基于ni平台的双馈风电系统的研究

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分类号密级公开单位代号10256学号ys1210221050硕士学位论文DissertationforMaster’sDegree基于NI平台的双馈风电系统的研究学位申请人：郁海彬指导教师：姚钢学科专业：电气工程电力系统及其自动化学位类别：工学硕士所属院系：电气工程学院2015年3月 分类号密级公开单位代号10256学号ys1210221050上海电力学院硕士学位论文基于NI平台的双馈风电系统的研究学位申请人：郁海彬指导教师：姚钢学科专业：电气工程电力系统及其自动化学位类别：工学硕士论文定稿日期：2015年3月11日 上海电力学院位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日 上海电力学院学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海电力学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 基于NI平台的双馈风电系统的研究摘要风电作为一种可持续发展能源，已成为新能源的中流砥柱，占据电力系统容量的比重加大，然而，日益剧增的风电系统容量伴随着风资源的间歇性、不确定性特征必将给大电网带来冲击及不稳定等问题；严格的新能源接入要求是国网公司所强制的，为了达到不必要的弃风限电措施。针对双馈风力发电系统的探究必须保证平衡系统下的可行性，继而转向三相不平衡电网电压下进行拓展研究。针对应用需求，本文运用NI公司的核心软件LabVIEW与Starsim电力与电力电子仿真建模软件联合仿真，由于LabVIEW的图形化表达方式的特殊性，非常适合用来表示控制框图算法。Starsim与NI产品无缝结合，非常适用于实时仿真。采用NI公司的硬件产品PXI-RT高性能处理器与FPGA板卡搭建双馈风力发电实验系统平台。首先介绍了变速恒频双馈风力发电系统的基本概况；其次，建立并分析了三相平衡以及三相不平衡电网电压下网侧变流器的数学模型，详细描述了平衡系统下和故障电网电压下的相应控制策略。用NI的Starsim搭建双馈电机连接背靠背变流器的DFIG发电系统模型，通过LabVIEW图形化的编程环境构建控制算法，实现了控制目标。然后建立和分析了三相平衡以及三相不平衡电网电压下的双馈发电机的数学模型，并且对平衡电网电压下的DFIG并网控制算法和功率跟踪进行说明。然后，建立电网不平衡时双馈电机的数学模型以及4个控制目标提出的4种对应的控制算法。最后，以7.5kW双馈异步机，NI的工控机PXI-RT8108及内置FPGA板卡为控制硬件平台，用直流电机模拟4种常见风力机风速模型。分别完成网侧变流器维持直流母线电压和保证网侧三相电流正弦的目标，完成转子侧变流器并网励磁过程和最大功率跟踪的实验目标。关键词：风力发电；变流器；三相不平衡；并网；功率跟踪；i Theresearchofdoubly-fedwindpowersystembasedonNIplatformAbstractAsakindofsustainableenergy，windenergyhasbecomeamainstayofnewenergywhichhasoccupiedincreasingproportionofpowersystemcapacity,however,growingwindpowersystemcapacitywithintermittentanduncertaintycharacteristicofwindresourceswillbringtotheimpactandunstableproblems;Strictnewenergyaccessrequirementsarenecessary.Doubly-fedwindpowersystemresearchmustensurethatthebalancedfesibility,tuiningtounbalancedconditioninordertoachieveunnecessaryabandoningwindpower.Inviewoftheapplicationrequirements,thispaperusesNIcompany’scoresoftwareLabVIEWandStarsimpowerandpowerelectronicsimulationmodelingsoftwaresimulation,duetotheparticularityoftheLabVIEWgraphicalexpression,it’ssuitabletorepresentthecontrolblockdiagram.StarsimseamlesslycombineswithNIproducts,whichisverysuitableforreal-timesimulation.NIcompany'shardwareproductsPXI-RThigh-performanceprocessorandFPGAboardplatformconsistofexperimentalsystemofdoubly-fedwindpowergeneration.Firstly,variablespeedconstantfrequencydoubly-fedwindpowersystem'sbasicsituationunderthree-phasebalancedandunbalancedstationhavebeenintroduced.Mathematicalmodelandcorrespondingtargetedcontrolstrategyunderidealorfaultconditionhavebeenintroduced.NI’sStarsimcompleteDFIGpowersystemmodelconnectedbacktobackPWMtransformers,completingcontrolalgorithmthroughLabVIEWgraphicallanguage.Secondly,wesetupandanalyzethree-phasevoltageunderbalancedandunbalancedcondition,thispaperexpoundstheidealundergridvoltagecontrolstrategyofDFIGandmaximumpowertrackingimplementactiveandreactivepowerdecouplingcontrol.Then,analyzetheunbalancedpowergridwhenthemathematicalmodelofdoubly-fedmotorandinviewofthefourcontroltargetfourcorrespondingcontrolalgorithmisputforward.Finally,DCmotorsimulatedfourkindsofcommonwindspeedmodeladopting7.5kWdoubly-fedinductionmotorNI’sPXI-RT8108andinsideFPGAboardasexperimentalplatform.RespectivelyweachievedmaintainDCbusvoltageandensuredgrid-sidethreephasecurrentsinusoidal,wecompletedrotor-sideconverterandmaximumpowertrackinggridexcitationprocess.Keywords:windpowergeneration;Converter;Three-phaseimbalance;Grid;Powertracking;ii 目录目录1绪论11.1能源危机和绿色能源的大力发展.................................................................................................11.2风力发电技术的发展.....................................................................................................................21.3理想电网电压下的风力发电双PWM变流器研究......................................................................61.4不平衡电网电压下双馈风力发电双PWM变流器研究..............................................................61.4.1三相不平衡概述..................................................................................................................61.4.2研究不平衡电网电压条件下DFIG变流器控制的现状...................................................71.5本文研究内容.................................................................................................................................82双馈风力发电系统建模..........................................................................................................................102.1变速恒频风力发电系统介绍.......................................................................................................102.2平衡电网电压下双馈电机的数学建模.......................................................................................122.2.1双馈电机在三相静止坐标系下的数学模型....................................................................122.2.2双馈电机在两相旋转坐标系下的数学模型....................................................................142.3不平衡电网电压下的双馈感应电机数学模型...........................................................................172.4平衡电网电压下网侧变流器的数学模型...................................................................................182.5不平衡电网电压下网侧变流器的数学模型...............................................................................203双馈风电机组网侧变流器控制策略的研究..........................................................................................223.1平衡电网电压下网侧变流器控制策略的研究...........................................................................223.2不平衡电网电压下网侧控制策略的研究...................................................................................233.2.1抑制负序电流的网侧变流器控制策略............................................................................243.2.2抑制直流侧电压波动的网侧变流器控制策略................................................................263.2.3针对8Hz电流谐波的网侧变流器控制策略改进方法....................................................283.3网侧变流器仿真...........................................................................................................................303.3.1三相平衡时网侧变流器的仿真........................................................................................303.3.2网侧三相不平衡抑制策略的仿真研究............................................................................313.3.3针对实际风电场8Hz谐波源的仿真分析........................................................................333.3.4针对网侧变流器的8Hz谐波电流提出的改进控制策略................................................353.4本章小结.......................................................................................................................................354双馈风电机组转子侧变流器控制策略的研究......................................................................................374.1平衡电网电压下转子侧变流器矢量控制...................................................................................374.2不对称电网电压条件下转子侧控制策略研究...........................................................................394.3不平衡电网电压下转子侧变流器控制目标...............................................................................404.4平衡电网电压下转子侧变流器的仿真.......................................................................................424.5本章小结.......................................................................................................................................445双馈风力发电系统变流器控制策略实验..............................................................................................455.1系统硬件模块设计.......................................................................................................................455.2系统软件模块设计.......................................................................................................................475.3系统实验和数据分析...................................................................................................................495.4本章小结.......................................................................................................................................536结论与展望..............................................................................................................................................54iii 目录6.1本文工作总结...............................................................................................................................546.2工作展望.......................................................................................................................................54参考文献.....................................................................................................................................................55致谢........................................................................................................................................................i攻读硕士期间取得的成果...........................................................................................................................iiiv 1绪论1绪论1.1能源危机和绿色能源的大力发展新能源与电力系统是当前一个研究热点；没有能源，人类无法生存，无法促进经济前进；一方面，煤炭，石油等一次能源被大量的消耗；另一方面，一次能源给环境带来的污染日益严重，破坏我们的家园。传统能源在不久的将来终究会被耗尽，挖掘新的能源是人类的必经之举。一份联合国能源署的资料表明，200年后，煤炭资源消耗殆尽；50年后，天然气资源消耗殆尽；30年后，石油资源枯竭[1]。坚持节能高效，多元化，科技创新的中国特色能源战略意义重大[4]。所以,立刻改变资源消耗方式迫在眉睫。绿色能源包括风能，太阳能，核能，潮汐能以及地热能等等。在这20年来，新能源发展迅速，成为一种高新科技和新型产业，前景可观。绿色能源中，表现抢眼的风能是一股潜力无限的力量，其充裕，安全，清洁无污染，海上风电具有取之不尽，用之不竭的优势。可见，中国风资源十分丰富。风电技术的发展受到资源限制因素较小，是具有较大的发展潜力的一种发电模式，解决了资源短缺这一问题。今日，随着一次性能源石油，煤炭，天然气等的快速消耗，一次能源极度紧缺。因此，实现多样化发电模式，采取绿色电力能源发展方式是解决当今能源问题的必经之路；风电则是一股重要力量。国家能源局有关第二批公示《关于报送“十二五”风电项目的通知》，涉及河北、内蒙古、黑龙江、山西、云南、甘肃、宁夏、辽宁、吉林、四川等。显而易见，该批次涉及到千万千瓦级大型风电基地，属于我国风电建设重点发展的关键区域。大规模发展风电的同时，并网滞后，弃风限电，环境限制，补贴不足等问题不断出现。全球风能总量约1300亿kW，中国占约16亿kW。近20年中，风电功率扩大近100倍，风电成本降低，人类从风电产业中真正获益。欧洲要求各成员国实现减排CO2等温室气体，大力开发可靠的低碳能源，鼓励风电的发展。欧洲的风电发展水平居于全球领先地位。在过去的几年我国的风电得到了迅猛的发展。到2013年底，我国的电力装机总量累计12亿kW，风电装机容量处于世界第一位，达到累计容量9174万kW，已达到电网总装机容量的8%，风电并网容量有7758万kW，占总装机容量的58%，2013年全国风电总发电量1371亿kWh，人均100kWh。预计到2020年，全国风力发电装机总量将达到2.5亿千瓦。中国风电资源主要分布在我国北部（东北、华北、西北）和沿海地区，存在着不平衡分布。风能在沿海地区主要分布在江苏、广东、海南、山东、上海等地带[1]。各省间分布也不平衡，具体状况如表1-1：1 上海电力学院硕士学位论文表1-1中国七大风电基地发展概况风电基地到2013年累计并网(GW)到2020年规划装机(GW)河北基地2.4514.13蒙东基地3.8220.81蒙西基地6.3038.30吉林基地2.0221.30江苏沿海1.2810.75甘肃酒泉3.8021.91新疆哈密0.0510.80累计18.39138.00随着风电装机容量的不断增加，截止到2013年底我国的风电并网容量到达电网容量的5%，到2020年这一比例将会超过10%。但是同时这将会给电网带来很多的问题。风电给电力系统带来了比如机组的暂态过程对系统影响问题、远距离风电输送过程中串补电容对系统的影响问题。图1-1中国千万kW风电基地、区域电网及负荷中心从表1-1可以看出，风电场在我国主要分布在西部和北部，经济欠缺且离负荷中心较远，甚者，电网结构相对薄弱。近几年西北、华北和东北我国风电基地集中地区，由于我国风电资源与负荷中心逆向分布这一实际情况，风力发电的远距离输送成为未来风力发电所面临的主要问题。中国风资源丰富，潜力巨大，成为世界主要风电制造基地，风电产业出口主力军，指日可待。1.2风力发电技术的发展由风能转换为电能是一种区别于火力发电的发电模式，因其利用的是风能与风力机之间的力学作用。因此，风力机的形状，质量，材料等因素必将涉及风力发电系统的工作效率。目前有两种可用的风力机结构形式：一种是垂直轴风力机；一种是水平轴风力机。当前，水平轴风力机很普遍，容量等级较多，一般根据空气力学设计为3个叶子；垂直轴的风力机相对于水平轴工作效率稍有下降，其示范工程类较多。根据空气动力学知识，风力机的输入功率的数学表达式如下：3P0.5Sv(1-1)vw因风能与风力机之间存在着相互作用，不可能完全吸收风能，所以工作效率不能2 1绪论达到100%，可以定义风能利用系数Cp来表明实际的机械功率输出：PCP=(1-2)opv式中：ρ为空气密度取1.15，Sw为风力机迎风扫过的面积，v为空气流速，Cp为最大风能利用系数，取0.48。Cp表明风力机吸收风能的工作效率，与风速，叶轮转速和桨叶节距角均有关系。为了解Cp的特性，可定义风力机参数叶尖速比λ：rw(1-3)v式中：ωw为风力机叶片角速度(rad/s)；r为风力机叶片半径(m)；v为风速(m/s)；Cp函数由叶尖速比、桨叶节距角θ组成Cp(λ,θ)。因此，用下图的一组功率系数曲线来表示风力机特性：Cp图1-2风力机性能曲线由图1-2可知，保持λ不变，节距角θ逐渐增大时，Cp的曲线高度将明显减小；若节距角θ为定值，Cp和叶尖速比λ存在某种函数关系。由此，我们可以只用一条曲线来表述Cp(λ)特性：即定桨距风力机性能，如图1-3所示：o图1-3定桨距风力机性能曲线风力机制造后，有且只有一个最大的叶尖速比，也叫最佳叶尖速比，表示为λopt；此时，存在某一Cpmax为对应的最大风能有效系数；从图1-3可以得出结论，当叶尖比λ在叶尖比λopt的左侧或者右侧时，Cp都会小于最大风能利用系数Cpmax，此时，将会3 上海电力学院硕士学位论文导致风电机组效率降低。1.2.3风力机的功率调节就风力发电中针对机械输入功率调节手段而言，文献[6]中提及目前，有两种可行性模式：定桨距失速手段以及变桨距控制手段。1定桨距失速控制物理结构精简，有固定的桨叶与轮毂连接，风速大小如若改变，叶片迎风角度不变；优点是结构简单，性能可靠；缺点是输出机械功率难以调节控制，一般很难运行在最优最佳状态，机组工作效率不高。2变桨距控制针对上述定桨距控制的缺点，为了能使风电机组运行在最佳工作状态，我们可以通过调节桨距角改变机组在不同风速下的运行状态，使之可以达到如图1-2所述的最佳功率曲线上。若风速低于额定风速，可等同于定桨距风力机；若吸收功率大于额定功率，只需改变桨距机构调节节距角，限制功率使其在额定值附近；实际工程中，若风速远超额定风速，仅仅改变桨距角并不能达到完整地功率限制目的，还需对发电机的输出功率来进行功率调整，因此，快速控制发电机转速，快速应对风速变化，获取最佳叶尖速比，实现变速恒频运行。1.2.4恒速恒频与变速恒频发展技术双PWM变流器系统处于双馈风电系统的核心地位，将发挥发电机和变流器控制器的控制效果的功能，并直接影响整个风电系统的性能，效率和电能质量。1恒速恒频风力发电图1-4所示的是恒速恒频风力发电系统，这是一种传统的发电模式，容量最大能达到兆瓦级；优点是：物理构造简单，控制算法简单。缺点是：输出功率不平稳，受外界环境因素影响较大，机械磨损较大，风速变化较频繁时，叶片的节距角跟踪控制效果不明显，风电机组不能达到最佳运行状态，因其电磁转矩波动较频繁，将会严重影响齿轮箱的寿命，不能保证稳定的输出功率，影响大电网的稳定安全。图1-4恒速恒频风力发电机图1-4所示中，此恒速恒频发电系统具有自启动功能，因其空载启动时需要吸收部分无功，所以在发电机并网侧有电容器组与之并联接入大电网，其主要功能是作无功补偿，容量大小按照空载所需无功功率来设定，且风电机组的Cp值往往偏离最大值，受风速影响较大，风力机运行效率不高。与此同时，风电系统单机容量不断增大，对发电效率要求日益严格，捕获最大风能，提高风电机组效率势在必行。4 1绪论1.2.5变速恒频风力发电技术上述介绍的恒速恒频发电模式因其缺点甚多，已经不再适应当前电力系统需求，取而代之的变速恒频发电系统模式因其在风力，水力等绿色电力行业凸显出的明显优势，收到了广大的关注及认可，其前景可观。众所周知，风资源随机分布，稳定性差，预估性不可靠，且具有随机性。据最佳叶尖速比所知，想要获得最大工作效率，必须使得风力机工作在最佳功率曲线上。相比于恒速恒频系统，变速恒频能够针对风速的变化来相应的调节发电机转速的变化，使风力机工作在最佳转速上，最终达到变速恒频发电模式，优化风力机的运行条件。变速恒频发电模式实现方法是：转子侧提供幅值，相位和频率均可控的交流励磁电流给异步电机，只要定子三相电压与电网三相电压满足并网条件，手动和自动柔性并网均可；双馈式发电机和大电网间柔性连接，并网更加容易，且几乎无冲击。这些优点，将继续支持着变速恒频发电模式的前进。常见的变速恒频风力发电机如图1-5所示可以分为以下四种：a.转差控制型风力发电机，这种风机采用在转子绕组中串电阻的方式调速，但是调速范围窄只有5~10%左右；b.有齿轮箱的全功率变流器型风电机组；c.直驱全功率变流器风电机组；d.绕线式双馈风力发电机。这四种类型的风力发电机是按照是否具有变流器，以及变流器接于转子侧还是接于定子侧，是否需要齿轮箱来划分的。图1-5变速恒频风电机组分类DFIG系统如图1-4所示，齿轮箱按比例用来提高转速，双馈发电机中转子与转子侧变流器直接相连，可见转子接受三相交流励磁电流。如果风速变化，发电机转速也会随之变化，只需控制转子电流的频率，达到控制定子频率满足恒定值：fpff12nm(1-4)式中：f1电网频率；fm转子机械转动频率；fm=nm/60；nm发电机机械转速；pn电机的极对数；5 上海电力学院硕士学位论文f2转子电流频率。风力机DFIG定子功率总功率电感转子侧变流器网侧变流器ACAC控制器DCDC能量双向流动图1-6DFIG物理结构示意图由图1-6可知，采用双馈式结构来实现变速恒频控制模式，主要通过转子侧电路完成，电网侧变流器主要负责吸收电网能量，建立直流母线电压的支撑，经此方式转子变换器能提供三相交流励磁电流给予转子，其最大优势为双PWM变流器容量选择约为电机额定容量的30%左右，大大节约了成本。采取定子磁场定向或电网电压定向的矢量控制方法，可以实现并网控制以及有功和无功功率的解耦调节，补偿电网对无功的需求量。结构复杂的双馈式异步电机转子侧有电刷和滑环，维护成本高，所以可靠性就下降了。DFIG系统实现变速恒频控制所需的控制算法较其他风力发电系统复杂了一些。1.3理想电网电压下的风力发电双PWM变流器研究目前DFIG系统的变速恒频运行主要是通过对双PWM变流器采用dq轴解耦的传统矢量控制来实现的[6]。背靠背模式是由网侧变流器(Grid-SideConverter)连接中间环节直流侧电容以及转子侧变流器(Rotor-SideConverter)的双PWM变流器组成的。文献[7]～[11]中论述网侧变流器的矢量控制采取的是电网电压定向模式，以此来实现对直流母线电压的支撑的效果；目标二：保证网侧三相电流的正弦化输入；转子侧变流器采用定子磁链定向(Stator-FluxOriented,简称SFO)控制策略来实现目标一：保证定转子电流正弦化；目标二：完成双馈电机的并网调节控制以及定子输出有功、无功功率的解耦控制。网侧变流器的控制以电压型PWM变流器的物理电气拓扑的数学模型为根据而建立；双馈电机转子变流器的控制策略根据双馈电机数学模型为依据而设计的。当三相电网电压平衡，采用传统矢量控制方案可实现DFIG系统良好的动稳态性能。1.4不平衡电网电压下双馈风力发电双PWM变流器研究1.4.1三相不平衡概述一旦电网电压不满足三相电压幅值大小相同，不按照A、B、C顺序相位互成120o，频率不再为50Hz上述条件中的任何一条时，该系统可认为是不平衡系统。造成三相不6 1绪论平衡的原因，一般来说有以下几类：其一，不对称短路故障；其二，非全相运行；其三，输电线路或者负载参数不对称；其四，大电机的启动。实际的风电场中，经常受到上述的问题所影响，导致风电机组接入大电网的连接点出现不平衡现象，严重时将导致风机脱网事故。因此，针对不平衡给双馈风电带来的危害，进行不平衡控制算法研究意义重大。1.4.2研究不平衡电网电压条件下DFIG变流器控制的现状文献[12]中提到一般情况下，风电机组连接电网处较为薄弱，易受到各种故障问题的影响。诸如阻抗不对称、线路受损、绝缘老化等问题影响到风电机组的不平衡故障。此时，不平衡电压就会出现在DFIG机端。这样，电机定子电压含有负序分量，会直接影响DFIG系统的正常稳定运行。假设不曾考虑电网负序分量对控制系统中的扰动，那么，由于不平衡电压引起定子三相电流不平衡，转子三相电流畸变，定转子绕组发热，电机电磁转矩产生脉动，机械振动带来的危害将会严重影响机械设备的运行，导致机械寿命缩短。同时，不平衡电压还会引起定子输出的有功功率以及无功功率产生脉动。再者，如果不考虑不平衡电网电压中负序分量对于理想电网电压设计出来的网侧变流器控制策略带来的影响，那么，网侧三相电流将不再保持三相正弦；含有大量谐波；直流母线电压出现2倍频脉动，直接影响直流母线电容的寿命。此时，双馈风力发电系统向电网输送的总的有功功率和无功功率也包含2倍频的脉动，会引起一些诸如系统损耗增大，发热增多，过压，过流等问题。此外，电磁转矩的脉动会危害到发电系统的安全运行。在此之前许多网侧变流器的设计是建立在电网电压平衡的基础上。实际中，不平衡状况屡屡出现；引起此现象原因主要有：1电网配电设计时，三相负载的不平衡；2大电机的突然启动；3不对称故障以及一些非全相运行造成系统三相不对称故障；4非全换位输电线或紧凑型输电线造成系统不对称；理想的三相平衡系统中，电网电压幅值大小相同，相位互差120o，电网提供的功率是平衡的。实际电网中，电网电压不是完全对称的，根据对称分量法，三相电网电压可以分解为三相对称的正序电压，负序电压和零序电压。PNUUaaoUcoUboUaUPNNUPbUUcbc正序分量负序分量零序分量图1-7正负零序分量按照规定，风力发电系统允许承受的不平衡度为长时间内2%，短时间内为4%不脱网正常运行。三相系统中，ABC三相电压可以用三组对称三相量表示：7 上海电力学院硕士学位论文pn0UUUUaaaapn0UbUbUbUb(1-5)pn0UUUUcccc同理，对于三相电流也是如此。对于DFIG系统的传统研究大多在三相平衡系统的基础上的，但是，实际电网中将会存在各种故障，使传统风电变流器的矢量控制控制策略不再适用，造成了机组的不安全运行。如导致电磁转矩脉动；造成定转子三相绕组的不平衡发热；导致了有功和无功的2倍频脉动；产生过电流等。电网电压不平衡下，电网电压中包含有正序、负序以及零序分量。其中，负序和零序分量危害电力设备很大，主要危害有三种：1对发电机、变压器，会造成负荷的不平衡，波形产生畸变，增加设备附加损耗。2异步电机转子内产生附加损耗，发热量增大，电机局部温度升高；电磁转矩产生二次脉动，使电机产生机械振动，影响使用寿命。3电力系统继电保护元件可能会产生误动作，导致电网的不稳定。双馈风力发电系统中变流器的不平衡控制策略主要目标是尽可能的抑制不对称电网电压下造成的对变流器的负面影响因素，尽可能的改善风电机组功率特性，减小对并网系统的不利因素。1.5本文研究内容本文阐述了风能作为一种绿色能源发展的必然趋势，介绍风力机机的结构，风电技术和控制策略的发展现状。若电网不平衡情况出现，双馈风电机组能够做到不受不平衡故障的影响，并保持不间断运行的能力。因此，有必要对不平衡电网电压下的控制策略进行研究。第一章简要阐述了能源危急，绿色电力被日益呼吁，新能源开发的必然趋势及风力发电的现状和趋势，简要的例举风力发电技术的发展经历，并叙说了针对研究电网电压不平衡下有关DFIG控制的战略意义。第二章主要对双馈风力发电系统进行建模。所建立的数学方程包含平衡系统下静止三相坐标系下双馈电机模型、旋转两相坐标系下的电压和磁链模型、双馈电机的瞬时有功和无功功率模型、电磁转矩以及机电方程；不平衡系统中数学方程为双馈电机的双dq轴的电压方程和磁链方程的数学模型；平衡系统下，根据网侧变流器物理拓补结构建立了网侧变流器的数学模型，推导了网侧的瞬时功率计算方法。最后，考虑正负序分量，建立了不平衡系统下网侧变流器的数学模型。第三章主要阐述平衡系统下，根据网侧电网电压定向控制目标设计的双闭环电流控制系统。当出现不对称情况时，根据网测变流器的抑制负序电流和抑制直流侧电压2倍频脉动的控制目标，设计了针对了上述两项控制目标的控制算法，以消除传统控制策略的不足之处。随后，针对实际风电场出现的8Hz电流谐波带来的次同步振荡问题进行了理论分析，并给出了抑制策略，采用了抑制负序电流的控制算法可以达到网侧三相电流正弦化的控制目标。最后，根据数学模型针对的控制目标进行模型搭建，进行了网侧系统的仿真。第四章介绍平衡系统中，依据数学模型和控制目标，阐明了平衡电网电压下转子侧变流器基于定子磁链定向的控制算法，随后介绍了不平衡电网电压下的双馈风电机组转子侧变流器的4个主要控制目标。8 1绪论第五章在理论分析的基础上，以7.5KW双馈电机为实验平台，利用直流电机模拟风力机带动双馈发电机转动，验证了双馈风电机组网侧变流器和转子侧变流器的控制策略的有效性，并且分析了由网侧变流器建立直流母线电压的支撑，到转子侧励磁建立双馈发电机并网的条件，以及完成最大风能跟踪时的解耦控制有功功率和无功功率。整套控制策略通过NI-PXI8108工控机完成，包括网侧，转子侧的电压电流的数据采集。通过LabVIEW软件平台作为上位机与NI的硬件平台通讯，使得双馈风电机组的功率解耦控制得以实现。论文最后总结了文章的不足和还未考虑的研究部分，深刻对后续的工作进行了自我激励与展望。9 上海电力学院硕士学位论文2双馈风力发电系统建模在NI的Starsim中，双馈风力发电系统原理如图2-1所示。该系统由双馈异步电机、电网侧的滤波电感、双PWM变流器组成。与双PWM变流器相连的直流侧电容为中间环节，支撑直流母线电压。网侧变流器与电网之间有一滤波电感,滤除PWM整流器工作时产生的高频谐波，防止其污染电网，提高电能质量。如果电网出现故障，还可以加装有源Crowbar装置，目的是在电网电压故障情况下，保护风电变流器:防止电网故障时大电流通过变流器造成设备损坏。图2-1基于NI平台Starsim建立双馈风力发电系统模型目前，风力发电系统中大多数变流器是对网侧变流器和转子侧变流器分别进行单独控制[9]。网侧变流器的控制目的其一是维持及支撑直流母线电压；其二是保证电网侧三相电流呈现正弦量。必要时，电网电压跌落后能向电网提供无功支持。转子侧则依据DFIG的特性来实现双馈发电机的有功、无功功率的解耦输出，保证定，转子电流呈现三相正弦量。网侧和转子侧双PWM变流器之间采用直流电容进行连接，相互之间无关联。虽然采用大容量电容或者小电容的串联能够避免直流电压出现大的波动，但是会提高成本、加大重量体积以及增加故障率等多重问题。实际应用中，工程师大多采采用德州仪器公司的数字信号处理(DSP)控制芯片来控制变流器，减少了成本和提高了运作效率。但是，开发周期长是DSP不足之处，现代控制器对仪器的可靠性越发严格，要求确保在任何环境下，保证高效。因此，NI的PXI高效能嵌入式控制器，配备有坚固的硬盘模块，适应极低或极高环境温度、工作循环100%正常运行。为保障确定性，提供更高可靠性。NI平台中实时操作系统及LabVIEW实时模块结合来替换Windows操作系统。LabVIEWReal-Time的嵌入式控制器一旦运行，用户可以共享处理器，保障了其确定性和可靠性。2.1变速恒频风力发电系统介绍与鼠笼式感应电机存在着异同之处的双馈电机，物理结构上两者有着鲜明的相似10 2双馈风力发电系统建模点：均在定子侧采用分布式三相绕组，转子则均采用两相交流绕组；变频调速时仅由定子侧供电，而它是由定子侧和转子侧双方馈送电能，所以双馈电机的定义由此而来。双馈电机也称异步化同步电机或交流励磁同步电机，其原因是由于转子提供三相电流进行交流励磁。DFIG变压器三相电网齿轮箱滤波电感直流母线转子侧变流器网侧变流器图2-2DFIG变速恒频风力发电系统物理拓扑结构对于DFIG系统，正常工作时，双馈电机转子由一个幅值，频率，相位均可调节转子侧变流器控制，相当于一个直流电源供电。而定子侧直接与工频电网相连。转子侧变流器主要控制双馈电机，网侧变流器控制双馈风电机组和电网的能量交换，如图2-2所示，转子通过交一直一交变流器接入电网[10]：根据感应电机转差率定义：nnsrs(2-1)ns式中：s—转差率；ns—同步转速。双馈电机是一种异步电机，在稳态运行时，由异步电机的原理可知，空间位置上，定子磁场相对于转子磁场保持相对静止，则转子旋转磁场相对于转子的转速为：(2-2)slipsr式中：ωs—定子旋转磁场的频率；ωr—转子旋转磁场的频率；ωslip—转差频率。双馈电机的定子直接与大电网连接，其频率不变；只要相应的针对风速引起转速变化后调节转子变流器能给予一定幅值，频率和相位的电流励磁，从而可实现双馈风电系统的变速恒频运行。当n1>n，励磁变换器提供交流励磁，电机超过同步速，定转子侧都向电网传输能量；当n1