摘 要

风力发电作为一种新型能源发电，在技术实现环节面临许多挑战，风机大规模并网，低电压穿越等都是需要深入研究的课题。本课题主要围绕双馈风机的风电系统在电网出现不平衡故障情况下，对其中的负序分量的控制。

传统的变换器控制没有考虑在不平衡故障情况下的负序分量。于是当产生一个非常小的负序分量时，双馈风力发电机的定子侧以及转子侧，由于电流不规则的变化，会产生不均匀发热以及电磁转矩脉动。设计出当电网出现不平衡故障的情况下，对于负序分量的控制的系统是意义重大以及十分必要的。

建立正确的双馈异步风力发电机的数学模型，对于设计出有效的控制系统是必要和基础。文中详细介绍了双馈风机在dq0坐标系下的数学模型，并且运用坐标变换将交流量转变为直流量。对正序直流分量与负序直流分量分别进行控制，通过设定给定的参考值的办法，令网侧与转子侧变换器的负序电流参考值为零，在PI调节器的作用下，实现消除电流中负序分量的目的。

文中针对在Matlab环境中所设计的负序控制系统做了仿真分析，仿真出的波形验证了所设计系统的有效性，能够较好的消除不平衡故障下的负序分量。

关键词：风力发电；不平衡故障；负序分量；dq0坐标系；Matlab

Abstract

As a new type of energy power generation, wind power generation faces many challenges in the process of technology realization. Large scale grid-connected wind turbines and low voltage ride through are all topics that need to be studied in depth. This topic mainly focuses on the control of the negative sequence components of the wind power system of the doubly-fed wind turbine under the unbalanced fault condition of the power grid.

The conventional converter control does not consider the negative sequence components in the case of an unbalanced fault. Thus, when a very small negative sequence component is generated, the stator side and the rotor side of the doubly-fed wind power generator will generate non-uniform heating and electromagnetic torque ripple due to irregular current changes. In the case of unbalanced faults in the grid, the system for the control of negative-sequence components is significant and necessary.

Establishing a correct mathematical model of a doubly-fed asynchronous wind turbine is necessary and fundamental for designing an effective control system. In this paper, the mathematical model of the double-fed wind turbines in the dq0 coordinate system is introduced in detail, and the coordinate transformation is used to convert the AC quantity into the DC quantity. The positive sequence DC component and the negative sequence DC component are separately controlled. By setting the negative sequence current reference values of the grid-side and rotor-side converters zero, and the action of the PI regulator,the purpose of eliminating the negative sequence components in the current is achieved.

In this paper, the simulation of the negative sequence control system designed in the Matlab environment is done. The simulated waveforms verify the effectiveness of the designed system and can better eliminate the negative sequence components under unbalanced faults.

Keywords: wind power; unbalanced fault; negative sequence components;dq0 frame of axes; Matlab

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 风力发电技术的研究现状 2

1.2.1 风力发电系统分类 2

1.2.2 双馈风力发电系统负序参数控制的研究现状 3

1.3 双馈风力发电系统的变换器结构 4

1.4 论文研究思路 5

第2章 双馈风力发电系统数学模型及控制策略 7

2.1 网侧变换器的建模与控制 7

2.1.1 网侧变换器的数学模型 7

2.1.2 网侧变换器控制策略 9

2.2 转子侧变换器的建模与控制 10

2.2.1 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型 10

2.2.2 转子侧变换器控制策略 12

2.3 本章小结 14

第3章 不平衡故障下双馈风机负序控制系统 15

3.1 对称分量法 15

3.2 不平衡条件下双馈风机的数学模型 17

3.3 负序控制 20

3.4 正负序分离变量技术 24

3.5 锁相环技术 26

3.6 本章小结 28

第4章 simulink仿真与分析 30

4.1 传统控制系统 30

4.2 负序控制系统 35

4.3 本章小结 39

第5章 总结与展望 40

5.1 总结 40

5.2 展望 40

参考文献 42

致谢 43

绪论

选题背景及意义

能源一直是人类社会发展的过程中不可忽视的话题，它对整个社会的发展以及进步起着不可替代的作用，能源在不同的时代有着不同的结构，一直变化着以推动整个人类社会的向前发展，优质的能源结构促进经济的发展。

现如今，化石能源的大量使用，给人类社会带来了需要立即面对的问题，一方面由于地球上的化石能源十分有限且不可再生，如果一直依赖于以化石能源为主要结构的能源消耗体系，未来地球将面临着化石燃料的枯竭;其次，如果长期使用化石能源，其在消耗过程中所产生污染会对人类生活的环境造成很难逆转的消极影响。因此，为了能够有效解决化石能源所带来的资源短缺以及严重的环境污染问题，粗犷低效的传统能源利用方式已不符合于当今社会的要求。

化石能源虽然目前在我国的能源结构上面占据着主要部分，但是其所在使用的过程中所暴露的缺点也是显而易见的，主要体现在以下两个方面。首先，化石能源的储藏是有限的，随着资源的大量使用消耗,其不仅价格会日渐增涨,而且终究会有枯竭的一天;其次,在大量燃烧的过程中，化石能源会产生许多的会加剧温室效应的气体。

相较于传统的化石能源，可再生能源具有化石能源不可比拟的优势，它清洁环保，并且在使用的过程中，不会给环境带来污染。对于可再生能源的研究，由于它具备许多优点，能够从一定程度上来缓解世界能源危机，因此对它的研究在整个世界范围内均是很重要的课题。就目前对可再生能源的利用现状来看，由于对它的利用所掌握的技术存在一定缺陷，还有许多不足与需要不断改进和完善的地方，人们对可再生能源的利用范围还不够大。例如，可再生能源相较于其他形式的传统能源而言，利用效率低，并且成本相对较高，等。但是对可再生能源的开发与利用是大势所趋，随着科学技术的发展，目前所面临的一些问题也会逐渐被克服。

我国有很丰富的风力资源，非常适合风力产业的发展。风能是一种过程性能源，如果不加以利用，将造成较大的资源浪费，因此风力发电技术应运而生。风力发电技术，简单来说，就是通过风力装置捕捉风的动能，经过转化来带动发电机进行发电，实现能源的有效利用。风力发电相较于其他形式的发电来看，它具有无污染，建设周期相对较短的特点。风力发电同时所需设备占地的面积较少，并且用于设备维护的成本也相对比较低。

我国是一个地域广阔的国家，风能资源比较丰富，但是由于风力资源的分布不均衡，我国的大部分风力发电设备都安装建设在较为偏远的地区。因为输电线路相较于发达地区会更长，并且绝缘会不断发生老化等原因，电网中的不平衡故障比较常见。另外，对于双馈感应风力发电机，由于定子直接与电网相连，所以对不平衡的故障更为敏感。设计研究负序控制系统是十分必要的。

风力发电技术的研究现状

风力发电系统分类

在发电机的运行和控制方面，风力发电系统包括恒速恒频风力发电系统以及变速恒频风力发电系统[1]。

对于恒速恒频风力发电系统而言，不管外界的风速的大小，发电机的转子转速都要保持不变。因此，对于这种系统，很难实现最大功率点的跟踪目标，因此风能的利用率较低。如果遇到风速大幅度突然变化，由于机械应力的存在，会导致齿轮箱等机械装置部件产生机械疲劳，从而会使这些部件的使用寿命相对缩短。这种恒速恒频风力发电技术在上个世纪80到90年代的丹麦得到了广泛应用。我国的600千瓦和750千瓦的风电机组中也应用着这种风力发电系统。

对变速恒频的风力发电体系，它的速率可以按照外界的风速来进行变化，角速度随风速大小而改变。因为角速度可以随着外界的风速而改变，所以可以实现最大功率点的跟踪，提高了风能的利用率。与此同时，通过一定的技术手段对所输出的频率进行控制，就可以实现恒频的目标。

风速增加时，部分风能被风机吸收并作为动能储存。这样就有效降低了因破坏性机械应力的存在而导致的机械装置的损耗。众所周知，风能是自然中随机性较强的资源，变速恒频的风力发电系统能够有效地缓冲风轮转速上升与下降所带来地冲击。因此，就稳定性与风电体系运行的安全性的角度来看，变速恒频要优于恒速恒频。

采用改变发电机的励磁电流或者调节桨距角都可以实现变速恒频发电体系的速度改变。与定距单元相比，变桨距单元具有较好的输出功率稳定性和起动特性，并且叶片力相对较小。同时，当风速超过切割风速时，还可以通过调整桨距角来避免风力涡轮机的损坏，从而提高风力涡轮机的使用寿命。变速恒频风力发电体系在现如今的风力发电领域被应用广泛。

变速恒频发电系统主要包括直驱型风力发电系统与双馈型风力发电系统。直驱型风力发电系统无需齿轮箱，没有滑环和电刷装置，因此故障率低，维护成本小[2]。但是，由于永磁体具有高温退磁的特点，且永磁体的成本较高，所需要的散热装置要求很高。双馈型风力发电系统，可以根据风速的不同，能够工作在欠同步，同步以及超同步的状态，与直驱型风力发电体系相比，其所需要的变换器容量相对较小，可以大幅降低成本。

双馈型发电体系技术成熟，且有其独特的优点:

1.宽调速范围；

2.有功功率和无功功率的解耦控制；

3.励磁变换器的容量小；

4.能够安全快速的柔性并网。

因为具备上述特点，双馈风力发电机（DFIG）已成为世界上主流的风力涡轮机，具有较好的市场。

双馈风力发电系统负序参数控制的研究现状

电力系统中的不对称故障比对称故障发生的机率更大，危害也更为严重。在DFIG控制系统设计中，如果不考虑电压不平衡而导致的负序分量，传统的控制策略将会失效，整个风电系统将会陷入极不平衡的状态，定子和转子绕组因为电流的不平衡而会产生不均匀地发热，与此同时，电磁转矩也同样会发生脉动。现如今，有许多文献都对在电网不平衡故障下的负序分量控制提出了控制策略，来消除负序分量所带来的影响。

在电网发生不平衡故障的情况下，要想提高双馈风力发电系统的运行能力，其核心是对网侧变换器与转子侧变换器进行控制，确保风力发电系统中输出的电流没有负序分量。传统的控制策略，即在正转的dq0同步速旋转的坐标系中，通过比例积分调节器，即PI调节器来对电流进行控制。

传统的控制策略没有考虑将系统中出现的负序分量进行分离，单独进行控制，这种控制策略将不适用于负序分量的存在。因为比例积分调节器只有对于直流成分才能够实现无静差的跟踪控制。当不平衡电网中存在有两倍电网频率的负序分量时，传统的针对网侧和转子侧变换器的控制就会失效。

对于负序分量的控制，一般而言就是对不平衡系统中的正序分量和负序分量进行解耦，然后利用比例积分控制器分别对它们进行控制。除了这种对负序分量的控制方法，还有在正序分量的同步旋转坐标dq轴上直接添加两个补偿器到比例积分控制器上。为了消除双馈风力发电机中的负序分量，也可以进行励磁强化措施。这种方法以双馈电机暂态过程为依据，采用“主动消磁”的控制策略来抵消负序磁链。

文献[3]-[5]提出了一种在电网不平衡故障下的主、辅电流控制器的策略，主要思想是在正序旋转同步坐标系下使用传统的解耦控制方法，而在负序旋转同步坐标系下用辅助控制器来调节负序转子电流。另外，还有文献[6]-[8]提出了采用串联网侧变换器来注入电压的负序分量以达到使定子电压对称的目的，但是该方法增加了硬件成本。

双馈风力发电系统的变换器结构

双馈风力发电系统的励磁变换器一般而言，主要包括交交变换器，矩阵式变换器，双PWM变换器等。作为双馈异步风力发电机的励磁变换器，需要满足一定的要求。

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