补偿单元采用DVR进行电压补偿。本章首先选取精准的电压检测方法，研究DVR的补偿策略。其次，结合第二章对NSC工作状态、数学模型的研究基础之上，对网侧NSC进行数学建模并设计其控制策略。最后，通过合理调制方式设计网侧NSC的控制策略。本章系统控制策略将在后续章节通过仿真进行验证。4.2电压检测方法电压检测方法的目标是实时、准确的检测故障电压。目前，电压检测法包括有效值法、傅里叶变换法、小波变换法及缺损电压法[47]。由于有效值法无法检测出相位跳变与电压跌落起止时刻；傅里叶变换法实时性很差因此无法检测出相位跳变；小波变换法是在傅立叶变换法基础之上演化而来，而目前小波母函数的选取仍没有基础的理论依据；因此，上述三种电压检测方法没有得到广泛应用。缺损电压检测方法是计算参考电压与实际电压差值得到所需补偿的电压，与DVR完全补偿策略相吻合，而完全补偿法是应对敏感负荷电压跌落最常见的方法，本文采用的是DFIG风电系统属于敏感负荷，因此缺损电压检测法是解决本文系统故障电压检测的最佳方案。若要得到缺损电压检测法中参考电压需精准的检测到故障电压正序分量的相位，锁相技术是电压检测方法的重要前提。4.2.1锁相环技术相位检测又称锁相环技术(Phase-LockedLoop，PLL)，PLL是获得准确的电网电压相位信号，保证动态电压恢复器稳定工作的前提条件。目前锁相环技术有三相锁相环与单相锁相环，分别用于三相DVR与单相DVR系统。本文所采用三相锁相环，最常见的三相锁相环技术有：低通滤波器开环锁相法、单同步坐标系锁相环、解耦双同步坐标系锁相环[48]。1）低通滤波器开环锁相法低通滤波器(LowPassFilter，LPF)锁相法，通过Clark变换将三相静止坐标系下30 第四章系统故障穿越控制分析的电网电压变换到αβ静止坐标系中。经过低通滤波器滤除电网电压中谐波分量，利用数学公式计算出相位正、余弦值，R(θ)矩阵用来对滤波环节所造成的相位滞后进行校正，输出期望的相位正、余弦值，原理图如4-1所示。但由于该方法中涉及低通滤波器截止频率的选取，因此需要在选择截止频率时应考虑系统的动态响应和鲁棒性。该方法只能在理想电网电压及三相故障工况下能够准确检测相位，当电网发生故障率最高的单相接地故障时，由于低通滤波器开环锁相无抑制负序分量的能力，而不能准确检测，因此制约其发展与应用。图4-1LPF开环锁相原理图Fig.4-1Low-passfilteropen-loopphaselockedschematic2）单同步坐标系锁相环单同步坐标系锁相环即软件锁相环(Softwarephaselockedloop，SPLL)，是在开环锁相技术基础之上发展起来的，其控制通过闭环控制实现锁相，有良好的跟踪性能。单同步坐标系锁相环实现的原理是将电网电压通过Park变换转换为在dq轴上的两个直流分量，通过q轴分量与设定参考值0作差通过PI调节器可以实现无静差调节，PI控制器输出值与电网额定角频率相加经过积分环节得到期望相位角，将得到的相位角带入坐标变换公式从而形成闭环控制，如图4-2所示。该方法本质上仅对正序分量进行控制，对负序分量没有独立的控制措施。当电网发生不对称故障时，只有正序分量的q轴分量为0，而负序分量在q轴上的分量为二倍频，因此锁相出现振荡。限制了该方法在故障电压检测上的应用，但由于其无滤波环节动态响应迅速的特点，使其在以提供理想电压为基础的电路中得到广泛应用。图4-2SPLL原理图Fig.4-2SPLLschematicdiagram3）解耦双同步坐标系锁相环为找寻一种可以在电网发生不对称故障时能够准确检测出故障电压相位角的锁相技术，是解决本文中动态电压恢复器实现精准电压补偿的关键目标。通过研究SPLL方法，从抑制负序分量本质出发，本文采用一种解耦双同步坐标系锁相环DDSRF-PLL31 内蒙古工业大学硕士学位论文(DecoupledDoubleSynchronousReferenceFramePLL)[49-50]。通过数学模型关系运算消除二倍频分量，可以获取准确的相位信息。DDSRF包括一个正向旋转坐标系dq+，一个反向旋转坐标系dq-。其旋转方向以逆时针旋转为正方向，角速度为ω，正向旋转坐标系d+轴与α轴夹角为θ’，反向旋转－坐标系d轴与α轴夹角为－θ’，电压矢量U与α轴夹角为θ，如图4-3所示。图4-3DDSRF示意图Fig.4-3SchematicdiagramofDDSRF+－在αβ坐标系中，假设电压矢量U可分解为正序矢量U与负序矢量U,且初始相位角分别为φ+与φ-，U表示为：UUUUU(4-1)cosωtcos-ωtUUsinωtsin-ωt+－电压矢量Uαβ分别通过dq和dq轴坐标系坐标变换得到正序电压矢量U和负序dq电压矢量U。dqUU''dαcossinUdqTdq.''UαβUqUβ-sincos''cossincos(t)''U-sincossin(t)(4-2)''cossincos(t)''U-sincossin(t)''cos(t)cos(t)UU''sin(t)sin(t)'当稳态时t，有32 第四章系统故障穿越控制分析'cos()cos(2)UdqU'Usin()sin(2)(4-3)''cos()cos(2)sin(2)UUcos()Usin()''sin()sin(2)cos(2)同理计算得：'cos()cos(2)UdqU'Usin()sin(2)(4-4)''cos()cos(2)sin(2)UUcos()Usin()''sin()sin(2)cos(2)由式(4-3)、(4-4)可以看出，正序分量中存在二倍频的交流负序分量、负序分量中存在二倍频的交流正序分量。为解除这种耦合关系，将式(4-3)、式(4-4)通过移项得到下式''cos()cos(2)sin(2)UUdqUcos()'Usin()'(4-5)sin()sin(2)cos(2)同理可得''cos()cos(2)sin(2)UUdqUcos()'Usin()'(4-6)sin()sin(2)cos(2)通过式(4-5)、式(4-6)可以看出，将式(4-5)所得的直流分量经过数学关系运算反馈给式(4-4)便可滤除负序分量中的二倍频分量，得到所要的直流分量。同理，式(4-6)所得的直流分量经过数学关系运算反馈给式(4-3)便可滤除正序分量中的二倍频分量。图4-4DDSRF-PLL原理图Fig.4-4DDSRF-PLLschematicdiagram由于电网电压中存在谐波干扰，因此在直流分量处加入低通滤波提升抗干扰的能力，33 内蒙古工业大学硕士学位论文输出稳定的直流分量，接下来便可按SPLL进行锁相设计，DDSRF-PLL原理如图4-4所示。低通滤波器的加入使系统的动态响应速度受到略微影响，但综合多方面因素考虑该方法是目前性能最优异的锁相技术。为验证DDSRF-PLL锁相性能，通过仿真模拟电网电压在0.1~0.3s期间内电压对称跌落30%，在0.4~0.6s内电压不对称跌落30%，相位及幅值变化由图4-5可见。在相位方面的变化：在0.1~0.3s期间LPF开环锁相、SPLL、DDSRF-PLL均实现精准锁相，在0.4~0.6s期间LPF开环锁相、SPLL均发生相位振荡，而DDSRF-PLL实现了精准锁相。在幅值方面的变化：LPF开环锁相存在低通滤波使动态响应略有影响，SPLL由于无低通滤波环节因此动态响应迅速无延时。但LPF开环锁相、SPLL在电网发生不对称故障期间，幅值出现二倍频分量。DDSRF-PLL加入低通滤波而出现5~10ms的动态延时，但可以抑制负序分量。仿真佐证了上述理论研究的准确性。(a)电网电压(b)LPF锁相法相位变化图(c)SPLL相位变化图(d)DDSRF-PLL相位变化图(e)LPF锁相法幅值变化图34 第四章系统故障穿越控制分析(f)SPLL幅值变化图(g)DDSRF-PLL幅值变化图图4-5三种锁相环的性能比较Fig.4-5Comparisonofperformancebetweenthreephaselockloops4.3DVR补偿策略目前，DVR最常见的补偿策略有：同相位补偿法、最小能量补偿法及完全补偿法，三种补偿策略的示意图如图4-6所示。图中Ugref为参考电网电压，Ug为实际电压，Udvr为补偿电压，IL为负载电流。图4-6三种补偿策略示意图Fig.4-6Schematicofthreecompensationstrategies同相位补偿法的原理是补偿电压的相位与跌落后的电压相位一致，仅对幅值进行补偿。最小能量补偿法基于能量最小化原理，即实现同样的电压补偿消耗的有功功率最少。完全补偿法的原理实现幅值及相位的全补偿，使补偿后的电压与故障前电压完全一致，适用于敏感负荷，本文采用的补偿策略即为完全补偿法。4.4网侧九开关变换器控制方法本节主要针对网侧NSC电压补偿侧进行分析，并对其电路进行数学建模，进而得出电压补偿单元的控制方案。若对系统直接列写方程，方程的维度高求解困难。为简化分析，由第三章等效GSC的分析方法得到NSC等效DVR，即NSC下通道中开关管G7、G8、G9恒导通，等效DVR相当于三相全桥电压源型逆变器。又知系统采用三相三线制接线，中性点不发生偏移，各相之间相互独立。因此以A相为例对系35 内蒙古工业大学硕士学位论文统进行分析，计算量相应减少。4.4.1网侧九开关变换器电压补偿侧控制策略将网侧NSC简化为等效DVR后，三相桥式DVR双馈风电系统拓扑结构如图4-7所示。按照图中标注，以A相为例进行分析。在第三章已详细介绍注入变压器变比的取值n=1；usa、isa为定子侧A相电压与电流；uLfa、iLfa为A相滤波电感上的电压与电流；uCfa、iCfa为A相滤波电容上的电压与电流；ua为三相桥式DVR交流侧A相输出基波电压；upcca为A相并网点电压；isa'为A相注入变压器副边电流且有isa=isa'。假设滤波电抗电流初始值为零，滤波电容电压初始值为零的情况下，三相桥式DVR双馈风电机组运算电路如图4-8所示。为让运算电路能够通用将令k=a，其中k=a,b,c。根据基尔霍夫定律列写电路方程，得三相桥式DVR数学模型。图4-7网侧NSC电压补偿侧简化电路图Fig.4-7VoltagecompensationsideofgridNSCsimplifiedcircuitdiagram图4-8DVR运算电路Fig.4-8TheoperationcircuitofDVRunu(s)sLi(s)kCfkfLfknuCfk(s)usk(s)upcck(s)ka,b,c(4-7)1nu(s)i(s)CfkCfksCfk36 第四章系统故障穿越控制分析根据数学公式(4-7)可推出网侧NSC电压补偿单元模型。然而DVR控制策略的选取决定了风电系统电能质量的优劣，将网侧NSC等效成三相桥式DVR，其控制策略可通过传统的DVR进行分析。传统DVR的控制有前馈控制、负反馈控制及复合控制策略。前馈控制虽然控制简单、补偿迅速，但由于DVR逆变器输出交流信号时需通过LC滤波电路，交流信号在相位与幅值上会产生一定的偏差，使得补偿后的电压未能达到补偿前的电压，从而影响系统的稳定性。负反馈控制具有良好的跟随性能，且可抑制滤波参数对补偿电压的影响。因此本文采取复合控制策略。通过DDSRF-PLL技术提取出基波电压u**sabc作为参考电压构成电压外环负反馈，通过基波电压usabc同电网实际电压的差值作为比例谐振控制器的输出前馈控制，提高了系统的动态稳定性。网侧NSC等效DVR控制框图如图4-9所示。图4-9网侧NSC等效DVR控制框图Fig.4-9controlblockofgridSideNSCequivalentDVR4.4.2网侧九开关变换器并网侧控制策略网侧NSC并网单元即等效GSC是控制直流母线电压稳定并为等效DVR电路吸收/释放能量提供通路。在上章中已对理想电网条件下的等效GSC进行详细的数学建模与控制策略分析。若要实现等效GSC的稳定控制，需要使电网电压稳定不变。又网侧NSC电压补偿单元可以实现对故障电网电压的补偿，维持电网电压恒定不变。因此，网侧NSC等效GSC的控制可以按理想电网条件下进行控制，由于定子电压等于电网电压，而采用定子电压定向矢量控制技术。4.4.3网侧九开关变换器控制策略由上述DVR与GSC控制策略得到网侧NSC交流侧电压ugk、udvrk，得到两组交流参考信号u(t)Msin(t)gk11kka,b,c(4-8)u(t)Msin(t)dvrk22k加入直流偏置37 内蒙古工业大学硕士学位论文N1M11(4-9)NM122可得u(t)Msin(t)Ngk11k1(4-10)u(t)Msin(t)Ndvrk22k2根据上述GSC与DVR控制策略的分析推导得到网侧NSC的控制策略如图4-10所示。图4-10网侧NSC控制框图Fig.4-10ControldiagramofgridsideNSC4.4.4网侧九开关变换器直流母线电压的分配网侧NSC直流侧电压与等效GSC和DVR所需直流侧电压直接相关。GSC直流侧所需电压可通过上章稳态状态下的数学模型推导获得。DVR所需要的直流侧电压取决于逆变器交流侧基波电压。DVR相当于全桥式电压源型逆变器(VoltageSourceInverter，VSI)，建立直流侧电压与逆变器输出基波电压之间的关系是解决问题的关键所在。由第二章式(2-4)可知NSC直流侧电压的分配与参考信号调制深度相关。通过第三章GSC在稳定状态下的数学模型，在忽略电阻Rg，工作在单位功率因数时，等效直流侧电压为22(ULi)(Li)s1ggq1ggdU(4-11)dc_GSC22SSdq式中，Sd、Sq分别为开关函数的d、q分量。根据空间矢量调制原理，如果不作过调制，则由幅值守恒原则变换有[45]221SS≤(4-12)dq338 第四章系统故障穿越控制分析于是得到22U≥3(ULi)(Li)(4-13)dc_GSCs1ggq1ggd由式(4-13)可知负载越重所需直流侧电压越大，当空载时直流侧最小电压是电网线电压幅值的根号3倍，留有一定裕量，则直流母线最小电压取1200V[45]。等效三相DVR采用双极性SPWM调制方法，由于载波频率fc远远高于逆变器输出基波频率f1，可通过平均值模型法建立输出电压与直流电压的函数关系。以A相为例进行分析，设立假想中点O’，如图4-11(a)所示。A对O’间电压uao’中可表示为Udc_DVR0t(t)2u'(4-14)aoUdc_DVR(t)tT2s式中，τ(t)为A相上桥臂器件G1导通时间，Ts为开关周期。图4-11三相全桥VSI及逆变电路电量图Fig.4-11Threephasefull-bridgeVSIandpowerdiagramofinvertercircuit在一个载波周期中输出电压uao’的平均值可看成逆变器输出电压基波分量瞬时值u[51]ao’1，即uu(4-15)ao'ao'1ffc1由图4-11(b)知1TcUdc_DVRuudt[2D(t)1](4-16)ao'ao'T02sτt式中Dt(4-17)Ts39 内蒙古工业大学硕士学位论文利用几何关系得到τtu(t)UrAxmDtT2Usxm(4-18)1u(t)rA12UxmurA(t)Uxm式中，urA为A相调制参考信号，Uxm为载波幅值。将公式(4-18)带入(4-16)得：Udc_DVRUrAm1uu(t)UsintMUsint(4-19)ao'rAdc_DVRdc_DVRUU2xmxm1即UMU(4-20)ao'1mdc_DVR2UrAm其中M为调制比。Uxm电源假想中点O’与负荷中点O之间存在方波电压，但不含工频分量[51]，于是有1UUMU(4-21)ao1mao'1mdc_DVR2式中，Uao1m是A相相电压基波幅值。根据三相正弦交流电路，线电压是相电压有效值的根号3倍，于是得到6UMU0.612MU(4-22)AB1dc_DVRdc_DVR4式中，UAB1为DVR输出线电压基波有效值；Udc_DVR为等效DVR直流侧电压。网侧NSC等效DVR侧直流电压的选择是满足补偿条件的关键指标，只有满足逆变器输出基波电压同所要补偿的电压相同时，直流侧电压便达到了补偿的需求。要找到能够满足所有LVRT条件下直流电压，因此只要能满足零电压穿越所需直流母线电压就能满足其他全部条件，计算并网点（PointofCommonCoupling,PCC）处发生100%标称电压的对称跌落所需直流侧电压即可。由第二章九开关调制方式的特殊性，在实际应用中M1与M2的和不能超过1。由上文可知GSC所需直流母线电压为1200V，当电网发生跌落100%时由公式(4-22)计算的所需直流母线电压为1127V，为满足条件并取整为1200V。当M1与M2的和等于1时，NSC所需直流母线电压最小，得到NSC的直流母线电压的计算值为2400V。4.4.5网侧九开关变换器调制方式的选取由上述知NSC直流侧电压为2400V，等效网侧变换器SPWM调制比为M1=0.5，等效DVR调制比M2=0.5。根据M1，M2的取值本满足边值共用调制方法，网侧NSC调制方法如图4-12所示。40 第四章系统故障穿越控制分析图4-12网侧NSC调制方法Fig4-12PWMmodulationofNSC4.5本章小结本章从电压检测方法入手，选取最佳的检测方法，针对该方法确定电压相位检测技术。确定了DVR补偿策略，并对电压补偿侧进行数学建模，设计了DVR控制策略。通过研究DVR与GSC的控制得到网侧NSC的整体控制策略。直流母线电压的分配影响整个系统的安全稳定，因此对直流母线电压的分配进行了详细介绍并得到了适合系统的最佳SPWM调制方式。关于系统整体控制策略的有效性将在下一章进行仿真分析。41 内蒙古工业大学硕士学位论文第五章网侧九开关变换器提升FFRT能力的仿真分析5.1引言为验证第四章网侧NSC控制策略能够应对多种故障工况，本章将对电网在故障工况下DFIG的运行特性进行分析，再通过Matlab/Simulink仿真软件对新型拓扑结构下DFIG风电系统故障穿越的性能进行验证。通过观测在不同故障工况下系统的电气参数，进行深入分析。5.2多种故障工况下DFIG的运行特性为深入研究网侧NSC对系统的补偿效果，应对第三章中搭建的变速恒频风电机组在12m/s的恒定风速工况下进行不同类型故障模拟，观察DFIG电气量的变化。由图5-1可知，电网在0.5~0.9s期间发生30%不对称跌落，电网电压Ug中出现负序分量。负序分量的存在使转子电流Ir、定子电流Is出现二倍频，电磁转矩Te产生脉动，并造成DFIG定、转子绕组发热，温度过高将烧毁电机。并根据系统能量守恒定、转图5-1电网不对称故障工况下DFIG电气量Fig.5-1DFIGelectricquantityunderasymmetricfaultcondition42 第五章多种故障工况下仿真分析子电流升高，从而影响变频器的寿命。若发生80%严重不对称跌落，负序分量将加大，使得定、转子电流及电磁转矩波动加剧，定、转子电流幅值剧增，致使变频器烧毁。为研究当电网发生对称故障时，对DFIG相关参数的影响。由图5-2可知，在0.5~0.9s期间内模拟电网电压对称跌落30%，故障期间电网电压Ug中只有正序分量，而负序分量为零，定子电流Is、转子电流Ir幅值增大，电磁转矩Te产生振荡并无倍频分量。此外定、转子电流及电磁转矩在跌落起止时刻振荡较为突出。同理，电压对称跌落80%时，定、转子电流幅值剧增，电磁转矩振荡剧烈对系统的影响也随之加剧。当电网发生高电压故障时，DFIG运行特性与低电压故障时的运行特性相反，在此不再介绍。图5-2电网对称故障工况下DFIG电气量Fig.5-2DFIGelectricquantityundersymmetricalfaultcondition由上述可知，在电网电压发生故障时，定、转子电流及电磁转矩出现二倍频及幅值变化造成双馈电机及变频器的不可逆毁坏，使整个系统面临崩溃的危险。因此验证网侧NSC运行在电网电压故障期间，对电网电压短时畸变补偿、维持DFIG机端电压稳定及解除故障使DFIG风电系统恢复常态的能力至关重要。本文将通过仿真验证网侧NSC对实现故障穿越的有效性。43 内蒙古工业大学硕士学位论文图5-3基于双馈风电系统网侧NSC仿真模型Fig.5-3Simulationmodelofgridesidenineswitchconverterbasedondoublyfedwindpowersystem44 第五章多种故障工况下仿真分析5.3多种故障工况下故障穿越仿真分析为验证网侧九开关新型拓扑结构对实现故障穿越的有效性，在Matlab/Simulink平台下，搭建一台将用在2MW双馈风电系统网侧NSC仿真模型如图5-3所示，设计了系统运行在超同步速额定工况下的多种PCC点电网电压短路故障工况，并对补偿效果进行分析。5.3.1电压对称、不对称跌落30%工况下低电压穿越仿真结果为验证将NSC用于双馈风电系统以改善电能质量问题，设计电网电压在0.4~0.6s通过Y/Δ变压器变到35kV侧模拟三相对称跌落30%，0.8~1.0s模拟AB相间不对称故障跌落至额定工况的70%。由图5-4可知定子电压Us、定子电流Is经过补偿后恢复到额定电压、电流，为定、转子侧控制策略提供稳定的电压与正弦电流；DFIG转子电流Ir，电磁转矩Te仅出现短时暂态；NSC承担能量传输作用且满足能量守恒原则。并网点电流Ipcc正弦稳定；在发生三相相间对称故障时直流侧电压出现60V左右波动，在产生AB相间不对称故障时直流侧电压20V左右波动；通过电压补偿后使机端电压维持在电网电压发生故障前的工况，使其实现柔性故障穿越。45 内蒙古工业大学硕士学位论文图5-4轻度对称、不对称故障工况下LVRT仿真波形Fig.5-4LVRTsimulationwavesunderconditionsofmildsymmetry,asymmetricalfault.5.3.2电压对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果为验证电网电压跌落至20%标称电压时网侧NSC对风电机组进行电压补偿，且机组保持不脱网运行至少625ms，模拟风电机组运行在0.4~1.025s期间35kV箱变侧出现80%三相严重对称跌落。在跌落发生前，整个风电机组运行在稳定状态下，网侧变换器维持直流侧电压稳定在2400V，网侧变换器流过的无功率几乎为零，使得输入功率因数接近于1。发生故障后并网电压跌落严重，使直流侧电压出现过电压，为维持直流侧电压稳定需在发生故障时加入直流卸荷电路，卸放掉多余的能量。由图5-5可知，当电网电压跌落至20%标称电压时，可知并网点能量由2MW跌落至0.4MW，为保持直流侧功率平衡，直流卸荷电路消耗约1.6MW的功率。转子电流、并网点电流只有在跌落发生与结束瞬间出现小幅暂态波动，不影响系统可靠运行；定子电压Us、定子电流Is通过补偿后恢复故障前额定工况；DFIG转子电流Ir，电磁转矩Te仅出现短时暂态；直流侧电压Udc保持在2400V稳定不变。在此电压工况下可实现DFIG的低电压穿越运行。5.3.3电压不对称跌落80%工况下低电压穿越仿真结果为验证电网电压出现严重不对称故障仍能不脱网运行，设计在0.4~0.9s期间35kV箱变侧AB相间出现严重不对称短路。当电网电压出现故障，为将定子电压补偿到额定工况，体现NSC中电压补偿单元的补偿能力如图5-6所示，在0.4~0.9s并网点有功功率维持在2MW，无功功率几乎为0Mvar，仅出现短时暂态现象，符合能量守恒。46 第五章多种故障工况下仿真分析直流侧电压在故障期间产生小幅2倍频波动，定子电流Is、DFIG转子电流Ir基本保持正弦波，不会影响整个风电机组安全运行；电磁转矩Te出现0.1pu的脉动。因此图5-5严重对称故障工况下LVRT仿真波形Fig.5-5LVRTsimulationwavesunderconditionsofseverelysymmetryfault47 内蒙古工业大学硕士学位论文严重不对称故障期间风电机组可以实现故障穿越。图5-6严重不对称故障工况下LVRT仿真波形Fig.5-6LVRTsimulationwavesunderconditionsofseverelyasymmetricalfault5.3.4电压对称升高30%工况下高电压穿越仿真结果为验证网侧NSC在电网电压骤升时，使机端电压恢复正常，机组稳定运行。设计在0.5~0.9s期间110kV侧电压出现三相对称升高30%，经过箱变并网点电压升高48 第五章多种故障工况下仿真分析至732.2V，为维持机组总功率2MW，并网点电流在故障期间应降低如图5-7中Ipcc所示；并网点功率维持功率平衡；仅在电压发生故障时刻造成Udc瞬态暂降，电压图5-7高电压故障穿越仿真波形Fig.5-7Simulationwavesofhighvoltageridethrough49 内蒙古工业大学硕士学位论文恢复时Udc出现暂升；Us，Is恢复至额定工况；转子电流Ir、电磁转矩Te在故障起止时刻出现短时暂态后恢复正常。通过补偿有效地抑制DFIG电磁转矩脉动与定、转子变化对风电机组的影响，进而实现高电压穿越。5.4本章小结本章借助一台传统的DFIG参数，搭建了整套系统仿真模型。对提出的基于双馈风电系统网侧NSC拓扑结构，相比传统双馈风电系统增设3个IGBT可实现并网与电压补偿一体化功能进行仿真验证。仿真结果表明NSC运行在电网电压故障期间，通过其DVR功能，可对电网电压的短时畸变进行补偿。多种电网电压短路故障工况下NSC均能维持DFIG机端电压稳定，辅助双馈风电机组实现柔性故障穿越运行。进而佐证了新拓扑下风电系统整体控制策略的正确性。50 内蒙古工业大学硕士学位论文结论故障穿越运行是双馈电机能够免受电网非正常状态影响的解决方案，因此具有很重要的研究价值。本文采用一种将NSC应用在传统双馈风电系统网侧的新型拓扑结构。围绕着新型拓扑结构，从其NSC的调制方法，系统运行理论，系统稳态状态下控制策略，网侧NSC提升FFRT能力的控制方法，NSC直流侧电压分配进行深入理论分析并进行仿真验证该方案的正确性。(1)由于NSC是全文研究的核心部分，其调制方法的合理选取直接影响系统的稳定运行。本文采用SPWM调制方法对NSC进行控制，鉴于NSC的特殊结构对其进行精准的数学建模，通过加入直流偏置信号实现NSC的两组独立输入/输出。并建立简单的NSC控制系统仿真模型，仿真结果表明通过合理的控制可以实现九开关的独立控制。(2)首先，从整个系统拓扑结构的构成出发，介绍了元件的选择；其次，对系统的运行理论进行分析，详细分析了系统在4中不同工况电压下的能量流动关系。再次，针对传统DFIG风电系统处于理想电网条件下，研究了机侧与网侧变换器的数学建模，通过数学建模形成控制策略。最后，通过仿真验证了不同风速工况下系统运行的稳定性及控制策略的正确性。(3)网侧NSC提升FFRT能力的控制方法主要针对故障电压补偿，本文采用DVR进行电压补偿。针对DVR进行了深入研究，从电压检测方法入手并选取缺损电压检测方法；根据电压检测方法选取目前性能优良的DDSRF-PLL锁相技术，精准检测故障电压的相位与幅值；并确定电压补偿方法为DVR控制策略提供依据；设计DVR控制策略并与网侧变换器控制策略结合通过九开关SPWM调制方法获得网侧NSC的控制策略；通过合理的选择NSC上、下两路信号的调制比对NSC直流电压进行分配；研究故障工况下DFIG的运行特性，为NSC能够实现并网与电压串偿一体化功能的意义提供参考；通过仿真结果表明多种电网电压短路故障工况下NSC均能维持DFIG机端电压稳定，辅助双馈风电机组实现柔性故障穿越运行。本文针对将NSC应用于传统DFIG风电系统网侧解除故障对DFIG的影响做了一定研究。但由于能力水平及时间限制，仍存在不足之处需在后续的工作中进行探索。1)NSC直流侧电压偏高是当前研究领域中存在的难题，应在改进NSC调制方法上进行大量的研究工作。2)本文目前仅进行仿真验证，如果条件允许应进行实验验证并与仿真结果进行分析比较。51 内蒙古工业大学硕士学位论文参考文献[1]李军军,吴政球,谭勋琼,等.风力发电及其技术发展综述[J].电力建设,2011,32(08):64-72.[2]国务院办公厅.能源发展战略行动计划(2014-2020年)(摘录)[J].上海节能,2014(12):1-2.[3]国家能源局.可再生能源发展“十三五”规划[R].北京:国家能源局,2016.[4]陈杰.智能电网的发展及应用前景[J].中国高新技术企业,2010(16):1-2.[5]宋卓彦,王锡凡,滕予非,等.变速恒频风力发电机组控制技术综述[J].电力系统自动化,2010,34(10):8-17.[6]贺益康,胡家兵.双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题[J].中国电机工程学报,2012,32(27):1-15.[7]贺益康,周鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J].电工技术学报,2009,24(9):140-146.[8]艾斯卡尔,朱永利,唐斌伟.风力发电机组故障穿越问题综述[J].电力系统保护与控制,2013,41(19):147-153.[9]尹万杰.双馈风力发电机低电压穿越技术的研究[D].上海电机学院,2016.[10]年珩,程鹏,贺益康.故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述[J].中国电机工程学报,2015,35(16):4184-4197.[11]邹和平.变速恒频双馈风力发电系统故障穿越技术研究[D].大连理工大学,2013.[12]BoukhrisY,MakriniAE,MoussaouiHE,etal.Highvoltageride-throughcapabilityusingseriesgridsideconverterfordoublyfedinductiongeneratorbasedwindturbines[C].RenewableandSustainableEnergyConference.IEEE,2015:1-6.[13]VidalJ,AbadG,ArzaJ,etal.Single-phaseDCcrowbartopologiesforlowvoltageridethroughfulfillmentofhigh-powerdoublyfedinductiongenerator-basedwindturbines[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2013,28(3):768-781.[14]ZhengZ,YangG,GengH.ShortcircuitcurrentanalysisofDFIG-typeWGwithcrowbarprotectionundergridfaults[C].ProceedingofInternationalSymposiumonIndustrialElectronics.Hangzhou,China:IEEE,2012:1072-1079.[15]曲庭余.双馈风力发电机高电压穿越技术研究[D].合肥工业大学,2012.[16]VajpayeeS,PandaNR,BeheraP.CrowbarProtectionofGridConnectedDoubleFedInductionGeneratorwithVariableSpeedWindTurbine[C].20172ndInternationalConferenceonCommunicationandElectronicsSystems,2017:56-61.[17]PannellG,ZahawiB,AtkinsonDJ,etal.EvaluationoftheperformanceofaDC-linkbrakechopperasaDFIGlow-voltagefault-ride-throughdevice[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2013,28(3):535-542．[18]MartinezJ,KjaerPC,RodriguezP,etal.Parameterizationofasynchronousgeneratortorepresentadoublyfedinductiongeneratorwithchopperprotectionforfaultstudies[J].WindEnergy,2011,14(1):107-118.[19]ZhuR,DengF,ChenZ,etal.EnhancedcontrolofDFIGwindturbinebasedonstatorfluxdecaycompensation[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2016,31(4):1366-1376.[20]年珩,程鹏,诸自强.电网电压对称故障时DFIG转子电流的优化控制策略[J].电工技术学报,2014,29(07):200-208.52 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内蒙古工业大学硕士学位论文致谢本论文能够顺利的完成离不开任永峰导师的悉心指导和不辞劳苦的修改。在这三年的时间里，任老师给予了我太多人生中重要的东西。他渊博的知识，严谨的治学态度以及极其敬业的精神让我在三年的学习中受益匪浅，使我明白学无止境的道理。同样，在生活中任老师对我关心爱护，让我感念至深。转眼间，三年的学习生活就要结束了，还有很多的感谢之情没有表达，只能再一次说声，老师您辛苦了。首先，在撰写论文的过程中，特别感谢孟志宏、胡志帅、从旭光、杨帆、康飞鹏、陈烁、许敬语师兄弟们在学习和生活上给予我的帮助；也感谢在学习和生活上给予我热情帮助的电力学院同学们。其次，感谢内蒙古工业大学电力学院对我的培养，给我提供这么良好的学习环境；感谢学院各位领导对我的关怀。最后，感谢我的父母对我这么多年在学业上的支持，正是因为有了你们的支持，才让我遇见这么优秀的导师和拥有这么好的学习环境，我会更加努力回报你们无私的奉献。读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果[1]廉茂航,任永峰,韩鹏,等.双馈风电系统中VRB储能型网侧九开关变换器[J].电工技术学报,2018,33(6):1197-1207.55