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1、三峡大学硕士学位论文基于PSCAD/EMTDC变速恒频双馈风力发电机组运行及特性分析姓名：徐园申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：王斌20080401II 内 容 摘 要 风能作为一种可再生的清洁能源日益受到世界各国的广泛重视， 风力发电快速发展已有将近 20 年的历史，其中基于变速恒频技术的双馈感应风力发电机已经是风力发电中的一大重点课题。 本文主要对变速恒频双馈风力发电机组的基础理论及其运行和控制进行了研究和分析，具体包括以下几个方面的内容： 1）作为研究工作的基础，首先介绍了双馈风力发电系统的基础理论，明确了系统各组成部分的功能和控制系统的最终任务。 2）针对变速恒频双馈
2、风力发电机组中转子侧变换器和电网侧变换器控制目标的要求， 应用矢量控制原理实现了发电机交流励磁控制系统以及网侧变换器矢量控制系统。转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术，在分析双馈电机数学模型的基础上，推导出了用转子有功电流和无功电流独立解耦控制有功功率和无功功率的策略，并把滞环电流控制技术引入到转子侧电压源控制器的调制中，简化了控制过程，提高了系统动态响应性能。网侧变换器采用电网电压定向矢量控制技术，根据 PWM 变换器的数学模型，构建了电流内环、电压外环的双闭环 PI 控制系统。 3）应用设计完成的控制系统，以 PSCAD/EMTDC 为仿真平台，在其已有模型的基础上建立了变速恒频双馈风
3、力发电系统的仿真模型， 将该模型通过双回输电线路接入无穷大电网， 对整个系统在风速扰动和系统侧扰动两种情况下的运行特性进行了仿真分析。仿真结果说明了在不同风况下，本文设计的变速恒频双馈风力发电控制系统均能够很好地完成最大风能追踪、功率解耦控制、励磁电源稳定的任务，即使在最不利的随机风扰动下，系统也能保持稳定，满足了风力发电系统的控制要求，验证了控制系统的正确性和有效性。另外在系统侧发生小值瞬态故障电网电压瞬间跌落的情况下，一旦故障清除，在控制系统的作用下，双馈电机能重新建立起机端电压，经过短暂的过渡过程风电系统能很快恢复到正常稳定运行状态。 关键词：变速恒频关键词：变速恒频 双馈感应电机双馈感
4、应电机 风力发电风力发电 矢量控制矢量控制 电网故障电网故障 III Abstract Wind energy as a renewable and clean energy have been paid more and more attention all over the world. It began development in high rate 20 years before. It is a fact that the doubly fed induction variable-speed constant-frequency generator （VSCF-DFIG）for
5、wind turbines system is a main subject in the wind electric power generator schemes. The thesis mainly researches on the basic theory and the operation and control of VSCF-DFIG. The contents of this paper are as follows: 1） As a basis of the study, the related theories of VSCF-DFIG were introduced f
6、irstly in order to realize the functions of wind turbine components and the ultimate task of the control system. 2） Aiming to the control objectives of rotor-side converter and grid-side converter, the generator excitation control system and grid-side converter vector control system were carried out
7、 by using vector control principle. In order to realize decoupled control of DFIG active and reactive power, the stator flux oriented vector control technique was applied to DFIG control. A control strategy was derived based on the analysis of the mathematical model of DFIG. Meanwhile, hysteretic cu
8、rrent control technology was introduced into the modulate of rotor side converter to simplify the control process and improve the dynamic response of the system performance. On the other hand, voltage and current double-closed-loop PI control scheme by adopting grid voltage directional vector contro
9、l technology was developed based on the analysis of the mathematical model of PWM converter. 3）According to the designed control system, the simulation model of VSCF-DFIG was established on the platform of PSCAD/EMTDC on the basis of existing wind turbine models in the model library of it. Based on
10、the wind turbine model, the simulation study of the operating performance of the wind turbine under the wind disturbance and system side disturbance was carried out. Simulation results show that in different wind conditions, the control schemes of the DFIG are able to accomplish the task of capturin
11、g the maxim, decoupling control wind power and stabling the excitation; the system can remain stability even in the most adverse random wind disturbance which meet the requirements of the VSCF-DFIG, validating the proposed strategy. Besides, the simulation results demonstrate how the control schemes
12、 effectively manage to restore the wind turbines normal operation after the clearance of an external short-circuit fault when the post fault situation is not IV serious enough to trigger the protection devices in the rotor circuit. Key words: VSCF DFIG wind power generation vector control grid fault
13、I 三峡大学学位论文原创性声明 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后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 11 绪论 1.1 选题背景与意义 中国经济持续发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突出。综合考虑资源、技术、经济、环保各因素，利用可再生能源如风能，作为未来最重要的替代能源之一，可望缓解我国能源和电力短缺问题。目前，单机容量 600
14、 千瓦左右的风电机组已达到商业化生产水平， 成为当前世界风力发电的主力机型。风电机组中所采用的发电机主要为同步发电机和异步发电机，其工作方式主要为恒速恒频，一个显著的缺点就是对风能的利用率不高，而且风力机主轴、齿轮箱和发电机等部件上会产生很大的机械应力，即使采用变速恒频工作方式，可解决恒速恒频运行方式中存在的问题，但由于变频器在发电机定子侧，因此变频器的容量必须与发电机的容量相等，这将导致变频器体积大、重量大，系统成本昂贵等新问题的出现。 为解决上述常规风力发电系统中存在的问题， 一种由交流励磁的双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统被提出。系统控制方案的实施是在发电机转子回路实现的，流过转子回
15、路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率， 该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，而且可以双向流动。因此，和转子绕组相连的励磁变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，这大大降低了变频器的体积和重量，并提高了系统效率。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接，从而一举解决了常规风力发电系统中存在的诸多问题。基于上述优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势12。本课题正
16、是在目前国内外常规能源和电力紧缺这样一种大环境背景下提出的，并以双馈发电机为研究对象，对由其构成的风力发电系统及其相关的控制技术进行研究。 与固定转速风电机组相比， 变速风电机组虽然在能量转换效率和并网特性上都有了很大的改善，但是归根到底其仍然是以自然风作为原动力，而自然风的随机性与不可控性也必然导致风电机组的出力难以预测与控制。换言之，对于电力系统来说采用变速风电机组的并网风电场仍然是个不稳定的间歇性电源，因此，如何准确模拟变速风电机组的特性，并采取措施尽量抑制其对电网造成的消极影响，就成为了风电机组设计和制造当中必须进行的一项研究工作。另外，作为一种并网运行的电源，在进行风电场接入电力系统的规划与设计时也必须针对所接入电力系统的具体特性， 分析风电场并网运行后可能带来的影响。 由上可见， 建立具有相当精确度的变速风电机组模型是分析并网风电场运行特性2的关键，在此基础上，可以较准确的评价风电场与电力系统之间的相互影响，为风电场接入电力系统规划与运行提供科学依据，从而
