摘 要

随着人们对新能源发电尤其是风力发电的需求。不同于传统输电方式，具有多种优点的柔性直流输电方式进入了人们的视野。在柔性直流输电系统中，有功功率和无功功率可以自由独立控制，能量的流动方向，可以按需求操控。因此，研究柔性直流输电技术的控制策略具有重大意义。

本文详细介绍了双馈风机和柔性直流输电系统的工作原理，并分别在ABC三相坐标系下和旋转dq坐标系下建立了了双馈风机的模型和柔性直流输电系统的数学模型。双馈风机是基于定子电压矢量定向的控制方法。对定子侧和电网侧基于不同需求分别设计了定子侧变流器和电网侧变流器。柔性直流输电系统中采用双PI闭环的控制策略，外环可以是功率环也可以是电压环，内环均为电流环。按照三种需求情况设计了柔性直流输电系统外环的工作方式。对变流站的控制信号由脉宽调制技术得到，并分析了常见的两种脉宽调制技术的优缺点。

本文在MATLAB/SIMULINK平台上搭建风机模型，和双端柔性直流输电系统模型，将它们并网连接后进行稳定性仿真分析，在风速变化和发生短路故障的情况下观察各个参数的变化情况，观察系统稳定性，得出分析结论，并提供一些理论可行的解决措施。

关键词:双馈风机发电机组；柔性直流输电系统；控制策略；仿真分析；系统稳定性分析

Abstract

With people's demand for new energy generation, especially wind power generation.Different from the traditional transmission mode, the flexible HVDC transmission mode with many advantages has entered people's field of vision.In the FHVDC system, active power and reactive power can be freely and independently controlled, and the flow direction of energy can be controlled according to the demand.Therefore, it is of great significance to study the control strategy of FHVDC technology.

This paper introduces the working principle of doubly-fed fan and FHVDC system in detail, and establishes the doubly-fed fan model and the mathematical model of FHVDC system respectively in ABC three-phase coordinate system and rotating dq coordinate system.The doubly-fed fan is a control method based on stator voltage vector orientation.The stator side converter and grid side converter are designed according to different requirements.The double PI closed-loop control strategy is adopted in the FHVDC system. The outer loop can be a power loop or a voltage loop, and the inner loop is a current loop.According to three kinds of requirements, the working mode of external loop of FHVDC system is designed.The control signal of converter station is obtained by pulse width modulation (PWM) technology.

Based on the MATLAB/SIMULINK platform structures, fan model, the flexible HVDC system model and double end, parallel connections between them after stability simulation analysis, in the case of the change of wind speed and the short-circuit failure to observe the change of each parameter, to observe the stability of the system, the analysis conclusion, and provide some theoretical feasible solutions.

Keywords: doubly-fed fan generator set;Flexible direct current transmission system;Control strategy;Simulation analysis;System stability analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1风力发电现状 1

1.2柔性直流输电发展现状 1

第2章 双馈风机的结构原理和数学模型 3

2.1双馈风机运行原理 3

2.1.1双馈风机结构 3

2.1.2双馈交流励磁发电机工作原理 3

2.2双馈发电机数学模型 4

2.2.1三相ABC坐标系下双馈电机数学模型： 4

2.2.2坐标变换 6

2.2.3 dq坐标系下双馈电机数学模型 7

2.3功率控制 8

2.3.1定子侧变流器控制策略 8

2.3.2电网侧变流器控制策略 10

第3章 柔性直流输电系统工作原理与数学模型 13

3.1柔性直流输电系统介绍 13

3.1.1柔性直流输电系统的构成 13

3.1.2柔性直流输电系统背景介绍 13

3.1.3柔性直流输电系统拓扑形式 14

3.2柔性直流输电系统控制策略 15

3.2.1脉宽调制技术 16

3.2.2柔性直流输电基本原理 17

3.3柔性直流输电系统换流器数学模型 17

3.3.1三相ABC坐标系下柔性直流输电系统变流器数学模型 17

3.3.2dq坐标系下柔性直流输电系统变流器的数学模型 18

3.4换流器的设计 19

3.4.1换流器外环设计 19

3.4.2换流器内环设计 21

第4章 风电经柔性直流输电系统送出仿真分析 22

4.1风机接入柔性直流输电系统的模型 22

4.2风速变化对风机输出的影响 22

4.2.1风速变化对风机输出有功功率的影响 22

4.2.2风速变化对风机输出无功功率的影响 23

4.2.3风速变化对风机侧电压的影响 24

4.2.4风速变化对风机侧电流的影响 25

4.3交流侧短路故障对风机和柔性直流系统的影响及对比分析 25

4.3.1短路故障对风机输出的影响 26

4.3.2短路故障对柔性直流输电系统靠近风机侧的影响 27

4.3.3短路故障对柔性直流输电系统远离风机侧的影响 29

第5章 结论 32

5.1全文总结 32

5.2工作展望 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1风力发电现状

随着能源的战略需求，全球风电技术发展比较快，装机容量逐渐升高，发电成本降低，可靠性大大提高。风电中主要发展是美国欧洲亚洲，其中欧洲地区发展速度最快，装机容量最大的是欧洲。欧洲总装机容量占全球风电总装机容量的一半，并且增长速度很快。在中国等亚洲国家的发展风电速度也很迅猛。在之后的几年，全球风电容量中，由欧洲遥遥领先变成了美国，欧洲，亚洲三足鼎立的格局，并且之后中国经历爆发式增长，装机总容量排世界第一，成为最大的风电市场。截至2012年，全世界累计装机容量，中国占26.7%，排世界第一，前五名名次依次是美国21.2%，德国11.4%，西班牙8.1%，印度6.5%。我国海上风电发展比较迅猛。比如甘肃酒泉百万千瓦级基地，酒泉一期目前总容量为380万已并网发电，酒泉二期已核准在建300万千瓦。风力发电可以提供许多就业岗位，保护生态环境，对中国能源结构调整有重要意义。

在目前，主要的控制方法有MPPT算法和变速变桨距恒频发电。主要发电系统有双馈异步发电机和永磁式电机两种。双馈异步发电机可以在风速变化情况下调节发电机组转速，使风机运行在较高转换效率下。本文将已双馈电机作为风力发电系统的发电方式。

风能清洁可再生且经济，4美分一度的风电以及成为各式各样新能源的主力。风机技术逐渐成熟，4MW以下的风机技术已经完全成熟，更高功率的大型发电机还在研究阶段.。风电这种清洁能源需要政府的投资与支持。中国政府对风能大力支持，通过补贴电网和风力发电公司，使其加大资金投入，研究先进技术和设备，大幅度降低风电成本。

1.2柔性直流输电发展现状

从上世纪50年代开始，高压直流输电技术广为人知。在远距离大容量供电，电缆传输等领域获得应用的很多。现在电网需要更高的要求实现现代电网的发展。举例来说，高压直流输电大量无功功率会被消耗，无功补偿设备必须投入到实际生产当中；传统高压直流输电由外部电网提供换相电压，外部电网必须要有足够的短路容量，向弱交流系统送电就受到了限制；不仅如此，从投资角度来说的话，传统高店直流输电在传输容量大，输送距离远的情况下比较便宜。因为传统高压直流输电是由半控型器件晶间管组成的相换流器，所以直流输电技术在电网中的进一步应用由于劣势被限制了。

以IGBT为代表的全控型电力电子器件的全面发展，SPWM脉冲宽度调制技术为代表的控制手段的不断成熟，使得采用电压源型换流器的柔性直流输电技术具有了实际应用性。在1998年世界首条柔性直流输电工程投运营，柔性直流输电技术依赖其自身所具有的种种科技优势。在现代电力系统的发展过程中显示出了强大的活力，对其基本理论和工程实际运用的研究也越来越成为电气工程专业的热门研究方向。为了研究柔性直流输电换流器控制策略，设计了一种新型的控制策略，并通过仿真实现了所提出控制策略的有效性。

传统输电技术弊端突出，柔性直流输电具有很多优点。柔性直流输电依赖电压源换流器，有效控制有功功率和无功功率，可以改变输电网潮流分布，降低波动震荡对电网的影响，提高供电稳定性，并且操作快速。不仅如此，直流输电技术可以传送更大容量和更远距离。传统输电对敏感性负荷无法满足，在大负荷条件下容易波动，电压损耗大，效率不高，设备无法小型化。

随着科技的不断进步，从1997年第一个柔性直流输电示范工程开始试验运行，截至2016年，世界上己建造柔性直流输电工程26项，正在建设12项; 2008年中国第一个大型海上风电项目上海东海大桥风电场建成，目前国内已经完成并成功运行柔性直流工程项目共6项，正在实际施工中的有2项：分别是800KV特高压直流输电工程和1000KV特高压示范工程。我国在大容量变压器，大功率电力电子等方面在国家电网已经有很多应用。在十二五规划中：到2015年，将投产锡盟-江苏、山西-江苏、上海庙-山东、蒙西-湖北等16条特高压直流输电线路。7条直流馈入广东的总容量为27200MW，占广东省总负荷的23%。在规划中，2020年将达到南方电网直流规模16倍，总容量为 59700MW，其中馈入广东容量达到43300MW。还有南汇工程已经开始运营，上海南汇工程输送有功功率20MW，额定电压30KV，变压站34KV。这是我国在大功率输电的一项重大创新成果。它将海上风电场输送出来。舟山适合风力发电，而舟山直流工程是建造多端柔性直流输电工程，保证舟山地区的供电负荷需求鲁西工程，厦门工程在不久的将来也会开工。

我国电网发展迅速，但与其它国家对比，在技术瓶颈上需要借鉴发达国家的经验，为了使中国在柔性直流技术中保持先进地位，必须突破现有技术，实现自主创新，攻克科技难关。

第2章 双馈风机的结构原理和数学模型

2.1双馈风机运行原理

2.1.1双馈风机结构

图2.1风力发电控制系统

风力发电基本原理是通过把空气运动的风能转换为叶片旋转的机械能，再把机械能通过电机转化为电能。风力发电控制系统采用双馈异步发电机DFIG（Doubly Fed Induction Generator），双馈发电机在电力电子变换中发挥着越来越重要的作用。双馈发电机定子绕组和转子绕组都是绕线式绕组，与异步发电机构造相同。它可以运行在同步状态，次同步状态和超同步状态，变速范围大，实现最大风能捕获。其原理如图2.1所示。它由风力机，机舱，传动链，基座，搭架，双馈异步发电机，监测系统，控制系统，PWM变流器和变压器组成。风机将风能转化为三相相电能再通过整流滤波变为直流电，经过PWM逆变换后给交流测供电。要提高发电效率，需要追踪叶片转速。

所谓双馈就是指风力发电机的转子和定子都参与励磁，定子侧直接与三相电网相连，转子侧经AC-DC-AC交直交变换后连接三相电网。风力的作用使风力机叶片旋转，但是转速较慢，经传动链变速后可达到较快速度，使风力机达到最佳叶尖速比。为了达到变速恒频发电的效果，必须通过控制转子侧的频率和相位。定子侧直接向三相电网输出功率，转子侧通过变流器解耦和矢量控制，控制向电网输出有功功率和无功功率。转子侧变流器通过改变转子侧励磁电流的频率、幅值、相位实现励磁，保证励磁电流功率因素和波形等满足条件。

2.1.2双馈交流励磁发电机工作原理

定子频率即电网频率为极对数为p，三相电流在绕组中产生同步旋转磁场，同步转速为 ，转子本身的旋转转速为n，转子旋转磁场转速为。转子通入频率为三相交流电所产生的转子旋转磁场转速与转子本身的旋转转速n叠加就等于同步转速即。

同步转速：

（2.1）

转子旋转磁场转速：

（2.2）

不变时也不变，由于转差率，所以 ，因此电机转速n变化时，只要保证s不变即可实现变速恒频发电。

2.2双馈发电机数学模型

建立双馈电机数学模型需要一定假设，电机为理想电机，定子电流流出为正，转子电流流入为正：

1.空间谐波忽略不计，定子转子均为对称绕组且相差，绕组产生的磁势沿气隙均匀且按正弦规律分布分布。

2.忽略磁饱和铁损耗。

3.忽略频率，温度对绕组变化的影响。

4.转子绕组折算到定子侧后，定子绕组转子绕组匝数相等。

在进行矢量折算时，必须保持功率幅值大小不变，才能进行坐标变换。

2.2.1三相ABC坐标系下双馈电机数学模型：

三相定子绕组的电压方程为:

（2.3）

三相转子绕组的电压方程为:

（2.4）

其中，、、、、、分别为定转子相电压的瞬时值；、、、、、分别为定转子相电流的瞬时值；、分别为定转子三相等效绕组的阻值。 ,、分别为定,转子磁链dq轴分量。

磁链方程：

（2.5）

其中，公式中：

（2.6）

机械运动方程：

（2.7）

是风机的转矩，是双馈电机的电磁转矩，为旋转阻力系数， J是电机的转动惯量，一般来说可以忽略阻力系数。

2.2.2坐标变换

要将三相电流在三相旋转坐标系下变到两相旋转坐标系下，需要先将三相坐标系ABC变为静止坐标系坐标系，再变为旋转的dq坐标系。

首先把ABC坐标系变换到静止坐标系，以电流为例，将变换写成矩阵的形式：

（2.8）

再把静止坐标系变换到动态dq坐标系，设两相旋转坐标系d轴与三相坐标系A轴夹角为，则可得矩阵：

（2.9）

将上面2个矩阵整合可得三相静止ABC坐标系到旋转dq坐标系变换矩阵为：

（2.10）

它的逆变换式为：

（2.11）

此变换式电压，电流，磁链均满足此变换，因此需要把三相坐标系下的电压，电流，磁链均变换到dq坐标系下，以定子电压为例，变换式为：

(2.12)

2.2.3 dq坐标系下双馈电机数学模型

电压方程：

(2.13)

磁链方程：

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