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，会因为风速等多种因素影响导致风电场发出电的电能质量不高，严重时会影响整个电力系统，所以研究双馈风力发电系统的并网稳定性问题是非常有必要的。

本文主要研究了双馈风机的并网稳定性问题，首先阐述了当前风力发电的发展现状，然后介绍了不同类型风机的结构类型，风机的并网运行方式以及控制策略，建立了双馈风机的数学模型，研究了双馈风机在不同坐标系下的数学模型以及其电压和功率特性。并根据其功率特性的分析，阐述了其功率的流动关系以及对电压的影响。最后，本文主要对风速以及短路故障问题对整个风力发电过程进行了仿真，研究了在风速变化和不同类型的短路故障时的双馈风机并网稳定性。

关键词：双馈风机 并网稳定性 风速 短路故障

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 renewable green energy power, wind power has been highly valued by many countries and has become an indispensable part of the energy development . The doubly-fed wind turbine is one of the most commonly used motors in wind power generation systems. Because of the influence of various factors such as wind speed in actual operation, the power quality of the wind farm ’s electricity is not high, and it will affect the entire power system in severe cases. So, it is necessary to study the grid-connected stability of doubly-fed wind power system.

This paper mainly studies the grid-connected stability of DFIG. At first,it describes the current development status of wind power generation, and then introduces the structural types of different types of wind turbines, the grid-connected operation mode of wind turbines and the control strategy. Mathematical model, studied the mathematical model of doubly-fed fan in different coordinate systems and its voltage and power characteristics. According to the analysis of its power characteristics, the power flow relationship and its influence on voltage are expounded. Finally, this paper mainly simulates the entire wind power generation process on wind speed and short-circuit faults, and studies the grid-connected stability of doubly-fed wind turbines when wind speed changes and different types of short-circuit faults.

Key words: doubly-fed wind turbines;grid-connected stability;wind speed ;short-circuit faults

目 录

第1章、绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

第2章、双馈风力发电机并网的工作原理及控制策略 3

2.1风电机组的结构和类型 3

2.2双馈风机并网运行方式 6

2.3双馈风机的控制策略 7

2.3.1网侧变换器控制策略 7

2.3.2转子侧变换器控制策略 8

第3章、双馈风机的数学建模 8

3.1三相静止坐标系下的模型 9

3.2两相旋转坐标系模型 12

3.3两相旋转坐标系下的DFIG风电系统的功率表达 14

3.3.1有功功率 14

3.3.2无功功率 18

3.4风电场的电压特性 19

3.4.1有功功率对电压的影响 19

3.4.2无功功率对电压的影响 20

第4章、双馈风机并网运行系统的仿真及稳定性分析 20

4.1双馈风机并网仿真 20

4.2风速变化仿真及分析 20

4.3双馈风机短路故障仿真及分析 25

第5章、总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

目前，由于人们对传统能源的过度开采和使用，传统能源日益匮乏，环境污染日趋严重，全球向安全、可靠和环保的可持续能源体系转型迫在眉睫。风能作为一种无污染、储量巨大且可持续发展的新能源已经引起了人们的广泛关注,如果人们可以将风能最大程度的转化为电能，地球上的污染问题以及能源损耗问题都会大大得到解决^[1]。由于国家对风力发电的重视以及对新能源发电比重增加的迫切需求,我国开始投入更多的人力物力财力来发电风电行业,近年来，我国许多地区都增加了许多风电场,而且我国电力系统中风电所占比重也越来越大,渐渐的风力发电也成了电力系统中不可或缺的一部分。但是由于风能的不稳定性太高，风速的不可控以及不同地区的风能条件都不相同，风力发电始终不能作为主导发电方式应用到电网中，只能将风机与弱电网进行并网，电网的发电依然主要依赖于火力发电。因此,如何保证风电在并网运行中保持稳定，成了目前风力发电亟待解决的问题。双馈风机由于其独特的励磁方式、控制方式以及与电网的连接方式使其成为了当前应用最多的风力发电机，研究双馈风机在不稳定的风速下如何保证高的电能质量、稳定的功率输出具有重大意义，研究分析其动态特性，更有利于提高其并网稳定性^[2]。

风能与传统的煤炭石油等二次能源既有很大的区别，又不尽相同。风能作为一种自然存在的一次能源，其经济上的优势不言而喻，它不同于火电等需要考虑燃料的价格，同样还有其对环境几乎零污染的优点也使得它发展迅速。而且风能和水能一样，其在自然界的蕴含量是足够多的，而且分布广泛，且据专家统计，风能的总量比可开发利用的水能还要大10倍^[3]。虽然目前来看风能不稳定性的问题依然没有解决，但是随着科学技术的发展，这一问题迟早会被解决，在未来风力发电所占比重会越来越高，极有可能成为主导发电方式。现在来看，风力发电还有许多的问题需要解决，虽然中国风电产业规模居世界前列，但是我国在风电机组的建设上依然依赖国外进口，而且我国现在缺少这方面的专业人才，导线现在国内风电机组制造关键的设计技术依然依托欧美，风电机组的检测认证体系还不健全，缺少风力发电运行维护的经验，急需培养出高素质的风电人才来提高我国风力发电的水平。另一方面，我国风电并入电网相关技术仍不成熟。而且现在风电并网依然处于一个实验的状态，所以大部分风电场都建在了地广人稀、发展比较落后的偏远地区，只能将风电场与电网相对薄弱的地方进行并网，在许多地方其实都无法正常并网，这已经成了现阶段风电继续发展的主要问题之一。此外，人们对电能质量的要求越来越高，但是风电电能质量、稳定性等问题的存在，导致许多地区的电网不敢与风电进行并网发电。例如风电的反调峰特性恶化了电网的负荷特性，风电装机比重大的省份，系统的调峰、调频和调压已经面临了巨大压力。因此，我国依然需要投入更多的精力来发展风力发电，使风电场发出的电的电能质量更高、稳定性更高，一步步的使风电稳步健康发展。

1.2国内外研究现状

早在20世纪前期，各国的煤炭资源和水力资源还比较充足，所以大多数国家还是主要依靠水力发电和火力发电，风力发电并没有得到人们的重视。但是到了20世纪中期，随着经济的发展，人们对电能需求的增大，资源出现了短缺的问题，而且环境污染问题也日益严重，越来越多的国家开始寻求新能源发电的方法来解决当前资源短缺和环境污染的问题。于是风力发电开始逐渐得到人们的重视，许多国家都开始计划发展风力发电，我国也开始了对风力发电的研究。