摘 要

随着能源的日益减少和人们节能环保意识的提高，新能源发电的发展已成为不可阻挡的趋势。风电作为一种可再生绿色能源，已得到各国高度重视，成为能源发展战略中一个不可缺少的部分。而双馈风机是风力发电系统常用的电机之一。由于在实际运行过程中，风电场常常接入在远离负荷中心，电网强度较弱的地区。风机在这样的环境下有可能失去稳定，故有必要研究双馈风机在弱电网条件下的稳定性。

本文主要研究目标双馈风机在弱电网条件下的稳定性。首先研究双馈风机的基本工作原理，建立双馈风机在abc坐标系下的数学模型。然后利用坐标变换，得到dq轴坐标系下的数学模型。依据dq轴坐标系下的数学模型，提出了一种网侧变换器采用电网电压定向，转子侧变换器采用定子磁链定向的矢量控制策略。并根据提出的控制策略建立了双馈风机小信号模型，得到双馈风机的等效阻抗。根据双馈风机的等效阻抗，将双馈风机发电系统等效为风机为理想电流源并联阻抗，电网为理想电压源串联阻抗的电路模型。依照电路模型，根据广义奈奎斯特稳定判据绘制了双馈风机发电系统在不同电网强度情况下的奈奎斯特曲线，得到了电网强度越弱，双馈风机系统越不稳定的结论。最后在MATLAB中进行仿真，作出不同电网强度下双馈风机时域仿真波形，验证了结论。

关键词：双馈风机 阻抗分析法 交流励磁变换器 矢量控制

Abstract

With the decrease of energy and the improvement of people's awareness of energy conservation and environmental protection, the development of new energy power generation has become an irresistible trend. As a kind of renewable green energy, wind power has been attached great importance to by all countries and has become an indispensable part of the energy development strategy. DFIG is one of the common motors in wind power system. In practice, wind farms are often connected to areas far away from load centers and where the power grid is weak. It is necessary to study the stability of the doubly-fed fan under the condition of weak power grid to solve this problem.

This paper mainly studies the stability of the target doubly-fed fan under the condition of weak power grid. Therefore, the basic working principle of the doubly-fed fan is first studied, and the mathematical model of the doubly-fed fan in the three-phase static coordinate system is established. Then according to the coordinate transformation, the mathematical model under the coordinate system of dq axis is obtained. According to the mathematical model of dq axis coordinate system, a vector control strategy of grid side voltage orientation and rotor side stator flux orientation is proposed.Then a small signal model of doubly-fed fan is established according to the proposed control strategy, and the equivalent impedance of doubly-fed fan is obtained.According to the equivalent impedance of the doubly-fed fan, the doubly-fed fan power generation system is equivalent to the circuit model in which the fan is the ideal current source parallel impedance and the power grid is the ideal voltage source series impedance. According to the circuit model and the generalized Nyquist stability criterion, the Nyquist curves of the DGIG power generation system under different grid strengths are drawn, and the conclusion that the weaker the grid strength is, the more unstable the DFIG power generation system is.Finally, the simulation results in MATLAB are given to verify the simulation waveform of doubly-fed fan in time domain under different power grid strengths.

Key Words：Doubly-fed fan Impedance analysis Ac excitation converter Vector control

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

第二章 双馈风机的工作原理以及控制策略 4

2.1 双馈风机基本工作原理 4

2.2 双馈风机的数学模型和控制策略 5

2.2.1 双馈风机在三相静止坐标系下的数学模型 5

2.2.2双馈风机在两相旋转坐标系下的数学模型 6

2.2.3 网侧变换器控制策略 8

2.2.4 转子侧变换器控制策略 12

2.3 本章小结 14

第三章 双馈风机的阻抗建模 15

3.1 引言 15

3.2 双馈风机的小信号建模 15

3.2.1 转子侧变换器小信号模型 15

3.2.2 网侧变换器以及网侧滤波器小信号模型 19

3.2.3 直流电容环节小信号模型 20

3.2.4 完整小信号模型 22

3.3 本章小结 23

第四章 弱电网条件下的稳定性分析 24

4.1 引言 24

4.2 基于等效导纳模型的稳定性分析 24

4.3本章小结 30

第五章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

随着人类科技的不断进步，人类社会对能源的利用也逐步增多。能源技术的发展与进步促进了人类生产力的大幅进步，也极大的改变了人类的生活方式。目前，人类最常用的能源依旧是化石能源。这些由过去生物遗骸在漫长地质变化下形成能源虽然丰富，但因其产生周期漫长对于人类而言不可再生且在人类指数爆炸式人口增长下带来的能源需求面前已经捉襟见肘。根据联合国能源报告，目前的能源消耗率和预期的加速速度表明，剩余的化石能源将在170年左右耗尽。与化石能源即将枯竭相对应的，是人类再利用化石能源的技术手段依旧不足。人们对化石能源的利用率不足，且在生产过程中不仅造成了大量的能源浪费，还严重破坏了地球自然环境，给人们日常生活带来了很大的不便。如目前中国北部冬季的雾霾天气等。在面对化石能源即将枯竭，而人类社会发展不可停止的矛盾，寻找新的可代替化石能源的可再生能源已经成为大势所趋。

在这样的基础下，风能，作为自然界易于获取且明显可再生的能源进入了人类的视野。第一：在储量方面，全世界风能量约为1300亿KW，其中可开发利用的风能储量达200亿KW。风能的大储量和其明显的可再生特性使得其成为人类良好的新能源。第二：在环境保护方面，风力发电作为物理发电的一种形式，在整个发电过程中不会产生利用煤炭等化学发电方式产生的有毒有害气体，细小颗粒物和粉尘等污染源。是一种完全清洁的能源。第三：在经济与技术方面，风电场建设工期短，建造成本低，可快速并网使用，缓解地区电力危机，对选址要求相对水电较低。风力发电也具有明显价格优势，目前风电的价格基本和火电价格相当，而随着发电技术，电网调度能力的进一步上升，风电的价格将持续降低，总体而言，风能将会成为人类将来代替化石能源的替代能源之一。