摘 要

随着能源及环境问题的日趋严重，风力发电成为目前可再生能源中技术成熟程度、规模化开发程度和商业化程度最高的发电方式。本文围绕风电系统中的双馈电机及其控制部分展开了理论和仿真研究。本文主要研究内容如下：

1.简要介绍双馈电机的结构并建立了理想条件下的双馈电机的数学模型，为后文控制部分的设计提供理论支持。

2.研究了双馈发电系统的转子侧换流器以及网侧换流器的矢量控制策略。详细研究了转子侧换流器基于不同电流内环、控制外环的控制策略，并依照其特点设计了不同最大风能跟踪控制策略。

3.搭建了简易的远距离风力发电输电网络模型，对双馈风机及输电网络各项参数动态特性进行仿真分析。

关键词：风力发电；双馈风机；建模；矢量控制；动态分析

Abstract

With the energy and environment problems becoming more and more serious, wind power generation has become the most mature generation mode of renewable energy resources, such as mature technology, large-scale development and commercialization. In this paper, the theory and Simulation of doubly fed induction generator (DFIG) and its control part in wind power system are studied. The main contents of this paper are as follows:

1. the structure of doubly fed machine is introduced briefly, and the mathematical model of doubly fed machine under ideal conditions is established, which provides theoretical support for the design of the control section.

2. the rotor side converter and the vector control strategy of the grid side converter are studied in doubly fed generator system. The control strategy of rotor side converter based on different current inner loop and outer loop control is studied in detail, and different maximum wind energy tracking control strategies are designed according to its characteristics.

3. a simple model of long distance wind power grid is built, and the dynamic characteristics of the parameters of DFIG and grid are simulated and analyzed.

Key words: wind power generation;DFIG; modeling; vector control; dynamic analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析及项目背景资料 1

1.2.1 风电发展历史 1

1.2.2 国内外风电发展现状 2

1.2.3风力发电机组的类型和构成 4

1.3 本文研究内容及思路 4

第2章 双馈异步风力发电机的结构及运行原理 6

2.1引言 6

2.2双馈风机的基本结构 6

2.3双馈风机的工作原理 7

2.4 双馈感应电机功率特性分析 8

2.4.1超同步运行状态 8

2.4.2亚同步运行状态 9

第3章 双馈异步风力发电机的建模 10

3.1引言 10

3.2双馈发电机（DFIG）的数学模型 10

3.2.1三相静止坐标系下的数学模型 10

3.2.2两相同步旋转坐标系下的数学模型 12

3.3 PWM换流器的数学模型 13

3.3.1网侧变流器数学模型 13

3.3.2双PWM变流器直流环节数学模型 16

第4章 双馈异步风力发电机的控制策略设计 18

4.1引言 18

4.2转子侧换流器双闭环控制策略 18

4.2.1基于定子磁链定向的电流内环控制策略 18

4.2.2基于定子电压定向的电流内环控制策略 19

4.2.3转速外环控制模式的设计 21

4.2.4功率外环控制模式的设计 22

4.2.5风能最大跟踪控制方法 23

4.3网侧换流器的控制策略 27

4.3.1电流内环设计 28

4.3.2电压外环设计 28

4.3.3软件锁相环（PLL） 29

4.4 双馈风机系统系统稳定性研究 30

第5章 双馈异步风力发电机的动态特性仿真 33

5.1仿真软件及基本参数介绍 33

5.2风速突变下的风机稳定性分析 33

5.3电网扰动下的风机稳定性分析 35

5.3.1 120kv远距离电网故障给双馈风机带来的影响 35

5.3.2 25kv电网单相接地短路对双馈风机运行的影响 36

第6章 总结与展望 39

6.1 总结 39

6.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

1.1背景及意义

风能由太阳能转化而来，由太阳照射地球表面导致不同地区温差不同，致使空气流动而产生的。风能资源分布广泛，总量十分可观。近年来风力发电一直保持着世界增长最快能源地位。丹麦到2020年和2050年风力发电比例计划将提高到42%和100%；欧盟的总体目标则是在2020年和2050年由风力发电分别提供17.5%和50%的电力；美国的目标是到2030年风力发电占电力供应的30%。未来欧美地区如此高的风力发电渗透率势必对其电网的稳定运行提出严峻的挑战。目前我国风力发电总装机容量为世界第一，到2020年和2050年，中国风电装机容量将分别达到200GW和1000GW，发电量占总发电量比例也十分可观^[1]。

风能的巨大潜力使其在世界未来能源中扮演重要角色。风力发电技术已经达到了非常可靠和先进的水平，而且随着风电成本逐渐降低，将使风能可以与传统的化石燃料发电技术竞争。随着风电比例的增加，其间断性、随机性等固有特点对电网运行的影响日益显著。尽管我国风力发电量比重低于欧美国家，但由于我国风电主要集中在三北地区的风电基地，“大规模-高集中-高电压-远距离传输”的模式使得风电并网问题更加突出。